Dieser „lebende Kunststoff“ zerfällt auf Befehl – und hinterlässt kein Mikroplastik

Kunststoff ist praktisch, billig und in vielen Bereichen kaum zu ersetzen. Verpackungen schützen Lebensmittel, medizinische Materialien halten Keime fern, flexible Sensoren messen Körperdaten. Das Problem beginnt oft erst nach der Nutzung. Viele Produkte bleiben nur kurz im Einsatz, der Abfall aber über Jahre oder Jahrzehnte in der Umwelt.

Eine neue Studie im Fachjournal ACS Applied Polymer Materials wagt nun einen ungewöhnlichen Ansatz. Wie die American Chemical Society (ACS) mitteilt, haben chinesische Forscher einen Kunststoff entwickelt, der ruhende Bakteriensporen enthält.

Solange diese Sporen inaktiv bleiben, verhält sich das Material wie gewöhnlicher Kunststoff. Erst nach einem Signal beginnt der Abbau. Im Versuch zerfiel das verwendete Material innerhalb weniger Tage nahezu vollständig. Mikroplastik soll dabei nicht entstanden sein.

Kunststoff und Mikroplastik müssen nicht zwangsläufig zusammengehören

Der „lebende Kunststoff“ wächst nicht von selbst oder verändert sich unkontrolliert. Die Entwickler haben winzige, ruhende Sporen in die Kunststoffmatrix eingebaut. Diese Sporen stammen von Bacillus subtilis, einem Bakterium, das in der Forschung häufig verwendet wird.

Die Grundidee ist einfach, aber ungewöhnlich: Der Kunststoff soll während seiner Nutzung stabil bleiben. Danach soll er auf ein Signal reagieren und sich abbauen. Zhuojun Dai vom Shenzhen Institute of Advanced Technology, eine der Autorinnen der Studie, fasst die Forschungsfrage so zusammen: „Könnten wir den Abbau direkt in den Lebenszyklus des Materials einbauen?“

Damit verändert sich das Bild von Plastikmüll. Bisher ging es meist darum, Kunststoffe nach der Nutzung einzusammeln, zu sortieren und zu recyceln. Der neue Ansatz denkt das Ende des Materials schon bei der Herstellung mit: Ein Produkt soll also nicht nur eine Funktion erfüllen, sondern auch einen geplanten Abbauweg besitzen.

Zwei Enzyme zerlegen den Kunststoff in mehreren Schritten

Die Forscher arbeiteten mit Polycaprolacton, kurz PCL. Dieser Kunststoff kommt unter anderem beim 3D-Druck und bei bestimmten medizinischen Anwendungen vor. Es handelt sich also nicht um den typischen Joghurtbecher oder die PET-Flasche aus dem Alltag. Für den Versuch eignet sich PCL dennoch, weil daraus flexible Bauteile entstehen können.

Frühere Versuche mit sogenannten lebenden Kunststoffen nutzten meist nur ein Enzym oder einen einzelnen Bakterienstamm. Das Team um Dai wählte nun eine Kombination aus zwei unterschiedlich programmierten Sporen-Gemeinschaften. Jede übernimmt eine eigene Aufgabe beim Abbau.

Die Forscher nennen zwei Enzyme:

• Candida antarctica lipase schneidet lange Polymerketten an verschiedenen Stellen auf.
• Burkholderia cepacia lipase zerlegt die entstandenen Stücke weiter zu kleineren Bausteinen.

Diese Arbeitsteilung macht den Ansatz wirksamer als ein Einzelsystem. Ein Enzym öffnet die langen Ketten, das andere arbeitet die Bruchstücke weiter ab. Die Autoren in der Studie sprechen von einer „nahezu vollständigen Zersetzung der Polycaprolacton-Matrix innerhalb von sechs Tagen“.

Wärme weckt die Sporen erst nach der Nutzung

Damit der Kunststoff nicht schon während des Gebrauchs zerfällt, bleiben die Sporen zunächst inaktiv. Erst kontrollierte Wärme aktiviert sie. In der Mitteilung zur Studie ist von 50 Grad Celsius die Rede. Danach beginnen die Bakterien, ihre Enzyme freizusetzen.

Dieser Ablauf ist für mögliche Anwendungen wichtig. Ein Material mit eingebauten Mikroben hätte kaum Nutzen, wenn es schon im Regal oder während des Gebrauchs schwächer würde. „Das Einbetten dieser Zwei-Sporen-Gemeinschaften in die Polymermatrix beeinträchtigt die mechanischen Eigenschaften des Materials nicht“, heißt es in der Studie.

Der Kunststoff blieb im Versuch also nutzbar, bevor die Sporen aktiviert wurden. Erst das Signal startete den Abbau. Damit unterscheidet sich der Ansatz von vielen biologisch abbaubaren Materialien. Deren Zersetzung hängt oft stark von Umweltbedingungen ab und dauert länger.

Ohne Mikroplastik wäre der Nutzen besonders groß

Viele Menschen bringen Kunststoff mit Mikroplastik in Verbindung. Wenn Plastik altert, bricht es häufig in immer kleinere Teile. Diese Partikel landen in Böden, Flüssen und Meeren und letztendlich auch in unseren Körpern. Sie lassen sich kaum wieder entfernen. Deshalb reicht es nicht, wenn ein Material nur in kleine Stücke zerfällt.

Der neue Kunststoff soll dieses Problem umgehen. Laut ACS zerlegte das Enzym-Duo das PCL bis zu seinen Grundbausteinen. Mikroplastikpartikel seien dabei nicht entstanden. „Durch das Einbetten dieser Mikroben könnten Kunststoffe gewissermaßen ‚lebendig‘ werden und sich auf Befehl selbst zerstören, wodurch Haltbarkeit von einem Problem zu einer programmierbaren Eigenschaft wird“, sagt Dai.

Flexible Elektronik zeigt den möglichen Einsatz

Die Forscher testeten ihr Material auch als flexibles elektronisches Bauteil. Dieses konnte Signale menschlicher Muskelaktivität erfassen. Solche Messungen heißen Elektromyografie. Sie kommen etwa bei tragbaren Sensoren oder medizinischer Diagnostik vor.

Der Prototyp funktionierte zunächst wie vorgesehen. Danach zerfiel er laut Mitteilung innerhalb von zwei Wochen vollständig. Auch kleine Elektronik kann zum Umweltproblem werden. In großer Zahl tragen auch Sensoren und Elektroden zu Abfall bei.

Mögliche Einsatzfelder liegen dort, wo Produkte nur begrenzte Zeit gebraucht werden:

• tragbare Sensoren für Medizin und Sport
• flexible Elektroden für Messungen am Körper
• kurzlebige technische Bauteile aus PCL
• Verpackungen oder Einwegprodukte, falls sich der Ansatz übertragen lässt

Die Studie bezieht sich auf PCL und auf kontrollierte Bedingungen im Labor. Andere Kunststoffe brauchen eigene Tests. Auch die Aktivierung durch Wärme passt nicht zu jedem Einsatz. Für Plastikmüll in Flüssen oder Meeren wäre ein anderer Auslöser nötig.

Kunststoff ohne Mikroplastik muss sich noch im Wasser bewähren

Die Autoren arbeiten bereits an einem solchen nächsten Schritt. Künftig soll ein Auslöser entstehen, der auch im Wasser funktioniert. Das wäre relevant, weil viel Plastikmüll früher oder später in Gewässer gelangt. Erst dann ließe sich prüfen, ob der Ansatz außerhalb des Labors Bestand hat.

Die Forscher formulieren ihre Erwartungen vorsichtig. Als „mögliche Strategie zur Bekämpfung der Plastikverschmutzung durch programmierte, koordinierte biologische Systeme“ bezeichnen sie ihre Methode in der Studie. Das ist keine fertige Lösung für das weltweite Plastikproblem, aber ein technischer Vorschlag, der ein bekanntes Problem anders angeht.

Kurz zusammengefasst:

• Forscher haben einen „lebenden Kunststoff“ entwickelt, der ruhende Bakteriensporen enthält und erst nach einem Signal mit dem Abbau beginnt.
• Zwei Enzyme zerlegen den Kunststoff PCL im Versuch innerhalb von sechs Tagen nahezu vollständig; laut ACS entstand dabei kein Mikroplastik.
• Der Ansatz ist bisher ein Laborergebnis und keine fertige Lösung für Plastikmüll, könnte aber für kurzlebige Kunststoffe und flexible Elektronik wichtig werden.

Übrigens: Mikroplastik entsteht nicht nur durch zerfallenden Kunststoff, sondern schwebt auch durch Reifenabrieb, Textilfasern und Staub in der Luft. Neue Messdaten zeigen nun, dass frühere Modelle die Belastung teils massiv überschätzt haben. Mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © ACS