Jedes Jahr werden weltweit 400 Millionen Tonnen Kunststoffprodukte produziert, die Hälfte davon sind Einwegartikel, die innerhalb eines Jahres weggeworfen werden. Insbesondere nicht biologisch abbaubarer Kunststoffabfall, dessen natürliche Zersetzung über 500 Jahre dauert, wird größtenteils auf Mülldeponien entsorgt. Dabei entsteht Mikroplastik, das Ökosysteme stört oder sich in Organismen anreichert und so seine schädliche Wirkung verstärkt. Da Deponien weltweit ihre Kapazitätsgrenzen erreichen, wird die Lösung dieses Problems immer dringlicher.
Dr. Ahn, das Forschungsteam von Jung Ho am Clean Energy Research Center des Korea Institute of Science and Technology (KIST) hat eine Technologie entwickelt, die aus Mikroorganismen gewonnene Enzyme zum biologischen Abbau von Polyethylen nutzt.
Polyethylen macht 35 % des jährlich produzierten Kunststoffs aus und wird häufig für verschiedene Zwecke verwendet, darunter Verpackungsmaterialien und Plastiktüten. Wie andere nicht biologisch abbaubare Kunststoffe wird Polyethylen oft im Meer oder im Boden entsorgt, wo es durch Luft und Sonnenlicht einer kontinuierlichen Oxidation unterliegt.
Einem Forscherteam ist es erstmals gelungen, ein Enzym zu identifizieren, das dieses oxidierte Polyethylen abbauen kann. Die Ergebnisse sind veröffentlicht im Tagebuch Bioressourcentechnologie.
Das Forschungsteam konzentrierte sich auf Lipase, ein Enzym, das das natürliche Polymerlipid abbaut, das chemisch eine ähnliche Struktur wie Polyethylen aufweist. Anschließend entwickelten sie ein auf synthetischer Biologie basierendes Reinigungs- und Produktionsverfahren für Lipase und entdeckten erfolgreich Pelosinus fermentans Lipase 1 (PFL1).
Als diese aus dem anaeroben Bakterium Pelosinus fermentans gewonnene Lipase auf Polyethylen aufgetragen wurde, verringerte sich das gewichtsmittlere Molekulargewicht um 44,6 % und das zahlenmittlere Molekulargewicht um 11,3 %, was beides den Grad des biologischen Abbaus anzeigt. Darüber hinaus beobachteten sie mittels Elektronenmikroskopie Risse und Risse auf der Oberfläche des abgebauten Polyethylens, was den durch das Enzym verursachten biologischen Abbauprozess bestätigte.
Darüber hinaus analysierte das Forschungsteam mithilfe von Computersimulationen die Wechselwirkung zwischen PFL1 und Polyethylen und konnte so erstmals den biologischen Abbaumechanismus aufklären. Sie beobachteten, dass das Enzym PFL1 stark an die Oberfläche von Polyethylen bindet und es dann in kleine Segmente zerlegt.
Es wird erwartet, dass diese Erkenntnisse dazu beitragen, die Eigenschaften des PFL1-Enzyms zu verbessern und nach neuen Enzymen zum biologischen Abbau von Kunststoffen zu suchen.
Aktuelle Methoden zur Kunststoffabfallentsorgung, wie Verbrennung und chemischer Abbau, erzeugen bei der Zersetzung giftige Substanzen und erfordern teure Katalysatoren.
Allerdings kann das PFL1-Enzym mit erneuerbaren Ressourcen in Massenproduktion hergestellt werden, und bei dem Verfahren entstehen keine giftigen Substanzen, was es zu einer umweltfreundlichen Technologie macht. Darüber hinaus können die beim biologischen Abbau entstehenden Alkohole und Carbonsäuren für die Neusynthese von Kunststoffen oder die Herstellung chemischer Materialien verwendet werden.
Dr. Ahn erklärte: „Das neu entdeckte Enzym hat die Möglichkeit des biologischen Abbaus von nicht abbaubarem Kunststoffabfall aufgezeigt, der bisher schwer zu handhaben war. Unser Ziel ist die Kommerzialisierung der Technologie, um das Problem der Deponiesättigung zu lösen und eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft für Kunststoffe zu erreichen.“ „
Weitere Informationen:
Do-Wook Kim et al., Biologischer Abbau von oxidiertem Polyethylen niedriger Dichte durch Pelosinus fermentans Lipase, Bioressourcentechnologie (2024). DOI: 10.1016/j.biortech.2024.130871