Weltpremiere: Abbauprozess von biologisch abbaubaren Meereskunststoffen aufgeklärt
Shimadzu Techno-Research hat weltweit erstmals den Abbauprozess von im Meerwasser biologisch abbaubaren Kunststoffen aufgeklärt. Die experimentellen Ergebnisse dienen als Grundlage für die Entwicklung leistungsfähigerer, im Meerwasser biologisch abbaubarer Kunststoffe und stoßen bereits auf großes Interesse bei Materialherstellern.
Makoto Yasojima, Leiter der Abteilung Umwelt bei Shimadzu Techno-Research und federführend bei dieser Entwicklung, sagte: „Mikroplastik im Meer ist zu einem ernsthaften Problem geworden, für das es bisher keine Lösung gibt. Es war frustrierend, als könnten wir nur hilflos zusehen und die Situation beklagen. Als Auftragsanalyseunternehmen fragten wir uns, wie wir einen Beitrag leisten könnten, und wählten biologisch abbaubare Kunststoffe aus dem Meer – die sich dort leicht zersetzen – als Forschungsgegenstand.“
Makoto Yasojima, der dritte von links in der hinteren Reihe, fotografiert mit Mitgliedern des Forschungsteams im Shimadzu Techno-Research Labor.
Bedenken hinsichtlich der schädlichen Auswirkungen von Mikroplastik
Die als gesellschaftliches Problem hervorgehobenen Mikroplastikpartikel haben einen Durchmesser von 5 mm oder weniger. Weggeworfener Plastikmüll, wie Plastiktüten und Lebensmittelverpackungen, zerfällt vermutlich durch Wind und Wellen sowie durch chemische Einflüsse wie UV-Strahlung und Temperatur zu Mikroplastik. Gelangen diese Partikel ins Meer, werden sie von Meeresorganismen aufgenommen, was zur Anreicherung schädlicher Substanzen in deren Körpern führt. Studien deuten zudem darauf hin, dass der Verzehr solcher Fische die menschliche Gesundheit beeinträchtigen kann. Darüber hinaus lässt sich im Meer treibendes Mikroplastik nicht vollständig entfernen, was ein weiteres großes Problem darstellt.
Biologisch abbaubare Kunststoffe als Lösung für das Plastikmüllproblem
Weltweit werden Anstrengungen unternommen, um die durch Plastik verursachten Umweltprobleme anzugehen. Eine dieser Anstrengungen ist die Entwicklung biologisch abbaubarer Kunststoffe. Biologischer Abbau bezeichnet den Prozess, bei dem organische Verbindungen durch Mikroorganismen wie Bakterien und Pilze in Wasser und Kohlendioxid zerlegt und so in den natürlichen Kreislauf zurückgeführt werden. Die genauen Mechanismen sind jedoch noch nicht vollständig geklärt. Dasselbe gilt für biologisch abbaubare Kunststoffe für den Einsatz im Meer. Diese sind zwar so konzipiert, dass sie sich im Ozean schnell abbauen, ihre Unbedenklichkeit nach Freisetzung in marine Ökosysteme ist jedoch wissenschaftlich nicht nachgewiesen.
Yasojima sagte: „Wenn man den Begriff ‚biologisch abbaubare Meereskunststoffe‘ hört, geht man oft davon aus, dass diese Materialien, selbst wenn sie ins Meer gelangen, sich mit der Zeit zersetzen und verschwinden und somit ungefährlich sind. Die Experten waren sich jedoch fast einig, dass dies nicht der Fall war. Was genau geschieht im Meer, und wie kommt es zum Abbau? Wird das Material tatsächlich abgebaut, oder zerfällt es lediglich in Mikroplastik? Damals wusste man darüber sehr wenig.“
Im Labor brach Begeisterung aus: „Wir können den Abbauprozess sehen!“
Die Forschung begann 2019. Zunächst mussten biologisch abbaubare Meeresplastikprodukte beschafft werden, die nach ISO-Normen geprüft worden waren. Damals waren solche Produkte noch nicht im Handel erhältlich. Glücklicherweise erfuhr das Forschungsteam, dass in einem Supermarkt in der Präfektur Kochi testweise Strohhalme aus biologisch abbaubarem Meeresplastik ausgegeben wurden, als sie Eiskaffee kauften. „Wir fuhren sechs Stunden von Kyoto, um Eiskaffee zu kaufen, und konnten einige dieser Strohhalme ergattern“, erinnert sich Yasojima. Da für die Experimente frisches Meerwasser mit Mikroorganismen benötigt wurde, reiste das Team von seinem Labor in Kyoto zur Bucht von Osaka, um Proben für jeden Test zu sammeln.
Diese Folie veranschaulicht das biologische Abbauverhalten von Material A in Meerwasser (bereitgestellt von Shimadzu Techno-Research). Die vertikale Achse zeigt die biologische Abbaubarkeit (%), die horizontale Achse die Testdauer (Tage). Die Folie weist darauf hin, dass die Proben im Reaktor direkt fotografiert wurden, wodurch der Abbauprozess visuell mit der gemessenen biologischen Abbaubarkeit korreliert werden konnte.
Als die Strohhalme in Meerwasser getaucht wurden, bildete sich innerhalb von etwa einem Monat ein Schleim um sie herum, und sie verschwanden innerhalb von zwei bis drei Monaten vollständig. Nachdem die Zersetzung unter experimentellen Bedingungen bestätigt worden war, bestand die nächste Herausforderung darin, den Schleim effektiv zu sammeln und zu analysieren. Nach einigen Versuchen – dem Ablösen des Schleims mit einer Pinzette oder dem Auflösen mit organischen Lösungsmitteln – entwickelten die Forscher schließlich die Ultrafiltrationsmethode. Durch Filtration des schleimhaltigen Wassers konnten sie effizient nur die Mikroorganismen und Zersetzungsprodukte gewinnen. Diese wurden anschließend mithilfe eines hochpräzisen Massenspektrometers untersucht, um Veränderungen in der Molekularstruktur zu bestätigen. Dies war weltweit das erste Mal, dass Zwischenstadien der Zersetzung erfasst wurden.
Diese Studie wurde 2020 von der New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) zur Förderung ausgewählt, und Shimadzu Techno-Research beteiligte sich am Technologieentwicklungsprojekt zur gesellschaftlichen Anwendung biologisch abbaubarer Kunststoffe im Meer. Das Forschungsteam führt nicht nur weitere Studien zu biologisch abbaubaren Kunststoffen im Meer durch, sondern arbeitet auch an der Entwicklung von Bewertungsmethoden für biologisch abbaubare Kunststoffe im Boden, dem derzeit wichtigsten Anwendungsbereich des Marktes für biologisch abbaubare Kunststoffe. Das Projekt wurde mit dem „First a Dream Award“ ausgezeichnet, einer internen Auszeichnung der Shimadzu-Gruppe, die Mitarbeiter würdigt, die sich proaktiv Herausforderungen stellen, die von ihren Träumen und Zielen getrieben sind.
Kommentar von Makoto Yasojima, Shimadzu Techno-Research
Die Aufgabe, zukünftigen Generationen eine artenreiche Meeresumwelt zu bewahren, ist nicht nur in Japan, sondern weltweit von großer Bedeutung. Ich möchte durch den Einsatz der Massenspektrometrie einen Beitrag für die Gesellschaft leisten. Dank dieser Forschung konnten wir wichtige Erkenntnisse über den Zersetzungsprozess gewinnen. Die Technologie entwickelt sich stetig weiter, und es rückt der Tag näher, an dem sie zur Bewertung von biologisch abbaubaren Meereskunststoffen aus drei oder mehr Monomeren eingesetzt werden kann. Darüber hinaus werden wir durch die Anwendung verschiedener Methoden umfassendere Bewertungen durchführen und uns weiterhin bemühen, den Bedürfnissen von Materialentwicklern gerecht zu werden.
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