Bakterien fressen Polyurethan-Plastik

Mikrobe zersetzt und  ernährt sich von schwer recycelbarem Kunststoff

Mehr als 300 Millionen Tonnen Kunststoff werden jährlich weltweit produziert. Einen großen Teil dieser Plastikflut macht Polyurethan aus – in Kleidung, Schuhen, Möbel, Surfbrettern, Autos und Kühlschränken verarbeitet. Es ist zwar extrem leicht, isoliert und fixiert am Bau, ist aber besonders schlecht zu recyceln und enthält giftige Stoffe. Weil die Wiederaufbereitung bisher energieintensiv und teuer war, landete das PU in Massen auf Mülldeponien, in der Natur oder im Meer, wo es giftige Chemikalien freisetzt. Der dem Erdboden entnommene Bakterienstamm Pseudomonas sp. TDA1 greift Polyurethan-Plastik an und könnten den schwer recycelbaren Kunststoff biologisch abbauen.

Die an extreme Umweltbedingungen angepassten Mikroben zersetzen bestimmte PU-Bausteine und ernähren sich davon. Forschende vom Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) in Leipzig haben jetzt herausgefunden – und am 26.03.2020 in der Fachzeitschrift Frontiers in Microbiology publiziert –, dass die Bakterien einige der chemischen Verbindungen im Polyurethan nutzen und daraus Energie und Nahrung gewinnen.

Der mdr auf seiner “wissen”-Internetseite: “Manche Plastiksorten sind hartnäckiger als andere, sagt UFZ-Forscher Hermann J. Heipieper, der die Plastik verspeisenden Bakterien mit entdeckt hat. Die Forscher wurden in Leipzig Paunsdorf fündig, an einem Ort, wo viel Plastik rumliegt. Sie nahmen ein paar Bodenproben mit, präparierten sie fürs Labor, peppten sie dann noch mit etwas mehr Plastik auf und warteten. Sie wussten – in der Mischung überleben nur die Bakterien, die Plastik fressen, alle andern würden verhungern. ‘Und so selektiert man dann solche “Abbauer” aus’, erklärt Heipieper”.

Heipieper und seine Kollegen vom UFZ isolierten aus den Bodenpr Bis dahin muoben die Bakterienart Pseudomonas. Weitere Untersuchungen ergaben: Die Mikrobe wächst nicht nur auf Polyurethan-Oligomeren, sondern auch auf bestimmten Vorläuferverbindungen und Zwischenprodukten wie etwa 4,4′-Methylendiphenyldiisocyanat (MDI) und Toluol-2,4-diisocyanat (TDI) und deren Vorläufer 4,4′-Diaminodiphenylmethan (MDA) bzw. dem krebserregend eingestuften 2,4-Diaminotoluol (2,4-TDA). „Unseres Wissens ist das der erste Bericht über die Isolierung einer Bakterienkultur für den Polyurethan-Vorläufer 2,4-TDA“, so die Forscher.

Wie schon von anderen Mikroben bekannt (siehe etwa cordis.europa.eu/unique-bacteria-can-help-reconcile-plastics-with-nature von 2015*)), scheiden die Bakterien Enzyme aus, die dann die Zersetzung der Plastikbestandteile in Gang setzen. „Diese Ergebnisse stellen einen wichtigen ersten Schritt dar, um schwer recycelbare Polyurethan-Produkte eines Tages wiederverwerten zu können“, konstatiert Heipieper. Bis dahin ist es aber noch ein weiter Forschungsweg – s.u..

Schon vor fünf Jahren haben Shosuke Yoshida vom Kyoto Institute of Technology und seine Kollegen eine Mikrobe gefunden, die PET-Folien (Polyethylenterephthalat) effektiv angreift und nahezu restlos zersetzt. In rund sechs Wochen kann das Bakterium Ideonella  eine PET-Folie komplett abbauen. Es nutzt dabei zwei zuvor unbekannte Enzyme. Diese Entdeckung eröffnete erstmals die Chance, PET biologisch abzubauen, so die Entdecker im Fachmagazin Science (“Some bacteria think plastic is fantastic”) . „Der PET-Film wurde stark beschädigt und war nach sechs Wochen bei 30 Grad fast komplett abgebaut“, so Yoshida. „Die Bakterien zersetzten die PET-Oberfläche in einer Rate von 0,13 Milligramm pro Quadratzentimeter und Tag. 75 Prozent des Kohlenstoffs aus dem PET wurde zu CO2 umgesetzt.“ Ideonella sakaiensis heftet sich an die PET-Oberfläche an und greift den Kunststoff mit Hilfe des zuvor unbekannten Enzyms PETase an. Die Abbauprodukte dieser Reaktion werden von der Mikrobe aufgenommen und von einem zweiten selektiven Enzym (MHETase) in die Grundbausteine Ethylenglykol und Terephthalsäure gespalten. Schließlich spaltet die Mikrobe dann auch diese chemischen Bausteine und gibt den Rest als CO2 ab. (Nach scinexx.de/forscher-entdecken-erste-plastikfressende-mikrobe

Schnell-Evolution?

Rätselhaft ist bisher, wie und wann diese Bakterien ihre hochspezifischen Enzyme entwickelt haben. Denn die Plastikarten gibt es gerade mal erst seit rund 70 Jahren – extrem kurz für eine evolutionäre Anpassung.

Aus  Frontiers in Microbiology vom 27.03.2020:

Auf dem Weg zum Biorecycling: Isolierung eines Bodenbakteriums, das auf Polyurethan-Oligomeren und -Monomeren wächst (übersetzt mit Deeple)

Das Schicksal von Kunststoffabfällen und eine nachhaltige Nutzung synthetischer Polymere ist eine der größten Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. Strategien zur Abfallverwertung können zur Lösung dieses Problems beitragen. Neben dem chemischen Recycling könnte der biologische Abbau ein vielversprechendes Instrument sein. Unter der großen Vielfalt synthetischer Polymere sind Polyurethane als Schaumstoffe und Isoliermaterialien weit verbreitet. Um die bakterielle biologische Abbaubarkeit von Polyurethanen zu untersuchen, wurde ein Bodenbakterium von einem Standort isoliert, der reich an sprödem Kunststoffabfall ist.

Der Stamm, der durch 16S rRNA-Gensequenzierung und Membranfettsäureprofil als Pseudomonas sp. identifiziert wurde, konnte auf einer PU-Diol-Lösung, einem Polyurethan-Oligomer, als einzige Kohlenstoff- und Energiequelle wachsen. Darüber hinaus konnte der Stamm 2,4-Diaminotoluol, ein üblicher Vorläufer bzw. mutmaßliches Abbauzwischenprodukt von Polyurethanen, als einzige Energie-, Kohlenstoff- und Stickstoffquelle nutzen. Die Sequenzierung des gesamten Genoms des Stammes ergab das Vorhandensein von numerus-katabolischen Genen für aromatische Verbindungen. Das Wachstum auf potentiellen Zwischenprodukten des 2,4-Diaminotoluol-Abbaus, anderen aromatischen Wachstumssubstraten und ein Vergleich mit einer Proteindatenbank von im Genom vorhandenen Oxygenasen führte zum Vorschlag eines Abbaupfades.

Kunststoffe werden in unserer modernen Gesellschaft stark genutzt, und die globalen Produktionsraten steigen seit Jahrzehnten. Mit rund 3,5 Millionen Tonnen waren Polyurethane 2015 die fünftmeistgefragten synthetischen Polymere in Europa. Die Einsatzmöglichkeiten von Polyurethanen sind vielfältig, wobei der Hauptanwendungsbereich Dämmstoffe sind. Gängige Vorprodukte für die Synthese von Polyurethanen sind Polyisocyanate und Polyole sowie Additive wie Katalysatoren, Vernetzer und Kettenverlängerer, um nur einige zu nennen. Trotz der Bildung von Urethanbindungen mit den Polyisocyanaten können die Polyole zusätzlich Ether- oder Esterbindungen enthalten, so dass Polyether- bzw. Polyesterpolyurethane entstehen. Andererseits können die Polyisocyanatverbindungen aliphatischer, polyzyklischer oder aromatischer Natur sein. Zwei der am häufigsten verwendeten Diisocyanate für die PU-Synthese sind 4,4′-Methylendiphenyldiisocyanat (MDI) und Toluol-2,4-diisocyanat (TDI) und ihre Vorläufer 4,4′-Diaminodiphenylmethan (MDA) bzw. 2,4-Diaminotoluol (2,4-TDA). Neben einem Alkohol und Kohlendioxid werden nach der chemischen Hydrolyse der Urethanbindung auch primäre Amine gebildet.

Post-Consumer-Kunststoffe stellen bereits eine große Herausforderung für die Umwelt dar und werden in Zukunft eine noch größere sein. Der biologische Abbau wird oft durch die Haltbarkeit, Kristallinität und makroskopische Struktur der Polymere behindert. Bei Polyurethanen erhöht die unterschiedliche chemische Zusammensetzung die Hindernisse für das biologische und chemische Recycling. Berichte über den Abbau von Polyurethanen konzentrieren sich meist auf Polyester-basierte Polyurethane, wobei sowohl über pilzliche als auch über bakterielle und enzymatische Hydrolyse berichtet wurde. Der biologische Abbau von PU auf Polyetherbasis ist weit weniger dokumentiert und wurde in der Regel durch Pilzaktivität erreicht.

Der biologische Abbau von synthetischen Polymeren ist im Allgemeinen ein zweistufiger Prozess. Er beinhaltet den Angriff durch extrazelluläre Enzyme, die die makromolekulare Struktur der Polymere überwinden und Monomere und Oligomere für den zweiten Schritt, die Mineralisierung der letzteren im Inneren der Zelle, bereitstellen. Die beiden Schritte können von einer einzigen Spezies oder, was wahrscheinlicher ist, von mindestens zwei Arten durchgeführt werden. Regelmäßig werden aromatische Monomere durch die Aktivität der extrazellulären Enzyme freigesetzt. Während des mikrobiellen Abbaus von aromatischen Verbindungen sind typischerweise Mono- und Dioxygenasen an der Ringhydroxylierung und -spaltung beteiligt. Die Hydroxylierung des aromatischen Rings führt zu katecholischen Verbindungen (mit mindestens zwei benachbarten Hydroxylgruppen), die den aromatischen Charakter der Verbindung reduzieren und die sauerstofflösende Spaltung des Rings erleichtern. Letztere kann intradilisch (ortho-Spaltung) oder extradilisch (meta-Spaltung) sein.

Studien, welche die Produkte der PU-Hydrolyse identifizierten, fanden die Diamine TDA und MDA. Beide Amine wurden von der Europäischen Chemikalienagentur als “besonders besorgniserregende Stoffe” vorgeschlagen, insbesondere in der Kategorie “krebserzeugend, erbgutverändernd oder fortpflanzungsgefährdend”. Die Kanzerogenität von TDA-Verbindungen wurde mit experimentellen Studien an Tieren nachgewiesen (Baua, 2008). Um das Schicksal der beim PU-Abbau freigesetzten Diamine zu verstehen und um den Monomer- und Oligomer-Stoffwechsel beim Kunststoffabbau im Allgemeinen zu untersuchen, haben wir nach Bakterien gesucht, die sowohl 2,4-TDA als auch PU-Oligomer abbauen können. Aus einem Standort, der reich an brüchigen Kunststoffabfällen ist, wurde eine Pseudomonas-Spezies auf 2,4-TDA isoliert und positiv auf das Wachstum auf dem PU-Oligomer als einzige Kohlenstoff- und Energiequelle getestet. Die Genomsequenzierung und das Screening nach potentiellen Kohlenstoffsubstraten führte zu einem hypothetischen Abbauweg von 2,4-TDA in dem isolierten Pseudomonas-Stamm.

Aus Bodenproben wurde ein Bakterienstamm gewonnen, der in der Lage ist, sowohl ein oligomeres PU als auch einen PU-Baustein abzubauen. Nach unseren Erkenntnissen ist dies der erste Bericht über die Isolierung einer bakteriellen Reinkultur für den Polyurethan-Vorläufer 2,4-TDA. Ein starkes metabolisches Potential des Stammes ist aufgrund der Fähigkeit, sowohl als einzige Kohlenstoff- als auch Energiequelle ein Monomer und ein Oligomer von PU zu nutzen, gegeben. 2,4-TDA wurde nicht nur als Kohlenstoff-, sondern auch als Stickstoffquelle verwendet. Dass Konzentrationen von mehr als 2 mM 2,4-TDA die optischen Dichten nicht weiter erhöhten, könnte auf eine toxische Wirkung zurückzuführen sein. Auch für P. putida KT2440 wurde gezeigt, dass Konzentrationen über 2 mM 2,4-TDA das Wachstum verminderten. Das Isolat wurde als Pseudomonas sp. Stamm durch eine 16S rRNA-Gensequenzanalyse und durch den Vergleich des Fettsäureprofils mit dem von P. putida KT2440 identifiziert. Über die Isolierung eines Pseudomonas-Stammes aus demselben oligomeren PU-Material wurde bereits früher berichtet.

->Quellen: