Natur: Dieses jahrhundertealte Problem wurde von "es" in 48 Stunden perfekt gelöst

Im Jahr 1907 erfand der belgisch-amerikanische Chemiker Leo Baekeland einen billigen, nicht brennbaren Allzweckkunststoff (Bakelit). Diese Erfindung markierte den Beginn der modernen Kunststoffindustrie und Baekeland wurde von späteren Generationen als „Vater der Kunststoffe“ gefeiert.

Doch Kunststoff, einst als eine der größten Erfindungen des 20. Jahrhunderts bekannt, gilt heute als eine der am meisten gescheiterten Erfindungen. Sie ist überall und bringt zwar große Annehmlichkeiten für das menschliche Leben mit sich, belastet unseren Heimatplaneten jedoch auch erheblich.

Noch erschreckender ist die Tatsache, dass es oft Hunderte von Jahren dauert, bis dieses starke und langlebige Material zerfällt.

Die Frage ist, ob wir die Degradationszeit von Hunderten von Jahren auf wenige Tage oder sogar Stunden verkürzen können, etwa so:

Kann das Problem der „weißen Verschmutzung“ dann einfach gelöst werden?

Nun hat ein Forschungsteam der University of Texas in Austin und DEVCOM ARL-South eine neue Idee zur Lösung eines der dringendsten Probleme der Welt vorgelegt: der weißen Umweltverschmutzung.

Das Forschungsteam hat mit Hilfe künstlicher Intelligenz ein neues Enzym erfunden. Dieses Enzym hat das Potenzial, das großflächige Recycling von PET-Kunststoff (eine Kunststoffart, die häufig zur Herstellung von Getränkeflaschen, Folien, Verpackungen usw. verwendet wird) zu fördern. Durch das Recycling und die Wiederverwendung von Kunststoffen auf molekularer Ebene kann die unnötige Umweltverschmutzung erheblich reduziert werden.

Die zugehörige Forschungsarbeit mit dem Titel „Machine learning-aided engineering of hydrolases for PET depolymerization“ (Maschinelles Lernen unterstützte Entwicklung von Hydrolasen für die PET-Depolymerisation) wurde am 28. April in der renommierten Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

(Quelle: Nature)

Biologische Enzyme durch künstliche Intelligenz geschaffen

Kunststoff kommt in allen Bereichen unseres täglichen Lebens zum Einsatz und ist eine Notwendigkeit, ohne die wir kaum leben können. Doch schlecht entsorgter Plastikmüll verschmutzt die ökologische Umwelt an Land und im Meer.

Theoretisch könnte dieses Problem durch Kunststoffrecycling vermieden werden, allerdings handelt es sich beim Recycling vieler Kunststoffe nicht um einfaches mechanisches Recycling, sondern um ein Schmelzen und Wiederaufbereiten. Der Prozess ist sehr kompliziert und die Qualität des neu hergestellten Kunststoffs ist nicht so gut wie die des Originalkunststoffs.

PET-Kunststoff ist ein im Alltag relativ verbreiteter und sicherer Kunststoff und macht 12 % des weltweiten Kunststoffabfalls aus. Es wird häufig bei der Herstellung verschiedener synthetischer Fasern, Lebensmittelbehältern und Thermoformanwendungen verwendet.

PET-Kunststoff kann recycelt werden, indem er auf molekularer Ebene in seine Monomere zerlegt wird. Der herkömmliche chemische Depolymerisationsprozess ist jedoch energieintensiv, erfordert große Mengen an Basen und Säuren und ist daher weder wirtschaftlich noch ökologisch tragfähig.

Eine weitere mögliche Lösung ist der Einsatz von Enzymen. In den vergangenen 15 Jahren wurden in der Forschung zu Enzymen für das Kunststoffrecycling große Fortschritte erzielt. Allerdings haben Wissenschaftler bislang keine Enzyme gefunden, die bei niedrigen Temperaturen effizient arbeiten und in der großindustriellen Produktion nicht eingesetzt werden können. Dies hat die Entwicklung dieser Recyclingstrategie behindert.

In dieser Arbeit verwendeten die Forscher ein maschinelles Lernmodell, um vorherzusagen, welche Mutationen im neuen Enzym es ermöglichen würden, dass weggeworfene Kunststoffe bei niedrigen Temperaturen schnell zerfallen. Sie testeten das Enzym an 51 Plastikbehältern, 5 verschiedenen Polyesterfasern und -geweben sowie allen Wasserflaschen aus PET-Kunststoff und wiesen seine Wirksamkeit nach.

Abbildung | Verbesserung der Enzymleistung mit Methoden des maschinellen Lernens (Quelle: dieses Papier)

Das Enzym ermöglicht das geschlossene Recycling von PET-Kunststoff, indem es den Kunststoff bei Temperaturen unter 50 Grad Celsius in kleinere Monomere zerlegt, die dann chemisch repolymerisiert werden können. In einigen Fällen kann PET-Kunststoff innerhalb von 24 Stunden vollständig zersetzt werden.

Das Forschungsteam sagte, dass zu den potenziellen Anwendungen des Enzyms die Reinigung von Mülldeponien und die Umweltsanierung gehören. In zukünftigen Arbeiten planen sie, die Produktion des Enzyms für den Einsatz in der großindustriellen Produktion zu steigern.

Wie viel wissen Sie über Kunststoff?

Unter Kunststoff versteht man ein plastisches (flexibles) Material, das aus hochmolekularem Kunstharz/Erdöl als Hauptbestandteil und entsprechenden Zusatzstoffen wie Weichmachern, Stabilisatoren, Antioxidantien, Flammschutzmitteln, Schmiermitteln, Farbstoffen usw. verarbeitet und geformt wird, oder ein starres Material, das durch Aushärten und Vernetzen entsteht.

Plastikmüll lässt sich auf natürliche Weise nur schwer zersetzen. Wenn es in den Ozean gelangt, kann es bei Meereslebewesen zu versehentlicher Einnahme, Erstickung, Vergiftung usw. führen und die Meeresökologie beeinträchtigen. Die Verbrennung von Plastikmüll führt außerdem zu Luftverschmutzung. Kunststoffe wie Polyvinylchlorid (PVC) und Polycarbonate setzen unter bestimmten Bedingungen sogar Schadstoffe oder endokrine Disruptoren frei und gefährden so die Fortpflanzungsfunktion von Organismen.

Welche Arten von Kunststoffen gibt es? Was sind ihre jeweiligen Verwendungszwecke? Academic Jun fasst zur Information der Leser einige gängige Kunststoffe und spezielle Kunststoffe zusammen:

1. Gängige Kunststoffarten und Verwendung

Polyethylenterephthalat (PET): Getränkeflaschen, Folien, Verpackungen.

Polypropylen (PP): Lebensmittelverpackungen, Haushaltsgeräte, Autoteile (z. B. Stoßstangen).

Polystyrol (PS): Verpackungsmaterialien, Lebensmittelverpackungen, Einwegbecher, -teller, -besteck, CD- und DVD-Hüllen.

Hochschlagfestes Polystyrol (HIPS): Verpackungsmaterialien, Einwegbecher.

ABS-Harz/Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS): umfasst elektronische Geräte (wie Monitore, Drucker, Tastaturen).

Polyester (PES): Faser, Textil.

Polyamide (PA): Faserherstellung, Golfbälle, Angelschnüre, Autolacke.

Polyvinylchlorid (PVC): Rohrherstellung, Duschvorhänge, Fensterrahmen und Bodenbeläge.

Polyurethane (PU): Schaumisolierung, Brandschutz und Feuerlöschschaum.

Polycarbonat (PC): CDs, Sonnenbrillen, Schutzschilde, Sicherheitsbrillen, Kontrollleuchten, Linsen.

Polyvinylidenchlorid (PVDC): Verpackungen (z. B. Lebensmittel und Medikamente).

Polyethylen (PE): Folien, Verpackungsbeutel (handelsübliche Plastiktüten), Abfüllflaschen (z. B. für Duschgel, Waschmittel) und Wasserleitungen.

Polycarbonat/ABS-Harz (PC/ABS): Eine Fusion aus PC- und ABS-Kunststoffen. Es ist stärker und wird in Innen- und Außenzubehörteilen für Autos sowie in Handygehäusen verwendet.

2. Andere Kunststoffarten und ihre Verwendung

Polymethylmethacrylat (PMMA): Kontaktlinsen, Glas (z. B. Plexiglas).

Polytetrafluorethylen (PTFE): Hitzebeständige, reibungsarme Beschichtung: Antihaftbeschichtung für Antihaftpfannen, Dichtungsband für Klempner, Wasserrutschen in Freizeitparks usw.

Polyetheretherketon (PEEK): chemisch und hitzebeständiger Thermoplast mit hoher Biokompatibilität, der in medizinischen Implantaten und Produkten für die Luft- und Raumfahrt verwendet wird.

Polyetherimid (PEI): ein Polymer, das hitzebeständig, chemisch stabil und nicht kristallisierbar ist.

Phenole (PF): allgemein bekannt als Bakelit, hochmodulig, relativ hitzebeständig, feuerfest und ein ausgezeichnetes Polymer. Wird in Isolierteilen elektrischer Geräte, Papierlaminaten und Wärmedämmschaumstoffen verwendet.

Harnstoff-Formaldehyd (UF): Geschirr, Dekorationen, Elektroteile, Verteilergeräte, Telefonhörer, Autoteile, Sperrholz, Klebstoffe, Beschichtungen, Knöpfe, Behälter, Mahjong-Steine, Zifferblätter, Essstäbchen, Knöpfe, Kronkorken usw.

Melaminformaldehyd (MF): Harzverarbeitung von Glas, Geschirr, Dekorationen, elektrischem Zubehör und Gehäusen, Schalttafeln, mechanischen Teilen, Autoteilen, lichtempfindlichen Platten, Beschichtungen, Klebstoffen, Behältern, Papier und Stoff.

Polymilchsäure (PLA): Ein Polymer, das von Mikroorganismen zersetzt und aus Maisstärke umgewandelt werden kann. Derzeit sind auf dem Markt transparente Boxen für mit Wasser ausgewählte Eier erhältlich.

Obwohl Plastik zu einer unverzichtbaren Notwendigkeit im menschlichen Leben geworden ist, müssen die Menschen, um das Problem der weißen Verschmutzung zu lösen und das Land und die Meere zu schützen, von denen das Überleben der Menschen abhängt, nicht nur ihr Umweltbewusstsein weiter stärken, sondern auch die Möglichkeiten von Wissenschaft und Technologie nutzen, um Plastikmüll umweltfreundlicher zu handhaben und mehr umweltfreundliche Plastikalternativen zu schaffen.

Referenzlinks:

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04599

https://www.nature.com/articles/d41586-022-01075-6

https://news.utexas.edu/2022/04/27/plastic-eating-enzyme-could-eliminate-billions-of-tons-of-landfill-waste/

https://en.wikipedia.org/wiki/Plastic

https://en.wikipedia.org/wiki/Plastic_pollution

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