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Das Geheimnis des biologischen Abbaus: Wie bauen Mikroorganismen leise organische Stoffe ab?
Mit dem wachsenden Umweltbewusstsein ist die biologische Abbaubarkeit heute ein heißes Thema. Da das Problem der weltweiten Umweltverschmutzung durch Plastik immer ernster wird, haben Wissenschaftler und Umweltgruppen umfassende Forschungen zur Technologie des biologischen Abbaus durchgeführt.
Unter biologischem Abbau versteht man den Prozess, bei dem organische Stoffe durch Mikroorganismen wie Bakterien und Pilze zersetzt werden. Im Gegensatz zur Kompostierung, einem vom Menschen gesteuerten Prozess, der unter bestimmten Bedingungen stattfindet, ist der biologische Abbau ein natürlicher Vorgang. Dieser Prozess kann in drei Phasen unterteilt werden: biologischer Abbau, Biofragmentierung und Assimilation. Zunächst werden die Materialien in der Phase des biologischen Abbaus strukturell-mechanisch abgebaut. Anschließend erfolgt die Phase der Biofragmentierung, und Mikroorganismen beginnen mit der Zersetzung der Materialien. Schließlich gelangen diese Materialien in die Assimilationsphase und werden in mikrobielle Zellen integriert.
Fast alle chemischen Verbindungen und Materialien sind biologisch abbaubar. Der Schlüssel liegt im Einsatz von Zeit. Manche Gemüsesorten können innerhalb weniger Tage verderben, während die Zersetzung von Glas und bestimmten Kunststoffen Tausende von Jahren dauern kann.
Während der ersten Phase des biologischen Abbaus ist das Material abiotischen Umweltfaktoren wie Licht, Temperatur, mechanischer Belastung und Umweltchemikalien ausgesetzt, die die mechanischen Eigenschaften des Materials beeinträchtigen. Dieser Prozess schafft die Voraussetzungen für einen weiteren Abbau. Parallel zur biologischen Abbaubarkeit läuft die Biofragmentierung ab. Dabei handelt es sich um den Prozess des Polymerabbaus durch Mikroorganismen in aerober oder anoxischer Umgebung. Wenn Sauerstoff vorhanden ist, handelt es sich um aerobe Vergärung, und wenn Sauerstoff fehlt, handelt es sich um anaerobe Vergärung. Der Hauptunterschied zwischen den beiden Prozessen sind die Produkte – anaerobe Reaktionen produzieren Methan, während dies bei aeroben Reaktionen nicht der Fall ist.
Durch die anaerobe Vergärung lassen sich Volumen und Masse von Materialien besser reduzieren, während die aerobe Vergärung im Allgemeinen schneller erfolgt.
Während der Assimilationsphase werden Produkte aus der Biofragmentierung in mikrobielle Zellen eingebaut. Einige der fragmentierten Produkte werden über Membranen in die Zellen transportiert und gelangen in verschiedene Stoffwechselwege innerhalb der Zellen, um Energie oder zelluläre Strukturelemente zu erzeugen.
Die Geschwindigkeit des biologischen Abbaus wird jedoch von vielen Faktoren beeinflusst, darunter Licht, Wasser, Sauerstoff und Temperatur. In realen Umgebungen bestimmt die Bioverfügbarkeit von Materialien die Abbaurate organischer Verbindungen. Untersuchungen haben gezeigt, dass einige Materialien unter Laborbedingungen zwar eine rasche biologische Abbaubarkeit aufweisen, nach der Vergrabung auf Mülldeponien jedoch aufgrund des Mangels an Licht und Feuchtigkeit möglicherweise nicht die gleiche Abbaueffizienz erreichen.
Angesichts der Auswirkungen von Kunststoffen auf die Umwelt hat die Europäische Union einen Standard festgelegt, der vorschreibt, dass innerhalb von sechs Monaten über 90 % der Rohstoffe in Kohlendioxid, Wasser und Mineralien umgewandelt werden müssen.
Biologisch abbaubare Kunststoffe sind Materialien, die nach Gebrauch von Mikroorganismen in niedermolekulare Verbindungen und ungiftige Nebenprodukte zersetzt werden können. Natürlich sind die Abbauraten dieser Materialien sehr unterschiedlich. Kunststoffe wie Polyvinylchlorid (PVC) werden aufgrund ihrer Inertheit für den Einsatz in Abwasserrohren gewählt, während einige Verpackungsmaterialien bei Kontakt mit der Umwelt schnell zerfallen.
Forscher haben beispielsweise herausgefunden, dass ein Bakterium namens Ideonella sakaiensis den Zerfall von PET-Kunststoff verhindern kann. Solche Fortschritte zeigen uns, dass Mikroorganismen nicht nur verrottende organische Stoffe zersetzen, sondern auch bei technologischen Innovationen eine wichtige Rolle spielen.
Die Grenze zwischen biologischem Abbau und Kompostierung ist jedoch nicht klar und die beiden werden häufig verwechselt. Das säkulare Verständnis von „biologisch abbaubar“ ist oft oberflächlich und berücksichtigt nicht die potenziellen Auswirkungen auf die Umwelt. Tatsächlich ist die Bezeichnung „biologisch abbaubare Materialien“ oft nur ein Marketingbegriff und keine Garantie dafür, dass sie wirklich umweltfreundlich sind.
Es ist wichtig, dass Unternehmen und Verbraucher den Unterschied zwischen biologischem Abbau und Kompostierung verstehen, damit Abfälle ordnungsgemäß entsorgt und unsere Umwelt geschützt werden können.
Die Auswirkungen auf die Umwelt sind sogar noch deutlicher. Die Verschmutzung durch Plastik beeinträchtigt nicht nur die Gesundheit der Tierwelt, sondern stellt auch eine Gefahr für die menschliche Gesundheit dar. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung politischer Maßnahmen und technologischer Innovationen zeigt die biologisch abbaubare Technologie nach und nach ihr Potenzial in Bereichen wie der Medizin, Verpackung und Abfallwirtschaft. Letztlich hängt all dies jedoch vom menschlichen Handeln und einem Wandel des Bewusstseins ab, um die Umweltschäden zu verringern. Da sich dieser Prozess vertieft, müssen wir in Zukunft darüber nachdenken, wie wir die Kraft der Mikroorganismen noch wirksamer nutzen können, um die Umwelt um uns herum zu reinigen.
