Milliarden Tonnen

Plastik wurden in den vergangenen 70 Jahren weltweit produziert.

Prof. Wierckx und seine Kolleginnen und Kollegen haben zweierlei vor: Zunächst möchten sie dem Plastik-Müllberg mithilfe von Enzymen und Bakterien zu Leibe rücken und ihn umweltschonend abbauen. Aus den Einzelbausteinen, die beim Abbau entstehen, wollen sie dann neuen, biobasierten Kunststoff herstellen. Inspiriert wurden sie unter anderem von dem Bakterium, das die japanischen Wissenschaftler vor vier Jahren entdeckten. Ideonella sakaiensis wurde unweit einer Recyclinganlage auf halb verrotteten PET-Flaschen gefunden. Das Bakterium heftet sich zunächst an den Kunststoff an und sondert Enzyme ab. Diese Enzyme trennen die langen Kettenmoleküle des PETs in ihre einzelnen Glieder auf. Das Bakterium verstoffwechselt diese Bruchstücke dann weiter, bis nur noch Wasser und Kohlenstoff übrig sind.

Schneller und effektiver

„Leider arbeiten diese in Japan gefundenen Bakterien extrem langsam. Für einen nur wenige Zentimeter kleinen und dünnen Streifen Kunststoff brauchten die Bakterien über 60 Tage“, sagt Nick Wierckx. Dabei schwankt deren Leistung: Mal sind die Bakterien sehr fleißig, dann wieder nicht. Außerdem vermehrt sich Ideonella nur sehr langsam. Wierckx und sein Team setzen daher auf das Bakterium Pseudomonas putida. Zuerst wird das Plastik mithilfe von optimierten Enzymen bei hohen Temperaturen innerhalb von wenigen Tagen zersetzt. Danach wandelt das Bakterium die Plastiksuppe weiter um.

„Pseudomonas putida ist sehr robust und ein alter Bekannter, wenn es zum Beispiel darum geht, kontaminierte Böden zu säubern: Es überlebt selbst in einer Umgebung mit hohen Werten an Schad- und Giftstoffen“, erklärt der Experte. Gerade diese Eigenschaft ist wichtig, da die Forschenden eine Abbaumethode entwickelt haben, bei der es auch für Mikroorganismen ungemütlich wird. Die Forschenden setzen das Bakterium nämlich nicht auf einzelne Plastikflaschen an, sondern lassen es in einer Brühe aus verschiedenen Kunststoffen wirken.

„In dieser Plastiksuppe haben spezielle Enzyme die verschiedenen Kunststoffe vorverdaut, das erleichtert unseren Bakterien die Arbeit. Das Verfahren haben wir zusammen mit Kollegen der RWTH Aachen und der Universität Leipzig entwickelt“, erläutert Nick Wierckx. Der Vorteil des Gemischs aus verschiedenen Kunststoffen: Der Plastikabfall muss nicht vorsortiert werden. „Die Bakterien bauen in der Suppe genau die Kunststoffe ab, für die ihre neue Enzymausstattung geeignet ist. In unserem konkreten Fall die Plastiksorte PET, aber auch bioabbaubares Plastik wie PLA. Der Rest bleibt übrig und wird chemisch weiterverarbeitet“, so der Biotechnologe. Auf diese Weise zersetzen die Jülicher Labor-Bakterien innerhalb von nur vier Tagen Plastikschnipsel, die in der Natur nach 400 Jahren noch nicht zerfallen wären.

Jahre

dauert es, bis sich eine Verpackung, eine Flasche, ein Quarkbecher oder eine Tüte aus Plastik in der Natur zersetzt.

Das Ziel der Forschenden ist es, ihre Bakterien dazu zu bringen, möglichst viele verschiedene Plastiksorten zu verdauen, damit der Recyclingprozess möglichst effizient abläuft. Darüber hinaus bringen die Jülicher Forschenden Pseudomonas auch dazu, aus der bunten Plastiksuppe wertvolle Chemikalien wie zum Beispiel aromatische Verbindungen zu synthetisieren. Aus diesen Aromaten lassen sich dann neue, umweltverträglichere Kunststoffe herstellen. So schließt sich der Kreis: von Plastikabfall zu neuen, umweltschonenden Materialien.

Neue Wege finden

Die Jülicher Biotechnologen gehen dazu gemeinsam mit Arbeitsgruppen der Universität Düsseldorf mehrere Wege. Ein Pfad führt über Punktmutationen, winzige, gezielte Änderungen in der genetischen Information, damit die Bakterien noch andere hilfreichere Enzyme produzieren können. Ein anderer Weg ist das Nachbilden bereits bekannter Enzyme am Rechner, um ihre Interaktion mit den Plastikmolekülen bis ins Detail zu verstehen und durch Computersimulationen eine bessere – also effektivere – Variante zu finden, die Kunststoffe zum Beispiel noch schneller abbaut. Die dritte Route ist, in Bakterien bisher unbekannte Enzyme zu finden, die zum Beispiel bei niedrigeren Temperaturen arbeiten, damit sie auch in Kläranlagen eingesetzt werden könnten. „Solche Kandidaten wollen wir mit Partnern im Projekt PlastiSea zum Beispiel im atlantischen Plastikstrudel finden“, sagt Doktorandin Rebecka Molitor vom Düsseldorfer Institut für Molekulare Enzymtechnologie. „So haben wir bereits entdeckt, dass Meeresbakterien der Sorte Pseudomonas aestusnigiri ebenfalls Kunststoffe verwerten“, fügt sie an.

Im Labor sind solche Salzwasserbakterien schwer zu halten, weil ihre Ansprüche an Temperatur und Umgebung zu komplex sind – aber ihre Enzyme nehmen die Forschenden in Jülich und Düsseldorf trotzdem unter die Lupe. So haben sie die genetische Information der Enzyme in vergleichsweise anspruchslose Bakterien übertragen. Mit den veränderten Bakterien lassen sich im Labor Polyester aus Beschichtungen von Textilien oder PET-Bausteine abbauen. Solche Kunststoffe umhüllen zum Beispiel Kunstfasern von wasser- oder winddichter Funktionskleidung. Nach jeder Wäsche finden sich Reste im Abwasser und schließlich in der Umwelt wieder.

Wertschöpfung mit Bakterien

„Einem möglichen Einsatz solcher Mikroorganismen kommt in Klärwerken eine besonders wichtige Bedeutung zu“, sagt Wierckx, „denn bislang reichen die Filter in den Anlagen nicht aus, um die künstlichen Stoffe, Fasern und Mikropartikel komplett aus dem Abwasser zu entfernen.“ Noch besser wäre es, wenn die Textilfasern direkt biologisch produziert und biologisch abbaubar wären.