Quantifizierung des Bioabbaus von Polyethylen vermittels katalytischer Methoden

• Antragsteller: Professor Dr. Stefan Mecking
• Fachliche Zuordnung: Präparative und Physikalische Chemie von Polymeren
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 541017081

Die Umweltverschmutzung durch Kunststoffabfälle ist eines der größten aktuellen Probleme. Enorme Mengen von Polyolefin-Abfällen sind bereits in die Umwelt gelangt, wo sie aufgrund ihrer Beständigkeit heute praktisch überall zu finden sind. Eine Kenntnis und ein Verständnis des Schicksal und des Abbaus von Polyethylen in der Umwelt ist daher wichtig. Der Abbau von Polyethylen erfolgt durch abiotische und biotische Schritte, wobei letztere die Voraussetzung für jegliche Eliminierung von Polyethylen-Kontaminationen durch schlussendliche Mineralisation zu CO2 sind. Zentrale Fragen zum Bioabbau von Polyethylen sind aber nach wie vor offen: 1) Wie korreliert die Mineralisation einer Polyethylenkette mit deren Kettenlänge? Es wird oft vorgebracht, dass Kohlenwasserstoffketten unterhalb einer bestimmten Kettenlänge von einigen kDa von Mikroorganismen assimiliert werden können und schlussendlich zu CO2 oder Biomasse umgesetzt werden. Jedoch ist die Kettenlänge bis zu welcher ein Bioabbau erfolgt nicht bekannt und ein Beweis für eine Mineralisierung fehlt. 2) In welchem Umfang befördern funktionelle Gruppen die Mineralisierung? Sauerstoffhaltige Endgruppen oder Gruppen in der Kette welche während des Abbauprozess enstehen können den Bioabbau beeinflussen. Verlässliche Daten zu den Abbaugeschwindigkeiten und ob tatsächlich CO2 als Endpunkt entsteht fehlen aber bislang. 3) Wie beeinflusst in diesem Kontext die Partikelgröße den Bioabbau? Ursprüngliche makroskopische Polyethylenobjekte werden durch mechanische Einflüsse zu Mikro- und Nanopartikeln zerlegt. Im Zusammenhang mit den vorgenannten Fragen (1) und (2) ist auch relevant wie jeglicher Bioabbau von der Partikelgröße des Polyethylens abhängt. Das diese zentralen Fragen bislang unbeantwortet sind ist auf verschiedene methodische Probleme zurückzuführen. Das hier verfolgte Forschungskonzept strebt es an diese Fragen zu klären mittels Markierung mit stabilen Isotopen. Der Schlüssel ist dabei die Findung katalytischer Methoden zur Erzeugung vollständig 13C markierter Polyethylene mit definierten Kettenlängen und extrem engen Molekulargewichtsverteilungen, sowie definierten Endgruppen oder einer funktionellen Gruppe in der Kette. Ein Zugang zu 13C Polyethylen Mikro- und Nanopartikeln wird mittels wässriger Polymerisationen angestrebt. Inkubation in Boden unter Verfolgung von aus den präzisen 13C Polyethylenen gebildetem 13CO2 soll eindeutig zeigen ob ein Bioabbau erfolgt für eine gegebene Kettenlänge und Zusammensetzung, und die Geschwindigkeit dieser Mineralisation aufzeigen. In einem breiteren Zusammenhang können die hier angestrebten Erkenntnisse das Verständnis des Verhaltens von Polyethylenabfällen befördern, und die zukünftige Entwicklung von tatsächlich nachhaltigen Materialien steuern sowie nicht-nachhaltige Lösungen ausschliessen.

• DFG-Verfahren: Reinhart Koselleck-Projekte