Wie schnell werden Kunststoffe in der Umwelt abgebaut?

Reinhart-Koselleck-Projekt der Deutschen Forschungsgemeinschaft für den Konstanzer Chemiker Stefan Mecking.

Wenn Kunststoffe in die Natur gelangen, werden sie dann biologisch abgebaut? Und falls ja, wie lange dauert das? Welche Faktoren tragen dazu bei?

Wie wichtig diese Fragen sind, machen die zunehmenden Mengen an Kunststoff-Verunreinigungen in der Umwelt deutlich. „Das Wissen dazu ist aber lückenhaft, es ist eine offene Frage“, schildert Stefan Mecking, Professor für Chemische Materialwissenschaft an der Universität Konstanz. In einem neuen Forschungsprojekt will der Chemiker nun klären, ob Kunststoffe wie Polyethylen in verschiedenen Umgebungen biologisch abgebaut werden, wie lange dieser Prozess dauert – und wie sie beschaffen sein müssen, um möglichst gut abbaubar zu sein. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert seine Forschung mit einem Reinhart-Koselleck-Projekt, einem Förderprogramm für wissenschaftliche Pionierarbeit mit einer Förderhöhe von bis zu 1,25 Mio. Euro.

Stefan Mecking setzt bei Polyethylen (PE) an – dem weltweit meisthergestellten Kunststoff. „Polyethylen ist etwas, was man zunächst als ein nicht-abbaubares Material bezeichnen würde. Polyethylen zerfällt in der Umwelt sehr langsam, über abiotische und biologische Schritte, und es gibt teils kontroverse Diskussionen dazu, welche Rolle diese spielen und wie schnell sie überhaupt ablaufen können“, so Mecking. Der Konstanzer Chemiker will eindeutige Daten dazu erheben. „Es geht uns darum, eine zuverlässige Methode zu entwickeln, um den Bio-Abbau dieses Kunststoffs quantifizieren zu können.“

Wie aber untersucht man das? Umweltverunreinigungen durch Kunststoffe werden schlussendlich durch Umwandlung bis zu Kohlendioxid abgebaut. Theoretisch könnte man also einfach die Entwicklung des Kohlendioxids verfolgen. Das Problem ist nur: Bei einem biologischen Abbauprozess wird auch in der natürlichen Umgebung Kohlendioxid freigesetzt, beispielsweise aus Böden, und es lässt sich schwer bestimmen, ob das CO2 nun vom Kunststoff oder aus dem Hintergrund stammt.

Meckings Ansatz ist folglich, das Kohlendioxid aus dem Kunststoff unterscheidbar zu machen – wie durch einen „chemischen Fingerabdruck“. Seine Arbeitsgruppe will daher Methoden entwickeln, welche spezielle Varianten von Polyethylen erzeugen, die mit stabilen Isotopen markiert sind. Diese Varianten hätten dieselben Eigenschaften wie gewöhnliches Polyethylen, aber durch die Markierung lässt sich nachvollziehen, ob das CO2 von ihnen stammt. Anhand der Menge des freigesetzten markierten Kohlendioxids lässt sich erschließen, wie schnell der Abbauprozess stattfindet.

Eine Kernfrage des Projekts wird sein, welche Faktoren die biologische Abbaubarkeit eines Kunststoffs beeinflussen. Dies berührt auch weitergehend die Frage, wie ein Kunststoff beschaffen sein sollte, um möglichst nicht über Jahrzehnte oder Jahrhunderte erhalten zu bleiben, falls er in die Umwelt gelangen sollte. Stefan Mecking blickt hierfür auf dessen molekulare Struktur. Kunststoffe bestehen aus charakteristischen, teils sehr langen kettenförmigen Molekülen. Diese Struktur wird die Abbaubarkeit eines Kunststoffs beeinflussen, ebenso die Größe der Teilchen. Mit im Fokus stehen auch funktionelle Gruppen in den Ketten, welche durch vorangehende Abbauschritte entstehen. Solche „chemischen Schaltstellen“ können den Bioabbau maßgeblich beeinflussen. Die Rolle all dieser Faktoren zu klären, mittels hierzu maßgeschneiderter Moleküle, wird ein zentraler Teil des Forschungsprojekts sein. „Ich bin optimistisch, dass wir die damit verbundenen Herausforderungen überwinden können. Unter anderem deswegen, weil wir sämtliche Methoden, die für dieses Projekt essentiell sind, in unserem Labor etablieren. Dadurch sind wir in der Lage, schnell zu reagieren und die logischen nächsten Experimente zu entwerfen“, schließt Mecking.

Weitere Informationen unter: https://www.dfg.de/de/aktuelles/neuigkeiten-themen/info-wissenschaft/2024/ifw-24…

Faktenübersicht:
•Reinhart Koselleck-Projekt der Deutschen Forschungsgemeinschaft für Prof. Dr. Stefan Mecking, Universität Konstanz, zum Thema „Quantifizierung des Bioabbaus von Polyethylen vermittels katalytischer Methoden“
•Prof. Dr. Stefan Mecking ist Professor für Chemische Materialwissenschaft an der Universität Konstanz
•Reinhart Koselleck-Projekte werden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft an herausragende Wissenschaftler*innen für besonders innovative und „in positivem Sinne risikobehaftete“ Forschungsprojekte vergeben. Die Dauer der Förderung beträgt fünf Jahre, die Förderhöhe liegt bei bis zu 1,25 Mio. Euro.

Hinweis an die Redaktionen:
Fotos können im Folgenden heruntergeladen werden:

1) https://www.uni-konstanz.de/fileadmin/pi/fileserver/2024/wie_schnell_1.jpg
2) https://www.uni-konstanz.de/fileadmin/pi/fileserver/2024/wie_schnell_2.jpg
3) https://www.uni-konstanz.de/fileadmin/pi/fileserver/2024/wie_schnell_3.jpg

Bildunterschrift: Bodenproben mit eingebrachtem Kunststoff zur Untersuchung von dessen Abbau über die CO2-Entwicklung.
Copyright: Universität Konstanz

4) https://www.uni-konstanz.de/fileadmin/pi/fileserver/2024/wie_schnell_4.jpg

Bildunterschrift: Synthese eines Kunststoffs im Labor.
Copyright: Universität Konstanz

https://www.uni-konstanz.de/universitaet/aktuelles-und-medien/aktuelle-meldungen/aktuelles-1/wie-schnell-werden-kunststoffe-in-der-umwelt-abgebaut/