Fluch der Beständigkeit

Könnten Mikroorganismen gegen die Plastikflut im Meer helfen?

Plastik ist aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken. Flaschen, Tüten, Verpackungsfolien und technische Formteile aus Plastik sind leicht und beständig gegen Wasser und Verrottung. Während solche Eigenschaften im Gebrauch geschätzt werden, ist es bei Plastikabfällen in der Umwelt anders: Hier wird der Segen der Beständigkeit zum Fluch der Unvergänglichkeit.

Text: Friedrich Widdel

Täglich produzieren wir gewaltige Mengen an Müll, ein großer Teil davon besteht aus Plastik. Dieses sehr langlebige Material landet in unseren Meeren. Das bleibt nicht folgenlos für unsere Ozeane und seine Bewohner.

Auf den ersten Blick ist das Problem fast "nur" ästhetischer Art. Denn so hässlich schmutzig-bunte Plastikansammlungen sein mögen, Plastik selbst ist ungiftig. Erst bei genaueren Nachforschungen zeigen sich die ernsteren Seiten unserer Plastikwelt: Wassertiere, die in Schlingen aus Plastikabfällen verenden oder Fische, die feinste Plastikbrösel aufnehmen und diese in die Nahrung des Menschen zurückführen könnten. Und welche Auswirkungen die Plastikabfälle auf einen Organismus haben, wenn sie zu Kleinstpartikeln zerrieben werden, ist noch weitgehend unklar. Für Plastik-Weichmacher wurden schädliche Langzeitwirkungen zum Beispiel auf die Fruchtbarkeit nachgewiesen.

Werden Abfallstoffe zu einem Umweltproblem, kommt schnell die Frage nach dem Abbau durch Mikroorganismen oder Pilze auf. Deren Fähigkeiten zum biologischen Recycling beschränken sich nicht nur auf „totes“ biologisches Material, sie oxidieren auch so manche synthetische Giftsubstanz und Erdöl zu Kohlendioxid und Wasser. Doch die Langlebigkeit von Plastik zeigt, dass die Mikroben bei diesem Material an ihre Grenzen kommen. Der Grund dafür ist der chemische Aufbau von Plastik.

Alle Plastiksorten sind chemisch betrachtet Polymere. Polymere bestehen aus sehr langen Ketten von Molekül-Einheiten, die wiederum aus Kohlenstoff als dem prägenden Element bestehen. Dieser ist fast immer zusätzlich mit Wasserstoff verbunden. Als weitere Elemente kommen Stickstoff und Sauerstoff vor, in besonderen Fällen auch Fluor und Chlor. Die langen Molekülketten bewirken, dass die Polymere zäh und fest sind und sich nicht in Wasser auflösen. Gleichzeitig können Polymere ausgesprochen biegsam sein, eine wertvolle Eigenschaft, die es bei mineralischen Materialien wie Ton oder Kalkstein nicht und bei Metallen nur begrenzt gibt.

Polymere sind keine Erfindung des Menschen. Wo immer es in lebenden Organismen auf Festigkeit und Formerhalt bei gleichzeitiger Zähigkeit oder Flexibilität ankommt, wird dies durch natürliche Polymere erreicht: Cellulose, ein Fasermaterial aus Zuckerbausteinen, gibt Pflanzen ihren Halt. Kollagen und Keratin sind mechanisch besonders stabile Eiweiße (Proteine), also Ketten aus Aminosäuren, die der Haut bzw. Haaren und Vogelfedern ihre Beständigkeit verleihen.

Vergängliche und unvergängliche Polymere

Weder Cellulose noch Keratin halten sich unbegrenzt. Außerhalb des lebenden Organismus oder nach dessen Ableben werden diese Polymere langsam durch Bakterien oder Pilze abgebaut, verdaut und letztlich vor allem zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert. In diesem natürlichen Recycling zeigt sich ein Prinzip, das bisweilen als "mikrobielle Unfehlbarkeit" bezeichnet wird: Für jede Substanz, die von lebenden Organismen gebildet wird, findet sich mindestens ein Organismentyp in der Natur, welcher diese Substanz abzubauen vermag.

Hingegen ist die chemische Struktur synthetischer Kunststoffe der Natur weitgehend fremd, das Prinzip von der mikrobiellen Unfehlbarkeit greift hier nicht. Allerdings darf „chemisch synthetisiert“ nicht grundsätzlich mit „nicht abbaubar“ gleichgesetzt werden. Mehrere synthetische Chemikalien wie Detergenzien aus Spülmitteln oder Insektizide können durchaus, wenn auch möglicherweise nur langsam, von Mikroorganismen abgebaut werden.

Abbaubarkeit trotz "Fremdheit" in der Natur lässt sich oft dadurch erklären, dass die künstlichen Substanzen im chemischen Aufbau natürlichen ähneln und daher durch schon lange existierende oder durch Zufallsmutation angepasste Abbauenzyme angegriffen werden. Bei Plastik gibt es bislang keine überzeugenden Hinweise für solch eine Anpassung von Abbauenzymen. Ein Problem ist wahrscheinlich auch die enorme Länge der Ketten. Würde man z.B. die Polyethylenkette sehr stark verkürzen, hätte man einen Erdöl-Kohlenwasserstoff, ein Alkan, der von ölfressenden Bakterien leicht verwertet würde.

Die ideale Plastiksorte, also eine, die während des Gebrauchs beständig ist und nach dem Wegwerfen in harmlose Produkte zerfällt, ist eine große Herausforderung für die Chemie. Immerhin gibt es biologisch abbaubares Plastik: Polymere, die von Mikroorganismen gebildet werden, oder Polymere, die zwar synthetisch hergestellt werden, jedoch Natursubstanzen als Bausteine erhalten wie zum Beispiel die Polymilchsäure. Von Mikroben gebildete Polymere sind sogenannte Polyhydroxyalkansäuren. Sie dienen Mikroorganismen als Speicherstoffe in Zeiten des Nahrungsmangels und liegen als kompakte Kügelchen in den Bakterienzellen. Diese Speicherstoffe besitzen technisch sehr günstige Eigenschaften. Für Folien, Tüten und Flaschen sind sie gut geeignet. Aber sie sind teurer als rein synthetische Kunststoffe und nicht verwendbar, wo es auf Beständigkeit gegen Abbau ankommt.

Wohin mit dem Plastik?

Die beste Entsorgung von Plastik ist derzeit noch die vollständige Verbrennung. Der Energiegehalt der meisten Plastiksorten ist so hoch wie der von Öl, die entstehende Nutzwärme daher beachtlich. Besteht die Plastiksorte nur aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff, entstehen ausschließlich Kohlendioxid und Wasserdampf. Auch die vollständige Verbrennung von Stickstoff-haltigem Plastik ist wahrscheinlich unproblematisch. Voraussetzung sind Überschuss von Luftsauerstoff und hohe Temperatur und damit eine effektive Kontrolle des Verbrennungsprozesses. Bei zu wenig Sauerstoff und zu niedriger Temperatur schwelt ("verkokelt") Plastik zu Ruß und anderen, besonders gefährlichen Produkten.

Kunststoffe mit den Bestandteilen Fluor (Polytetrafluorethylen, PTFE, Markenname Teflon) und Chlor (Polyvinylchlorid, PVC) sind bei der Entsorgung problematisch. Sie brennen selbst nicht bzw. kaum, liefern jedoch im Beisein brennbarer Stoffe in der Hitze Fluor- und Chlorverbindungen; auch Chlorgas kann entstehen. Hier sind besondere Verfahren erforderlich, bei welchen die Produkte weiter umgewandelt und gebunden werden müssen. Gerade PVC kann aber auch gut recycelt werden.

Die einfachste und kostengünstigste Art aber, die Plastikflut gerade in den Meeren zu bändigen, liegt auf der Hand: den Abfall gewissenhafter zu entsorgen, den Verbrauch einzuschränken und die Wiederverwertungsquote zu erhöhen.

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