Kunststoffe haben im letzten Jahrhundert die Welt im Sturm erobert und finden in praktisch allen Bereichen unseres Lebens Anwendung. Der Aufstieg dieser synthetischen Polymere, die die Grundlage der Kunststoffe bilden, hat jedoch zu vielen ernsten Umweltproblemen beigetragen. Am schlimmsten ist die übermäßige Verwendung petrochemischer Verbindungen und die Entsorgung biologisch nicht abbaubarer Materialien ohne Recycling; nur 14 % aller Kunststoffabfälle werden recycelt, was dem Problem kaum Abhilfe schafft.
Um das Problem der Kunststoffe zu lösen, müssen wir "Kreislaufsysteme" entwickeln, bei denen die zur Herstellung der Kunststoffe verwendeten Ausgangsstoffe nach der Entsorgung und dem Recycling in den Kreislauf zurückgeführt werden. Am Tokyo Institute of Technology leistet ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Assistant Professor Daisuke Aoki und Professor Hideyuki Otsuka Pionierarbeit mit einem neuartigen Konzept. In ihrem neuen umweltfreundlichen Verfahren werden aus Biomasse hergestellte Kunststoffe (Biokunststoffe) chemisch in Düngemittel zurückverwandelt. Diese Studie wird in Green Chemistry veröffentlicht, einer Zeitschrift der Royal Society of Chemistry, die sich auf innovative Forschung zu nachhaltigen und umweltfreundlichen Technologien konzentriert.
Das Team konzentrierte sich auf Poly(isosorbidcarbonat), oder "PIC", eine Art biobasiertes Polycarbonat, das als Alternative zu erdölbasierten Polycarbonaten viel Aufmerksamkeit erregt hat. PIC wird aus einem ungiftigen, aus Glukose gewonnenen Material namens Isosorbid (ISB) als Monomer hergestellt. Das Interessante daran ist, dass die Karbonatverbindungen, die die ISB-Einheiten verbinden, mit Ammoniak (NH3) in einem als Ammonolyse" bekannten Prozess getrennt werden können. Bei diesem Prozess entsteht Harnstoff, ein stickstoffreiches Molekül, das häufig als Düngemittel verwendet wird. Während diese chemische Reaktion in der Wissenschaft kein Geheimnis war, haben sich nur wenige Studien über den Polymerabbau auf die potenzielle Verwendung aller Abbauprodukte und nicht nur der Monomere konzentriert.
Zunächst untersuchten die Wissenschaftler, wie gut sich die vollständige Ammonolyse von PIC in Wasser unter milden Bedingungen (30 °C und Atmosphärendruck) durchführen lässt. Der Grund für diese Entscheidung war die Vermeidung des Einsatzes von organischen Lösungsmitteln und übermäßiger Energiemengen. Das Team analysierte alle Reaktionsprodukte sorgfältig mit verschiedenen Methoden, darunter kernmagnetische Resonanzspektroskopie, Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie und Gelpermeationschromatographie.
Obwohl es ihnen gelang, auf diese Weise Harnstoff herzustellen, war der Abbau von PIC selbst nach 24 Stunden noch nicht abgeschlossen, da noch viele ISB-Derivate vorhanden waren. Daher versuchten die Forscher, die Temperatur zu erhöhen, und stellten fest, dass der vollständige Abbau in etwa sechs Stunden bei 90 °C erreicht werden konnte! Dr. Aoki hebt die Vorteile dieses Ansatzes hervor: "Die Reaktion läuft ohne Katalysator ab, was zeigt, dass die Ammonolyse von PIC mit wässrigem Ammoniak und Erhitzen einfach durchgeführt werden kann. Somit ist dieses Verfahren betrieblich einfach und unter dem Gesichtspunkt des chemischen Recyclings umweltfreundlich".
Um schließlich zu beweisen, dass alle PIC-Abbauprodukte direkt als Düngemittel verwendet werden können, führte das Team Pflanzenwachstumsexperimente mit dem Modellorganismus Arabidopsis thaliana durch. Sie stellten fest, dass Pflanzen, die mit allen PIC-Abbauprodukten behandelt wurden, besser wuchsen als Pflanzen, die nur mit Harnstoff behandelt wurden.
Die Gesamtergebnisse dieser Studie zeigen, dass die Entwicklung von Düngemittelsystemen aus Kunststoffen machbar ist. Diese Systeme können nicht nur dazu beitragen, die Umweltverschmutzung und die Verknappung der Ressourcen zu bekämpfen, sondern auch den steigenden Nahrungsmittelbedarf der Welt zu decken. Dr. Aoki zieht ein positives Fazit: "Wir sind überzeugt, dass unsere Arbeit einen Meilenstein auf dem Weg zur Entwicklung nachhaltiger und recycelbarer Polymermaterialien in naher Zukunft darstellt. Die Ära des 'Brotes aus Plastik' steht vor der Tür!"
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