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Biobasierte Polymere Bioplastik: Chemiekeule oder unbedenklich?

Redakteur: Dr. Ilka Ottleben

Die Plastikmüllberge wachsen rasant und Alternativen zu den praktischen Polymeren sind daher dringend gefragt. Doch wie sieht es eigentlich mit der chemischen Zusammensetzung der viel gepriesenen biobasierten und bioabbaubaren Polymere aus?

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Im Rahmen ihrer Forschung an der Goethe-Universität Frankfurt analysierte Lisa Zimmermann auch, ob die Kunststoffchemikalien oder die Partikeleigenschaften der Hauptgrund für die Toxizität von Mikroplastik sind.
Im Rahmen ihrer Forschung an der Goethe-Universität Frankfurt analysierte Lisa Zimmermann auch, ob die Kunststoffchemikalien oder die Partikeleigenschaften der Hauptgrund für die Toxizität von Mikroplastik sind.
(Bild: PlastX)

LP: Plastikmüll umgibt uns alle, und die Müllberge werden – nicht zuletzt auch wegen der Corona-Krise – immer höher. Alternativen zu herkömmlichen Kunststoffen, wie Bioplastik, sind daher sehr wichtig. Frau Zimmermann, welche Biomaterialien gibt es bereits, und welche Vorteile bieten sie gegenüber herkömmlichen Kunststoffen?

Dr. Lisa Zimmermann: Unter dem Begriff „Bioplastik“ werden verschiedene Materialien zusammengefasst. Dies sind zum einen biobasierte Materialien wie Bio-Polyethylen (Bio-PE), welche anders als herkömmliche Kunststoffe nicht aus Erdöl, sondern aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt werden. Zum anderen handelt es sich um bioabbaubare Materialien. Diese sind unter bestimmten Bedingungen biologisch abbaubar, d.h. sie werden durch biologische Prozesse zersetzt. Ein Beispiel ist Polymilchsäure (PLA). Entsprechend können Materialien, die als Bioplastik bezeichnet werden, Erdöl-basierte Polymere sein, die biologisch abbaubar sind (z. B. Polybutylensuccinat (PBS)), biobasierte Polymere, die biologisch abbaubar sind (z. B. PLA) oder biobasierte Polymere, die nicht biologisch abbaubar sind (z. B. Bio-PE).

Neben diesem so genannten „Bioplastik“ gibt es noch pflanzenbasierte Materialien, welche aus natürlichen Polymeren bestehen, die allerdings meist mit weiteren (erdölbasierten) Polymeren gemischt werden (z. B.Stärke- oder Zellulosemischungen). Insgesamt hatten biobasierte und bioabbaubare Kunststoffe im Jahr 2019 an der weltweiten Kunststoffproduktion nur einen Anteil von einem Prozent (siehe: European Bioplastics 2019).

Vorteile von biobasierten Materialien sind, dass nachwachsende Rohstoffe für ihre Herstellung verwendet werden. Diese haben generell eine bessere CO2-Bilanz, allerdings kann auch der Anbau nachwachsender Rohstoffe Nachteile mit sich bringen, die den ökologischen Fußabdruck vergrößern, z. B. durch den Anbau in Monokulturen, den Flächenbedarf sowie den Einsatz von Pestiziden. Die Nutzung von Reststoffen der Lebensmittelproduktion sowie nachhaltige Anbaumethoden können hier entgegenwirken. Zudem können biobasierte Materialien, wie Bio-PE, in bereits existierende Recyclingprozesse einfließen. Bei bioabbaubaren Produkten ist das Problem, dass sie nur unter ganz bestimmten Bedingungen (z. B. Temperatur, Wassermenge) abbaubar sind, was Missverständnisse hinsichtlich richtiger Entsorgung mit sich bringen kann. Zudem lassen sie sich nicht recyceln.

LP: In der Forschungsgruppe PlastX wurde nun untersucht, ob Biomaterialien hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung tatsächlich weniger bedenklich sind. Welche Produkte haben Sie für Ihre Studie ausgewählt, und welche Untersuchungsmethoden wurden eingesetzt?

Dr. Zimmermann: Insgesamt haben wir 43 Produkte aus biobasierten und bioabbaubaren Materialien online oder im Supermarkt erworben und diese auf ihre chemische Zusammensetzung und Toxizität untersucht. Dazu haben wir die Produkte in Stücke geschnitten und, um möglichst viele der Chemikalien abzubilden, welche in den Materialien verwendet werden, diese Chemikalien mit einem Lösemittel aus den Produkten herausgelöst. Diese so genannten Extrakte wurden anschließend sowohl in verschiedenen Zelltests auf ihre Toxizität (unspezifische, hormonähnliche Wirkung) als auch mithilfe von chemischen Analyseverfahren auf Anzahl und Zusammensetzung der Chemikalien untersucht.

LP: Zu welchen Ergebnissen sind Sie hier gekommen?

Dr. Zimmermann: 67 % der Produkte enthielten Chemikalien, die in den In-vitro-Tests schädliche Effekte verursachten. Das ist genau der gleiche Prozentsatz, den wir in einer anderen Studie für Erdöl-basierte, herkömmliche Kunststoffe erhalten haben. Dementsprechend sind biobasierte und/oder biologisch abbaubare Materialien aus toxikologischer Sicht nicht besser als herkömmliche Kunststoffe. Zudem enthalten Bioplastik und pflanzenbasierte Materialien eine hohe Menge und Vielfalt an Chemikalien. Die meisten Produkte (80 %) enthielten mehr als 1.000 verschiedene Substanzen und einzelne bis zu 20.000.

Darüber hinaus besitzt jedes Produkt eine individuelle chemische Zusammensetzung und Gesamttoxizität. Zwar enthielten die von uns getesteten Zellulose- und Stärke-basierten Produkte die meiste und stärkste Toxizität und die meisten Chemikalien. Aber auch unter den anderen untersuchten Materialtypen befanden sich solche mit Toxizität. Das bedeutet – es ist unmöglich zu generalisieren, dass Produkte eines Materialtyps unbedenklicher sind als die eines anderen Typs. Beispielsweise kann eine lebensmitteltaugliche Tüte aus Bio-PE toxische Substanzen enthalten und ein Weinkorken aus Bio-PE nicht.

LP: Welche Bedeutung haben Ihre Erkenntnisse auf die Entwicklung weiterer Materialien und deren Auswirkungen auf Mensch und Natur?

Dr. Zimmermann: Unsere Ergebnisse haben gezeigt, dass in biobasierten und bioabbaubaren Produkten komplexe Substanzmischungen enthalten sind, die in Zelltests toxische Effekte hervorrufen. Um die Aus­wirkungen auf Mensch und Natur zu bestimmen, müssen weitere Studien untersuchen, welchen Mengen dieser Chemikalien Mensch und Umwelt tatsächlich ausgesetzt sind und welche Effekte „in vivo“ auftreten.

Was die Ergebnisse jetzt schon verdeutlichen ist, dass „Bioplastik“ ebenso wie konventionelle Kunststoffe eine Vielzahl oft unbekannter sowie toxikologisch nicht charakterisierter Chemikalien enthalten. Daher sollte man schon jetzt daran arbeiten, die Produkttestung anzupassen (z. B. indem man die Effekte der Gesamtmischung der Chemikalien in Produkten untersucht), um die toxikologische Unbedenklichkeit von Kunststoffen und deren Alternativen zu garantieren. Unterstützend sollte die Komplexität von Kunststoffen reduziert werden (z. B. indem man nur ein bestimmtes Set an Chemikalien und Polymeren zulässt) und die Transparenz hinsichtlich Inhaltsstoffen erhöht werden (damit man weiß, welche Chemikalien sich in einem Produkt befinden). Um wirklich ganzheitlich bessere Alternativen zu herkömmlichen Kunststoffen zu entwickeln, müssen neben der chemischen Sicherheit zusätzlich auch ökologische und soziale Aspekte berücksichtigt werden, wie z. B. Treibhausgasemissionen, Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion und Kreislauffähigkeit.

Frau Zimmermann, vielen Dank für das Gespräch.

(ID:47493402)