RUMBA-Algen verwandeln Mikroplastik aus Wasser in Biokunststoff

Wissenschaftler haben zahlreiche Verfahren getestet, um Mikroplastik aus Wasser zu entfernen, doch die meisten bringen erhebliche Nachteile mit sich.

In vielen Fällen entsteht dabei belastetes Material, für das es keine sinnvolle weitere Verwendung gibt.

Filter können Partikel zwar abscheiden, doch der dabei anfallende Schlamm muss weiterhin gelagert oder entsorgt werden. Das Plastik wird lediglich von einem Ort an einen anderen verlagert.

Um dieses Problem zu lösen, entwickelten Forschende ein System, bei dem Algen Mikroplastik nicht nur einfangen, sondern es zugleich in etwas Neues umwandeln.

Abscheidung und Herstellung erfolgen im selben Tank, während der gesamte Prozess durch die ölige Verbindung angetrieben wird, die Orangenschalen ihren Duft verleiht.

Algen, die an Plastik haften

Die Studie stand unter der Leitung von Dr. Y. Dai vom College of Engineering der University of Missouri (Mizzou). Das System trägt den Namen RUMBA, eine Abkürzung für „Remediation and Upcycling of Microplastics by Algae“.

Heutige Kläranlagen können sichtbare Kunststoffstücke entfernen, die an die Wasseroberfläche steigen.

Die kleinsten Fragmente passieren jedoch sämtliche Filter und gelangen in Trinkwasser, Seen und Flüsse. Bisher gab es keine wirksame Methode, sie zurückzugewinnen.

Das Team setzte darauf, die Algen arbeiten zu lassen. Bereits bekannt war, dass Zellen Kunststoffpartikel einfangen können, sodass die entstehenden Klumpen absinken und die Biomasse eingesammelt werden kann.

Die Schwierigkeit bestand darin, die Chemie hinter diesem Vorgang zu verstehen.

Zitruschemie hinter dem RUMBA-System

Für diese Aufgabe wählten die Forschenden nicht irgendeine Alge aus. Stattdessen veränderten sie einen schnell wachsenden Stamm des Cyanobakteriums Synechococcus elongatus gentechnisch.

Dieser Stamm produziert Limonen, das natürliche Öl, das Orangen ihren zitrusartigen Geruch verleiht.

Das Limonen bleibt nicht im Zellinneren, sondern wandert an die Zelloberfläche und sorgt dort dafür, dass die Algen Wasser abweisen.

Da die meisten Kunststoffe ebenfalls wasserabweisend sind, haften die Algen an den Plastikpartikeln, wenn beide miteinander vermischt werden, und ziehen sie nach unten.

Algen erweisen sich als wirksam

Partikel mit einer Breite von 200 bis 800 Nanometern – viel zu klein, um sie ohne Mikroskop zu erkennen – wurden mit den veränderten Zellen vermischt.

Innerhalb einer Stunde hatten sich 91.4% am Boden des Behälters abgesetzt. Beim unveränderten Stamm trat kein vergleichbarer Effekt auf.

Die Entdeckung war eindeutig: Auf elektronenmikroskopischen Aufnahmen sind Kunststoffpartikel dicht an den Kontaktstellen zu sehen, an denen die veränderten Zellen zusammenhafteten.

Spezialisierte chemische Bildgebung erfasste das Limonen-Signal genau an diesen Stellen – also dort, wo sich die Kunststoffansammlungen bildeten.

Als das Team eine tensidähnliche Chemikalie hinzufügte, die die wasserabweisenden Oberflächen auflöste, brach der gesamte Effekt zusammen.

Die Ergebnisse lieferten starke Hinweise darauf, dass die Limonenbeschichtung den entscheidenden Mechanismus bildet.

Ergebnisse bei der Reinigung realer Wasserproben

Ein sauberer Labortank ist eine Sache, doch echtes Abwasser ist trüber und enthält große Mengen gelöster organischer Stoffe sowie konkurrierender Partikel.

Das Team prüfte das System daher mit Proben aus einer örtlichen Kläranlage und einem See auf dem Campus.

Die gentechnisch veränderten Algen entfernten aus beiden Wasserarten bei 500 oder 800 Nanometern etwa 90% des Polystyrols. Selbst bei den kleinsten Partikeln mit 200 Nanometern lag die Entfernung noch bei rund 80%.

Auch andere Kunststoffe reagierten. PET, das Polymer in Getränkeflaschen, sowie Polyethylen, der Kunststoff der meisten Einkaufstüten, hafteten unter dem Mikroskop beide an den Zellen.

Mehrere Probleme gleichzeitig lösen

Anschließend testeten die Forschenden das Verfahren weiter. Die veränderten Zellen durften mehrere Tage lang im Abwasser wachsen und ernährten sich von den Stoffen, die bereits darin vorhanden waren.

Innerhalb von fünf Tagen entfernten die Algen 97.5% des Nitrats und nahezu das gesamte Ammoniak aus einer Probe. Wurde etwas Nährmedium zugesetzt, stieg die Phosphatentfernung auf nahezu 100 Prozent.

Gleichzeitig fingen dieselben Zellen weiterhin Mikroplastik ein und entfernten bei längeren Durchläufen bis zu 88.6%.

Ein Tank erfüllte damit drei Aufgaben: Nährstoffe aus dem Wasser entfernen, Kunststoff einfangen und Biomasse erzeugen. Diese Partikel herauszufiltern, bevor sie in einem Trinkglas landen, ist äußerst wichtig.

Eine aktuelle Veröffentlichung brachte Mikroplastik in Plaques menschlicher Arterien mit höheren Raten von Herzinfarkten, Schlaganfällen und Todesfällen in Verbindung.

Vom Abfall zum Biokunststoff

Kunststoffe, die mit früheren Verfahren gesammelt wurden, landeten häufig in Lagern oder auf Deponien – wodurch ein Umweltproblem gegen ein anderes eingetauscht wurde.

Das Team um Dai behandelte den Algen-Kunststoff-Schlamm dagegen als Rohstoff. Es verarbeitete die Sedimente und führte anschließend mechanische Tests an den daraus hergestellten Folien durch.

Der Verbundstoff ließ sich 2.3-mal weiter dehnen als reines Polystyrol und nahm vor dem Bruch 2.2-mal mehr Energie auf.

Durch Chlorophyll und Carotinoide in der Biomasse wiesen die Folien einen schwachen goldgrünen Farbton auf. Ihre Zugfestigkeit war geringer, dafür waren sie biegsamer und widerstandsfähiger als reiner Kunststoff.

Bis zu dieser Studie hatte niemand die Abscheidung von Mikroplastik und das Upcycling zu Biokunststoff in einem einzigen Arbeitsablauf kombiniert. Die eingefangene Verschmutzung wird nun zum Ausgangsmaterial, statt ein Entsorgungsproblem zu verursachen.

Skalierung der Technologie

Die ersten Werte sind vielversprechend. Eine Variante mit offenen Teichen könnte Biokunststoff für $3.58 pro Kilogramm erzeugen. Dieser Wert liegt nahe an den derzeitigen Preisen für Biokunststoffe.

Zudem basiert das Verfahren auf erneuerbaren Ressourcen und entfernt mehr Kohlendioxid, als es ausstößt. Jedes andere Verfahren zur Herstellung von Biokunststoff verursacht Emissionen.

Dr. Dai betreibt an der Mizzou bereits einen 100-Liter-Bioreaktor mit dem Spitznamen „Shrek“, der derzeit zur Reinigung industrieller Abgase eingesetzt wird. Größere Ausführungen könnten, so ihre Einschätzung, künftig in kommunalen Kläranlagen installiert werden.

„Indem wir Mikroplastik entfernen, das Abwasser reinigen und die entfernten Mikroplastikpartikel schließlich zur Herstellung sinnvoller Biokunststoffprodukte nutzen, können wir mit einem Ansatz drei Probleme angehen“, schloss Dr. Dai.