Ist die weiße Verschmutzung schwer zu lösen? Probieren Sie diesen „lebenden“ Kunststoff!

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Denovo Team

Hersteller: China Science Expo

Die Erfindung des Kunststoffs hat unseren Alltag erheblich vereinfacht. Die Massenproduktion von Plastikmüll und die unsachgemäße Entsorgung haben den Plastikmüll, auch als weiße Verschmutzung bekannt, jedoch zu einem der schwerwiegendsten Umweltprobleme unserer Zeit gemacht.

Das Problem der weißen Verschmutzung lässt sich vor allem deshalb nur schwer lösen, weil erdölbasierte Kunststoffe in der Natur Hunderte von Jahren brauchen, um sich zu zersetzen, was zu Boden- und Umweltverschmutzung führt. Um die weiße Verschmutzung an der Quelle zu beseitigen, sollten biologisch abbaubare Kunststoffe (wie Polymilchsäure PLA) anstelle von Kunststoffen auf Erdölbasis verwendet werden.

Um den Abbau abbaubarer Kunststoffe zu beschleunigen, haben chinesische Wissenschaftler einen „lebenden“ Kunststoff erfunden. Sie haben Mikroorganismen genetisch so verändert, dass sie Sporen produzieren, die extremen Umgebungen standhalten und unter bestimmten Bedingungen plastikabbauende Enzyme absondern können. Anschließend werden die Sporen durch Kunststoffverarbeitungsverfahren in eine Kunststoffmatrix eingebettet.

In Umgebungen des täglichen Gebrauchs bleiben die Sporen inaktiv und der Kunststoff behält seine stabile Leistung. Nur unter bestimmten Bedingungen (Oberflächenerosion, Kompostierung) werden die Sporen im Kunststoff aktiviert und der Abbauprozess gestartet, wodurch der vollständige Abbau des Kunststoffs erfolgt.

Programmierung biologisch abbaubarer „lebender“ Kunststoffe durch die Entwicklung von Sporen

(Bildquelle: Referenz 1)

Nicht abbaubare Kunststoffe

Kunststoff ist ein synthetischer Polymerwerkstoff, dessen Geschichte bis zum Ende des 19. Jahrhunderts zurückverfolgt werden kann. Mitte des 20. Jahrhunderts sanken mit der Entwicklung der petrochemischen Industrie die Produktionskosten für Kunststoffe erheblich und ihr Anwendungsbereich erweiterte sich weiter, sodass Kunststoffe zu einem unverzichtbaren Bestandteil der modernen Gesellschaft wurden. Die weit verbreitete Verwendung von Kunststoffen hat auch zahlreiche Umweltprobleme mit sich gebracht. Die überall sichtbare weiße Verschmutzung bedroht das Überleben und die Entwicklung der Erde und der Menschheit ernsthaft.

Warum ist Plastik so schwer abbaubar? Da es sich bei Kunststoff um ein hochmolekulares Polymer handelt, das erst in den letzten 100 Jahren entstanden ist, sind 100 Jahre für den Menschen vielleicht keine kurze Zeit, für die Natur jedoch nur ein Wimpernschlag. In so kurzer Zeit hat die Natur noch keine Mikroorganismen entwickelt, die diese „neuen Dinge“ schnell abbauen können.

Laut Statistik dauert es mehr als 100 Jahre, bis herkömmliche Kunststoffe auf Erdölbasis wie Polypropylen (PP), Polyethylen hoher Dichte (HDPE), Polystyrol (PS), Polyvinylchlorid (PVC) und Polyethylenterephthalat (PET) abgebaut werden.

Wie lange dauert es, bis verschiedene Kunststoffe zerfallen?

(Bildquelle: Referenz 2)

Abbaubare Kunststoffe

Da die weiße Verschmutzung immer schwerwiegender wird, haben die Menschen die Dringlichkeit des Problems erkannt und begonnen, nach Alternativen zu Kunststoffen auf Erdölbasis zu suchen. mein Land hat außerdem zahlreiche Maßnahmen eingeführt, um die Verwendung nicht abbaubarer Kunststoffe einzuschränken, von „Plastikbeschränkungsverordnungen“ bis hin zu „Plastikverbotsverordnungen“. Vor diesem Hintergrund gewinnen biologisch abbaubare Kunststoffe immer mehr an Bedeutung. Der Abbau von Kunststoffen auf Erdölbasis dauert Hunderte von Jahren und kann grundsätzlich als für den Menschen „nicht abbaubarer Kunststoff“ definiert werden.

Es gibt eine Klasse biologisch gewonnener Polymere, die als „abbaubare Kunststoffe“ bezeichnet werden, da es in der Natur Mikroorganismen und Enzyme gibt, die diese Polymere schnell abbauen können. Sie können in weniger als einem Jahr auf natürliche Weise abgebaut werden und werden daher als „abbaubare Kunststoffe“ bezeichnet, wie beispielsweise Polymilchsäure (PLA), Polybutylenadipat/-terephthalat (PBAT), Polyhydroxyalkansäure (PHA), Polybutylensuccinat (PBS), Polycarbonat (PCL) usw.

Derzeit ist die Verwendung abbaubarer Kunststoffe als Ersatz für Kunststoffe auf Erdölbasis im In- und Ausland zu einem Entwicklungstrend geworden. So werden beispielsweise in Supermärkten abbaubare Plastiktüten gegen Gebühr angeboten, in der Gastronomie gibt es abbaubare Plastikstrohhalme und in Krankenhäusern wird abbaubares chirurgisches Nahtmaterial für Operationen verwendet (kein Entfernen der Nähte erforderlich).

Abbaubare Plastiktüten

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Verbesserung der Abbaurate biologisch abbaubarer Kunststoffe

Um die Abbaurate abbaubarer Kunststoffe zu erhöhen, ist die Erhöhung der Anzahl abbauender Enzyme der Schlüssel. Wenn die abbauenden Enzyme in die Kunststoffe eingebracht und beim Entsorgen der Kunststoffe automatisch freigesetzt werden können, können die Kunststoffe durch die Enzyme abgebaut werden, was die Abbaurate erhöhen kann. Doch wie lässt sich das Abbauenzym im Kunststoff lagern, sodass es sich bei normalem Gebrauch nicht zersetzt, sondern erst bei der Entsorgung zu zersetzen beginnt? Die Forscher dachten an eine besondere Struktur der Bakterien – die Sporen.

Im Laufe von Milliarden Jahren natürlicher Evolution haben viele Mikroorganismen eine Resistenz gegen raue Umweltbedingungen entwickelt. Wenn extreme Umgebungen auftreten, die für das Überleben und die Fortpflanzung nicht mehr geeignet sind, verwandeln sich Bakterien in Sporen. Durch diese Umwandlung können Bakterien eine extrem starke Resistenz entwickeln. Sporen können die extreme Trockenheit, Temperatur und den Druck tolerieren, die in der Kunststoffverarbeitungsumgebung herrschen.

Daher schlug das Team von Dai Zhuojun vom Shenzhen Institute of Advanced Technology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften vor, Bacillus subtilis durch Methoden der synthetischen Biologie zu modifizieren, den genetischen Schaltkreis für die kontrollierbare Sekretion von Kunststoff abbauenden Enzymen (Holderella cepacia Lipase, Lipase BC) in Bacillus subtilis einzuführen und Bacillus subtilis in einer Umgebung aus zweiwertigen Manganionen zu „wintern“, um eine Sporenform zu bilden.

Die produzierten Sporen tragen auch die bearbeiteten genetischen Schaltkreise und sind im Vergleich zu Bakterien toleranter gegenüber hohen Temperaturen, hohem Druck, organischen Lösungsmitteln und Trocknung. Eine Reihe sporenhaltiger Kunststoffe wurde durch direktes Mischen der gentechnisch veränderten Sporenlösung mit Polycarbonat (PCL)-Kunststoff-Masterbatch mittels Hochtemperatur-Schmelzextrusion oder organischer Lösungsmittelmethode hergestellt.

In verschiedenen Tests der physikalischen Eigenschaften gab es keinen signifikanten Unterschied zwischen dem „lebenden“ Kunststoff und gewöhnlichem PCL-Kunststoff in Parametern wie Streckgrenze, Spannungsgrenze, maximaler Verformung und Schmelzpunkt. In Umgebungen des täglichen Gebrauchs bleiben die Sporen inaktiv und der Kunststoff behält seine stabile Leistung. Ohne Zugabe anderer äußerer Stoffe können „lebende“ Kunststoffe in der Bodenumgebung innerhalb von 25 bis 30 Tagen vollständig abgebaut werden, während herkömmliche abbaubare PCL-Kunststoffe etwa 55 Tage benötigen, um bis zu einem Punkt abgebaut zu werden, der für das bloße Auge nicht mehr sichtbar ist.

Um die Universalität des Systems zu überprüfen, probierten die Forscher weitere Kunststoffsysteme aus und mischten Sporen mit Polymermaterialien wie PBS, PBAT, PLA, PHA und PET, um entsprechende „lebende“ Kunststoffe herzustellen.

Abbauprozess von „lebendem“ Plastik im Boden

A. „Lebender“ Kunststoff kann im Boden innerhalb von 30 Tagen vollständig abgebaut werden; B. Gewöhnlicher PCL-Kunststoff kann im Boden innerhalb von 55 Tagen vollständig abgebaut werden

(Bildquelle: Referenz 1)

Die Forscher ließen den „lebenden“ Kunststoff außerdem zwei Monate lang in einer üblichen Umgebung für kohlensäurehaltige Getränke einweichen. Ohne äußere Einflüsse konnte der „lebende“ Kunststoff seine stabile Form beibehalten, was darauf hindeutet, dass lebende Kunststoffe wie herkömmliche Kunststoffe verwendet werden können und der Abbauprozess erst dann eingeleitet wird, wenn sie zerstört oder entsorgt werden. Diese Forschung bietet neue Perspektiven und Methoden für die Entwicklung neuer biologisch abbaubarer Kunststoffe, die voraussichtlich zur Lösung des aktuellen schwerwiegenden Problems der Kunststoffverschmutzung beitragen werden.

Abschluss

Die Erfindung des „lebenden“ Kunststoffs bietet neue Ideen und Lösungen zur Lösung des globalen Problems der weißen Umweltverschmutzung. Mithilfe biotechnologischer Verfahren ist es Wissenschaftlern gelungen, die natürlichen evolutionären Vorteile von Mikroorganismen mit moderner Materialwissenschaft zu kombinieren und so einen Kunststoff zu entwickeln, der sich unter bestimmten Bedingungen selbstständig abbauen kann. Diese innovative Leistung zeigt nicht nur, dass eine nachhaltige Entwicklung theoretisch möglich ist, sondern gibt auch konkrete Hoffnung auf eine Verringerung der Umweltauswirkungen von Plastikmüll in der Praxis.

Allerdings müssen bei der Förderung und Anwendung „lebender“ Kunststoffe noch viele Herausforderungen bewältigt werden, darunter Produktionskosten, technologische Reife und gesellschaftliche Akzeptanz großflächiger Anwendungen. Nur durch die Förderung des wissenschaftlichen und technologischen Fortschritts und durch politische Vorgaben kann dieses neue Material wirklich auf den Markt kommen und zu einem wirkungsvollen Mittel im Kampf gegen die weiße Verschmutzung werden.

Wir freuen uns in Zukunft auf weitere technologische Innovationen dieser Art, um die Plastikverschmutzung an der Quelle zu reduzieren und ein harmonisches Zusammenleben zwischen Mensch und Natur zu erreichen. Lassen Sie uns gemeinsam zum Schutz der Umwelt unserer Erde beitragen.

Quellen:

1.Tang et al. Abbaubare lebende Kunststoffe, programmiert durch künstlich erzeugte Sporen. Chemische Biologie der Natur. 2024, 206, 20.

2.Choi et al. Nachhaltige Produktion und Abbau von Kunststoffen durch Mikroben. Naturmikrobiologie. 2023, 8, 2253–2276.

3.Geyer et al. Produktion, Verwendung und Schicksal aller jemals hergestellten Kunststoffe. Wissenschaftlicher Fortschritt. 2017, 3, e1700782.