Forscher der Shenzhen Institute of Advanced Technology haben einen Kunststoff entwickelt, der lebende Bakterien enthält. Werden diese Bakterien aktiviert, zersetzen sie das Material von innen heraus. Das Ergebnis ist ein vollständiger Abbau, der keine Mikroplastikrückstände hinterlässt.
Die Studie erschien in ACS Applied Polymer Materials. Sie beschreibt eine Polycaprolacton-Matrix, die mit ruhenden Sporen des gentechnisch veränderten Bacillus subtilis angereichert ist. Unter normalen Bedingungen verhält sich das Material wie herkömmlicher Kunststoff. Durch einen Auslöser werden die Sporen aktiviert.
Wie das bakterielle System funktioniert
Das Verfahren basiert auf der sequentiellen Arbeit zweier Bakterienstämme. Der erste Stamm produziert ein Enzym, das lange Polymerketten in kürzere Fragmente spaltet. Dadurch entstehen neue Angriffspunkte im gesamten Material. Ein zweites Enzym spaltet diese Fragmente anschließend von ihren Enden her. Gemeinsam beschleunigen die beiden Stämme den Abbau, bis nur noch kleine Moleküle übrig bleiben.
Dieser zweistufige Mechanismus löst ein bekanntes Problem vieler biologisch abbaubarer Kunststoffe. Herkömmliche biologisch abbaubare Kunststoffe zerfallen oft, bevor sie sich vollständig zersetzen. Diese Fragmente verbleiben als Mikroplastik in Boden und Wasser. Das Material aus Shenzhen hingegen zersetzte sich laut dem Forschungsteam vollständig, ohne solche Rückstände zu hinterlassen.
Polycaprolacton ist ein relativ leicht abbaubarer Polyester. Er findet bereits Verwendung in 3D-Druckfilamenten und resorbierbarem Nahtmaterial. Im Vergleich zu Polyethylen, Polypropylen und PET, die den globalen Kunststoffabfall dominieren, ist er jedoch deutlich weniger abbaubar. Dennoch lieferte das Experiment ein nützliches Ausgangsergebnis. Die mit Sporen versetzte Folie wies vergleichbare mechanische Eigenschaften wie herkömmliches Polycaprolacton auf. Die Zugabe lebender Bakterien schwächte das Material während seiner aktiven Phase nicht.
Die Aktivierung erfordert weiterhin Laborbedingungen.
Die Auslösebedingungen wurden streng kontrolliert. Im Experiment legten die Forscher den Kunststoff in warme Nährlösung bei etwa 50 Grad Celsius. Die Sporen wurden daraufhin aktiviert, und der Film zersetzte sich innerhalb von sechs Tagen vollständig.
Diese Bedingungen sind völlig anders als alles, was in der Natur vorkommt. Ein weggeworfenes Stück „lebenden“ Kunststoffs würde sich weder auf einer Mülldeponie noch in einem Fluss oder Komposthaufen zersetzen. Seine Aktivierung erfordert ein gezieltes Eingreifen. Diese Einschränkung begrenzt zwar kurzfristige Anwendungsmöglichkeiten, mindert aber auch ein Problem: vorzeitigen Abbau während des Gebrauchs oder der Lagerung.
Das Team entwickelte außerdem eine tragbare Elektrode aus dem organischen Kunststoff. Diese erfasste Muskelsignale eines menschlichen Arms. Nach der Aktivierung zersetzte sich die Elektrode innerhalb von etwa zwei Wochen. Die Kupferschaltung blieb intakt. Diese Trennung von abbaubarem Polymer und wiederverwertbarem Metall deutet auf einen möglichen Ansatz für den Umgang mit Einwegelektronik hin, deren Recycling derzeit durch Materialgemische erschwert wird.
Wo dies im weiteren Forschungsfeld einzuordnen ist
Die Arbeit aus Shenzhen stützt sich auf einen wachsenden Forschungsbereich der synthetischen Biologie. Eine Studie aus dem Jahr 2019 in Nature Chemical Biology zeigte, dass Sporen von Bacillus subtilis in 3D-gedruckten Materialien überleben und auf Oberflächenveränderungen wie Risse reagieren können. Neuere Forschungsergebnisse in Nature Chemical Engineering ergaben, dass auf Sporen basierende lebende Kunststoffe hohen Temperaturen und organischen Lösungsmitteln standhalten können. Diese Erkenntnis ist relevant für industrielle Verarbeitungsumgebungen, in denen herkömmliche biologisch abbaubare Materialien oft versagen.
Der Prototyp aus Shenzhen dient als Machbarkeitsnachweis. Er berücksichtigt noch nicht die Kunststoffe, die den größten Anteil des weltweiten Abfalls ausmachen. Die Skalierung des Ansatzes auf handelsübliche Polymere und die Entwicklung praktischer Aktivierungssysteme außerhalb des Labors erfordern erhebliche weitere Forschungsarbeiten.
Für Investoren und politische Entscheidungsträger, die die Plastikverschmutzung beobachten, stellt sich die Frage, ob sich die gezielte Zersetzung von Produkten zukünftig in großem Maßstab in das Produktdesign integrieren lässt. Kurzlebige Produkte sind eine Hauptursache für Umweltverschmutzung. Dazu gehören Medizinprodukte, tragbare Sensoren, Agrarfolien und Einwegverpackungen. Ein Material, das während der Nutzung stabil bleibt und sich dann auf Anweisung vollständig zersetzt, könnte die Entsorgungskosten und die Haftungsrisiken für Behörden reduzieren.
Die Forschung liefert noch keine Antwort auf diese Frage. Sie liefert jedoch Hinweise darauf, dass lebende Materialien vollständig abgebaut werden können, ihre funktionellen Eigenschaften während des Gebrauchs beibehalten und in elektronische Anwendungen integriert werden können. Jedes dieser Ergebnisse war zuvor unsicher.
Klima- und Biodiversitätsexperten haben die Mikroplastikverschmutzung schon lange als zunehmendes Umweltrisiko identifiziert. Polymerfragmente reichern sich in marinen Ökosystemen, landwirtschaftlichen Böden und menschlichem Gewebe an. Vollständiger Abbau, nicht nur Fragmentierung, ist der Standard, den Regulierungsbehörden und Forscher zunehmend fordern. Die Studie aus Shenzhen zeigt einen vielversprechenden Weg zur Erreichung dieses Ziels auf, auch wenn der Weg zur kommerziellen Anwendung noch beträchtlich ist.
