Um Mikroplastik aus Gewässern zu entfernen, haben Forscher winzige Roboter entwickelt, die an die Plastikpartikel binden und sie mit Hilfe von Sonnenlicht zersetzen. Die Roboter sind nur etwa so groß wie eine Bakterienzelle und können sich durch eine clevere Kombination von Materialien eigenständig fortbewegen und gezielt an Mikroplastikpartikel binden. Dort wirken sie als Katalysator und beschleunigen den Abbau durch Sonnenlicht. Die Machbarkeitsstudie zeigt, dass das Prinzip grundsätzlich funktioniert. Sollte es sich auch in der Praxis bewähren, könnten die Mikroroboter helfen, die Mikroplastikverschmutzung der Meere zu verringern.
Mikroplastik ist in der Umwelt allgegenwärtig – in städtischen Gebieten ebenso wie im arktischen Eis und in den Ozeanen. Auch in zahlreichen Nahrungsmitteln, dem Trinkwasser und sogar im menschlichen Stuhl wurde es bereits nachgewiesen. Welchen Einfluss die winzigen Plastikpartikel auf die menschliche Gesundheit haben, ist noch unklar. Mikroplastik entsteht vor allem, wenn größere Plastikteile durch Witterungseinflüsse in kleinere Teile zerfallen. Einmal in der Umwelt, ist es bislang fast unmöglich, die weniger als fünf Millimeter kleinen Partikel wieder zu beseitigen. Auf natürlichem Weg dauert ihre Zersetzung hunderte Jahre. Etwas schneller geht es durch den Einfluss von Sonnenlicht. Auch dies dauert allerdings mehrere Jahre bis Jahrzehnte.
Mikroroboter auf Plastikjagd
Ein Team um Seyyed Mohsen Beladi-Mousavi von der Universität für Chemie und Technologie in Prag hat nun eine Möglichkeit getestet, das Sonnenlicht wirksam zur Zersetzung von Mikroplastik einzusetzen. Der Schlüssel dazu sind sogenannte Photokatalysatoren, die mit der Energie des Sonnenlichts hochreaktive Verbindungen erzeugen, die in der Lage sind, Plastik chemisch in seine Bestandteile zu zerlegen. Das Problem bisheriger Ansätze war es, die Katalysatoren mit dem Plastikpartikeln in Kontakt zu bringen. Dafür waren bislang aufwändige Vorbehandlungen oder sperrige mechanische Rührwerke erforderlich. In freier Natur ließen sich solche Systeme nicht anwenden – zumal einige der Katalysatoren selbst giftig waren und die Umwelt weiter belastet hätten.
Mohsen Baladi-Mousavi und seine Kollegen haben nun eine mögliche Lösung für diese Probleme gefunden: Aus photokatalysatorischen Materialien konstruierten sie Mikroroboter, die selbstständig zu den Mikroplastikpartikeln schwimmen, an diese binden und sie zersetzen. Die Roboter sind mit vier bis acht Mikrometern nur ungefähr so groß wie eine Bakterienzelle. Ihr Hauptbestandteil ist eine sternförmige Struktur aus dem Halbleiter-Material Bismutvanadat, das als Photokatalysator wirkt. Beschichtet ist jedes Teilchen mit magnetischem Eisenoxid. Als Treibstoff dient den Mikrorobotern sichtbares Licht sowie Wasserstoffperoxid in einer Konzentration, wie es natürlicherweise in Wasser vorkommt.
Plastikoberfläche wird löchrig
„Die intelligenten, von sichtbarem Licht angetriebenen Mikroroboter können Mikroplastik im Vorbeischwimmen einfangen und abbauen“, schreiben die Forscher. In ihren Experimenten ließen sie die Mikroroboter durch ein Labyrinth von Kanälen schwimmen, in dem sich vier verschiedene Arten von Kunststoffen befanden. Besonders gut interagierten die Roboter mit Partikeln der Kunststoffe Polymilchsäure (PLA) und Polycaprolacton (PCL). Hier fingen sie rund 70 Prozent der Teilchen ein. Etwas weniger effektiv waren sie für Polyethylenterephthalat (PET) und Polypropylen (PP) – wahrscheinlich weil die Oberfläche dieser Kunststoffe besonders wasserabweisend ist.
Sieben Tage lang ließen die Forscher die Roboter mit den Plastikteilchen interagieren, wobei sie durchgehend beleuchtet wurden. Vor und nach der Behandlung analysierte das Team das Gewicht und die Oberflächenstruktur des Mikroplastiks. Das Ergebnis: Nach einer Woche Kontakt mit den Mikrorobotern hatten die Partikel bis zu drei Prozent ihres Gewichts verloren. Am besten funktionierte der Abbau bei PCL. PET-Teilchen dagegen verloren nur etwa ein Prozent ihres Gewichts. „Bemerkenswert ist, dass sich die Morphologie aller Mikroplastikarten dramatisch verändert hat, von glatten Oberflächen zu rauen, unebenen Strukturen, mit einigen Löchern im Fall von PCL“, schreiben die Forscher. In der umgebenden Lösung fanden sie zudem Abbauprodukte aller Kunststoffe. „Die Mikroroboter sind grundsätzlich in der Lage, die gewonnenen Monomere und Oligomere weiter zu zersetzen; diese Studie konzentrierte sich jedoch nur auf den anfänglichen Abbau von Kunststoffteilen“, so die Autoren.
Einsatz in der Umwelt denkbar
Anders als bisherige Systeme könnten sich die Mikroroboter auch für einen umweltfreundlichen Einsatz in der Natur eignen. „Die Mikroroboter können nach den Experimenten dank ihrer magnetischen Eigenschaften eingesammelt werden, was für die Wiederverwertbarkeit von Vorteil ist“, berichten die Forscher. Zudem ist es möglich, die Roboter mit Hilfe von Magnetfeldern an die gewünschte Stelle zu steuern und sie sicher wieder aus der Umwelt zu entfernen. Ob sie danach tatsächlich wiederverwertet werden können, hängt von weiteren Entwicklungen ab: Im aktuellen Experiment hatte ihre Leistungsfähigkeit bereits nach sieben Tagen deutlich abgenommen.
„Wie man der zunehmenden Verunreinigung mit Mikroplastik begegnen kann, ist ein wichtiger Forschungsschwerpunkt, gerade angesichts der Tatsache, dass erschreckende Mengen von Mikroplastik in der Umwelt entdeckt werden und es potenzielle Risiken für marine Systeme und die menschliche Gesundheit gibt“, schreiben die Forscher. „Der neuartige Ansatz dieser Studie mit dem zusätzlichen Element der autonomen Bewegung ermöglicht die effiziente Erfassung und den Abbau von Mikroplastik und kann den Weg zu neuen intelligenten Systemen ebnen, die in schwer zugänglichen Umgebungen einsetzbar sind.“
Quelle: Seyyed Mohsen Beladi-Mousavi (University of Chemistry and Technology, Prag, Tschechien) et al., ACS Applied Materials & Interfaces 2021, doi: 10.1021/acsami.1c04559
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