Bodenmikroben bauen Kunststofffolie ab

Unsere Welt ertrinkt in einer Plastikflut. Acht Millionen Tonnen Plastik landen jedes Jahr in den Weltmeeren. Auch landwirtschaftlich genutzte B?den bleiben nicht verschont. Im grossen Stil decken Bauern weltweit B?den mit Mulch-Folien aus Polyethylen (PE) ab, um Unkr?uter einzud?mmen, die Bodentemperatur zu erh?hen und den Boden feucht zu halten. Auf diese Weise k?nnen sie den Ertrag von Nutzpflanzen steigern.

Nach der Ernte k?nnen die Landwirte diese Folien jedoch oft nicht komplett einsammeln, insbesondere dann, wenn sie nur wenige Mikrometer d¨¹nn sind. Somit gelangen PE-Folienr¨¹ckst?nde in den Boden und reichern sich an, da sie dort nicht abgebaut werden.  Die Folienreste senken allerdings die Bodenfruchtbarkeit, st?ren den Wasserhaushalt und schr?nken das Wachstum von Nutzpflanzen ein.

Bakterien mineralisieren alternatives Polymer

Forscher der ETH Z¨¹rich und der Eawag zeigen nun in einer interdisziplin?ren Studie auf, dass es durchaus Anlass zu Hoffnung gibt. In ihrer j¨¹ngsten Studie weisen sie nach, dass Bodenmikroben alternative Folien aus dem Kunststoff Polybutylenadipat-terephthalat (PBAT) abbauen k?nnen. Ihre Arbeit erschien soeben in der Fachzeitschrift externe Seite Science Advances.

Unter der ?gide von Michael Sander, Kristopher McNeill und Hans-Peter Kohler konnte der ehemalige ETH-Doktorand Michael Zumstein nachweisen, dass die Mikroorganismen den Kohlenstoff des Polymers sowohl f¨¹r ihren Energiestoffwechsel als auch f¨¹r den Aufbau ihrer Biomasse nutzen.

?Diese Arbeit zeigt zum ersten Mal direkt auf, dass Bodenmikroorganismen PBAT-Folien im Boden mineralisieren und Kohlenstoff aus dem Polymer in ihre Biomasse ¨¹berf¨¹hren?, sagt Michael Sander, Senior Scientist im Bereich Organische Umweltchemie am Departement Umweltsystemwissenschaften der ETH Z¨¹rich.

PBAT ist wie PE ein erd?lbasiertes Polymer. Da ersteres im Kompost als biologisch abbaubar gilt, haben die ETH- und Eawag-Forscher den Bioabbau dieses Kunststofftyps nun auch in B?den untersucht. Polyethylen ist hingegen weder im Kompost noch im Boden abbaubar.

Polymer mit Kohlenstoff ¹³C markieren

In ihren Versuchen verwendeten die Forscher speziell f¨¹r diesen Zweck hergestelltes PBAT-Material, bei dessen Produktion eine bestimmte Menge an Monomeren verwendet wurden, die mit dem etwas schwereren, stabilen Kohlenstoffisotop ¹³C markiert waren. Dieses Isotop diente den Wissenschaftlern dazu, den Weg des Polymerkohlenstoffs w?hrend des biologischen Abbaus im Boden nachzuverfolgen.

Bauen die Bodenmikroben das PBAT ab, setzen sie zwangsl?ufig auch den ¹³C-Kohlenstoff frei. Mit geeigneten Messinstrumenten l?sst sich dieser schliesslich sowohl in Stoffwechselprodukten wie Kohlendioxid (CO₂) aus der Zellatmung der Mikroben als auch in Zellstrukturen, welche die Organismen erzeugt haben, nachweisen.

Echter biologischer Abbau

?Das Elegante an dieser Studie ist, dass wir stabile Kohlenstoffisotope genutzt haben, um den Verbleib des Kohlenstoffs aus dem Polymer pr?zise im Boden nachverfolgen zu k?nnen?, sagt Erstautor Michael Zumstein.

Auf diese Weise ist es den Forschenden zum ersten Mal gelungen, einen wissenschaftlich stringenten Beweis zu f¨¹hren, dass ein Kunststoff im Boden effektiv biologisch abgebaut werden kann. Denn nicht alle Materialien, die in der Vergangenheit als ?biologisch abbaubar? bezeichnet wurden, sind es tats?chlich. ?Unter biologischen Abbau verstehen wir, dass die Mikroben allen Kohlenstoff aus den Polymer-Ketten f¨¹r die Energiegewinnung und zum Aufbau neuer Biomasse nutzen ¨C so wie wir es f¨¹r PBAT zeigen konnten?, sagt Umweltmikrobiologe Hans-Peter Kohler von der Eawag.

Biologisch abbaubare Kunststoffe unterscheiden sich fundamental von solchen, die in der Umwelt, zum Beispiel nach Sonnenbestrahlung, in kleine Plastikpartikel zerfallen, nicht aber mineralisiert werden. ?Viele Plastikmaterialien zerbr?seln nur, und Bruchst¨¹cke verbleiben als Mikroplastik in der Umwelt, auch wenn wir sie von blossem Auge nicht mehr sehen?, betont Kohler.

Bei ihrem Versuch f¨¹llten die Wissenschaftler je 60 Gramm Erde in Flaschen von einem Deziliter Volumen und steckten PBAT auf Tr?germedien in das Bodenmaterial.

Nach sechs Wochen untersuchten die Forscher, ob sich Mikroorganismen auf dem Polymer angesiedelt hatten. Kohlenstoffdioxid, das aus der Flasche ausstr?mte, analysierten sie auf den Anteil des Kohlenstoffisotops ¹³C. Den Einbau des Polymerkohlenstoffs in die Biomasse von Mikroorganismen auf der Polymeroberfl?che bestimmten sie zusammen mit Forschern der Universit?t Wien.
Zu fr¨¹h f¨¹r Entwarnung

Wie lange PBAT in landwirtschaftlichen B?den verbleibt, k?nnen die Forscher noch nicht voraussagen. Um den Abbau der PBAT-Folie unter Umweltbedingungen zu untersuchen, sind Langzeitstudien auf verschiedenen B?den und unter unterschiedlichen Bedingungen im Freiland n?tig.

?Es gibt leider noch keinen Grund zum Jubeln: das globale Umweltproblem der Plastikverschmutzung haben wir nicht gel?st?, sagt Sander. ?Aber wir haben einen ersten, sehr wichtigen Schritt in Richtung Abbaubarkeit von Plastik in B?den gemacht.?

Er warnt allerdings vor ¨¹berzogenen Erwartungen bez¨¹glich des biologischen Abbaus von Kunststoffen in der Umwelt: ?Die Ergebnisse lassen sich nicht direkt auf andere Umweltsysteme ¨¹bertragen. Zum Beispiel ist der Bioabbau von Polymeren im Meerwasser m?glicherweise deutlich langsamer, da dort andere Bedingungen vorherrschen und andere Mikroben leben.?

Neues Werkzeug erschaffen

Die Forscher erwarten, dass ihre Studie auch in der Industrie Beachtung findet. ?Wir haben eine Analytik entwickelt, die der Industrie die T¨¹re ?ffnet f¨¹r Umweltvertr?glichkeitspr¨¹fungen ihrer Produkte. Dank unserer Methode kann sie dazu ¨¹bergehen, biologisch abbaubare Materialien f¨¹r Mulch-Folien herzustellen und die d¨¹nnen PE-Folien zu ersetzen?, sagt ETH-Professor und Mitautor Kristopher McNeill.

Bislang gibt es erst wenige Chemiefirmen, die auf die umweltvertr?glicheren aber etwas teureren PBAT-Folien setzen. Dazu z?hlt die deutsche Chemiefirma BASF, die diese Studie unterst¨¹tzt hat. ?Im Vergleich zur gesamten in Umlauf gebrachten Plastikmenge spielen die bioabbaubaren Mulch-Folien bislang eine kleine Rolle. Aber diese Produkte sind ein wichtiger Anfang, da sie landwirtschaftliche B?den entlasten und langfristig vor der Anreicherung mit Plastik sch¨¹tzen k?nnen?, sagt Sander.

Eine weitere M?glichkeit, den Eintrag von Plastik in B?den zu verringern, ist auch das Verwenden dickerer Mulch-Folien, wie sie auch in der Schweizer Landwirtschaft verwendet werden. Diese lassen sich nach Gebrauch einsammeln, wiederverwenden oder in der Kehrichtverbrennung entsorgen.