Einfluss landwirtschaftlicher Mulchfolien auf terrestrische Ökosysteme

Im Zuge des Klimawandels und der angestrebten Reduktion eingesetzter Pestizide erwarten Expertinnen und Experten einen stetig steigenden Einsatz von Mulchfolien in der Landwirtschaft. Das Verbundprojekt »iMulch – Eine Untersuchung des Einflusses von Polymeren auf ein terrestrisches Ökosystem am Beispiel von in der Landwirtschaft eingesetzten Mulchfolien« hat mögliche negative Effekte dieser Entwicklung aus verschiedenen Perspektiven betrachtet. Im Fokusstanden eine konventionelle, erdölbasierte Polyethylen-Folie (PE) und zwei biobasierte und biologisch abbaubare Kunststofffolien (PLA/PBAT-Blends). Es sollte geklärt werden, ob und inwieweit biologisch abbaubare Folien im Vergleich zu konventionellen Folien ökologische Vorteile bieten.

Verwitterung, Alterung, Transportverhalten und mögliche Ökotoxizität

Mithilfe einer Versuchskläranlage im Labormaßstab, die mit dem Drainagewasser einer Ackerfläche befüllt war, führte das iMulch-Team verschiedene Verwitterungs- und Alterungstests mit den Mulchfolien durch. Die biobasierten Folien zeigten nach rund sechs bis acht Wochen deutliche Verwitterungsspuren und eine partielle Zersetzung. Konventionelle PE-Folien wiesen vor allem einen Bewuchs durch Mikroorganismen (Biofouling) auf. Generell führte Fouling bei beiden Folientypen zu einer deutlichen Zunahme der Dichte im Zeitablauf, was eine Sedimentierung von Folienfragmenten in Gewässern verursachte. 

Um Aussagen über die Verwitterung der Mulchfolien treffen zu können, haben die Forschenden einen Bodenteststand verwendet und mit beiden Folientypen bestückt. Die Proben wurden auf dem Boden unter realistischen Umgebungsbedingungen hinsichtlich Bodenfeuchte, UV-Licht und Lufttemperatur bewittert. Ergebnis: Die Zersetzung biologisch abbaubarer Folien dauert länger als durch beschleunigte Klimaschranktests zunächst erwartet. Ein vollständiger Abbau konnte bis zum Versuchsende nach sechs Monaten nicht beobachtet werden. Die PE-Folie zeigte im selben Zeitraum keine wirklichen Veränderungen. 

Zur Untersuchung des Transport- und Abbauverhaltens der Polymere im Boden wurden PE- und PLA/PBAT-Partikel mit einer ¹⁴C-radioaktiven Markierung synthetisiert und anschließend in den Oberboden eingebracht. Ein Transport fand bei beiden Folientypen auch nach 24 Monaten nicht statt. Ebenfalls wurden im selben Zeitraum die untersuchten Polymere und ihre Abbauprodukte nicht in Pflanzen nachgewiesen. Adsorptionsversuche mit dem Schwermetall Kupfer und drei Pestiziden zeigten keine signifikante Adsorption an den Mulchfolien. Lediglich für das Pestizid Tebuconazol ermittelten die Forschenden eine geringe Adsorption bei den Bio-Mulchfolien. Im Rahmen von Toxizitätsuntersuchungen wurden keine negativen Effekte für Bodenorganismen festgestellt. Untersuchungen aquatischer Organismen wiesen hingegen hormonelle Effekte beider Folientypen nach.

Entwicklung geeigneter Messmethoden

Um die Proben hinreichend untersuchen zu können, entwickelten die Forschenden in einem ersten Schritt eine geeignete Detektionsmethodik für Mikroplastik im Boden. Mithilfe der Methode wurden verschiedene Bodenproben aus bekannten Bewirtschaftungsformen betrachtet. Die im Rahmen von iMulch durchgeführten Messungen konnten die These nicht bestätigen, dass unterschiedliche Bewirtschaftungsformen zu unterschiedlichen Konzentrationen von PE bzw. PLA/PBAT in Böden führen.

Material- und Partikelgrößenverteilung

Aussagen über Partikelgröße und Partikelform konnten auf Basis einer neu entwickelten Methode für die RAMAN-Spektroskopie getroffen werden. In allen untersuchten Bodenproben wurden geringe Mengen an Mikroplastik nachgewiesen. Der Nachweis erforderte einen hohen zeitlichen Aufwand, denn um einen Kunststoffpartikel zu finden, mussten ca. 200 weitere Partikel betrachtet werden. Ein wirtschaftlicher Einsatz der RAMAN-Spektroskopie erfordert daher eine effizientere Probenvorbereitung. 

Ökobilanzielle Betrachtung mithilfe einer Lebenszyklusanalyse

Als begleitende ökobilanzielle Betrachtung wurde eine Lebenszyklusanalyse (LCA) durchgeführt. Das Modell bilanzierte den Anbau von Zucchini in einer Saison unter 1 ha Mulchfolie beider Typen. Die Cradle-to-Grave-Studie berücksichtigte alle Schritte – Rohstoffbeschaffung, biologischer Abbau im Boden, stoffliches bzw. energetisches Recycling. Hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf den Klimawandel schnitten die herkömmlichen PE-Mulchfolien besser ab als die biologisch abbaubaren Mulchfolien, wenn Gutschriften der energetischen und stofflichen Verwertung am Ende des Lebenszyklus mit einbezogen wurden. Mit dem Blick nur auf die Prozessbelastungen wiesen beide Folientypen hingegen eine ähnliche Bilanz auf. Einsparpotenziale bei den Treibhausgasemissionen ergeben sich aus der Verwendung biobasierter Adipinsäure für die Synthese von PBAT und durch eine Erhöhung des Recyclings von PE-Folien. 

Mikrobielles Upcycling als zukunftsweisender Weg

Ein weiterer Arbeitsfokus von iMulch lag auf dem möglichen Upcycling der Folien. Es ist gelungen, biologisch abbaubare Folienfragmente durch spezielle Mikroorganismen abzubauen und neue Substanzen für eine mögliche Polymerherstellung aufzubauen.

Empfehlungen für den Einsatz von Mulchfolien 

Auf Grundlage der Versuchsergebnisse leitete das iMulch-Team verschiedene Empfehlungen ab. Sie zielen darauf, den Eintrag von Kunststofffolienfragmenten in die Umwelt zu reduzieren und einen Einsatz von Mulchfolien emissionsärmer zu gestalten. Generell wird der Einsatz biologisch abbaubarer Folien bevorzugt. Es sollte jedoch ein Nachweis der Abbaubarkeit unter realen Freilandbedingungen überprüft werden. Insbesondere bei sehr dünnen konventionellen Folien ist nach der Nutzung ein Fragmentverlust zu erwarten. Sollen diese nach der Anwendung ohne Materialverlust geborgen werden, sind dickere, konventionelle Mulchfolien von Vorteil. Zu diesem Zweck könnte eine minimale Untergrenze der Materialstärke definiert werden. Für die geborgenen Folien empfiehlt sich zudem die Entwicklung geeigneter Recycling-Konzepte. 

Eine weitere Möglichkeit besteht in einer Erhöhung der Folienstärke biologisch abbaubarer Folien, um diese nach der Anwendung ebenfalls vom Feld sammeln zu können. Sollten einzelne Fragmente dennoch auf den Böden verbleiben, können diese untergepflügt und über die Zeit abgebaut werden. Eine Produktion biologisch abbaubarer Mulchfolien mit identischer Materialstärke zu konventionellen Pendants ist aus wirtschaftlicher Perspektive aktuell jedoch nicht durchsetzbar. Für dieses Szenario wären zukünftig gegebenenfalls staatliche Anreize zu schaffen. 

Förderhinweis und Projektpartner

Das Vorhaben iMulch ist ein Leitmarkt.NRW-Projekt und wurde mit Mitteln aus dem Europäischen Fond für regionale Entwicklung (EFRE) »Investitionen in Wachstum und Beschäftigung« gefördert. Das Konsortium des Verbundvorhabens umfasste sechs aktive Projektpartner und wurde von drei assoziierten Partnern begleitet. Neben der Fischer GmbH waren das Fraunhofer IME, das Fraunhofer UMSICHT, das nova-Institut und die RWTH Aachen mit den Instituten IUF und iAMB beteiligt. Die Projektleitung lag beim Institut für Energie- und Umwelttechnik e. V. (IUTA). Assoziierte Partner waren BASF, FKuR Kunststoff GmbH und das Umweltbundesamt. Zudem bestand ein reger Austausch mit der Landwirtschaftskammer NRW.