Unkaputtbar, aber abbaubar? Biokunststoffe im Test
Neue Maßstäbe für die präzise Bestimmung der Abbaubarkeit von Biokunststoffen unter realen Bedingungen
Dr. Harry Lerner, KU Leuven
Prof. Dr. David Schleheck, Universität Konstanz
Sascha Hupach, Shimadzu Deutschland GmbH
Markus Janssen, Shimadzu Europa GmbH
Der Joghurtbecher nach dem Frühstück, die Eisverpackung im Schwimmbad, die leere Chipstüte beim Filmabend – Kunststoffverpackungen begleiten uns überall. Praktisch, vielseitig, aber auch problematisch: Sie zerfallen in der Umwelt nur langsam und hinterlassen Mikroplastik, das Ökosysteme und die Nahrungskette belastet. Biokunststoffe aus erneuerbaren Ressourcen gelten als nachhaltige Alternative. Doch zersetzen sie sich außerhalb des Labors wirklich so schnell wie versprochen? Ein Forschungsteam der Universität Konstanz hat eine Methode weiterentwickelt, um die Abbaubarkeit unter realen Bedingungen präzise zu messen – und so neue Standards für nachhaltige Materialien zu setzen.
Plastik im Alltag – unsichtbare Risiken
Plastik findet sich in nahezu allen Lebensbereichen. Doch seine positiven Eigenschaften – wie Haltbarkeit und Widerstandsfähigkeit – werden umweltbelastend, wenn es nicht vollständig zerfällt. Stattdessen entstehen Mikro- und Nanoplastikpartikel, die empfindliche Ökosysteme und die menschliche Gesundheit gefährden. Mikroplastik wurde bereits im menschlichen Gewebe wie der Plazenta und im Gehirn nachgewiesen. Die weitreichenden Folgen für die Gesundheit sind noch unklar. Hinzu kommt der hohe CO₂-Fußabdruck der herkömmlichen fossilbasierten Kunststoffproduktion.
Biokunststoffe zwischen Anspruch und Wirklichkeit
Biokunststoffe, die aus pflanzlichen Ölen oder Biomasse hergestellt werden, bieten eine nachhaltige Alternative: Sie versprechen geringere Umweltbelastung und biologische Abbaubarkeit. Doch viele dieser Kunststoffe zerfallen außerhalb idealer Bedingungen nur unvollständig. Um ihre tatsächliche Abbaubarkeit zu beurteilen, sind daher neue, präzise Messmethoden erforderlich.
Das Ziel: Eine präzise Bewertung
Die Forschung konzentriert sich darauf, die Abbaubarkeit von Biokunststoffen unter realen Umweltbedingungen genau zu messen. Ziel ist es, reproduzierbare Ergebnisse zu generieren, die sowohl im Labor als auch direkt in natürlichen Ökosystemen zuverlässig angewendet werden können.
Bestehende Verfahren, wie gravimetrische Methoden oder Respirometer, sind nicht optimal für detaillierte Analysen der biologischen Zersetzung geeignet. Obwohl sie parallele Messungen ermöglichen, erfordern sie häufig große Probenmengen (oft über 100 g), sperrige Apparaturen und einen hohen Platzbedarf, etwa durch umfangreiche Inkubatortechnik. Zusätzlich erfassen sie häufig keine vollständige Kohlenstoffbilanz.
Das Forschungsteam der Universität Konstanz hat diese Herausforderungen angenommen und eine skalierbare, kompakte Methode entwickelt. Sie arbeitet mit deutlich kleineren Proben und liefert gleichzeitig präzisere, reproduzierbare Ergebnisse.
Mineralisierung als Maßstab für nachhaltigen Abbau
Die Mineralisierung beschreibt den biologischen Zersetzungsprozess eines Kunststoffs durch Mikroorganismen. Dabei wird ein Teil des Kohlenstoffs in anorganische Stoffe wie CO₂, Wasser und Mineralien umgewandelt, während der Rest in Biomasse eingebaut wird. Mineralisierung ist daher eine entscheidende Größe, um die biologische Zersetzung eines Kunststoffs vollständig zu charakterisieren.
Im Gegensatz zu gravimetrischen Methoden, die nur die verbleibende Kunststoffmasse bestimmen, liefert die Mineralisierung präzise Daten zum Zersetzungsverlauf und zu den entstandenen Endprodukten. Dadurch wird sie zu einem unverzichtbaren Werkzeug, um die Nachhaltigkeit eines Materials unter realen Umweltbedingungen zu bewerten.
Der Versuchsaufbau: Kompakt, effizient und präzise
Das Herzstück der Methode bilden speziell angefertigte Reaktionsgefäße aus 15-ml-Kulturröhrchen (Abbildung 1). Diese Röhrchen enthalten etwa 50 mg Biokunststoff und 1 g biologisches Material wie Bodenproben oder Bakterienkulturen. Im Röhrchen befindet sich ein Glasfläschchen mit einer Natronlauge-Lösung (NaOH), die das während des Abbauprozesses entstehende CO₂ chemisch als Carbonat bindet.
Die Röhrchen werden luftdicht mit einem modifizierten Gummistopfen verschlossen. Dieser verfügt über zwei Kanülen: Eine dient dem Einbringen und Entnehmen der Natronlauge-Lösung, die andere ermöglicht einen kontrollierten Gasaustausch, um Sauerstoffmangel zu verhindern. Durch das kompakte Design können bis zu 60 Röhrchen in einem Standard-Röhrchenständer untergebracht werden – eine platzsparende Lösung, ideal für Hochdurchsatzmessungen.
Während des Abbauprozesses wird die Natronlauge regelmäßig in bestimmten Zeitintervallen entnommen und durch frische Lösung ersetzt. Die entnommene Lösung, die das gebundene CO₂ enthält, wird für die TIC-Analyse (Total Inorganic Carbon) in den Shimadzu TOC-L überführt.
Analyse mit dem Shimadzu TOC-L
Die TIC-Analyse ermöglicht die präzise Messung des während des Abbauprozesses freigesetzten CO₂. Im Shimadzu TOC-L wird ein verdünntes Aliquot der entnommenen Probe mittels Phosphorsäure angesäuert. Dabei wird das zuvor chemisch gebundene Carbonat wieder in gasförmiges CO₂ umgewandelt und anschließend durch einen nichtdispersiven Infrarotdetektor (NDIR) gemessen.
Diese Methode liefert eine vollständige Kohlenstoffbilanz: Sie erfasst nicht nur das freigesetzte CO₂, sondern dokumentiert auch die verbleibende Kunststoffmasse und die Bildung von Biomasse. Dies ermöglicht eine umfassendere Bewertung der Abbaubarkeit im Vergleich zu bisherigen Ansätzen.
Validierung der Methode: Glukosetest
Um die Genauigkeit der Methode zu prüfen, führte das Team erste Experimente mit Glukose als Kohlenstoffquelle durch. Glukose dient häufig als Referenzmaterial, da ihre Abbauprodukte gut erforscht sind. Unter idealen Bedingungen sollte etwa die Hälfte des Kohlenstoffs in Form von CO₂ freigesetzt werden, während die andere Hälfte in Biomasse gebunden bleibt.
Die Experimente bestätigten diese Erwartung: Die gemessene Kohlenstoffbilanz stimmte mit den theoretischen Werten überein und zeigte, dass die Methode zuverlässig arbeitet (Abbildung 2).
Praxistest am Biokunststoff PHBV
Nach der erfolgreichen Validierung wurde die Methode auf den Biokunststoff Polyhydroxybutyrat-co-valerat (PHBV) angewendet, der häufig in der Lebensmittelverpackung und Medizin verwendet wird.
Die Experimente zeigten, dass PHBV unter optimalen Bedingungen vollständig zersetzt werden konnte. Achromobacter baute den Kunststoff restlos ab, während Pseudomonas einen Reststoffanteil von unter 10 % hinterließ (Abbildung 3). Die Methode dokumentierte den Abbauprozess präzise und lieferte wertvolle Erkenntnisse darüber, wie unterschiedlich einzelne Biokunststoffe unter bestimmten Bedingungen reagieren.
Präzision trifft Nachhaltigkeit
Das Forschungsteam der Universität Konstanz hat eine bestehende Methode entscheidend weiterentwickelt und präzisiert. Durch die Kombination eines kompakten Reaktionssystems mit dem Shimadzu TOC-L lässt sich die Abbaubarkeit von Biokunststoffen umfassend, reproduzierbar und unter realitätsnahen Bedingungen messen.
Die Arbeit liefert eine validierte Methode, mit der Biokunststoffe künftig systematisch und flächendeckend analysiert werden können. So entsteht die Grundlage, um ihre Umweltfreundlichkeit und Nachhaltigkeit zuverlässig zu bewerten – ein entscheidender Schritt, damit der Ressourcenkreislauf nicht an der Mülltonne endet, sondern sinnvoll geschlossen werden kann.
Abbildung 3: Prozentualer Anteil des Restkunststoffs sowie des Kohlenstoffs aus PHBV, den die Bakterienkulturen Achromobacter und Pseudomonas in 35 Tagen in Biomasse und CO2 umgewandelt haben (links). Verlauf des prozentualen Anteils des zu CO2 umgewandelten Kohlenstoffs (rechts).
