Forscher haben seit langem beobachtet, dass eine weit verbreitete Familie von Umweltbakterien, Comamonadacae, auf Kunststoffen wächst, die in städtischen Flüssen und Abwassersystemen verstreut sind. Doch was genau diese Comamonas-Bakterien tun, bleibt ein Rätsel.
Jetzt haben Forscher unter der Leitung der Northwestern University herausgefunden, wie Zellen eines Comamonas-Bakteriums Plastik für Lebensmittel abbauen. Zunächst zerkauen sie den Kunststoff in kleine Stücke, sogenannte Nanoplastik. Anschließend scheiden sie ein spezielles Enzym aus, das den Kunststoff noch weiter zersetzt. Schließlich nutzen die Bakterien einen Ring aus Kohlenstoffatomen aus dem Kunststoff als Nahrungsquelle, fanden die Forscher heraus.
Die Entdeckung eröffnet neue Möglichkeiten für die Entwicklung bakterienbasierter technischer Lösungen, die dazu beitragen, schwer zu entfernenden Plastikmüll zu beseitigen, der das Trinkwasser verschmutzt und der Tierwelt schadet.
Die Studie wird in der Zeitschrift veröffentlicht Umweltwissenschaft und -technologie.
„Wir haben zum ersten Mal systematisch gezeigt, dass ein Abwasserbakterium ein Ausgangsmaterial aus Kunststoff aufnehmen, zersetzen, fragmentieren, abbauen und als Kohlenstoffquelle nutzen kann“, sagte Ludmilla Aristilde von Northwestern, die die Studie leitete . „Es ist erstaunlich, dass dieses Bakterium diesen gesamten Prozess durchführen kann, und wir haben ein Schlüsselenzym identifiziert, das für den Abbau der Kunststoffmaterialien verantwortlich ist. Dies könnte optimiert und genutzt werden, um dazu beizutragen, Kunststoffe in der Umwelt loszuwerden.“
Aristilde ist Expertin für die Dynamik organischer Stoffe in Umweltprozessen und außerordentliche Professorin für Umwelttechnik an der McCormick School of Engineering im Nordwesten. Sie ist außerdem Mitglied des Center for Synthetic Biology, des International Institute for Nanotechnology und des Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energy. Die Co-Erstautoren der Studie sind Rebecca Wilkes, eine ehemalige Doktorandin. Studentin in Aristildes Labor, und Nanqing Zhou, derzeit Postdoktorandin in Aristildes Labor. Auch mehrere ehemalige Doktoranden und Bachelor-Forscher des Aristilde Lab trugen zu der Arbeit bei.
Das Problem der Umweltverschmutzung
Die neue Studie baut auf früheren Forschungsarbeiten von Aristildes Team auf, die die Mechanismen entschlüsselten, die es Comamonas testosteri ermöglichen, einfache Kohlenstoffe zu verstoffwechseln, die aus zersetzten Pflanzen und Kunststoffen entstehen. In der neuen Forschung konzentrierten sich Aristilde und ihr Team erneut auf C. testosteroni, das auf Polyethylenterephthalat (PET) wächst, einem Kunststofftyp, der häufig in Lebensmittelverpackungen und Getränkeflaschen verwendet wird. Da es sich nicht so leicht zersetzen lässt, trägt PET maßgeblich zur Plastikverschmutzung bei.
„Es ist wichtig zu beachten, dass PET-Kunststoffe 12 % des gesamten weltweiten Kunststoffverbrauchs ausmachen“, sagte Aristilde. „Und es macht bis zu 50 % des Mikroplastiks im Abwasser aus.“
Angeborene Fähigkeit, Kunststoffe abzubauen
Um besser zu verstehen, wie C. testosteroni mit dem Plastik interagiert und sich davon ernährt, verwendeten Aristilde und ihr Team mehrere theoretische und experimentelle Ansätze. Zunächst nahmen sie aus dem Abwasser isolierte Bakterien und züchteten sie auf PET-Folien und Pellets. Anschließend beobachteten sie mithilfe fortschrittlicher Mikroskopie, wie sich die Oberfläche des Kunststoffmaterials im Laufe der Zeit veränderte.
Als nächstes untersuchten sie das Wasser um die Bakterien herum und suchten nach Hinweisen auf Plastik, das in kleinere nanometergroße Stücke zerlegt war. Und schließlich untersuchten die Forscher das Innere der Bakterien, um die Werkzeuge zu identifizieren, die die Bakterien zum Abbau des PET verwendeten.
„In Anwesenheit des Bakteriums wurde das Mikroplastik in winzige Nanopartikel aus Kunststoff zerlegt“, sagte Aristilde. „Wir haben herausgefunden, dass das Abwasserbakterium eine angeborene Fähigkeit besitzt, Plastik bis hin zu Monomeren abzubauen, kleinen Bausteinen, die sich zu Polymeren verbinden. Diese kleinen Einheiten sind eine bioverfügbare Kohlenstoffquelle, die Bakterien für ihr Wachstum nutzen können.“
Nachdem bestätigt wurde, dass C. testosteroni tatsächlich Kunststoffe abbauen kann, wollte Aristilde als nächstes lernen, wie. Mithilfe von Omics-Techniken, mit denen alle Enzyme in der Zelle gemessen werden können, entdeckte ihr Team ein bestimmtes Enzym, das das Bakterium exprimiert, wenn es PET-Kunststoffen ausgesetzt wird. Um die Rolle dieses Enzyms weiter zu erforschen, bat Aristilde Mitarbeiter des Oak Ridge National Laboratory in Tennessee, Bakterienzellen vorzubereiten, die nicht in der Lage sind, das Enzym zu exprimieren. Bemerkenswerterweise ging ohne dieses Enzym die Fähigkeit der Bakterien, Plastik abzubauen, verloren oder wurde deutlich verringert.
Wie sich Kunststoffe im Wasser verändern
Obwohl Aristilde davon ausgeht, dass diese Entdeckung möglicherweise für Umweltlösungen genutzt werden könnte, sagt sie auch, dass dieses neue Wissen den Menschen helfen kann, besser zu verstehen, wie sich Kunststoffe im Abwasser entwickeln.
„Abwasser ist ein riesiges Reservoir an Mikroplastik und Nanoplastik“, sagte Aristilde. „Die meisten Menschen glauben, dass Nanoplastik als Nanoplastik in Kläranlagen gelangt. Aber wir zeigen, dass Nanoplastik bei der Abwasseraufbereitung durch mikrobielle Aktivität entstehen kann. Darauf müssen wir achten, wenn unsere Gesellschaft versucht, das Verhalten von Kunststoffen auf ihrem Weg zu verstehen.“ vom Abwasser bis zum Vorfluter von Flüssen und Seen.“
Weitere Informationen:
Mechanismen der Fragmentierung von Polyethylenterephthalat-Pellets in Nanoplastik und assimilierbare Kohlenstoffe durch Abwasser Comamonas, Umweltwissenschaft und -technologie (2024).