Nutzung von Algen zur Lösung des Plastikproblems

Von Babetta L. Marrone

Stellen Sie sich unsere Welt ohne Kunststoffe vor – sie sind überall, vom Bauwesen und der Elektronik bis hin zu Transport und Verpackung. Die allgemeine Festigkeit und Haltbarkeit machen Kunststoff so nützlich, aber sie machen ihn auch zu einem Hauptverursacher der Umweltverschmutzung.

Nach einer Studie des National Center for Ecological Analysis and Synthesis an der University of California-Santa Barbara landen jedes Jahr bis zu 13 Millionen Tonnen Kunststoff in den Ozeanen. Diese Studie ergab auch, dass etwa die Hälfte der 300 Millionen Tonnen Plastik, die jährlich weltweit produziert werden, nur einmal verwendet wird. Um diese Zahlen in die richtige Perspektive zu rücken, wurden 2014 allein in den Vereinigten Staaten mehr als 100 Milliarden Getränkeflaschen aus Kunststoff verkauft, die trotz Recycling-Bemühungen für 14 Prozent der Umweltverschmutzung in Amerika verantwortlich sind.

Kunststoffe können bis zu 1.000 Jahre brauchen, um sich in Mülldeponien und Ozeanen zu zersetzen. Bei dünneren Kunststoffen, wie sie für Wasserflaschen verwendet werden, kann es mehr als 450 Jahre dauern, bis sie abgebaut sind.

Um dieses Problem anzugehen, haben Wissenschaftler des Los Alamos National Laboratory eine alternative Methode zur nachhaltigen Herstellung von Kunststoffen entwickelt, die nicht nur haltbar, sondern auch leicht biologisch abbaubar sind.

Heutige Kunststoffe werden in der Regel unter Verwendung von Chemikalien hergestellt, die aus Erdöl stammen, einer begrenzten, nicht nachhaltigen Ressource. Kunststoffe sind synthetisch und bestehen in der Regel aus so genannten organischen Polymeren. Solche Polymere werden aus kleineren, identischen Molekülen hergestellt, die miteinander verbunden sind. Einige Polymere kommen in der Natur vor (Zellulose zum Beispiel besteht aus Zuckermolekülen), während andere künstlich hergestellt werden (wie Nylon, Teflon und Polyvinylchlorid, besser bekannt als PVC).

Anstatt Erdöl für die Herstellung synthetischer Kunststoffe zu verwenden, setzt Los Alamos auf eine alternative, umweltfreundliche Ressource – Algen. Algen, die bereits eine brauchbare alternative Energieressource für Kraftstoffe sind, könnten sich auch als Grundstoff für die Herstellung von Polymeren auf biologischer Basis, den so genannten Biopolymeren, als nützlich erweisen, die stark und haltbar sind, sich aber schneller zersetzen als ihre Gegenstücke auf Erdölbasis.

Es ist keine leichte Aufgabe herauszufinden, welche Alge sich am besten als Grundstoff für die Herstellung von Biopolymeren eignet. Es gibt viele Arten von Algen, von mikroskopisch kleinen (wie Blaualgen oder Cyanobakterien, die wegen ihrer bläulich-grünen Farbe so genannt werden) bis hin zu großen Algen, die mehr als 30 Meter lang werden. Um herauszufinden, welche Art sich am besten für die Herstellung biologisch abbaubarer Kunststoffe eignet, verfolgen drei Laborteams unterschiedliche Ziele.

Ein Team, hauptsächlich Biologen, untersucht die biologischen Merkmale jeder Algenart. Sie interessieren sich insbesondere für die genetische Ausstattung jeder Alge, ihr Genom, das alle biologischen Informationen enthält, die für die Synthese der Bausteine für die Herstellung von Biopolymeren erforderlich sind. Das zweite Team, das sich hauptsächlich aus Chemikern zusammensetzt, untersucht die chemischen Prozesse, die notwendig sind, um neue Biopolymere zu entdecken, zu entwerfen und herzustellen, die genauso stark und haltbar sind wie Kunststoffe auf Erdölbasis, sich aber viel schneller abbauen.

Da die Durchsicht solcher Informationsberge viele Jahrzehnte dauern könnte, wendet ein drittes Team maschinelle Lernanalysen an, um die Arbeit zu beschleunigen. Maschinenlernende Algorithmen können tatsächlich aus Daten lernen, Muster erkennen und sogar Entscheidungen treffen, und das alles ohne menschliche Beteiligung.

Indem wir uns die reichhaltige und weitläufige Landschaft der Algenbiologie und Polymerchemie zunutze machen, werden wir einen Rahmen schaffen, auf dessen Grundlage wir eine neue Generation von Biopolymeren entwickeln können, die als Grundlage für revolutionäre neue Biokunststoffe dienen. Solche Biokunststoffe könnten dazu beitragen, dass Probleme wie der Große Pazifische Müllteppich vor der Küste Kaliforniens nicht weiter zunehmen. In diesem Fleck, der doppelt so groß ist wie Texas, gibt es sechsmal mehr Plastik als Meereslebewesen. Biokunststoffe sind eine Möglichkeit, Kunststoffe weiterhin zu verwenden, ohne die Erde und das Wasser für kommende Generationen zu verschmutzen.

Babetta L. Marrone ist leitende Wissenschaftlerin der Gruppe für Bioenergie und Biowissenschaften am Los Alamos National Laboratory und leitet das neue von Los Alamos finanzierte Projekt „Biomanufacturing with Intelligent Adaptive Control (BioManIAC)“. Sie ist außerdem Programmmanagerin für Biokraftstoffe in Los Alamos und betreut Projekte, die vom Büro für Bioenergietechnologien des Energieministeriums finanziert werden.

Dieser Artikel erschien zuerst im Santa Fe New Mexican.