Biodegradability of Polyethylene Plastics by Individual and Co-cultured Bacterial Isolates

Kunststoff ist zu einem festen Bestandteil der modernen Welt geworden, doch seine Beständigkeit ist auch sein größter ökologischer Makel. Unter den vielen Arten von Kunststoffen ist Polyethylen das am häufigsten verwendete Material, das in allem von Einkaufstüten bis hin zu Verpackungsfolien zum Einsatz kommt. Es besteht aus langen Ketten von Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen, die eng miteinander verbunden sind, was das Material unglaublich resistent gegen natürlichen Abbau macht. Da diese Ketten so stabil sind und Wasser abstoßen, haben Bakterien und Pilze im Boden Schwierigkeiten, sie als Nahrung zu erkennen. Infolgedessen sammelt sich Polyethylen in Deponien und in der Umwelt an und bleibt dort Jahrzehnte oder sogar Jahrhunderte lang bestehen. Während das Verbrennen oder Vergraben dieses Abfalls andere Probleme verursacht, wie etwa giftige Dämpfe oder kontaminierte Böden, hat die Wissenschaft lange nach einer Lösung in der Natur gesucht. Die Hoffnung ist, dass bestimmte Mikroorganismen sich entwickeln oder gefunden werden könnten, die in der Lage sind, diese zähen chemischen Bindungen aufzubrechen und den Kunststoff wieder in harmlose Nebenprodukte zu verwandeln. Dieser Prozess, bekannt als biologischer Abbau oder Biodegradation, beruht auf Enzymen – spezialisierten Proteinen, die von Lebewesen produziert werden –, die den Kunststoff in kleinere Stücke schneiden, welche die Mikroben konsumieren können.

In einer kürzlich durchgeführten Studie in Ghana untersuchten Forscher, ob sie Bakterien im lokalen Boden finden könnten, die Polyethylen „essen“ können, und ob das Mischen verschiedener Arten von Bakterien den Prozess beschleunigen würde. Sie sammelten Bodenproben von drei aktiven Mülldeponien in der Stadt Kumasi, Gebieten, in denen sich Kunststoffabfälle schon seit langer Zeit angesammelt hatten. Das Team glaubte, dass die in diesen spezifischen Stellen lebenden Bakterien bereits angepasst sein könnten, um auf Kunststoff zu überleben. Sie brachten den Boden zurück ins Labor und platzierten ihn in Behältern mit geschredderten Stücken aus Polyethylen niedriger Dichte, demselben Material, das für handelsübliche Plastiktüten verwendet wird. Über mehrere Wochen ließen sie die Bakterien wachsen und selektierten nur diejenigen, die den Kunststoff offensichtlich als Nahrungsquelle nutzten. Nachdem sie diese Bakterien isoliert hatten, identifizierten sie sie mithilfe einer hochmodernen Methode, die die einzigartigen Protein-Signaturen jedes Mikroorganismus analysiert. Sie fanden heraus, dass die häufigsten Bakterien eine Art namens Bacillus cereus waren, entdeckten jedoch auch einige andere Spezies, darunter Achromobacter insolitus und Alcaligenes faecalis.

Die Forscher testeten dann, wie gut diese Bakterien den Kunststoff unter verschiedenen Bedingungen abbauen konnten. Sie wollten wissen, ob die Bakterien bei bestimmten Temperaturen, bei unterschiedlichen Säure- oder Alkalitätsgraden besser arbeiteten oder ob sie mehr Zeit benötigten, um die Aufgabe zu erfüllen. Unter Verwendung eines statistischen Ansatzes zur Kartierung dieser Variablen stellten sie fest, dass die Bakterien bei einer moderaten Temperatur von 25 Grad Celsius, in einer leicht alkalischen Umgebung mit einem pH-Wert von 9 und nach etwa 21 Tagen Inkubationszeit am besten wuchsen und den Kunststoff am effektivsten abbauten. Diese Bedingungen sind relativ mild, was darauf hindeutet, dass die Bakterien keine extreme Hitze oder aggressive Chemikalien benötigen, um zu funktionieren.

Um zu sehen, ob Zusammenarbeit half, richtete das Team Experimente ein, bei denen die Bakterien allein und in Gruppen gezüchtet wurden. Sie verglichen einzelne Bakterienstämme mit Paaren und sogar Tripletts verschiedener Spezies, die im selben Behälter lebten. Die Ergebnisse zeigten einen klaren numerischen Trend, bei dem das Paar BC-AI den höchsten mittleren Gewichtsverlust (8,04 %) erzielte, gefolgt von anderen Gruppen, obwohl die statistische Analyse insgesamt keine signifikanten Unterschiede zwischen den Behandlungen aufzeigte. Obwohl der tatsächliche Verlust an Kunststoff gering war – weniger als 10 Prozent des Gesamtgewichts über 28 Tage –, deutete das Muster darauf hin, dass die verschiedenen Bakterien einander möglicherweise helfen. Eine Spezies könnte den Kunststoff in kleinere, handlichere Stücke zerlegen, während eine andere diese Stücke konsumiert, wodurch ein Kreislauf der Kooperation entsteht, den eine einzelne Art allein nicht erreichen könnte. Bemerkenswerterweise variierte die Leistung zwischen den Gruppen; so zeigte beispielsweise die Dreifachkultur (BC-AI-AF) einen geringeren Gewichtsverlust als das BC-AI-Paar, was darauf hindeutet, dass mehr Bakterien nicht immer bessere Ergebnisse garantieren.

Die Wissenschaftler untersuchten auch die chemischen Werkzeuge, mit denen die Bakterien diese Arbeit verrichteten. Sie maßen die Aktivität eines Enzyms namens Laccase, das für seine Fähigkeit bekannt ist, zähe Materialien zu oxidieren und abzubauen. Die Gruppe mit dem höchsten Kunststoffgewichtsverlust produzierte auch die höchste Menge dieses Enzyms. Dieser Zusammenhang legt nahe, dass die Bakterien den Kunststoff tatsächlich chemisch angriffen, indem sie ihre Enzyme nutzten, um die starken Bindungen der Polymerketten zu schwächen. Um zu bestätigen, dass sich der Kunststoff selbst verändert hatte, nutzten die Forscher eine Technik namens Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie. Bei dieser Methode wird Infrarotlicht auf den Kunststoff gestrahlt, um zu sehen, wie seine Molekularstruktur reagiert. Sie fanden heraus, dass der behandelte Kunststoff Anzeichen einer chemischen Modifikation aufwies, wie etwa das Erscheinen sauerstoffhaltiger Gruppen auf seiner Oberfläche. Dies deutet darauf hin, dass die Bakterien die Struktur des Kunststoffs erfolgreich verändert hatten, was ihn anfälliger für einen weiteren Abbau machte.

Trotz dieser vielversprechenden Anzeichen hob die Studie auch die Schwierigkeit der Aufgabe hervor. Die statistische Analyse zeigte, dass die Unterschiede im Gewichtsverlust zwischen den Gruppen nicht groß genug waren, um innerhalb des 28-tägigen Zeitrahmens als definitiv bewiesen zu gelten. Der Kunststoff ist schlichtweg sehr schwer abbaubar, und die beobachteten Veränderungen waren subtil. Dennoch deutet die Kombination aus physischem Gewichtsverlust, hoher Enzymaktivität und chemischen Veränderungen in der Kunststoffstruktur auf einen realen biologischen Prozess hin. Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass, während eine einzelne Bakterienart Schwierigkeiten haben könnte, einen nennenswerten Fortschritt beim Abbau von Polyethylen zu erzielen, eine Gemeinschaft verschiedener Bakterien, die zusammenarbeiten, ein viel größeres Potenzial zeigt. Sie fanden heraus, dass diese gemischten Gruppen den Kunststoff nicht einfach zufällig angriffen, sondern dass sie ihre Bemühungen zu koordinieren schienen und dabei verschiedene Teile der Materialstruktur angriffen, was eine einzelne Stammlinie nicht leisten konnte.

Diese Arbeit bietet keine unmittelbare Lösung für die globale Plastikkrise und behauptet auch nicht, das Problem der Polyethylenabfälle gelöst zu haben. Stattdessen liefert sie ein klareres Bild davon, wie die Natur letztendlich helfen könnte. Sie legt nahe, dass der Schlüssel zum biologischen Abbau von Kunststoff möglicherweise nicht darin liegt, ein „Super-Bakterium“ zu finden, sondern zu verstehen, wie verschiedene Mikroben kooperieren können. Die Studie bestätigt, dass die in ghanaischen Mülldeponien gefundenen Bakterien die Fähie besitzen, mit Polyethylen zu interagieren und es zu modifizieren, insbesondere wenn sie als Team arbeiten dürfen. Obwohl der Prozess langsam ist und die Ergebnisse im Labor bescheiden ausfielen, weist der Beweis für metabolische Kooperation in eine hoffnungsvolle Richtung für die zukünftige Forschung. Wenn es Wissenschaftlern gelingt, diese natürlichen Partnerschaften zu nutzen, könnten sie eines Tages Methoden entwickeln, um Plastikabfälle zu bewältigen, die weitaus effektiver sind, als sie einfach nur zu vergraben oder zu verbrennen.