Bioplastik zerfällt in der kalten Tiefsee kaum, weil dort die passenden Mikroben fehlen. Ein japanisches Forschungsteam hat deshalb Enzyme direkt in biologisch abbaubare Kunststoffe eingeschmolzen und die Proben mit dem Tauchboot Shinkai 6500 auf dem Meeresboden ausgelegt. In 757 Metern Tiefe vor der Küste Japans waren Folien aus drei Kunststoffsorten nach fünf Monaten fast vollständig verschwunden, während Vergleichsfolien ohne Enzym höchstens 3,4 Prozent ihrer Masse verloren. Das Verfahren funktioniert allerdings nur bei bestimmten abbaubaren Polyestern und nicht bei gewöhnlichem Plastik wie Polyethylen. In 5.503 Metern Tiefe ging der Abbau zudem deutlich langsamer voran.
Viele Verpackungen aus Bioplastik tragen das Versprechen, sich in der Natur aufzulösen. Die meisten dieser Materialien sind jedoch für den Industriekompost entwickelt, wo hohe Temperaturen, viel Feuchtigkeit und eine große Zahl an Mikroben herrschen. Im Meer fehlen diese Bedingungen weitgehend. Schon frühere Untersuchungen zeigten, dass kompostierbare Kunststoffe wie Polymilchsäure im Meerwasser kaum zerfallen. In der Tiefsee, wo es dunkel und kalt ist und ein enormer Wasserdruck herrscht, gilt das erst recht. Ausgerechnet dort landet aber ein großer Teil des Plastikmülls, der ins Meer gelangt.
Forscher um QiuYuan Huang und Tadahisa Iwata von der Universität Tokio haben gemeinsam mit der japanischen Meeresforschungsbehörde JAMSTEC und der Universität Gunma einen anderen Weg gewählt. Statt darauf zu warten, dass passende Mikroben den Kunststoff besiedeln, liefern sie das Werkzeug für den Abbau gleich mit. Die Ergebnisse ihrer Feldversuche in Küstengewässern und auf dem Tiefseeboden sind im Fachmagazin Nature erschienen. Laut der Mitteilung der Universität Tokio belegen die Versuche, dass in Kunststoff eingebettete Enzyme auch bei niedrigen Temperaturen und hohem Druck am Meeresgrund aktiv bleiben, ohne ihre Struktur zu verlieren. Nach Angaben der Autoren waren solche Materialien bislang nur im Labor oder in geschlossenen Behältern getestet worden. Ob sie auch im offenen Meer und in der Tiefsee funktionieren, war unbekannt.
Als Tiefsee gilt das Meer unterhalb von 200 Metern, das rund 95 Prozent des gesamten Ozeans ausmacht. Nach Schätzungen von Forschern der australischen Behörde CSIRO liegen bis zu elf Millionen Tonnen Plastikmüll auf dem Meeresgrund. Herkömmliche Kunststoffe wie Polyethylen oder Polypropylen bauen sich dort praktisch nicht ab. Biologisch abbaubare Kunststoffe sollen das Problem eigentlich lösen, denn Mikroorganismen können sie mit ihren Enzymen in Kohlendioxid und Wasser zerlegen. Dafür müssen aber genau die richtigen Mikroben vor Ort sein, und sie müssen unter den harten Bedingungen der Tiefsee aktiv werden.
Dieselbe Arbeitsgruppe hatte bereits 2024 verschiedene abbaubare Kunststoffe in 757 bis 5.552 Metern Tiefe ausgelegt. Mikroben bauten die Proben dort zwar ab, doch außer den von Bakterien hergestellten Polyhydroxyalkanoaten (PHA) verlief der Abbau sehr langsam. Selbst die schnelleren Materialien hätten Jahre gebraucht, um vollständig zu verschwinden. Außerdem stellte das Team fest, dass nicht in jeder Meeresregion Mikroben leben, die alle Sorten von Bioplastik abbauen können. PHA wäre zwar eine Lösung, wird aber bislang nur in kleinen Mengen und zu hohen Kosten hergestellt.
Für die neue Studie wählten die Forscher vier verbreitete kompostierbare Polyester: Polybutylensuccinat (PBS), Polybutylensuccinat-co-adipat (PBSA), Polycaprolacton (PCL) und Polybutylenadipat-terephthalat (PBAT). In diese Kunststoffe mischten sie zwei natürliche Enzyme, die Esterbindungen spalten können, also genau die Verbindungen, die die Kettenbausteine eines Polyesters zusammenhalten. Das eine ist eine Cutinase aus dem Schimmelpilz Humicola insolens, die in der Natur Cutin zerlegt, einen polyesterartigen Bestandteil der Schutzschicht von Pflanzen. Das andere ist die Lipase B aus der Hefe Candida antarctica, ein fettspaltendes Enzym, das in der Industrie bereits breit eingesetzt wird. Beide Enzyme wurden gefriergetrocknet und gelten in dieser Form als hitzebeständig.
Das Enzympulver gaben die Forscher zusammen mit dem Kunststoffgranulat in einen Doppelschneckenextruder, der die Masse bei 90 bis 130 Grad Celsius aufschmolz und durchmischte. Damit die Enzyme nicht zerstört werden, blieb das Material nur etwa drei Minuten in der Maschine. Aus der Masse pressten sie etwa vier mal vier Zentimeter große und rund 0,1 bis 0,3 Millimeter dünne Folien. Zusätzlich stellten sie winzige Kügelchen mit 20 bis 300 Mikrometern Durchmesser her, die als Modell für Mikroplastik dienten. Für die Küste enthielten die Proben nur 0,1 Gewichtsprozent Enzym, für die Tiefsee 3 Gewichtsprozent. Einen ähnlichen Grundgedanken verfolgten Forscher in den USA, die Bakteriensporen in einen Kunststoff einbauten, der sich anschließend im Kompost selbst zersetzte.
Die Forscher verschweißten die Folien in Netzbeutel aus Polyethylen und setzten sie in durchlöcherte Probenbehälter, die mit grünem Fischernetz und Ankergewichten am Boden gehalten wurden. Proben mit und ohne Enzym lagen dabei in getrennten Behältern. Das bemannte Tauchboot Shinkai 6500 von JAMSTEC oder ein ferngesteuerter Tauchroboter setzte die Behälter mit einem Greifarm an vier Stellen ab. Dazu gehörten der Meeresboden vor dem Hafen Misaki in 757 Metern Tiefe, wo sich viel großer Plastikmüll sammelt, eine Stelle vor der Insel Hatsushima in 855 Metern Tiefe mit kalten Quellen und der Unterseevulkan Myojin Knoll in 1.292 Metern Tiefe mit heißen Quellen. Die tiefste Station lag in 5.503 Metern Tiefe in einer Tiefseeebene im Bereich der Kuroshio-Strömung, wo sich besonders viel Mikroplastik im Sediment anreichert. Als Vergleich diente die Hafenmauer der JAMSTEC-Zentrale in Yokosuka an der Bucht von Tokio in zwei bis sechs Metern Wassertiefe. In der Tiefsee blieben die Proben je nach Versuchsreihe drei bis 18 Monate am Meeresboden, an der Hafenmauer einen Monat.
Das deutlichste Ergebnis lieferte die Station vor Misaki. Nach fünf Monaten in 757 Metern Tiefe hatten die Folien aus PBS 97,3 Prozent ihrer Masse verloren, die Folien aus PBSA und PCL waren vollständig verschwunden. Die gleichen Folien ohne Enzym verloren in derselben Zeit nur 1,2 bis 3,4 Prozent. Am Meeresboden herrschen dort laut der Universität Tokio rund 4 Grad Celsius und ein Druck von 7,6 Megapascal, etwa das 75-Fache des Luftdrucks. Bei PBS errechneten die Forscher eine Abbaurate von 97 Mikrogramm pro Quadratzentimeter und Tag, ohne Enzym waren es 0,9 Mikrogramm. Je nach Kunststoff und Enzym lief der Abbau in der Tiefsee laut der Universität 12- bis 80-mal schneller ab als ohne Enzym. Die Kunststoffe mit Cutinase bauten sich dabei sogar schneller ab als die von Bakterien produzierte PHA-Vergleichsprobe, die in fünf Monaten 17,3 Prozent verlor.
Der Abbau ging nicht einfach auf ein Zerbröseln zurück. Die Restfolien blieben zusammenhängend, wurden aber dünner und löchrig, und die Länge der verbliebenen Polymerketten veränderte sich nicht. Das deutet darauf hin, dass die Enzyme den Kunststoff rund um ihre eigene Position abbauen und die kleinen, wasserlöslichen Bruchstücke ins Meerwasser abgeben. Schwieriger war es bei PBAT, das starre ringförmige Bausteine aus Terephthalsäure enthält. Diese Folien verloren in fünf Monaten 12,1 Prozent ihrer Masse, ohne Enzym nur 1,1 Prozent. Auch in 5.503 Metern Tiefe zeigte sich ein Effekt, wenn auch ein schwächerer. Dort verloren Folien mit der weniger wirksamen Lipase in 18 Monaten 30,5 Prozent (PBSA) und 7,7 Prozent (PCL), ohne Enzym waren es 1,6 und 3,4 Prozent. Druckversuche im Labor bestätigten, dass die Lipase auch bei 25 Megapascal noch arbeitet, wenn auch langsamer.
An der Hafenmauer in Yokosuka, wo das Wasser wärmer ist und mehr Mikroben leben, reichte schon ein Gramm Enzym pro Kilogramm Kunststoff. Nach nur einem Monat waren die PBSA-Folien vollständig abgebaut, die PCL-Folien zu 85,5 Prozent und die PBS-Folien zu 27,4 Prozent. Ohne Enzym verloren PBS, PBSA und PBAT in dieser Zeit weniger als 3 Prozent, nur PCL baute sich mit 23,4 Prozent auch von allein merklich ab. Die Mikrokügelchen mit Enzym zeigten im Meerwasser schon nach zwei Wochen deutliche Poren und Risse. In einem Laborversuch mit Hafenwasser bei 25 Grad Celsius wandelten Mikroben innerhalb eines Monats 50,9 Prozent einer enzymhaltigen PBS-Folie in Kohlendioxid um, gemessen am Sauerstoffverbrauch. Das liegt nahe am Wert von Zellulose mit 59,3 Prozent, während PBS ohne Enzym nur auf 4,7 Prozent kam.
Ein Kunststoff, der sich selbst abbaut, wirft die Frage auf, ob er schon während der Nutzung zerfällt. Laut der Universität Tokio zeigen die eingebetteten Enzyme ohne Wasser keine Aktivität. Erst wenn der Kunststoff im Meer zerbricht oder an der Oberfläche abgerieben wird und Wasser an die Enzyme gelangt, beginne der Abbau. Die Forscher sprechen von einer Art Startschalter. Wie lange die Produkte im Alltag tatsächlich stabil bleiben, ist in der Studie allerdings nicht untersucht. Die Universität nennt Tests zur Langzeithaltbarkeit und Sicherheit unter realen Nutzungsbedingungen ausdrücklich als nächsten Schritt.
Das Verfahren ist kein Mittel gegen den bereits vorhandenen Plastikmüll im Meer. Es funktioniert nur bei Polyestern, deren Esterbindungen die Enzyme spalten können. Polyethylen, Polypropylen und Polystyrol, die den Großteil der weltweit produzierten Kunststoffe ausmachen, sind davon nicht betroffen. Auch die mechanischen Eigenschaften hängen von der Enzymmenge ab. Mit 0,1 Prozent Enzym blieben Festigkeit und Dehnbarkeit der Folien nahezu unverändert. Die für die Tiefsee verwendeten 3 Prozent machten die Folien dagegen deutlich weniger fest und dehnbar, nach Einschätzung der Autoren aber noch im praktisch nutzbaren Bereich.
Hinzu kommen die Kosten. Abbaubare Polyester sind ohnehin teurer als herkömmliche Kunststoffe, und die Enzyme erhöhen den Preis weiter. Beide Enzyme werden zwar bereits von mehreren Herstellern im industriellen Maßstab produziert, dennoch sehen die Autoren die Kosten als wichtige Hürde. Offen bleibt auch, ob beim Abbau zwischenzeitlich mehr Mikroplastik entsteht, da sich die Kunststoffe zunächst in kleinere Teile zerlegen können. Die Forscher betonen, dass eine bessere Abbaubarkeit im Meer allein noch kein nachhaltiges Material ausmacht, weil auch Treibhausgase, Haltbarkeit und Entsorgung zählen. Als Nächstes wollen sie das Verfahren auch auf Angelschnüre und Fischernetze übertragen.
Nature, Enzyme-embedded polyesters for accelerated biodegradation in the deep sea; doi:10.1038/s41586-026-11192-1
Nature Communications, Microbial decomposition of biodegradable plastics on the deep-sea floor; doi:10.1038/s41467-023-44368-8
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