Die Forderung nach Biokunststoff soll schon zu Beginn einfach beantwortet werden: Wir brauchen Biokunststoffe deshalb, weil die Rohstoffquelle Erdöl der synthetischen Kunststoffe endlich ist und weil sich die Kunststoffe in unserem Ökosystem anreichern und damit ein erhebliches ökologisches Risiko beinhalten. Warum wir Biokunststoffe ohne „Wenn“ und „Aber“ brauchen, möchten wir im Folgenden aufzeigen.
I.
Kunststoffe sind aus der modernen Welt nicht mehr wegzudenken. Ungezählte Alltags- und Gebrauchsgüter sowie zahlreich technische Werkstoffe und Hilfsstoffe sind Kunststoffe. Dabei bezeichnet der Begriff „Kunststoff“ üblicherweise einen (Werk-)Stoff, der aus langkettigen oder vernetzten Molekülen besteht – den Makromolekülen oder auch Polymere. Damit aus Polymeren ein Kunststoff wird, müssen noch verschiedenste Zusätze (Additive) beigemengt werden, die eine geeignete Verarbeitung gewährleisten und die späteren Gebrauchseigenschaften bedingen. Erst durch den Zusatz von verschiedensten Additiven und Zuschlagsstoffen, die meist kleinere organische oder anorganische Verbindungen sind, wird ein Material mit einem Basispolymer überhaupt erst zu einem Kunststoff. Die bekanntesten unter den Additiven sind sogenannte Weichmacher, Antioxidantien, Brandschutzmittel, Treibmittel, UV-Stabilisatoren, aber auch Farbstoffe und -pigmente, wobei sich diese Liste fast beliebig lang fortsetzen ließe. Das heißt, der Begriff „Plastik“ oder der Begriff „Kunststoff“ hängt eben auch untrennbar mit den Additiven zusammen, über die man – bis auf wenige Fälle – wenig hört und sich meistens als Verbraucher auch keine Gedanken macht.
In der Umgangssprache wird für diesen künstlich hergestellten Stoff (Kunststoff) aus Polymeren und Additiven das Wort Plastik verwendet. Plastik kommt aus dem Griechischen und bedeutet im weitesten Sinne „geformte Kunst“. Der umgangssprachliche Begriff Plastik für Kunststoffe meint damit ein – wie auch immer – geformtes Produkt aus Polymeren mit den verschiedensten Additiven. Es gibt gegenwärtig kaum ein Produkt, in dem nicht irgendwo ein Plastikteil verbaut ist oder die gar vollständig aus Plastik bestehen. Beispiele sind Plastiktüten, Verpackungen, Flaschen, Spielzeug, Kunststoffrohre, Kleber, Autokonsolen, Schuhsohlen, Sportgeräte, Geldkarten und unzählige mehr. Auch hier könnte man die Liste fast beliebig fortsetzen. Wir haben uns an den Gebrauch der Kunststoffe gewöhnt. Die Entwicklung der Kunststoffe als Werkstoffe haben viele Produkte überhaupt erst möglich gemacht, sodass sie eben aus der modernen Welt nicht mehr wegzudenken sind.
Die allermeisten der heute verwendeten Kunststoffe basieren auf Erdöl als Rohstoffquelle. Die Geschichte der erdölbasierten Kunststoffe und damit des Plastikzeitalters (Plastozäns) begann vor 125 Jahren 1891 mit der Entwicklung der chemisch-industriellen Verwertung des Erdöls durch den herausragenden russischen Ingenieur Wladimir Grigorjewitsch Schuchow (1853-1939). Durch seine grundlegenden Arbeiten konnte man aus Erdöl chemische Grundstoffe erzeugen, die dann wieder chemisch zu großen Makromolekülen (den Polymeren) neu zusammengesetzt wurden. Diese chemisch erzeugten langkettigen oder vernetzten Makromoleküle sind eine der stofflichen Grundlagen für die Herstellung der synthetischen Kunststoffe. Der große Erfolg der synthetischen Kunststoffe hat seine Ursachen darin, dass es einerseits eine bislang kostengünstige Rohstoffquelle darstellt und dass inzwischen etablierte groß-industrielle Prozesse und Anlagen der Erdölchemie zur Verfügung stehen. Auf der anderen Seite besitzen die synthetischen Polymere sehr gute Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften, wodurch sie ebenfalls kostengünstig hergestellt werden können und während ihrer Nutzungsdauer überzeugen. Das zeigen auch Zahlen zum jährlichen weltweiten Verbrauch an Kunststoffen, der mit über 300 Millionen Tonnen zu beziffern ist.
Erdöl ist eine fossile Rohstoffquelle, die im Laufe von Jahrmillionen aus Biomasse entstanden ist. Diese Biomasse waren hauptsächlich abgestorbene Kleinstlebewesen der Meere (vor allem Algen). Erdöl ist demzufolge eine natürliche Ressource. Aufgrund der langen Bildungsprozesse und weil es nicht in der Menge nachgebildet wird, wie es entnommen wird, ist das Erdöl als Rohstoff von einer endlichen Verfügbarkeit. Über den Zeitpunkt, wann die Erdölvorräte aufgebraucht sein werden, wird intensiv diskutiert. Die Festlegung eines definierten Zeitpunkts wird unter anderem dadurch erschwert, dass immer wieder neue und unkonventionelle Lagerstätten erschlossen werden, allerdings nicht mit derselben hohen Häufigkeit wie seit gut 60 Jahren. Die Neuentdeckung fossiler Rohstoffquellen nimmt seit Jahren kontinuierlich ab. Damit steht in einem überschaubaren Zeitraum diese Ressource für die Herstellung von Kunststoffen nicht mehr zur Verfügung.
Wirtschaftlich wird Erdöl als „verfügbares Einkommen“ betrachtet, wohingegen es eigentlich als „Kapital“ angesehen werden müsste, da es sich ja durch die kontinuierliche Entnahme aufbraucht – frei nach Ernst F. Schumacher: „Small is beautiful.“ Das heißt, dass der „Schatz“ Erdöl beständig abschmilzt, weil er nicht in absehbaren Zeiträumen, beispielsweise über zwei bis drei Generationen hinweg, erneuert wird, sondern evolutionäre Zeiträume von Millionen von Jahren dazu braucht. Die bislang angewandte ökonomische Sichtweise auf den Rohstoff Erdöl als „frei verfügbares Einkommen“ ist fragwürdig und hat meines Erachtens zu der nicht-nachhaltigen Nutzung dieser fossilen Ressource beigetragen.
II.
Als alternative Rohstoffquelle für die Erzeugung von künstlichen Stoffen (Kunststoffen) können viele nachwachsende Rohstoffe genutzt werden, wie etwa das Holz, einjährige Pflanzen oder Mikroorganismen. Aus diesen lassen sich die Biopolymere gewinnen, die als stoffliche Grundlage für den jeweiligen Kunststoff dienen können. Aus Holz kann beispielweise Cellulose und Lignin gewonnen werden. Leder, Wolle, Seide, Kautschuk und Schellack sind weitere Beispiele für Biopolymere und Materialien aus Biopolymeren. Und aus Mikroorganismen lässt sich die Milchsäure als Rohstoff für die Gewinnung von Polymilchsäure (auch Polylactid PLA) erzeugen.
Die Geschichte der Kunststoffe auf Basis nachwachsender Rohstoffe (der biobasierten Kunststoffe, Biokunststoffe) ist so alt wie die Menschheit selbst. Schon immer hat der Mensch genutzt, was ihm die Natur zur Verfügung stellt: An erster Stelle stehen hier natürlich die Nahrungsmittel, aber auch vieles andere, was Tiere und Pflanzen liefern, wurde stofflich etwa als Bekleidung oder als Werkzeug genutzt. Die Erzeugung von Kunststoffen insbesondere aus nachwachsenden Rohstoffen ist keine Erfindung der Neuzeit. Bereits vor der Entwicklung der vollsynthetischen Kunststoffen aus fossilen Rohstoffquellen (Erdöl) wurden die ersten Biokunststoffe bereits schon Ende des 19. Jahrhunderts entwickelt: Das bekannte Celluloid (photographische Filme, Tischtennisbälle und Billardkugeln), der Milchstein oder auch Galalith (Knöpfe und andere kleinteilige Formprodukte) und der Lederstein/Cottonid/Vulkanfiber (Überseekoffer, Helme). Schutzhauben für Schweißer und Trennscheiben (Flexscheiben) sind heute noch aus Vulkanfiber gefertigt. Das heißt also, dass es Biokunststoffe schon vor dem Aufkommen anderer vollsynthetischer Kunststoffe gab. Mit der Entwicklung von Kunststoffen auf der Basis von Erdöl wurden die Biokunststoffe schnell durch Bakelit, Acrylglas und Nylon verdrängt.
Die meisten Kunststoffe sind durch eine eingeschränkte biologische Abbaubarkeit sehr langlebig, wodurch sie sich in der Umwelt anreichern. Die Kunststoffe werden auf verschiedenen Wegen in die Umwelt eingetragen und werden mit der Zeit durch äußere Einflüsse in immer kleinere Teile zerlegt. Daraus entstehen mikroskopisch kleine Partikel, die inzwischen auch unter dem Begriff Mikroplastik bekannt sind. Durch den systematischen Eintrag von langlebigen persistenten Kunststoffen in die Umwelt beobachtet man daher eine enorme Anreicherung von Mikroplastikpartikeln und -fasern. Die Folgen der Anreicherung von Kunststoffpartikeln in Bezug auf eine nachhaltige Funktionalität von Gewässern und auf die Produktivität von land- und forstwirtschaftlich genutzten Böden sind bislang nicht abschätzbar. So wäre es wünschenswert, wenn man Kunststoffe zu Verfügung hätte, die während ihrer Gebrauchsdauer die gewünschten Eigenschaften aufweisen, danach sich jedoch durch Umwelteinflüsse biologischer oder physikalisch-chemischer Natur abbauen ließen oder sich einfach auflösen würden.
Hier kommt der Begriff Biokunststoff ins Spiel, der – je nach Blickwinkel – auf zwei grundlegende Definitionen zurückzuführen ist: Die erste Definition bezieht sich auf die Rohstoffquelle. Werden also Kunststoffe auf Basis nachwachsender Rohstoffe erzeugt, spricht man von einem Biokunststoff (siehe oben). Das können einerseits natürliche Biopolymere aus Holz und Pflanzen sein, andererseits lassen sich auch „konventionelle“ Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen herstellen. Dazu wird beispielsweise Zucker aus Zuckerrohr oder anderen pflanzlichen Quellen biotechnologisch zu Ethanol umgewandelt („Bioethanol“), was dann als chemischer Ausgangsstoff für die Produktion von vollsynthetischen Kunststoffen dienen kann („Bio-Polyethylen“; „Bio-PE“). Es sei an dieser Stelle angemerkt, das Bio-PE genau die gleiche molekulare Grundstruktur wie aus Erdöl erzeugtes Polyethylen PE und damit auch die gleichen chemischen Eigenschaften besitzt. Beide sind somit nicht voneinander unterscheidbar, nur dass dieses Bio-PE eben seinen Ursprung in den nachwachsenden und nicht in den begrenzt zur Verfügung stehenden fossilen Rohstoffen hat.
Die zweite Definition betrifft die biologische Abbaubarkeit: Darunter fallen solche Biokunststoffe, die durch Bakterien und andere Mikroorganismen oder Pilze verstoffwechselt und damit abgebaut werden.
Das bedeutet, dass diese Kunststoffe in überschaubaren Zeiträumen nach ihrem Eintrag in die Umwelt in die Kreisläufe der Natur zurückgeführt werden. Die allermeisten petrochemisch hergestellten Kunststoffe sind in der Regel nicht biologisch abbaubar. Es gibt aber auch einige neuere vollsynthetische Kunststoffe, die diese Eigenschaft besitzen. Andersherum sind die meisten Polymere aus der Natur (Biopolymere) biologisch zersetzbar, aber eben auch nicht alle. Das hängt unter anderem davon ab, wie man sie zu Kunststoffen aufbereitet hat. Zudem sind „Biokunststoffe“ nach der ersten Definition wie zum Beispiel das Bio-PE nicht biologisch abbaubar, da es ja chemisch gesehen mit vollsynthetischem PE identisch ist. Es ist also wichtig, genau hinzuschauen, was jeweils unter dem Begriff „Biokunststoff“ verstanden wird.
Aus diesen zwei Definitionen für „Biokunststoffe“ heraus ergibt sich ein Spannungsfeld, in dem vollsynthetische erdölbasierte Polymere sehr wohl eine gewisse biologische Abbaubarkeit aufweisen können, während nicht alle „Biokunststoffe“ aus nachwachsenden Rohstoffen biologisch abbaubar sind. Idealerweise wird ein Kunststoff heute aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt, was eine nachhaltige Erzeugung über mehrere Generationen hinweg sicherstellt. Zusätzlich sollen sie biologisch oder durch andere Umwelteinflüsse abbaubar sein, wodurch natürliche Kreisläufe geschlossen werden und nachfolgende Generationen nicht mit „Plastikmüll“ belastet werden.
Gleichwohl ist die Bewertung und der Vergleich der Umweltverträglichkeit von Kunststoffen auf fossiler Rohstoffbasis mit neuen Kunststoffen aus nachwachsenden Rohstoffen nicht immer einfach und führen – je nach Blickwinkel und Ansatz – zu unterschiedlichen Ergebnissen. Um die langfristige Anreicherung von Kunststoffen in der Umwelt zu verhindern, ist entweder der Austrag zu vermeiden oder die Verwendung von vollständig abbaubaren Kunststoffen notwendig. Biologisch abbaubare Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen sind jedoch in jedem Fall eine reelle und in der Zukunft unabdingbare Alternative zu Kunststoffen auf fossiler Basis, wenn entsprechende industrielle und rechtliche Rahmenbedingungen geschaffen und eingehalten werden.
III.
Was hat es nun mit der biologischen Abbaubarkeit auf sich? Plastik – also Kunststoffe – bestehen aus Makromolekülen und den Additiven, die bei ihrer Erzeugung hinzugefügt werden. Wird ein Kunststoff in die Umwelt ausgebracht, sei es auf einer Deponie oder auf irgendeinem anderen Weg, werden zunächst einmal die niedermolekularen Bestandteile (kleinere Moleküle, Additive) ausgewaschen. Je nach Art und molekularer Beschaffenheit der Additive sind hier schon beträchtliche Risiken zu erwarten. In Laborversuchen und auch in einigen Umweltstudien konnte der Einfluss der gewisser Additive auf die Reproduktionsfähigkeit von aquatischen und terrestrischen Lebewesen gezeigt werden. Somit sind auch die Additive in Kunststoff im Allgemeinen nicht harmlos, sondern können ein beträchtliches Gefährdungspotential für unsere Umwelt und alle Lebewesen darstellen.
Für der Abbau der Makromoleküle (der Polymere), die ja die Matrix des Kunststoffs bilden, gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten: Die Kunststoffe und Plastikmaterialien, die nicht biologisch oder chemisch abbaubar sind, werden durch UV-Einstrahlung, durch tierische Einwirkungen, durch die Gezeiten, Windeinwirkung, Bodenerosion und viele andere mechanische und andere physikalisch-chemische Mechanismen in kleine Fragmente zerkleinert. Dabei bleibt das Makromolekül als solches intakt, es wird nicht abgebaut, sondern es entstehen nur immer kleinere Partikel. Wenn die Partikelgröße kleiner als 5 mm ist, sprechen wir von Mikroplastik. Dem gegenüber stehen die biologisch abbaubaren Kunststoffe, die auf der einen Seite chemisch abgebaut werden können, zum Beispiel durch Wasserspaltung von chemischen Bindungen (Hydrolyse). Das setzt voraus, dass die Makromoleküle auch solche wasserspaltbaren Bindungen enthalten, wie etwa in Polyestern. Im anderen Fall werden die Makromoleküle durch einen mikrobiellen Angriff verstoffwechselt und durch die Mikroorganismen umgewandelt. In beiden Fällen werden die Makromoleküle selbst immer kürzer, bis sie sich letztendlich in ihre molekularen Bestandteile aufgelöst haben und wieder in die natürlichen Kreisläufe zurückgeführt sind.
Ein großes Problem bei einem Eintrag von Plastik und Mikroplastik in die Umwelt ist, dass die Tiere diese oft nicht von ihrer Nahrung zu unterscheiden vermögen. Die Tiere nehmen die Plastikteile mit der Nahrung auf. In den Mägen von verendeten Seevögeln hat man kleinere Plastikpartikel bis hin zu einem völlig unzersetzten Gebrauchsartikel aus Plastik gefunden. Da die Kunststoffe keinen Nährwert besitzen, verhungern die Tiere mit vollem Magen. Während das Mikroplastik und die Bildung der „Plastikmüllstrudel“ in den Ozeanen vielerorts erforscht wird, weil das Problem dort bereits „sichtbar“ ist, findet der Plastikeintrag in unsere land- und forstwirtschaftlich genutzten Böden bislang kaum Beachtung. Auch sind die langfristigen Auswirkungen des Plastikeintrags auf die Erhaltung der Fruchtbarkeit der land- und forstwirtschaftlichen Böden überhaupt noch nicht in den Fokus gerückt. Und das, obwohl alles, was wir essen, und alles, wo wir unsere nachwachsenden Rohstoffe erzeugen, auf der nachhaltigen Nutzung von land- und forstwirtschaftlichen Böden beruht.
Vorsichtige Schätzungen, wie viele Kunststoffteilchen beispielweise mit Klärschlämmen ausgebracht werden, haben ergeben, dass bereits jetzt ein Mikroplastikpartikel in einem Bodenwürfel von 3 cm Kantenlänge zu finden wäre. Das klingt auf den ersten Blick nach nicht besonders viel und die Partikel sind natürlich nicht gleichmäßig über die gesamte genutzte Bodenfläche verteilt. Durch die kontinuierliche Anreicherung (Akkumulation) von auswaschbaren Additiven sowie durch den Kunststoff selber könnte die Bodenfruchtbarkeit nachhaltig beeinflusst werden. Immerhin werden weltweit jährlich circa 300 Millionen Tonnen an persistenten Kunststoffen erzeugt, die irgendwann auch in unsere Böden gelangen. Die ökologischen Folgen einer Akkumulation von unzersetzbaren, persistenten Kunststoffteilchen in den Böden sind derzeit noch nicht absehbar.
Gerade deswegen sind biologisch abbaubare Kunststoffe so wichtig und wir brauchen sie dringender denn je: Sie sind deshalb so notwendig, weil sie irgendwann – nicht heute und nicht morgen – in natürliche Kreisläufe zurückgeführt werden. So wird ein Biokunststoff aus Maisstärke bereits nach 45 Tagen in einer industriellen Anlage vollständig zu wertvollem Kompost umgewandelt. Unverständlich werden dann allgemeine Aussagen wie zum Beispiel dass „die im Zusammenhang mit ihrer Entsorgung ins Spiel gebrachte Kompostierung der biologisch abbaubaren Kunststoffe“ keine gute Lösung oder „keine sinnvolle Art der Verwertung“ sei – nachzulesen in einer Broschüre des Umweltbundesamt vom August 2009. Denn, wie es weiter heißt, „entstehen keine wertgebenden Kompostbestandteile, wie Nährstoffe und Mineralien oder bodenverbessernder Humus, sondern ausschließlich Kohlendioxid CO2 und Wasser.“ Das ist soweit richtig bei einigen der derzeit verwendeten abbaubaren Kunststoffen. Deswegen müssen wir aus Forschersicht, aber auch aus industrieller Sicht diese Aussagen ernstnehmen und Kunststoffe entwickeln, die, wenn sie einmal in die Umwelt ausgebracht werden, bodenverbessernde Wirkungen entfalten können. Da es solche Kunststoffe noch kaum gibt, müssen wir solche weiterentwickeln und intensiv erforschen.
Im Freiland herrschen meist mildere Bedingungen als in einer industrielle Kompostierungsanlage, sodass unter Umweltbedingungen Kunststoffe weitaus langsamer abgebaut werden – wenn überhaupt. Während der vollständige Abbau von beispielsweise Polymilchsäure (PLA) unter idealen Vorrausetzungen bis zu 60 Tagen dauert, wird unter realen Umweltbedingungen auch nach 180 Tagen kein Abbau des Materials beobachtet. Auch konnte in Laborversuchen kein mikrobieller Abbau nachgewiesen werden, es erfolgt lediglich eine Spaltung des Polymers PLA durch Wasser (Hydrolyse). Gerade deshalb müssen wir weiter an der Entwicklung von Kunststoffen forschen, bei deren mikrobieller Abbau nach der Nutzungsphase gewissermaßen programmiert werden kann, um so einen bodenerhaltenden, ja bodenverbessernden Kunststoff zu bekommen.
IV.
Ziel einer jeden Kunststoffforschung und -entwicklung muss also von den Fragen getrieben sein, wie nachhaltig und wenig umweltbelastend das Produkt erzeugt werden kann und vor allem Dingen was nach der Nutzungsphase mit dem Produkt geschieht. Dabei sind natürlich nicht nur die Recycling-, Regenerierungs- und Wiedernutzungsmaßnahmen von grundlegender Bedeutung. Irgendwann ist das Produkt „ausgenutzt“ und wird ganz oder teilweise in die Umwelt ausgebracht. Hier muss es dann quasi von selbst durch biologischen oder chemisch-physikalischen Abbau in die natürlichen Kreisläufe integriert werden, denn sonst kommt es zu einer Anreicherung von Millionen an Tonnen von persistenten Kunststoffen in unseren Lebensräumen, die dadurch stark beeinträchtigt werden können – bis hin zur Unbewohnbarkeit. Die Umweltgefährlichkeit und der Austrag der für die Herstellung von Kunststoffen so wichtigen Additive müssen berücksichtigt und überdacht werden. Dies sollten die Leitgedanken für die Erforschung und Entwicklung einer neuen Generation an „Biokunststoffen“ sein.
Was können wir also noch tun? Das einfachste Mittel, dass jeder Verbraucher in der Hand hat, ist der Verzicht. Wir als Verbraucher können uns überlegen, ob wir jede uns angebotene Plastiktüte wirklich brauchen. Ist die Kunststoffverpackung für jedes Produkt, jede CD, jedes Buch, jedes Stück Obstes, jedes Gemüse wirklich nötig? Gibt es nicht Alternativen, etwa aus nachwachsenden Rohstoffen und sind diese gar biologisch abbaubar? Mit dem nötigen Wissen kann jeder zwischen den konventionellen Kunststoffen und den Biokunststoffen oder den Naturstoffen unterscheiden. Um es noch besser zu machen, ist hier die Industrie und der Gesetzgeber gefragt, die alle nötigen Mittel in der Hand halten, um Biokunststoffe aus ausschließlich nachwachsenden Rohstoffquellen mit biologischer Abbaubarkeit herzustellen. Würden dann ausschließlich solche Biokunststoffe zur Verfügung stehen, wäre deren Verwendung dann unabhängig von der Wahl des Verbrauchers. Mit anderen Worten: Der Endverbraucher erbringt für unsere Umwelt einen Dienst, ohne es zu wissen, und Industrie und Gesetzgeber würden ganz im Sinne der Nachhaltigkeit handeln.
Deshalb brauchen wir Biokunststoffe. Zum einen, weil die fossilen Rohstoffe und alles das, was wir momentan an Kunststoffmaterialien herstellen, einfach endlich ist. Das heißt, dass diese Rohstoffe irgendwann aufgebraucht sein werden und dann können wir das, was wir momentan daraus erzeugen, nicht mehr daraus herzustellen. Deshalb brauchen wir Biokunststoffe, die auf nachwachsenden Rohstoffen basieren. Und zwar brauchen wir sie genau um ihrer biologischen Abbaubarkeit willen. Das bedeutet, dass sie irgendwann aus unserer Umwelt wieder verschwinden und damit wieder an den natürlichen Kreisläufen teilnehmen.
Studierende der Universität Freiburg, die uns im Wissenschaftszentrum für Nachwachsende Rohstoffe in Straubing besuchten, schrieben folgenden Eintrag in unser Gästebuch: „Für eine Welt ohne Plastik.“ Ohne Plastik muss es gar nicht sein, aber es muss mit den richtigen Kunststoffen, den entsprechenden Biokunststoffen sein, die aus nachhaltigen Quellen, aus nachwachsenden Rohstoffen herstellbar und die eben auch biologisch abbaubar sind. Wenn wir anfangen, diesen Gedanken zu folgen, dann kann ich mir eine Wende im Plastozän durchaus vorstellen.