Kunststofffressende Pilze, die in der vom Menschen geschaffenen „Plastisphäre“ gedeihen, könnten zur Bekämpfung des globalen Abfalls beitragen

Eine neue Studie veröffentlicht in der Zeitschrift für gefährliche Materialien Forscher des Royal Botanic Gardens, Kew, und Partner haben ein vielfältiges Mikrobiom aus plastikabbauenden Pilzen und Bakterien in den Küstensalzwiesen von Jiangsu, China, identifiziert.

Das internationale Wissenschaftlerteam zählte insgesamt 184 Pilz- und 55 Bakterienstämme, die in der Lage sind, Polycaprolacton (PCL) abzubauen, einen biologisch abbaubaren Polyester, der üblicherweise bei der Herstellung verschiedener Polyurethane verwendet wird. Von diesen haben Bakterienstämme der Gattungen Jonesia und Streptomyces das Potenzial, andere erdölbasierte Polymere – natürliche oder synthetische Ketten miteinander verbundener Moleküle – weiter abzubauen.

Die plastikabbauenden Mikroorganismen wurden im Mai 2021 in Dafeng im Osten Chinas, einem UNESCO-geschützten Standort nahe der Küste des Gelben Meeres, beprobt. Die Probenahme bestätigte das Vorhandensein einer terrestrischen Plastisphäre, ein Begriff, der in der terrestrischen Ökologie relativ neu ist, da sich frühere Studien hauptsächlich auf Meeresumgebungen konzentrierten. Es wurde außerdem festgestellt, dass sich das Mikrobiom dieser „vom Menschen geschaffenen ökologischen Nische“ aus Plastikmüll an der Küste vom umgebenden Boden unterscheidet.

Wissenschaftler beschäftigen sich zunehmend mit Mikroorganismen wie Pilzen und Bakterien, um einige der drängendsten Herausforderungen der Moderne zu bewältigen, darunter die steigende Flut an Plastikverschmutzung. Nach Angaben des Umweltprogramms der Vereinten Nationen (UNEP) werden jährlich 400 Millionen Tonnen Plastikmüll produziert, wobei die Plastikverschmutzung seit den 1970er Jahren stark ansteigt. Forscher hoffen jedoch, dass in der Plastisphäre Antworten auf dieses Problem gefunden werden könnten.

Frühere Forschungen haben bereits das Potenzial von Mikroorganismen zur Bekämpfung von Plastikmüll erkannt; Eine von Forschern aus China und Pakistan durchgeführte Studie aus dem Jahr 2017 identifizierte einen Stamm des Pilzes Aspergillus tubingensis, der auf einer Mülldeponie in Islamabad, Pakistan, Plastik abbaut. Bisher wurden 436 Arten von Pilzen und Bakterien gefunden, die Plastik abbauen, und Wissenschaftler und Partner von Kew glauben, dass ihre neuesten Erkenntnisse zur Entwicklung effizienter Enzyme führen könnten, die Plastikmüll biologisch abbauen sollen.

Die Studie erscheint vor dem Weltumwelttag 2023 am 5. Juni, dessen Thema darin besteht, im Rahmen der Kampagne #BeatPlasticPollution Lösungen für die Plastikmüllkrise zu finden.

Dr. Irina Druzhinina, leitende Forschungsleiterin für Pilzvielfalt und -systematik bei RBG Kew, sagt: „Mikrobiologen auf ganzer Linie fühlen sich dafür verantwortlich, Lösungen für die umweltfreundliche Behandlung von Plastikmüll zu finden, denn Bakterien und Pilze werden die ersten Organismen sein, die das lernen.“ Wir müssen uns mit diesem neuen Material befassen. Wir haben keinen Zweifel daran, dass Mikroben Wege finden werden, Plastik effektiv abzubauen, aber das kann Tausende von Jahren dauern, wenn wir der Natur ihren Lauf lassen. Deshalb ist es unsere Aufgabe, das Wissen zu nutzen, das wir bereits haben der mikrobiellen Biologie, um die Evolution von Mikroben und ihren einzelnen Genen zu beschleunigen und zu lenken, um diese Aufgabe jetzt zu erledigen.“

Aufgrund ihrer Langlebigkeit und hydrophoben Oberfläche haben Kunststoffe in aquatischen Ökosystemen eine Art „mikrobielles Riff“ geschaffen, an dem sich Pilze und Bakterien festsetzen können. Und im Fall bestimmter biologisch abbaubarer Kunststoffe können sie Mikroben eine Kohlenstoffquelle zum Verstoffwechseln bieten – eine Nahrungsquelle. In Dafeng sammelten die Forscher 50 Proben von Kunststoffabfällen aus sieben verschiedenen Arten erdölbasierter Polymere: Polyethylenterephthalat (PET), expandiertes Polystyrol (EPS), Polyethylen (PE), Polyurethan (PU), Polyamid (PA), Polypropylen ( PP) und Polyvinylchlorid (PVC).

Unter den Proben identifizierten die Forscher 14 Pilzgattungen, darunter die Pflanzenpathogene Fusarium und Neocosmospora. Pflanzenpathogene Pilze beziehen ihre Nährstoffe aus Pflanzen, tun dies jedoch auf eine Weise, die ihrem Wirt schadet. Die Ergebnisse der Studie deuten darauf hin, dass diese Pilze PCL-Kunststoffe und andere synthetische Polymere möglicherweise besser abbauen können als saprotrophe Pilze – Pilze, die sich von toten Pflanzen- und Tierresten ernähren.

Dr. Druzhinina fügt hinzu: „Die ökologische Nische der Dafeng-Salzwiesen ist genau der Grund, warum wir uns entschieden haben, die mikrobiellen Gemeinschaften im dortigen Plastikmüll zu untersuchen, und bisher haben sich unsere Ergebnisse als sowohl spannend als auch vielversprechend erwiesen.“

In der Wildnis spielen Pilze eine Schlüsselrolle beim Abbau organischer Stoffe und deren Transport durch den Kohlenstoffkreislauf. Im Laufe von Millionen von Jahren hat sich die Fähigkeit entwickelt, viele komplexe und natürlich vorkommende Polymere wie Cellulose abzubauen. Tatsächlich sind die von Pilzen abgesonderten Enzyme äußerst effizient beim Abbau komplexer organischer Verbindungen, einschließlich Kohlenhydraten und Proteinen.

Neben den Pilzen in Dafeng erkannte das Forschungsteam zwei Bakteriengattungen, Streptomyces und die kürzlich entdeckte Gattung Jonesia, als vielversprechende Kandidaten für den Plastikabbau. Insbesondere die Art Jonesia cf. Quinghaiensis dominierte die 55 untersuchten Bakterienstämme.

Xuesong Li, Masterstudent an der Nanjing Agricultural University, China, sagt: „Die Gelegenheit, an einem Projekt mit potenziell wirkungsvollen Lösungen zur Bekämpfung der steigenden Plastikverschmutzung auf der ganzen Welt zu arbeiten, war für mich sofort attraktiv, insbesondere weil dies mein erstes Forschungsprojekt war.“ Anfangs gab es einige Bedenken, dass wir möglicherweise nicht genügend Daten aus einer einzigen Probe sammeln würden, aber die bisherigen Ergebnisse waren überwältigend, und wir mussten uns davon abhalten, immer mehr Kulturen zu isolieren, um ihre Eigenschaften zu untersuchen. Und obwohl sich Bakterien als äußerst aktiv erwiesen In diesem Zusammenhang bevorzuge ich persönlich die Arbeit mit Pilzen, da diese Organismen ein enormes Potenzial für Anwendungen haben, die weit über den Abbau von Kunststoff hinausgehen.“

Trotz der vielen spannenden Entwicklungen auf diesem Gebiet warnen die Autoren der Studie, dass unser Verständnis von plastikassoziierten Mikroorganismen noch in den Kinderschuhen steckt. Viele Fragen zu diesen ökologischen Nischen bleiben unbeantwortet und die Autoren der Studie sahen sich mit einigen Einschränkungen bei der genauen Identifizierung der analysierten Stämme bis auf Artenebene konfrontiert.

Dr. Feng Cai von der Sun Yat-sen-Universität in Shenzhen, China, sagt: „Was mich am meisten beeindruckt, ist die schiere Kraft der mikrobiellen Vielfalt, insbesondere wenn man bedenkt, wie schwierig es ist, sie zu entdecken; sie sind mikroskopisch klein und geheimnisvoll.“ in der Natur und einfach im Aussehen. Wenn wir jedoch unsere Perspektive ändern und sie durch eine biochemische Linse betrachten, erhalten wir Zugang zu einer Fülle von Komplexität, die auf unsere Erkundung wartet. Es ist wirklich berauschend zu erkennen, dass wir kaum an der Oberfläche gekratzt haben, dies aber bereits getan haben entdeckte eine Fülle potenziell vielversprechender Ressourcen für zukünftige Technologien. Diese Erkenntnis erfüllt mich mit einer unglaublichen Zufriedenheit, da ich weiß, dass es noch zahlreiche Entdeckungen zu machen gibt und dass unsere Arbeit möglicherweise zu erheblichen Fortschritten auf diesem Gebiet führen kann.“

RBG Kew ist mit mehr als 1,25 Millionen Exemplaren die Heimat einer der ältesten und größten Pilzarten der Welt, doch das Reich der Pilze bleibt eines der großen Geheimnisse der Natur. Die Schätzungen schwanken, aber zusätzlich zu den mehr als 144.000 bisher beschriebenen Arten könnten noch mehrere Millionen Arten entdeckt werden, und Wissenschaftler sind sich sicher, dass sich darunter neue Quellen für Nahrung, Medizin und andere nützliche Verbindungen befinden.