Bakterielle Arbeitsteilung beim Abbau von Plastik

Forschende rund um Dr. Başak Öztürk vom Leibniz-Institut DSMZ-Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH in Braunschweig haben in einer aktuellen Studie untersucht, wie marine Mikroorganismen biologisch abbaubares Plastik zersetzen und verwerten. Neben den am Abbau beteiligten Bakteriengruppen konnten die Forschenden auch einen potentiellen Mechanismus für die Zersetzung des Kunststoffs aufdecken. Die Ergebnisse publizierte das Team jetzt im international renommierten Fachmagazin Nature Communications (https://www.nature.com/articles/s41467-020-19583-2).

Elektronenmikroskopische Aufnahme von durch bakteriellem Abbau entstandenen Löchern (schwarz) im Plastik Quelle: HZI/Rohde

Plastik als Umweltproblem
Der Bedarf an Plastik ist in den letzten Jahren kontinuierlich gestiegen. Im Jahr 2017 wurden beispielsweise 350 Millionen Tonnen Plastik weltweit produziert, von denen über 70 Prozent als Abfall in den Ozeanen wiederaufgetaucht sind. Die Industrie hat auf diese zunehmende Umweltverschmutzung mit der Entwicklung von biologisch abbaubarem Kunststoff reagiert. Ein oft genutztes Material ist Polybutylenadipat-terephthalat (PBAT), das neben den benötigten mechanischen Eigenschaften auch eine gute biologische Abbaubarkeit aufweist. PBAT wird häufig für Verpackungen, Müllbeutel, aber auch in der Landwirtschaft – beispielsweise für Mulchfolien – eingesetzt, da es dem konventionellen Kunststoff Polyethylen (LD-PE) in seinen Eigenschaften sehr ähnlich ist. Der Abbau von PBAT durch Mikroorganismen im Erdreich ist bereits gut erforscht. Es ist allerdings weitgehend unklar, wie der Abbau in der aquatischen Umgebung abläuft und ob beispielsweise marine Bakterien die Abbauprodukte als Nahrungsquelle nutzen können.

Verschiedene Bakterien arbeiten bei der Zersetzung von Kunststoff zusammen
In ihrer Studie konnten die Forschenden nachweisen, dass verschiedene Bakterien aus den Gruppen Alphaproteobakterien, Gammaproteobakterien, Flavobakterien und Actinobakterien am Abbau von PBAT beteiligt sind. „In unseren Experimenten bildete sich bereits nach drei Tagen auf dem Plastik ein Biofilm. Erste Löcher traten nach sechs Tagen auf.“, fasst Dr. Ingid Meyer Cifuentes, PostDoc am Leibniz-Institut DSMZ und Erstautorin der Publikation, zusammen. Innerhalb von 15 bis 20 Tagen habe die Bakteriengemeinschaft den Kunststoff dann zersetzt. Dabei wurden die Abbauprodukte des PBAT von den verschiedenen Bakterien als Kohlenstoffquelle für ihren Stoffwechsel genutzt. Letztendlich wandelten die Bakterien so circa 60 % des vorhandenen Kohlenstoffs aus dem Plastik in CO₂ um.

Aus den weiteren Ergebnissen ihrer Experimente schlussfolgern die Forschenden, dass die initiale Zersetzung des Kunststoffs innerhalb des Biofilms durchgeführt wird. Die entstandenen Abbauprodukte werden dann sowohl von der Bakteriengemeinschaft des Biofilms als auch von den freischwimmenden Bakterien in der näheren Umgebung weiter zersetzt. Der Abbau des hier eingesetzten Plastiks ist also eine synergistische Leistung. „Der von uns untersuchte Abbauprozess im Labor unterscheidet sich wahrscheinlich etwas von dem im Ozean.“, stellt Mikrobiologin und Studienleiterin Başak Öztürk fest, „Unsere Ergebnisse zeigen aber, dass die Zersetzung von Kunststoff in der marinen Umgebung sehr ähnlich abläuft wie die im Erdboden. Dieses Wissen kann der Forschung helfen, langfristig besser biologisch abbaubare Kunststoff zu entwickeln. Das trägt einen bedeutenden Fortschritt zum Umweltschutz bei.“

Nachwuchsgruppe Mikrobielle Biotechnologie
Seit Januar 2018 leitet Dr. Başak Öztürk die Nachwuchsgruppe Mikrobielle Biotechnologie am Leibniz-Institut DSMZ auf dem Science Campus Braunschweig-Süd. Die Forschung der Nachwuchsgruppe fokussiert sich auf drei Themenbereiche: die Untersuchung von Abbau, Verbleiben und Verhalten von bioabbaubaren Kunststoffen im marinen Ökosystem, die Forschung an neuen Mikroorganismen, die grundwasserbelastende Pflanzenschutzmittel und Xenobiotika im Mikromolarbereich abbauen können und die strukturelle Erklärung von Enzymen, die an diesen Abbauprozessen beteiligt sind.

Originalpublikation
Meyer-Cifuentes, I.E., Werner, J., Jehmlich, N. et al. Synergistic biodegradation of aromatic-aliphatic copolyester plastic by a marine microbial consortium. Nat Commun 11, 5790 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-19583-2