Für die Abscheidung des organischen Kohlenstoffs aus dem Abwasser verglichen die Forschenden zwei verschiedene Methoden: Zum einen die in den meisten Kläranlagen vorhandenen Vorklärbecken, zum anderen Mikrosiebe als alternative Abscheidetechnologie. Die Ergebnisse zeigen, dass beide Methoden organischen Kohlenstoff gleichermassen effizient aus dem Abwasser abscheiden können. Besonders hoch war die Ausbeute, wenn dem Abwasser zuvor Flockungsmittel zugesetzt wurde, so dass sich kleinere Partikel zu grösseren zusammenklumpten und damit besser abgeschieden werden konnten. Auf diese Weise konnten rund 60% des im Abwasser enthaltenen organischen Kohlenstoffs gewonnen werden.

Bei der Fermentation des mit den beiden Abscheidetechnologien gewonnenen Kohlenstoffs, entstanden Substrate, die eine ähnliche Zusammensetzung und Menge an Fettsäuren aufwiesen und sich daher gleichermassen für die Produktion von PHA-Kunststoff eignen. Ein grosser Vorteil von Mikrosieben ist jedoch, dass sie deutlich kleiner sind – ihr Platzbedarf beträgt nur etwa 10 bis 15 % desjenigen von Vorklärbecken. Das hat auch einige Schweizer Kläranlagen überzeugt, wie etwa die Kläranlage Sihltal (Zürich), die ab 2023 Mikrosiebe einsetzen werden.

Für die Produktion von PHA-Kunstoffen muss auf dem Fettsäure-reichen Ausgangssubstrat eine Biomasse gezüchtet werden, die viele PHA-Speicher-Bakterien enthält. Die Forscher untersuchten daher, unter welchen Bedingungen diese Bakterien am besten wachsen und sich gegenüber anderen, nicht PHA-speichernden Bakterien durchsetzen können. Da PHA Speicherstoffe sind, die Bakterien nur bei erschwerten Wachstumsbedingungen bilden, etwa wenn ein wichtiger Nährstoff wie Phosphor fehlt, lag die Vermutung nahe, dass Nährstoffmangel ein Selektionsvorteil für PHA-Speicher-Bakterien sein könnte. Die Forscher experimentierten daher in der Eawag-Versuchshalle mit synthetischem Abwasser mit unterschiedlichen Verhältnissen von Kohlenstoff zu Phosphor. Sie stellten fest, dass der Anteil der PHA-Speicher-Bakterien in der mikrobiellen Gemeinschaft tatsächlich zunahm, wenn die Phosphor-Verfügbarkeit abnahm. Im optimalen Fall dominierten die PHA-Speicher-Bakterien mit über 90%, bildeten gleichzeitig auch am meisten PHA-Kunststoff und reinigten das Abwasser komplett von Kohlenstoff und Phosphor.

Anschliessend wurden die Versuche mit realem Abwasser durchgeführt, dessen Zusammensetzung im Laufe des 150 Tage dauernden Versuchs schwankte. Obwohl die Nährstoffe Phosphor und Stickstoff dadurch nicht durchgehend limitierend waren, lagen am Schluss des Versuches bis zu 70% der Biomasse in Form von PHA vor.

Einsatzmöglichkeiten von Bioplastik aus Abwasser

Noch braucht es weitere Untersuchungen, um die Prozesse zur Gewinnung von Biokunststoff aus Abwasser besser zu verstehen und zu optimieren, bevor Pilotversuche in öffentlichen Kläranlagen stattfinden können.

Aber wo sehen die Forschenden die Einsatzmöglichkeiten, wenn sich eines Tages tatsächlich Bioplastik aus Abwasser gewinnen lässt? «Selbst, wenn diese Kunststoffe eines Tages wirtschaftlich rentabel sind, wäre es unmöglich, sie in solchen Mengen zu produzieren, um die Nachfrage der Gesellschaft nach ihren erdölbasierten Pendants zu decken», meint Antoine Brison. Ein gewichtiges Hindernis für die Nutzung von Biokunststoff aus Abwasser ist ausserdem, dass momentan die rechtlichen Rahmenbedingungen und die gesellschaftliche Akzeptanz dafür noch fehlen. Brison sieht für das Bioplastik aus Abwasser daher eher Potenzial bei spezifischen Nischenanwendungen– etwa als Umhüllung für Düngemittel, um eine langsame Freisetzung zu erreichen. Eine weitere Möglichkeit sei der selbstreparierende Beton, an dem eine niederländische Firma arbeite. Dort könnten PHAs als Kohlenstoffquelle für Bakterien dienen, die Risse im Beton beim Eindringen von Wasser reparieren, indem sie die Bildung von Kalk anregen.
 

Titelbild: Aus Abwasser gewonnenes Bioplastik (Foto: Antoine Brison, Eawag)

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