Mikroplastik auf landwirtschaftlichen Flächen eliminieren

Jul 13, 2023

1. Oktober 2021

by Fraunhofer-Gesellschaft

In vielen Ländern nutzen Landwirte und Gärtner Mulchfolien, um ihre Ernteerträge zu steigern. Die Folien bestehen häufig aus Polyethylen und können zur Kontrolle des Unkrautwachstums, der Bodentemperatur und des Wasserverbrauchs eingesetzt werden. Leider ist das erdölbasierte Material nicht biologisch abbaubar. Daher müssen die Folienreste am Ende der Saison mit großem Aufwand eingesammelt werden, da sie sonst die Felder verschmutzen. Im Rahmen des NewHyPe-Projekts entwickeln Forscher des Fraunhofer-Instituts für Silicatforschung ISC gemeinsam mit europäischen Partnern nachhaltige, biologisch abbaubare Mulchpapiere mit schützender Hybridbeschichtung.

Plastikmüll verschmutzt nicht nur die Meere, sondern auch Ackerland. Laut einer Studie der Universität Bayreuth können auf konventionellen Agrarflächen große und kleine Plastikpartikel nachgewiesen werden. Mulchfolien, die den Boden von Beeten oder Ackerflächen in der Landwirtschaft und im Gartenbau bedecken, tragen zur Umweltverschmutzung bei. Sie sollen die Vegetationsperioden verlängern und Unkräuter reduzieren, aber auch die Verdunstung verringern und den Wasserhaushalt des Bodens verbessern.

Die Folien aus erdölbasiertem Polyethylen (PE) müssen nach der Ernte eingesammelt werden. Dabei bleiben meist Rückstände zurück. Dadurch verbleiben PE-Rückstände über Jahrzehnte im Boden und reichern sich dort an, da Mikroorganismen sie nicht abbauen können. PE-Fragmente können physikalische Auswirkungen auf den Boden haben und in die Nahrungskette gelangen. Biologisch abbaubare Folien aus Polymilchsäure gibt es zwar bereits, sie sind jedoch sehr teuer. Ein Forscherteam des Fraunhofer ISC in Würzburg arbeitet im Projekt NewHyPe mit Forschungs- und Industriepartnern aus Deutschland, Finnland und Norwegen an der Entwicklung biologisch abbaubarer, nachhaltiger Alternativen. Ein umweltfreundlicher Ersatz für die Großfolien muss kostengünstig und massentauglich sein.

Für die Entwicklung nachhaltiger Folien setzen die Projektpartner auf zellulosebasiertes Papier. „Ein Vorteil von Papier ist, dass es sich sehr schnell und rückstandslos zersetzen kann. Dieser Prozess ist derzeit jedoch zu schnell nicht mehr wirksam“, sagt Dr. Klaus Rose, Forscher am Fraunhofer ISC. Daher ist eine funktionelle Beschichtung erforderlich, die das Papier stabilisiert und einer schnellen Zersetzung entgegenwirkt. Die schützende Hybridbeschichtung besteht aus ORMOCER. Die Materialklasse dieser anorganisch-organischen Hybridpolymere wurde vor mehr als 30 Jahren am Fraunhofer ISC entwickelt. „Die Beschichtung besteht aus zwei verschiedenen Komponenten, organischem Polymer und anorganischem Silikat, die normalerweise nicht kompatibel sind. In Kombination sorgen sie jedoch für chemische und mechanische Stabilität bei gleichzeitiger Beibehaltung der Abbaubarkeit“, erklärt der Forscher. Das Ersatzmaterial sollte für eine Anbausaison von etwa drei bis sechs Monaten reichen und sich dann vollständig zersetzen. Erste Tests zeigten, dass die Beschichtung des Papiers seine Nassfestigkeit erhöht und es somit stabiler macht als sein ungestrichenes Gegenstück. Darüber hinaus zeigte ein Kompostierungstest, dass sich das beschichtete Material langsamer zersetzt.

Neben der stabilisierenden Funktionsbeschichtung arbeiten die Projektpartner an einem völlig neuen Hybrid-Mulchpapier aus sowohl funktionalisierter Zellulose mit eingearbeiteten ORMOCERen als auch funktionalisierter Nanozellulose, das sich aufgrund seines sehr hohen Längen-zu-Dicken-Verhältnisses durch eine hohe Eigenstabilität auszeichnet. Dabei werden Zellulosefasern mit einem Hybrid-Polymer-Binder verbunden, wodurch die einzelnen Fasern wie ein Klebstoff vernetzt werden. Die Maschendichte beeinflusst die Stabilität. Dieses Bindemittelsystem fungiert quasi als Beschichtung. Das Hybridpapier benötigt daher keine zusätzliche Beschichtung. „Das Papier sollte hydrophobiert, also wasserabweisend gemacht werden. Außerdem muss es reißfester sein als normales Papier. Die mechanische Stabilität sowie die UV-Beständigkeit sind wichtige Eigenschaften. Es sollte nach der Ernte untergepflügt werden.“ erklärt der Chemiker. Das Optimum des Verbundes ist die eigentliche Herausforderung. Sobald diese ausgereift ist, könnte auch die Verpackungsindustrie von dem neuen Material profitieren: „Biologisch abbaubares Papier statt Plastikfolien wäre ein wesentlicher Beitrag zum Umweltschutz“, sagt Rose.

Das Mulchpapier soll im Rolle-zu-Rolle-Verfahren hergestellt werden. Aber das ist noch nicht fertig. Zunächst sind zahlreiche Tests nötig, etwa wie sich die Abdeckung mit Papierfolien auf das Wachstum von Tomaten und anderen Nutzpflanzen auswirkt.

Bereitgestellt von der Fraunhofer-Gesellschaft