Suche nach Mikroorganismen, die Kunststoffe bei niedrigen Temperaturen verdauen können

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Einige Mikroorganismen produzieren Enzyme, die Plastik verdauen können. Um diese Enzyme im industriellen Maßstab einzusetzen, sind jedoch typischerweise Temperaturen über 30 °C erforderlich, was kostspielig ist. Wissenschaftler der Eidgenössischen Forschungsanstalt WSL haben nun eine Reihe von Bakterien- und Pilzstämmen entdeckt, die einige biologisch abbaubare Kunststoffe bei deutlich tieferen Temperaturen abbauen können. Diese Arten von kälteadaptierten Mikroorganismen, die aus Böden in großen Höhen der Schweizer Alpen und in Polarregionen gesammelt werden, könnten enzymatische Prozesse im industriellen Maßstab für das Kunststoffrecycling kostengünstig machen.

„Hier zeigen wir, dass neuartige mikrobielle Taxa, die aus der ‚Plastisphäre‘ alpiner und arktischer Böden gewonnen wurden, biologisch abbaubare Kunststoffe bei 15 °C abbauen konnten“, sagte Dr. Joel Rüthi, derzeit Gastwissenschaftler an der WSL. „Diese Organismen könnten dazu beitragen, die Kosten und die Umweltbelastung eines enzymatischen Recyclingprozesses für Kunststoff zu reduzieren.“ Rüthi ist Erstautor der vom Team in Frontiers in Microbiology veröffentlichten Arbeit mit dem Titel „Entdeckung plastikabbauender Mikrobenstämme, isoliert aus der alpinen und arktischen terrestrischen Plastisphäre“. In ihrer Arbeit kam das Team zu dem Schluss: „Unsere Ergebnisse legen nahe, dass Mikroorganismen aus hochalpinen und polaren Regionen effiziente Produzenten von plastikabbauenden Enzymen sind und dadurch möglicherweise zu zukünftigen Bemühungen für eine umweltfreundliche Kreislaufwirtschaft für Kunststoffe beitragen.“

Die jährliche weltweite Kunststoffproduktion steige immer noch rasant an und habe im Jahr 2020 367 Megatonnen erreicht, schreiben die Autoren. „Das Fortbestehen herkömmlicher Kunststoffe in der Umwelt, die übermäßige Verwendung von Einwegkunststoffen und die Misswirtschaft bei der Abfallentsorgung verursachen ein erhebliches Umweltproblem.“ Herkömmliche mechanische und chemische Ansätze zur Wiederverwendung und zum Recycling hätten „einige erhebliche Nachteile“, fuhren die Forscher fort. Alternative Ansätze für eine nachhaltigere Kunststoffwirtschaft umfassen die Verwendung biobasierter und biologisch abbaubarer Kunststoffe sowie „neuartige Recyclingstrategien unter Verwendung mikrobieller Kunststoff abbauender Enzyme“, schlugen sie vor.

Auch die Suche, Kultivierung und Biotechnologie von Organismen, die Kunststoffe verdauen und zur Bekämpfung der Umweltverschmutzung beitragen können, ist mittlerweile ein großes Geschäft. Obwohl bereits mehrere Mikroorganismen gefunden wurden, die dazu in der Lage sind, führt die für die Wirkung ihrer Enzyme erforderliche Erwärmung dazu, dass industrielle Anwendungen weiterhin kostspielig und nicht klimaneutral sind.

Eine mögliche Lösung besteht darin, spezielle, an Kälte angepasste Mikroben zu identifizieren, deren Enzyme bei niedrigeren Temperaturen arbeiten. „Das plastische Abbaupotenzial kälteadaptierter Mikroorganismen wurde bisher jedoch kaum untersucht“, so die Wissenschaftler. Für ihre berichtete Arbeit untersuchten Rüthi und Kollegen 19 Bakterienstämme und 15 Pilzstämme, die auf frei liegendem oder absichtlich vergrabenem Plastik (das ein Jahr lang im Boden blieb) in Grönland, Spitzbergen und der Schweiz wuchsen. Der größte Teil des Plastikmülls aus Spitzbergen wurde im Rahmen des Swiss Arctic Project 2018 eingesammelt, bei dem Studierende Feldforschungen durchführten, um die Auswirkungen des Klimawandels aus erster Hand zu erleben. Der Boden aus der Schweiz wurde auf dem Gipfel des Muot da Barba Peider (2.979 m) und im Tal Val Lavirun, beide im Kanton Graubünden, gesammelt.

Die Wissenschaftler ließen die isolierten Mikroorganismen als Einzelstammkulturen im Labor im Dunkeln und bei 15 °C wachsen und identifizierten sie mithilfe molekularer Techniken. Die Ergebnisse zeigten, dass die Bakterienstämme zu 13 Gattungen der Phyla Actinobacteria und Proteobacteria gehörten und die Pilzstämme zu 10 Gattungen der Phyla Ascomycota und Mucoromycota.

Anschließend verwendeten die Forscher eine Reihe von Tests, um jeden Stamm auf seine Fähigkeit zu untersuchen, sterile Proben aus nicht biologisch abbaubarem Polyethylen (PE) und biologisch abbaubarem Polyester-Polyurethan (PUR) sowie zwei im Handel erhältlichen biologisch abbaubaren Mischungen aus Polybutylenadipatterephthalat (PBAT) zu verdauen ) und Polymilchsäure (PLA).

Keiner der Mikrobenstämme war in der Lage, PE zu verdauen, selbst nach 126 Tagen Inkubation auf diesen Kunststoffen. Aber 19 (56 %) der Stämme, darunter 11 Pilze und acht Bakterien, waren in der Lage, PUR bei 15 °C zu verdauen, während 14 Pilze und drei Bakterien in der Lage waren, die Kunststoffmischungen aus PBAT und PLA zu verdauen. Kernspinresonanz (NMR) und ein fluoreszenzbasierter Test bestätigten, dass diese Stämme in der Lage waren, die PBAT- und PLA-Polymere in kleinere Moleküle zu zerhacken.

„Es war für uns sehr überraschend, dass wir herausfanden, dass ein großer Teil der getesteten Stämme in der Lage war, mindestens einen der getesteten Kunststoffe abzubauen“, sagte Rüthi. „Bei mehreren Taxa (z. B. den Gattungen Collimonas, Kribbella, Lachnellula und Thelebolus) wurde erstmals gezeigt, dass sie Kunststoffe abbauen“, erklärten die Wissenschaftler. „Am bemerkenswertesten ist, dass die getesteten Stämme dispergiertes PUR und die Polyesterfolien ecovio® und BI-OPL bei niedrigeren Temperaturen (15 °C) abbauten als zuvor berichtete mikrobielle Stämme.“

Am besten schnitten zwei nicht charakterisierte Pilzarten der Gattungen Neodevriesia und Lachnellula ab. Diese Mikroorganismen waren in der Lage, alle getesteten Kunststoffe außer PE zu verdauen. „Die Pilzstämme 800 (Neodevriesia sp.) und 943 (Lachnellula sp.) sind vielversprechende Kandidaten für weitere Studien, da sie alle getesteten biologisch abbaubaren Produkte abbauen und nachweislich die Massen der PBAT- und PLA-Komponenten in den Kunststofffolien reduzieren. und das reine PBAT-Polymer effizient hydrolysiert“, stellte das Team fest.

Die Ergebnisse zeigten auch, dass die Fähigkeit, Plastik zu verdauen, bei den meisten Stämmen vom Kulturmedium abhängt, wobei jeder Stamm unterschiedlich auf jedes der vier getesteten Medien reagiert. „… wir haben gezeigt, dass die Kultivierungsbedingungen einen starken Einfluss auf den Plastikabbau haben. Dieser Befund könnte dabei helfen, die durch die Mikrobenstämme erreichten Abbauraten zu optimieren und könnte auch Konsequenzen für den Plastikabbau in natürlichen Umgebungen haben, in denen insbesondere der Kohlenstoff- und Nährstoffgehalt begrenzt ist in oligotrophen Arktis- und Hochgebirgsböden.“ Das Team wies weiter darauf hin, dass Screening-Tests auf plastikabbauende Mikroorganismen wahrscheinlich nur eine Teilmenge der potenziell plastikabbauenden Stämme erkennen, da nur wenige Bedingungen getestet werden, „während einige Stämme möglicherweise sehr spezifische Bedingungen erfordern, um plastikabbauende Mikroorganismen auszudrücken.“ Enzyme.“

Da es Kunststoffe erst seit den 1950er Jahren gibt, war die Fähigkeit, Kunststoffe abzubauen, mit ziemlicher Sicherheit kein ursprünglich von der natürlichen Selektion angestrebtes Merkmal. Wie hat sich also die Fähigkeit entwickelt, Plastik zu verdauen? „Mikroben produzieren nachweislich eine Vielzahl polymerabbauender Enzyme, die am Abbau pflanzlicher Zellwände beteiligt sind“, sagte Co-Autor Beat Frey, PhD, leitender Wissenschaftler und Gruppenleiter an der WSL. „Insbesondere Pflanzen.“ Es wird oft berichtet, dass krankheitserregende Pilze Polyester biologisch abbauen, da sie aufgrund ihrer Ähnlichkeit mit dem pflanzlichen Polymer Cutin Cutinasen produzieren können, die auf Kunststoffpolymere abzielen.

Rüthi und Kollegen haben die Plastikverdauung nur bei 15°C getestet, daher wissen sie noch nicht, bei welcher optimalen Temperatur die Enzyme dieser erfolgreichen Stämme arbeiten. „Aber wir wissen, dass die meisten der getesteten Stämme zwischen 4 und 20 °C gut wachsen können, wobei das Optimum bei etwa 15 °C liegt“, sagte Frey. Und so kamen die Autoren in ihrer Arbeit zu dem Schluss: „Diese Studie erweitert unser Wissen über den mikrobiellen Kunststoffabbau und bietet eine Grundlage für die zukünftige Entdeckung kälteaktiver Kunststoff abbauender Enzyme. Die identifizierten Mikrobenstämme könnten als wertvolle Ressource für die Entwicklung effizienter dienen.“ und nachhaltiges Recycling von Kunststoffabfällen bei niedrigeren Temperaturen.“

Frey fügte hinzu: „Die nächste große Herausforderung wird darin bestehen, die von den Mikrobenstämmen produzierten plastikabbauenden Enzyme zu identifizieren und den Prozess zu optimieren, um große Mengen an Proteinen zu erhalten. Darüber hinaus könnten weitere Modifikationen der Enzyme erforderlich sein, um Eigenschaften wie zu optimieren Proteinstabilität.“ Die Autoren kommentierten weiter: „Eine vielversprechende Methode zur Optimierung des Plastikabbaus könnte die Identifizierung der Gene umfassen, die für die verantwortlichen Enzyme kodieren, und die heterologe Expression dieser Gene in einem geeigneten Wirt.“

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