Eine neue Art von Biokunststoff könnte dazu beitragen, den ökologischen Fußabdruck der Kunststoffindustrie zu verringern. Forscher unter der Leitung der University of California San Diego haben eine biologisch abbaubare Form von thermoplastischem Polyurethan (TPU) entwickelt, einem weichen und dennoch haltbaren kommerziellen Kunststoff, der in Schuhen, Fußmatten, Kissen und Memory-Schaum verwendet wird. Es ist mit Bakteriensporen gefüllt, die, wenn sie den im Kompost enthaltenen Nährstoffen ausgesetzt werden, keimen und das Material am Ende seines Lebenszyklus abbauen.
Die Arbeit ist in a detailliert beschrieben Papier veröffentlicht am 30. April in Naturkommunikation.
Das biologisch abbaubare TPU wurde mit Bakteriensporen eines Stammes von Bacillus subtilis hergestellt, der die Fähigkeit besitzt, Kunststoffpolymermaterialien abzubauen.
„Es ist eine inhärente Eigenschaft dieser Bakterien“, sagte Jon Pokorski, Co-Autor der Studie, Professor für Nanotechnik an der UC San Diego Jacobs School of Engineering und Co-Leiter des Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) der Universität. „Wir haben einige Stämme genommen und ihre Fähigkeit bewertet, TPUs als einzige Kohlenstoffquelle zu nutzen, und haben dann die Sorte ausgewählt, die am besten gewachsen ist.“
Die Forscher verwendeten Bakteriensporen, eine ruhende Form von Bakterien, da diese resistent gegen raue Umweltbedingungen sind. Im Gegensatz zu Pilzsporen, die eine reproduktive Rolle spielen, verfügen Bakteriensporen über einen schützenden Proteinschild, der es Bakterien ermöglicht, im vegetativen Zustand zu überleben.
Um den biologisch abbaubaren Kunststoff herzustellen, führten die Forscher Sporen von Bacillus subtilis und TPU-Pellets in einen Kunststoffextruder ein. Die Zutaten wurden gemischt und bei 135 Grad Celsius geschmolzen und dann zu dünnen Kunststoffstreifen extrudiert.
Um die biologische Abbaubarkeit des Materials zu beurteilen, wurden die Streifen sowohl in mikrobiell aktive als auch in sterile Kompostumgebungen gelegt. Die Kompostaufbauten wurden bei 37 Grad Celsius und einer relativen Luftfeuchtigkeit zwischen 44 und 55 % gehalten. Wasser und andere Nährstoffe im Kompost lösten die Keimung der Sporen in den Plastikstreifen aus, die innerhalb von fünf Monaten zu 90 % abgebaut wurden.
„Bemerkenswert ist, dass unser Material auch ohne die Anwesenheit zusätzlicher Mikroben zerfällt“, sagte Pokorski. „Die Chancen stehen gut, dass die meisten dieser Kunststoffe wahrscheinlich nicht in mikrobiell reichen Kompostierungsanlagen landen. Diese Fähigkeit, sich in einer mikrobenfreien Umgebung selbst abzubauen, macht unsere Technologie also vielseitiger.“
Obwohl die Forscher noch untersuchen müssen, was nach dem Abbau des Materials zurückbleibt, stellen sie fest, dass alle verbleibenden Bakteriensporen wahrscheinlich harmlos sind. Bacillus subtilis ist ein Stamm, der in Probiotika verwendet wird und allgemein als sicher für Mensch und Tier gilt – er kann sich sogar positiv auf die Pflanzengesundheit auswirken.
In dieser Studie wurden die Bakteriensporen evolutionär so verändert, dass sie die für die TPU-Produktion erforderlichen hohen Temperaturen überstehen. Die Forscher nutzten eine Technik namens „Adaptive Laboratory Evolution“, um eine Sorte zu erzeugen, die gegenüber Extrusionstemperaturen widerstandsfähig ist. Dabei werden die Sporen gezüchtet, über längere Zeiträume extremen Temperaturen ausgesetzt und auf natürliche Weise mutiert. Die Stämme, die diesen Prozess überleben, werden dann isoliert und erneut dem Kreislauf unterzogen.
„Wir haben die Zellen kontinuierlich weiterentwickelt, bis wir zu einem Stamm gelangten, der für die Hitzetoleranz optimiert ist“, sagte der Co-Autor der Studie, Adam Feist, ein Bioingenieur-Forscher an der UC San Diego Jacobs School of Engineering. „Es ist erstaunlich, wie gut dieser Prozess der bakteriellen Evolution und Selektion für diesen Zweck funktioniert hat.“
Die Sporen dienen auch als verstärkender Füllstoff, ähnlich wie Bewehrungsstäbe Beton verstärken. Das Ergebnis ist eine TPU-Variante mit verbesserten mechanischen Eigenschaften, die zum Brechen mehr Kraft erfordert und eine höhere Dehnbarkeit aufweist.
„Beide Eigenschaften werden allein durch die Zugabe der Sporen erheblich verbessert“, sagte Pokorski. „Das ist großartig, weil die Zugabe von Sporen die mechanischen Eigenschaften über bekannte Grenzen hinaus treibt, bei denen es zuvor einen Kompromiss zwischen Zugfestigkeit und Dehnbarkeit gab.“
Während sich die aktuelle Studie auf die Herstellung kleinerer Mengen im Labormaßstab konzentrierte, um die Machbarkeit zu untersuchen, arbeiten die Forscher daran, den Ansatz für den Einsatz im industriellen Maßstab zu optimieren. Zu den laufenden Bemühungen gehören die Ausweitung der Produktion auf Kilogrammmengen, die Weiterentwicklung der Bakterien zum schnelleren Abbau von Kunststoffmaterialien und die Erforschung anderer Kunststoffarten über TPU hinaus.
„Es gibt viele verschiedene Arten kommerzieller Kunststoffe, die in der Umwelt landen – TPU ist nur eine davon“, sagte Feist. „Einer unserer nächsten Schritte besteht darin, den Umfang der biologisch abbaubaren Materialien zu erweitern, die wir mit dieser Technologie herstellen können.“
Mehr Informationen:
Jonathan Pokorski, Biokomposite thermoplastische Polyurethane, die entwickelte Bakteriensporen als lebende Füllstoffe enthalten, um den Polymerzerfall zu erleichtern, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-47132-8. www.nature.com/articles/s41467-024-47132-8