Die mikrobielle Gemeinschaft fordert den Klimawandel heraus

Die Idee von biologisch abbaubarem Kunststoff hört sich im ersten Moment gut an. Allerdings ist wenig darüber bekannt, wie Bodendegradation und wie diese durch den Klimawandel beeinflusst wird. Bodenökologen des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) haben in zwei aktuellen Studien gezeigt, welche mikrobielle Gemeinschaft für den Abbau verantwortlich ist, welche Rolle das Klima dabei spielt und warum biologisch abbaubares Plastik nach wie vor ein Problem darstellt.

Plastik, das in Böden, Ozeane oder Binnengewässer landet, kann die dort lebenden Organismen schädigen und zu ernsthaften, langfristigen Störungen der Ökosysteme führen. Die Entwicklung und der verstärkte Einsatz von biologisch abbaubaren Kunststoffen steht damit im Fokus einer umweltfreundlicheren Wirtschaft. „Trotz des positiven Bildes von biologisch abbaubaren Kunststoffen wissen wir noch sehr wenig darüber, wie es im Boden funktioniert oder abgebaut wird“, sagt Professor Francois Boscott, Bodenökologe am UFZ.

Um dies genauer zu beleuchten, hat das Forschungsteam von Buscot in einer kürzlich veröffentlichten Studie folgende Fragen untersucht: Umweltwissenschaft und -technologieWie schnell zersetzt sich biologisch abbaubarer Kunststoff? Welche Mikroorganismen sind beteiligt? Wie reagieren sie? Welche Bedingungen fördern den Abbauprozess? Und was hindert ihn? „Wir wollten auch wissen, wie sich ändernde Temperaturen und Niederschlagsmengen durch den Klimawandel auf die biologische Abbaubarkeit von Plastik auswirken“, erklärt Dr. Whitton Burahung, ebenfalls Bodenökologe am UFZ und Erstautor der Studie.

Dazu wurden Experimente an der Global Change Experimental Facility (GCEF) in Bad Lauchstädt durchgeführt, die derzeit flächenmäßig zu den größten Freiluftklimaexperimenten der Welt zählt. Forscher haben die Folgen des Klimawandels auf Landnutzung und Ökosysteme untersucht. Im Fokus standen eine Mulchschicht und gärtnerische Membranen, mit denen der Boden abgedeckt wird. Diese bestehen meist aus Polyethylen (PE), einem aus fossilen Rohstoffen hergestellten Kunststoff. Aus technischen Gründen verbleiben oft Filmreste im Boden. Dies führt mittelfristig zu einer Mikroplastikbelastung. Der Umstieg auf biologisch abbaubare Alternativen wäre hier also sehr sinnvoll. Aber gibt es Nebenwirkungen bei der Verwendung solcher Alternativen?

Um dies herauszufinden, untersuchte das Team, wie sich Polybutylensuccinat-Adiabat (PBSA), ein biosynthetischer Mulch, der teilweise aus Pflanzen (Mais, Zuckerrohr und Maniok) hergestellt wird, unter den natürlichen Bedingungen eines landwirtschaftlichen Feldes abbaut. Die Forscher unterschieden zwischen aktuellen Klimabedingungen und simulierten Klimabedingungen, wie sie für Deutschland um 2070 prognostiziert werden. Mit modernen molekularbiologischen Methoden (Next Generation Sequencing) ermittelten sie die mikrobielle Gemeinschaft, die den Kunststoff selbst sowie den umgebenden Boden besiedelte.

„Wir konnten zeigen, dass nach knapp einem Jahr bereits rund 30 % der PBSA abgebaut sind. Das ist bei den derzeit in Deutschland herrschenden klimatischen Bedingungen eine ganze Menge“, sagt Burahung. „Die Hauptwirkstoffe sind Pilze, die von einer vielfältigen Bakteriengruppe und vielen anderen Mikroorganismen unterstützt werden. Dazu gehören Bakterien, die Pilze mit Stickstoff versorgen (was in Plastik selten vorkommt) oder Bakterien und Archaeen, die giftige Abbauprodukte verwenden.“ Auf und um Plastik herum bildet sich eine Gemeinschaft des intelligenten Abbaus und Recyclings – selbst bei einer ähnlichen Zersetzungsrate unter simulierten zukünftigen Klimabedingungen, fügt Purahong hinzu. Der Klimawandel scheint den PBSA-abbauenden Pilzen nicht abträglich zu sein. Die mikrobielle Gemeinschaft um sie herum ist etwas anders – aber das Ergebnis der Zersetzung ist ähnlich. „Mit so guten Nachrichten haben wir nicht gerechnet.“

In einer weiteren in Environmental Science Europe veröffentlichten Studie untersuchten UFZ-Forscher die Gemeinschaft der Mikroorganismen unter verschärften Bedingungen. Sie untersuchten, wie sich die Gemeinschaft verändert, wenn große Mengen an PBSA in den Boden gelangen, und was passiert, wenn eine hohe Konzentration von Stickstoffdünger ausgebracht wird. „Große Mengen an PBSA machen die mikrobielle Gemeinschaft im Boden sehr unterschiedlich“, sagt Doktorand Benjawan Tanunchai und Erstautor der Studie. Bei einem Anstieg der PBSA im Boden um 6 % nahm die Vielfalt der Pilzarten um 45 % und der Archaeenarten um 13 % ab. Andererseits führte die hohe PBSA-Belastung in Verbindung mit der Düngung der Fläche zur Vermehrung von Fusarium solani, einem sich ausbreitenden pflanzenschädigenden Pilz.

Daher liefern die beiden UFZ-Studien eine gute und eine weniger gute Nachricht: PBSA kann im Boden relativ schnell und effizient abbauen – auch unter zukünftigen klimatischen Bedingungen. Wenn jedoch PBSA in großen Mengen mit hohen Konzentrationen an Stickstoffdüngemitteln vorhanden ist, kann der Abbau von PBSA aufgrund von Störungen der mikrobiellen Gemeinschaft und einer erhöhten Schädlingspräsenz negative Auswirkungen auf die landwirtschaftliche Produktion haben. „Wenn große Mengen Plastik in die Umwelt gelangen, ist das nie gut – auch wenn es biologisch abbaubar ist“, sagt Buscot. „Am besten ist es, ganz auf Plastik zu verzichten. Da dies aber derzeit ein unrealistisches Ziel ist, sollten wir zumindest auf möglichst allgegenwärtige biologisch abbaubare Kunststoffe setzen und möglichst viel im Vorfeld über deren Abbauverhalten und Folgen wissen.“