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Eingebaute Enzyme beschleunigen den Abbau von Kunststoff in der Tiefsee
Kompostierbare Kunststoffe bleiben im Meer oft lange erhalten, besonders in der kalten Tiefsee. Eingebaute Enzyme könnten das ändern, wie ein Feldversuch mit mehreren Kunststoffsorten zeigt. Bei 757 Metern Wassertiefe verloren drei entsprechend behandelte Polyester innerhalb von fünf Monaten fast ihre gesamte Masse, während Vergleichsproben weitgehend unverändert blieben.
Tokio (Japan). Selbst als kompostierbar bezeichnete Kunststoffe werden im Meer nicht unbedingt rasch abgebaut. Insbesondere in der kalten Tiefsee fehlen häufig Mikroorganismen, die ihre langen Molekülketten zerlegen können. Was in einer industriellen Kompostieranlage funktioniert, kann sich deshalb im Ozean über lange Zeit erhalten.
Ein möglicher Ausweg besteht darin, die für den Abbau nötigen Enzyme schon bei der Herstellung in den Kunststoff einzubauen. Gelangt Wasser an diese Eiweißmoleküle, können sie die chemischen Bindungen der Kunststoffketten aufspalten. Ob diese Methode auch unter dem hohen Wasserdruck und bei den niedrigen Temperaturen der Tiefsee funktioniert, war bislang nicht in natürlichen Meeresumgebungen erprobt worden.
Forscher der Universität Tokio (UTokyo) um Prof. Tadahisa Iwata haben nun vier verschiedene kompostierbare Polyester untersucht. Dazu gehörten die Kunststoffe PBS, PBSA, PCL und PBAT, deren Molekülketten durch spaltbare Esterbindungen zusammengehalten werden. Als eingebaute Helfer dienten zwei Enzyme, eine Lipase und eine Cutinase, die solche Bindungen aufbrechen können.
Damit die empfindlichen Enzyme die Verarbeitung überstehen, verwendete das Team hitzestabile, gefriergetrocknete Formen und mischte sie bei 90 bis 130 Grad Celsius in die Kunststoffschmelze. Aus der Mischung entstanden dünne Folien und winzige Kunststoffkügelchen, die mögliche Abfälle beziehungsweise Mikroplastik nachbilden sollten. Die Proben wurden in geschützten Kammern an einer Küstenstation und an vier Tiefseestandorten zwischen 757 und 5.503 Metern Wassertiefe ausgesetzt und mit enzymfreien Vergleichsproben untersucht.
Besonders deutlich fiel der Unterschied bei einer Wassertiefe von 757 Metern vor der japanischen Küste aus. Mit drei Gewichtsprozent Cutinase versetzte Folien aus PBS, PBSA und PCL verloren dort innerhalb von fünf Monaten nahezu ihre gesamte Masse. Die entsprechenden Folien ohne eingebautes Enzym zeigten im selben Zeitraum dagegen nur geringfügige Veränderungen.
Nicht jedes Material reagierte gleich gut auf die Behandlung. Bei PBAT betrug der Masseverlust mit eingebauter Cutinase nach fünf Monaten 12,1 Prozent, bei der Vergleichsprobe lediglich 1,1 Prozent. Auch in 5.503 Metern Tiefe blieb enzymatischer Abbau nachweisbar, erreichte dort aber nicht die Geschwindigkeit des günstigeren Versuchsstandorts.
In flachem Küstenwasser reichten bereits 0,1 Gewichtsprozent Cutinase aus, um mehrere Kunststoffe schneller abzubauen. Nach einem Monat hatte die behandelte PBSA-Folie ihre gesamte Masse verloren, bei PCL waren es 85,5 Prozent und bei PBS 27,4 Prozent. Die enzymfreien Proben aus PBS und PBSA verloren in diesem Zeitraum jeweils weniger als drei Prozent.
Die niedrige Enzymzugabe veränderte die gemessene Zugfestigkeit der Folien kaum, während der deutlich höhere Anteil von drei Prozent ihre mechanischen Eigenschaften stärker beeinträchtigte. Das ist wichtig, weil ein Kunststoff im Gebrauch belastbar bleiben soll und erst nach seiner Freisetzung in die Umwelt schneller zerfallen darf. In trockenem Zustand bleiben die eingebetteten Enzyme nach dem beschriebenen Funktionsprinzip weitgehend inaktiv, bis Wasser sie erreicht.
Der beobachtete Masseverlust bedeutet nicht automatisch, dass der gesamte Kunststoff schon vollständig zu Kohlendioxid und Wasser umgewandelt wurde. Chemische Analysen zeigten zunächst kleinere, wasserlösliche Abbauprodukte, die anschließend von Meeresmikroorganismen verwertet werden können. Messungen des Sauerstoffverbrauchs stützten diesen weiteren biologischen Abbau, belegten aber nicht für jede Probe eine vollständige