Kunststoff mit Verfallsdatum: Bakterien zerlegen Plastik auf Kommando
Kunststoffe zerfallen nicht. Verpackungen, die Minuten in Gebrauch sind, überdauern Jahrhunderte in der Umwelt und hinterlassen dabei Mikroplastikpartikel. Wissenschaftler:innen der Chinesischen Universität Hongkong haben nun einen Kunststoff entwickelt, der auf Kommando zerfällt: ein Material, in das plastikabbauende Bakterien direkt eingebettet sind.
Schlafende Bakterien im Kunststoff
Das Forschungsteam modifizierte Sporen des Bakteriums Bacillus subtilis genetisch so, dass sie kunststoffabbauende Enzyme produzieren, und bettete diese Sporen in eine Matrix aus Polycaprolacton (PCL) ein. PCL ist ein biologisch abbaubarer Thermoplast, der in der Medizintechnik und bei Verpackungen zum Einsatz kommt. Im Ruhezustand bleiben die Sporen vollkommen inaktiv. Das fertige Material verhält sich mechanisch wie gewöhnlicher PCL-Kunststoff. Erst der Kontakt mit einer Nährlösung bei rund 50 Grad Celsius weckt die Sporen auf; sie beginnen daraufhin, Enzyme auszuschütten, die den Kunststoff von innen auflösen.
Zwei Enzyme greifen koordiniert an
Frühere Versuche, PCL mikrobiell abzubauen, stützten sich auf ein einzelnes Enzymsystem. Das Hongkonger Team setzte dagegen zwei spezialisierte Bacillus-subtilis-Stämme ein, die je ein anderes Enzym produzieren. Das erste schneidet die langen Polymerketten des Kunststoffs an vielen Stellen gleichzeitig durch und schwächt so die Struktur rasch. Das zweite zerlegt die entstehenden Fragmente in kleinere Moleküle, die Mikroorganismen anschließend vollständig verwerten. Mit dieser Kombination bauten die Sporen die PCL-Matrix binnen sechs Tagen nahezu vollständig ab, ohne messbare Mengen an Mikroplastik zu hinterlassen. „Die Erkenntnis, dass konventionelle Kunststoffe Jahrhunderte überdauern, während viele Anwendungen wie Verpackungen kurzlebig sind, hat uns zu der Frage geführt: Können wir den Abbau direkt in den Lebenszyklus des Materials integrieren?“, beschreibt Zhuojun Dai, einer der verantwortlichen Autor:innen, den Ausgangspunkt der Forschung.
Praxistest und nächste Schritte
Zum Test fertigte das Team eine tragbare Elektrode aus dem lebenden Kunststoff. Nach Zugabe der Aktivierungslösung war die Elektrode nach zwölf Tagen vollständig zersetzt; eine baugleiche Elektrode aus herkömmlichem PCL blieb unverändert. Derzeit funktioniert das Verfahren ausschließlich mit PCL und erfordert eine spezifische Nährlösung als Auslöser. Beides wollen die Forscher:innen in weiteren Arbeiten adressieren: Geplant sind eine wasserbasierte Aktivierung sowie die Übertragung des Prinzips auf andere Kunststofftypen, darunter Materialien, die häufig in Einwegprodukten verwendet werden. Die Studie erschien im Fachjournal ACS Applied Polymer Materials.
