Neutronen zeigen Bio-Abbau von Plastik

Polyethylenterephthalat (PET) ist aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken: Getränkeflaschen, Lebensmittelverpackungen, Folien – viele Produkte werden aus diesem langlebigen Kunststoff hergestellt. Seine Beständigkeit ist technisch wünschenswert, wird jedoch zum Umweltproblem, wenn Flaschen und Verpackungen nach kurzer Nutzungsdauer unsachgemäß entsorgt werden.

20260121 Enzyme fressen Kunststoff 4zu3 Enzyme können PET abbauen, das in Plastikflaschen verwendet wird. Grafik: erstellt mit KI, bearbeitet: Reiner Müller, FRM II / TUM

Enzyme können PET abbauen, das in Plastikflaschen verwendet wird. Grafik: erstellt mit KI, bearbeitet: Reiner Müller, FRM II / TUM

„PET lässt sich unter stark alkalischen Bedingungen chemisch abbauen, doch diese Verfahren sind energie- und ressourcenintensiv und nicht nachhaltig“, erklärt Dr. Jean-François Moulin vom Helmholtz Zentrum Hereon und Instrumentwissenschaftler am Heinz Maier Leibnitz Zentrum. Eine Alternative sind Enzyme – biologische Katalysatoren lebender Organismen, wie Bakterien: Einige von ihnen sind in der Lage, PET unter deutlich milderen Bedingungen abzubauen. Diesen Ansatz sehen die Forschenden als vielversprechend für ein nachhaltigeres Recycling. „Die enzymatische Katalyse verlangsamt sich jedoch nach einer schnellen Anfangsphase stark. Ein vollständiger Abbau von PET ist so nicht möglich“, so Moulin.

Gehemmte Enzyme

Jean-François Moulin hat die Proben gemeinsam mit seinen Kollegen, Dr. Gaetano Mangiapia, Dr. Rainhard Machatschek und Dr. Natalia Tarazona Lizcano mit Neutronen analysiert. Die Idee für die Untersuchung hatte Dr. Rainhard Machatschek, als er am Institut für aktive Polymere am Helmholtz Zentrum Hereon beschäftigt war. Am Instrument Figaro des Institut Laue Langevin fanden die Neutronenreflektometrie Experimente statt. Hier verfolgten die Forschenden erstmals den enzymatischen Abbau von PET direkt im Nanometerbereich. Dabei beobachteten sie, dass Wasser rasch in die oberflächennahe Schicht des PET eindringt und den Enzymen so den Zugang zu den abzubauenden Polymerketten ermöglicht. Die Anfangsphase des Abbaus verläuft daher effizient. Nach kurzer Zeit verlangsamt sich die Reaktion jedoch deutlich: Abbauprodukte sammeln sich an der Oberfläche an, hemmen die Enzyme teilweise und verringern nach und nach deren Wirksamkeit. Die Kombination aus anfänglich guter Zugänglichkeit und zunehmender Hemmung durch Abbauproduckte erklärt, warum die Reaktionsgeschwindigkeit nachlässt.

20210618 BL 8663 kl 43 Jean-François Moulin, hier am Instrument REFSANS am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum, hat mit seinen Kollegen die Proben mit Neutronen untersucht. © Bernhard Ludewig, FRM II / TUM

Jean-François Moulin, hier am Instrument REFSANS am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum, hat mit seinen Kollegen die Proben mit Neutronen untersucht. © Bernhard Ludewig, FRM II / TUM

Auf dem Weg zum Bio Recycling

Der zentrale Gewinn der Studie liegt im besseren Verständnis: „Wir wissen jetzt genauer, was auf der Nanometerebene während des PET Abbaus geschieht – insbesondere, warum die Reaktion nach der schnellen Anfangsphase deutlich nachlässt“, sagt Moulin. „Das liefert uns Ansatzpunkte, an denen weitere Forschung anknüpfen kann.“

Welche dieser Ansatzpunkte sich tatsächlich nutzen lassen, müssen künftige Untersuchungen zeigen. Denkbare Forschungsrichtungen wären etwa, das Verhalten der Enzyme, die Reaktionsbedingungen oder den Umgang mit den hemmenden Abbauprodukten genauer zu studieren.

Langfristig verbinden die Forschenden mit dem enzymatischen Abbau die Hoffnung auf ein nachhaltigeres Recycling von PET. Moulin ist vorsichtig optimistisch: „Bis ein solcher Ansatz vom Labor in den industriellen Maßstab überführt werden könnte, ist allerdings noch erhebliche Grundlagenforschung nötig. Unsere Erkenntnisse sind ein wichtiger erster Schritt.“