Bodenmikroben bauen Kunststofffolie ab

Dünne Mulch-Folien aus Polyethylen werden in vielen L?ndern im Ackerbau eingesetzt und verschmutzen dort B?den massiv. Nun zeigen Forscher der ETH Zürich und der Eawag auf, dass es Alternativen gibt: Folien aus dem Kunststoff PBAT werden im Boden biologisch abgebaut.

Vergr?sserte Ansicht: Nach wenigen Wochen im Boden besiedelten bereits zahlreiche Mikroorganismen die Oberfläche der PBAT-Folie und hatten mit dem biologischen Abbau des Polymers begonnen. (Elektronenmikroskopie-Bild: ETH Züric h / Gruppe Umweltchemie )
Nach wenigen Wochen im Boden besiedelten bereits zahlreiche Mikroorganismen die Oberfl?che der PBAT-Folie und hatten mit dem biologischen Abbau des Polymers begonnen. (Elektronenmikroskopie-Bild: ETH Zürich / Gruppe Umweltchemie)

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 dünn sind. Somit gelangen PE-Folienrückst?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 Zürich und der Eawag zeigen nun in einer interdisziplin?ren Studie auf, dass es durchaus Anlass zu Hoffnung gibt. In ihrer jüngsten 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 für ihren Energiestoffwechsel als auch für den Aufbau ihrer Biomasse nutzen.

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Video: ETH Zürich

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

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 für 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 führen, 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 für die Energiegewinnung und zum Aufbau neuer Biomasse nutzen – so wie wir es für 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 Bruchstücke verbleiben als Mikroplastik in der Umwelt, auch wenn wir sie von blossem Auge nicht mehr sehen?, betont Kohler.

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

Vergr?sserte Ansicht: Ein ETH-Umweltforscher befüllt eine Flasche mit Erdmaterial und einem Stück PBAT-Folie, um deren biologischen Abbau unter kontrollierten Bedingungen untersuchen zu können.
Ein ETH-Umweltforscher befüllt eine Flasche mit Erdmaterial und einem Stück PBAT-Folie, um deren biologischen Abbau unter kontrollierten Bedingungen untersuchen zu k?nnen.
Vergr?sserte Ansicht: Das Erdmaterial mit Folienstücken wird im Klimaschrank inkubiert. Mikroorganismen, welche die Folie abbauen, geben CO<sub>2</sub> ab, das kontinuierlich analysiert wird.
Das Erdmaterial mit Folienstücken wird im Klimaschrank inkubiert. Mikroorganismen, welche die Folie abbauen, geben CO2 ab, das kontinuierlich analysiert wird.
Vergr?sserte Ansicht: Pilzfäden besiedeln die Oberfläche der PBAT-Folie und nutzen deren Kohlenstoff für den eigenen Stoffwechsel.
Pilzf?den besiedeln die Oberfl?che der PBAT-Folie und nutzen deren Kohlenstoff für den eigenen Stoffwechsel.
Vergr?sserte Ansicht: Bakterien gesellen sich für den Bioabbau zu den Pilzfäden. (Elektronenmikroskopie-Bilder: ETH Zürich / Gruppe Umweltchemie)
Bakterien gesellen sich für den Bioabbau zu den Pilzf?den. (Elektronenmikroskopie-Bilder: ETH Zürich / Gruppe Umweltchemie)

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 früh für 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 überzogenen Erwartungen bezüglich des biologischen Abbaus von Kunststoffen in der Umwelt: ?Die Ergebnisse lassen sich nicht direkt auf andere Umweltsysteme übertragen. Zum Beispiel ist der Bioabbau von Polymeren im Meerwasser m?glicherweise deutlich langsamer, da dort andere Bedingungen vorherrschen und andere Mikroben leben.?

Vergr?sserte Ansicht: Weltweit - wie hier in China - werden sehr dünne Mulchfolien aus nicht-abbaubarem Polyethylen eingesetzt. Diese zerreissen leicht, verbleiben im Boden und verschmutzen diesen massiv. (Bild: Liu EK et al. 2014 Environ. Res. Lett. 9 091001, CC 3.0) &nbsp;
Weltweit - wie hier in China - werden sehr dünne Mulchfolien aus nicht-abbaubarem Polyethylen eingesetzt. Diese zerreissen leicht, verbleiben im Boden und verschmutzen diesen massiv. (Bild: Liu EK et al. 2014 Environ. Res. Lett. 9 091001, CC 3.0)  

Neues Werkzeug erschaffen

Die Forscher erwarten, dass ihre Studie auch in der Industrie Beachtung findet. ?Wir haben eine Analytik entwickelt, die der Industrie die Türe ?ffnet für Umweltvertr?glichkeitsprüfungen ihrer Produkte. Dank unserer Methode kann sie dazu übergehen, biologisch abbaubare Materialien für Mulch-Folien herzustellen und die dünnen 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 unterstützt 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 schützen 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.

Literaturhinweis

Zumstein MT, Schintlmeister A, Nelson TF, Baumgartner R, Woebken D, Wagner M, Kohler H-P E, McNeill K, Sander M. Biodegradation of synthetic polymers in soils: Tracking carbon into CO2 and microbial biomass. Science Advances, 25 Juli 2018, doi: externe Seite 10.1126/sciadv.aas9024

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