Heute schwimmen mehr als 250 000 Tonnen Kunststoffabfälle in den Gewässern der Weltmeere. Der Pazifik gilt als das am stärksten verschmutzte Meeresgebiet der Nordhalbkugel, während auf der Südhalbkugel der Indische Ozean stärker verschmutzt ist als Pazifik und Atlantik zusammen. Zugleich wird der Pazifik als der am stärksten mit Kunststoffabfällen verschmutzte Ozean der Erde beschrieben. Kunststoffverschmutzung wird durch die vorherrschenden Winde und Strömungen über die gesamten Weltmeere transportiert. Dies wurde für die Nordhalbkugel gezeigt, wo der langfristige Transport von Wasser und damit auch von Abfällen über mehrere Jahre zur Ansammlung von Plastikmüll im Zentrum der Ozeanbecken führt. Ähnliche Muster wurden für alle Ozeane der Südhalbkugel festgestellt. Überraschenderweise liegt die für die Ozeane der Südhalbkugel ermittelte Gesamtmenge an Kunststoff in derselben Größenordnung wie diejenige der Nordhalbkugel. Das ist unerwartet, da es auf der Nordhalbkugel deutlich mehr Eintragsquellen gibt als auf der Südhalbkugel. Dies bedeutet, dass Kunststoffgegenstände leichter zwischen Meeresströmungen und zwischen den Halbkugeln transportiert und umverteilt werden als zuvor angenommen.

Schwimmendes Mikroplastik bleibt jedoch nicht endgültig an der Meeresoberfläche. Die Beobachtung, dass sich dort viel weniger Mikroplastik befindet, als zu erwarten wäre, deutet auf Prozesse hin, die Kunststoffabfälle von der Wasseroberfläche entfernen. Dazu gehören der Abbau durch UV-Strahlung, biologischer Abbau, die Aufnahme durch Organismen, der Verlust von Auftrieb durch Bewuchs und anschließendes Absinken sowie das Anspülen an Land.

Kunststoffabfälle können entweder durch physikalisch-chemische, also abiotische, Prozesse oder durch biologischen, also biotischen, Abbau zersetzt werden. Die Zerstörung von Polymermaterial durch mechanische Kräfte gilt gewöhnlich als erster Schritt, der bei jedem Abbauprozess eine entscheidende Rolle spielt. Der Abbau von Kunststoffen in der Umwelt kann durch einen oder eine Kombination von vier grundlegenden Mechanismen erfolgen: Photoabbau, Hydrolyse, thermooxidativer Abbau und biologischer Abbau. Unter natürlichen Bedingungen, etwa im Meer, beginnt der Abbau gebräuchlicher Kunststoffe wie Polyethylen hoher Dichte, Polyethylen niedriger Dichte und Polypropylen (LDPE, HDPE, PP) mit dem Photoabbau, hauptsächlich durch UV-B-Strahlung. Er setzt sich durch thermische Oxidation und in geringerem Maße durch den Abbau mit Wasser, die Hydrolyse, fort.

Eine neue, von Wissenschaftlern der Woods Hole Oceanographic Institution veröffentlichte Studie zeigt, dass Polystyrol (PS), einer der weltweit häufigsten Kunststoffe, unter Sonnenlicht innerhalb von Jahrzehnten oder Jahrhunderten abgebaut werden kann, statt innerhalb von Jahrtausenden, wie zuvor angenommen. Der teilweise Abbau von Polystyrol dauert je nach Kunststoffart nur 10–50 Jahre. Seine vollständige photochemische Oxidation ist innerhalb von 300–450 Jahren möglich. Sonnenlicht bewirkt nicht nur den physikalischen Zerfall von Kunststoffen, sondern auch ihren chemischen Abbau zu gelöstem organischem Kohlenstoff und geringen Mengen Kohlendioxid, die in die Atmosphäre gelangen.

Abbauprozesse führen zur Fragmentierung von Kunststoffen, bei der sie in kleinere Stücke zerbrechen, und zu einer Verringerung der Molekülmasse der Polymere. Diese Stoffe mit niedriger Molekülmasse können anschließend von Mikroorganismen verstoffwechselt werden. Der gesamte Prozess läuft jedoch gewöhnlich so langsam ab, dass andere Organismen mehr als 50 Jahre benötigen können, um Kunststoffpolymere vollständig abzubauen.

Viele komplexe natürliche und synthetische Verbindungen werden von mikrobiellen Gemeinschaften statt von einzelnen Stämmen biologisch abgebaut, vermutlich wegen der begrenzten Stoffwechselfähigkeiten einzelner Organismen. Daher lässt sich annehmen, dass Kunststoffabfälle, eines der großen Umweltprobleme der heutigen Gesellschaft, durch das Zusammenwirken verschiedener Organismengruppen wirksamer abgebaut werden könnten. Der biologische Abbau von Kunststoffen bezeichnet hauptsächlich die Umwandlung von Polymermaterialien in Biogas und Biomasse ohne Luft durch anaerobe Mikroorganismen, die Polymere wirksam als Kohlenstoffquelle für ihr Wachstum nutzen können. Die Beschaffenheit von Kunststoffen und ihre besonderen physikalisch-chemischen Eigenschaften erschweren jedoch den biologischen Abbau und machen sie zu einem wenig geeigneten Wachstumssubstrat.

Der biologische Abbau von Kunststoffabfällen beginnt mit der enzymatischen Spaltung der Polymerkette in Verbindungen mit niedriger Molekülmasse wie Oligomere, Dimere und Monomere. Dabei bindet das Enzym an das Polymer und katalysiert, also beschleunigt, dessen hydrolytische Spaltung durch Wasser. Der Prozess endet mit der Umwandlung dieser niedermolekularen Verbindungen in Kohlendioxid und Wasser. Bakterien, Pilze und Algen gelten Berichten zufolge als wirksame Organismen, die Kunststoffpolymere abbauen können.

Pilze spielen eine Schlüsselrolle beim Abbau von Polymermaterialien. Das Pilzmyzel kann durch deren Oberfläche wirksam tief in das Material eindringen, um möglichst viel von diesem Substrat abzubauen. Außerdem kann das Myzel extrazelluläre Enzyme wie Depolymerasen abgeben und das Polymersubstrat in Oligomere, Dimere und Monomere, also Fragmente mit niedriger Molekülmasse, zerlegen. Diese Monomere werden anschließend von den Pilzen aufgenommen und entweder assimiliert oder durch ihr intrazelluläres Enzymsystem in Kohlendioxid und Wasser umgewandelt. In diesem Zusammenhang werden Weißfäule- und Braunfäulepilze häufig als wirksame Abbauer polymerer Kunststoffsubstanzen genannt.

Ebenso können Bakterienstämme Kunststoffpolymere in verschmutztem Wasser oder Boden abbauen. Mehrere Studien berichten, dass der biologische Kunststoffabbau durch spezialisierte Bakterien eine vielversprechende Strategie zur biologischen Sanierung verschmutzter Ökosysteme sein könnte. Bakterienstämme wie Pseudomonas spp., Bacillus spp. und Streptomyces spp. zeigen eine hohe Wirksamkeit beim Abbau verschiedener Kunststoffpolymere. In jedem Fall bauen Pilze Kunststoffe schneller ab als Bakterienstämme. Andererseits berichten manche Autoren, dass Bakterien leichter zu kultivieren und zum Abbau von Polymermaterialien einzusetzen sind als Pilze, die stabilere Bedingungen benötigen.

Bislang berichten nur wenige Studien über die Fähigkeit von Algenarten, die Verschmutzung durch Kunststoffabfälle zu verringern. Dabei ging es um die Fähigkeit fadenförmiger Algen, Kunststoffoberflächen zu besiedeln, wenn für ihr Wachstum lebenswichtige Umweltfaktoren wie Sonnenlicht, Nährstoffe und Wasser vorhanden sind. Es wurde festgestellt, dass einige ungefährliche und ungiftige Algenarten aus den Gruppen Bacillariophyceae, Chlorophyceae und Cyanophyceae Polyethylenoberflächen bewachsen und Algenbiofilme in verschiedenen verschmutzten Gewässern wie Teichen, Seen und Abwasser bilden können. In diesem Zusammenhang berichten die Autoren, dass die leicht zu isolierenden, schnell wachsenden Phormidium lucidum und Oscillatoria subbrevis, ungiftige Süßwasser-Cyanobakterien, Kolonien auf PE-Oberflächen bilden und HDPE ohne Vorbehandlung wirksam abbauen können.

Außerdem passen sich einige Bakterien- und Pilzarten wie Ideonella sakaiensis und Pestalotiopsis microspore, die zur Gewinnung des Enzyms PETase eingesetzt werden, nur schlecht an den marinen Lebensraum an, in dem sich der größte Teil der Kunststoffabfälle ansammelt. Die Kieselalge Phaeodactylum tricornutum wurde erfolgreich als mikrobielle Fabrik für die Herstellung einer weiterentwickelten PETase eingesetzt, die gegenüber PET und dem Copolymer PETG, glykolmodifiziertem Polyethylenterephthalat, aktiv ist.

Auch der biologische Abbau von Polymeren durch verschiedene Wirbellose wurde bestätigt, etwa durch Superwürmer Zophobas atratus, die Dörrobstmotte Plodia interpunctella, die Große Wachsmotte Galleria mellonella, Larven des Mehlkäfers Tenebrio molitor, die Kleine Wachsmotte Achroia grisella, Landschnecken (Achatina fulica), Termiten und andere Wirbellose. Diese bemerkenswerte Aktivität beim Abbau von Kunststoffpolymeren wird gewöhnlich ihren mikrobiellen Darmsymbionten zugeschrieben, da einige Wirbellose gerade mithilfe dieser Mikroorganismen Holz oder andere polymere Verbindungen als Nahrung nutzen können.

Kunststoffe werden wegen ihrer einzigartigen Eigenschaften vielseitig eingesetzt und gelten deshalb als eines der unentbehrlichsten Materialien in unserem Leben. Die schädlichen Auswirkungen von Kunststoffabfällen sind jedoch proportional zu ihrer Verwendung und ihrer Anreicherung in der Umwelt. Die Eigenschaften von Kunststoffmaterialien stellen Mikroorganismen daher vor große Herausforderungen beim Abbau oder sogar schon bei der Besiedlung ihrer Oberflächen. Viele Forscher haben die Beteiligung verschiedener Mikroorganismen und Wirbelloser am biologischen Kunststoffabbau beobachtet, was auf ihre grundlegende Rolle bei diesem Prozess hinweist.

Daher betonen Fachwissenschaftler die Rolle und Bedeutung einer physikalischen und/oder chemischen Vorbehandlung von Kunststoffabfällen als ersten wichtigen Schritt, der oft eine Voraussetzung für den mikrobiellen Abbau von Kunststoffpolymeren ist. Mikroorganismen, Algen, kunststofffressende Insekten und andere Wirbellose könnten künftig eine wichtige Rolle beim biologischen Kunststoffabbau spielen. Die Forschung schlägt die Entwicklung einer umweltfreundlichen, wirksamen und kostengünstigen Technologie zur Verwertung und zum Abbau von Kunststoffabfällen vor, um deren Anreicherung in der Umwelt zu überwinden.

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