Plastikfressende Bakterien und andere Organismen
Wohin mit unserem Plastikmüll? Diese Frage beschäftigt uns seit Jahrzehnten und bis jetzt gab es keine zufriedenstellende Antwort. Plastik wurde bislang entweder wiederverwertet, verbrannt oder es verweilt für lange Zeit in der Umwelt. Nur diese drei Szenarien waren lange bekannt, jedoch hat sich in den letzten Jahren etwas in eine ganz neue Richtung entwickelt. Plastikfressende Bakterien, Larven und Pilze wurden entdeckt. Und das zum Teil ganz per Zufall.
Im Jahr 2018 wurden weltweit 360 Millionen Tonnen Kunststoff produziert.
Inhaltsverzeichnis
1. Plastikfressende Bakterien
Im Jahr 2016 entdeckten japanische Biochemiker in einer Recyclingmüllanlage Bakterien mit einem plastikzerstörenden Enzym. Weltweit sorgte dieser Fund für großes Aufsehen und erweckte die Neugier vieler Wissenschaftler. Den berühmten Winzling nannte man „Ideonella sakaiensis“. Er sei in der Lage, den Kunststoff Polyethylenterephthalat (PET) vollständig zu verstoffwechseln und mit ihm seinen Energiebedarf zu decken. Da PET als potentielle Nährstoffquelle in größeren Mengen erst etwa ab den 1950er Jahren produziert wurde, liegt nahe, dass die Bakterienart die Fähigkeit zur PET-Verstoffwechselung erst innerhalb der letzten Jahrzehnte erworben hat.
Die Aufnahme von Kunststoff durch Ideonella-Bakterien sei jedoch extrem langsam und nichts, was sich für den Kampf gegen den Plastikmüll einsetzen lässt. Zwei Jahre später erreichte ein Forscherteam aus den USA und Großbritannien durch eine kleine molekulare Änderung eine Verbesserung des Enzyms. So konnte eine schnellere Kunststoffzersetzung durch Ideonella-Bakterien erzielt werden – zu einer Lösung unseres Müllproblems reiche es trotzdem nicht. Jedoch sei es ein Beweis dafür, dass sich die Werkzeuge der Bakterien manipulieren lassen und sie eines Tages tatsächlich so effektiv gemacht werden könnten, dass man die plastikfressende Bakterien im Einsatz gegen Plastikmüll einsetzen kann.
Ein Kunststoff unter Vielen
Etwa 90 Prozent der weltweiten Produktion von Kunststoff entfallen in der Reihenfolge ihres Anteils auf die folgenden sechs Kunststoffe:
- Polyethylen (PE)
- Polypropylen (PP)
- Polyvinylchlorid (PVC)
- Polystyrol (PS)
- Polyurethan (PU/PUR)
- Polyethylenterephthalat (PET)
Die Zersetzung durch Ideonella sakaiensis bezieht sich somit nur auf einen kleinen Bruchteil der Kunststoffe. Die Lösung unseres Problems wird sie also nicht werden.
Im Jahr 2018 fanden jedoch Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um Prof. Dr. Wolfgang Streit vom Biozentrum Klein Flottbek der Universität Hamburg heraus, dass es weitaus mehr und vielfältigere plastikfressende Bakterien gibt, als bisher angenommen. Die Ergebnisse erschienen in der Fachzeitschrift „Applied and Environmental Microbiology“.
Durch das Analysieren globaler Datenbanken vom Erbgut von Bakterien konnten sie nachweisen, dass viele weitere Bakterien für den Abbau von PET mitverantwortlich sein können.
„Wir waren überrascht, dass die beteiligten Bakterienarten viel diverser sind, als bisher angenommen. Es bestätigte sich jedoch, dass der Abbau von PET durch die Bakterien prinzipiell sehr langsam ist“, so Prof. Streit.
2. Plastikfressende Larven
Eine ähnlich zufällige Entdeckung machte eine in Spanien lebende, italienische Biologin namens Federica Bertocchini. Beim Versuch, einen Bienenstock von Larven zu befreien, steckte sie diese in eine Plastiktüte aus schwer abbaubarem Polyethylen, ein thermoplastischer Kunststoff. Kurz darauf befreiten sich die Larven aus ihrem Kunststoff-Verließ, indem sie sich einfach durch den Plastikbeutel fraßen. Beeindruckt vom Ergebnis wiederholte Federica Bertocchini zusammen mit zwei Biochemikern der Cambridge University den Versuch und legte 100 Larven auf eine weitere Plastiktüte. Innerhalb von 12 Stunden waren über 90 Milligramm Polyethylen verschwunden. Das Ergebnis war beeindruckend. Weder mit Bakterien noch mit Pilzen konnten so gute Ergebnisse erzielt werden. Spätere Untersuchungen der Raupenkadaver zeigten außerdem, dass die Tierchen den Stoff teilweise zersetzt und verdaut hatten.
Die Freude war aber von kurzer Dauer. Untersuchungen von Forschern um den Chemiker Till Opatz von der Universität Mainz ergaben große Zweifel an der von Federica Bertocchini gemachten Entdeckung. Denn man konnte keinen Beweis dafür finden, dass die Raupen Kunststoff verdauen konnten. Denn Forschen nach zu urteilen, wurde der Kunststoff von der Raupen nur zerkleinert und nicht zersetzt. Es fand also keine chemische Zersetzung statt.
Ziel der Biologin Federica Bertocchini ist es, das gefräßige Molekül aus den Larven zu isolieren und in industriellem Maßstab produzieren zu können.
3. Plastikfressende Pilze
2011 unternahm eine Studentengruppe der Yale Universität unter der Leitung von Prof. Scott Strobel eine Expedition in den Amazonas Regenwald Ecuadors. Einer der Studierenden namens Jonathan R. Russell machte sich auf der Suche nach Pflanzen, die Harze produzieren. Harze sind kunststoffähnliche Baumsekrete und dienen in der Industrie als reaktive Zwischenstufe zur Herstellung von duroplastischen Kunststoffen.
Von diesen Harzen ernähren sich verschiedene Pilze und Bakterien, die in der Pflanze leben. Eben solche Pflanzen sammelten die Studierenden und isolierten daraus den Pilz „Pestalotiopsis microspora“. Er wächst im Guavenbaum und bildet ein Enzym, das den Kunststoff Polyurethan (PU / PUR) abbauen kann. Zu dieser Plastikart gehören zum Beispiel Bauschaum, Matratzen, Schuhsohlen oder Klebstoffe.
Pira Anand fand außerdem heraus, dass sich diese Pilze von dem Kunststoff Polyurethan alleine und sogar ohne Sauerstoff ernähren können.
Die weitere Forschung wurde leider durch einen Rechtsstreit mit Ecuador um die Rechte an dem Pilz ins Stocken gebracht. Die USA darf inzwischen nur noch ihre grundlegenden Experimente durchführen. Ecuador begann mit der weiterführenden Forschung. Neue Ergebnisse bleiben abzuwarten.
Ein Jungforscher macht wichtige Entdeckungen
Ein weiteres Forschungsprojekt in Deutschland hat vielversprechende Ergebnisse hervorgebracht, denn ein Schüler aus Offenbach hat bei zwei weiteren Pilzarten nachgewiesen, dass diese Kunststoff zersetzen können. Die beiden Pilze names Isaria fumosorosea und Metarhizium guizhouense werden bereits in der Landwirtschaft zur natürlichen Schädlingsbekämpfung eingesetzt. Der Schüler Christis Assiklaris hofft, sie auch zur Beseitigung von Mikroplastik in Ackerböden und unserer Umwelt einsetzen zu können. Für seine Forschung hat er den Sonderpreis der Deutschen Bundesstiftung Umwelt 2019 erhalten und nimmt am Jugend Forscht Wettbewerb teil. Wir sind gespannt, was weitere Forschung hervorbringen wird!
4. Plastikfressende Bakterien als Vorbild für Recycling
Miranda Wang und Jeanny Yao begegneten sich zum ersten Mal in der 8.Klasse im Recycling-Club ihrer Schule in Kanada. Eine Freundschaft entstand, vor allem aber ein gemeinsames Interesse für Plastik-Recycling. Sie begannen zu forschen und im Alter von nur 18 Jahren entdeckten sie Bodenbakterien, die Plastik aufnehmen und zersetzen können.
Wang und Yao studierten und gründeten dann zusammen das Unternehmen BioCellection in Californien. Ausgehend von der Annahme, dass Bakterien in der Lage sind Plastik in kleine Komponenten zu zersetzen, begannen sie daran zu forschen, einen solchen Prozess chemisch herzustellen. Ihr Team hat einen Weg gefunden Polyethylen in seine Grundbausteine zu zersetzen. Die dabei gewonnenen Chemikalien können für neue hochwertige Produkte verwendet werden und dabei erdölbasierte Stoffe ersetzen. Ein großer Vorteil ist außerdem die wesentlich niedrigere Prozesstemperatur, die weniger Energie kostet als herkömmliches Recycling.
Ein zentrales Problem ist im Moment allerdings die Reinheit der gewonnenen Stoffe, die kommerziellen Anforderungen noch nicht genügt. Außerdem ist dieses Verfahren bisher ausschließlich für Polyethylen geeignet, was eine große Bandbreite von Plastik ausschließt und eine gute Vorsortierung voraussetzt.
Trotz allem ist dies ein sehr vielversprechendes Projekt, das durch verschiedene Preise und industrielle Partnerschaften die nötigen Mittel hat, um ihre Forschung weiter voranzutreiben.
„Diese Technologie kann eine Säule werden, die es Menschen auf der ganzen Welt ermöglicht, Kunststoffe auf Mülldeponien zu sammeln und diese als neue Kohlenstoffquelle zu nutzen“, sagte Wang. „Wir müssen nicht mehr nach Öl bohren, um die Dinge um uns herum herzustellen.“
5. Fazit
An der von Tieren und anderen Lebewesen durchgeführten Kunststoffzersetzung wird noch geforscht. Sicher ist jedoch, dass auch diese Entdeckungen allein unser Kunststoffproblem nicht lösen werden. Die Unmengen an Kunststoff, die weltweit in die Umwelt freigesetzt werden, sind einfach zu groß, um von plastikfressenden Bakterien, Pilzen oder Larven aufgehalten zu werden. Im Moment ist es sinnvoller, an der Reduzierung von Plastikmüll zu arbeiten, anstatt im Nachhinein nach aufwendigen Lösungen für das Problem zu suchen. Ein großer Hoffnungsschimmer für die Zukunft ist jedoch, sich die Natur als Vorbild zu nehmen und auf dieser Basis eigene Prozesse und Techniken zu entwickeln, wie es auch in vielen andern Bereichen bereits geschehen ist.
Quellen:
Plastikfressende Bakterien
https://www.uni-hamburg.de/newsroom/presse/2018/pm8.html
https://www.nature.com/articles/s41467-019-09326-3
https://www.welt.de/wissenschaft/article175504851/Ideonella-sakariensis-Bakterien-die-Plastikmuell-fressen.html
Plastikfressende Larven
http://federicabertocchini.com/
Plastikfressende Pilze
https://yalealumnimagazine.com/articles/3303-a-fungus-that-eats-polyurethane
https://www.conplu.ch/pestalotiopsis-microspora-ein-pilz-der-plastik-frisst/
https://www.hochparterre.ch/nachrichten/design/blog/post/detail/pestalotiopsis-microspora/1465979422/
https://www.dgfm-ev.de/news/plastikfressende-pilze-bei-jugend-forscht
Plastikfressende Bakterien als Vorbild für Recycling
https://www.businessinsider.com/how-to-stop-plastic-from-getting-into-ocean-2018-11?r=DE&IR=T
http://newsroom.ucla.edu/releases/miranda-wang-2018-pritzker-award-young-environmental-innovators
https://www.youtube.com/watch?v=eXqLlSf7xkA&feature=emb_title
