Wissenschaftler entdecken in den Alpen und der Arktis Mikroben, die bei niedrigen Temperaturen Plastik verdauen können

Das Finden, Züchten und Bioengineering von Organismen, die Plastik verdauen können, trägt nicht nur zur Beseitigung der Umweltverschmutzung bei, sondern ist mittlerweile auch ein großes Geschäft. Es wurden bereits mehrere Mikroorganismen gefunden, die dazu in der Lage sind. Wenn ihre Enzyme, die dies ermöglichen, jedoch im industriellen Maßstab eingesetzt werden, funktionieren sie normalerweise nur bei Temperaturen über 30 °C.

Aufgrund der benötigten Wärme sind industrielle Anwendungen bis heute kostspielig und nicht CO2-neutral. Es gibt jedoch eine mögliche Lösung für dieses Problem: die Suche nach speziellen, an Kälte angepassten Mikroben, deren Enzyme bei niedrigeren Temperaturen arbeiten.

Wissenschaftler der Eidgenössischen Forschungsanstalt WSL wussten, wo sie nach solchen Mikroorganismen suchen mussten: in den Höhenlagen der Alpen ihres Landes oder in den Polarregionen. Ihre Ergebnisse werden in veröffentlicht Grenzen in der Mikrobiologie.

„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 Erstautor 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 und Kollegen untersuchten 19 Bakterienstämme und 15 Pilzstämme, die auf frei liegendem oder absichtlich vergrabenem Plastik (ein Jahr lang im Boden belassen) in Grönland, Spitzbergen und der Schweiz wuchsen. Der größte Teil des Plastikmülls aus Spitzbergen wurde während des Jahres eingesammelt Schweizer Arktisprojekt 2018, wo Studenten 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 Mikroben 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 Stämme Actinobacteria und Proteobacteria und die Pilze zu 10 Gattungen der Stämme Ascomycota und Mucoromycota gehörten.

Überraschende Ergebnisse

Anschließend verwendeten sie 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 Stämme 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.

Am besten schnitten zwei nicht charakterisierte Pilzarten der Gattungen Neodevriesia und Lachnellula ab: Diese waren in der Lage, alle getesteten Kunststoffe außer PE zu verdauen. 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.

Nebenwirkung der Fähigkeit, pflanzliche Polymere zu verdauen

Wie hat sich die Fähigkeit entwickelt, Plastik zu verdauen? 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.

„Es hat sich gezeigt, dass Mikroben eine Vielzahl polymerabbauender Enzyme produzieren, die am Abbau pflanzlicher Zellwände beteiligt sind. Insbesondere pflanzenpathogene Pilze werden häufig als biologisch abbaubar für Polyester eingestuft, da sie Cutinasen produzieren können, die auf Plastik abzielen Polymere aufgrund ihrer Ähnlichkeit mit dem Pflanzenpolymer Cutin“, erklärt Letztautor Dr. Beat Frey, leitender Wissenschaftler und Gruppenleiter an der WSL.

Es bleiben Herausforderungen

Da Rüthi et al. Da sie nur auf die Verdauung bei 15 °C getestet wurden, wissen sie noch nicht, bei welcher optimalen Temperatur die Enzyme der 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.

„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 die Proteinstabilität zu optimieren.“ “