In der heutigen Welt, in der wir mit erheblichen Herausforderungen durch Umweltverschmutzung, insbesondere Plastikmüll, konfrontiert sind, stellen Entdeckungen über die Fähigkeit bestimmter Bakterien, Plastik abzubauen, einen bedeutenden Fortschritt dar. Eine Gruppe von Bakterien, die als Comamonadacae bekannt ist, steht aufgrund ihrer Fähigkeit, auf Kunststoffen zu gedeihen, die in städtischen Flüssen und Abwassersystemen vorkommen, im Mittelpunkt des Interesses der Forscher. Bis vor kurzem war unklar, wie diese Bakterien tatsächlich funktionieren und welche Auswirkungen sie auf den Abbau von Plastik haben.

Ein Forschungsteam der Northwestern University entdeckte die Mechanismen, durch die Comamonas-Bakterien Plastik zur Ernährung abbauen. Im ersten Schritt zerschneiden die Bakterien das Plastik in kleine Stücke, die als Nanoplastik bekannt sind, und scheiden dann ein spezialisiertes Enzym aus, das dieses Plastik weiter abbaut. Dieser Prozess endet, wenn die Bakterien einen Ring aus Kohlenstoffatomen aus dem Plastik als Nahrungsquelle nutzen. Laut Ludmille Aristilde, die die in der Zeitschrift Environmental Science & Technology veröffentlichte Studie leitete, stellt diese Entdeckung die erste systematische Darstellung dar, wie Abwasserbakterien plastisches Material aufnehmen, abbauen, zerbrechen und als Kohlenstoffquelle nutzen können.

Dieses Wissen eröffnet neue Möglichkeiten für die Entwicklung von bakterienbasierten Lösungen, die helfen könnten, schwer abbaubaren Plastikmüll zu beseitigen, der nicht nur Wasser verschmutzt, sondern auch Wildtieren schadet. Das Verständnis dieser Mechanismen wird die Entwicklung von bioengineering Lösungen ermöglichen, die erheblichen Einfluss auf die Sanierung der Umwelt haben könnten.

Forschungsteam

Professorin Ludmilla Aristilde ist auf die Dynamik organischer Stoffe in der Umwelt spezialisiert und arbeitet an der McCormick School of Engineering. Sie ist auch Mitglied mehrerer Institutionen, einschließlich des Center for Synthetic Biology und des International Institute for Nanotechnology. Zu den Co-Autoren der Studie gehören Rebecca Wilkes, eine ehemalige Doktorandin in Aristildes Labor, und Nanqing Zhou, ein aktueller Postdoktorand. Diese Studie ist auch das Ergebnis der Zusammenarbeit mit mehreren ehemaligen und aktuellen Studenten, die im Team von Aristilde gearbeitet haben.

Problem der Plastikverschmutzung

Diese neue Studie basiert auf vorherigen Forschungen, die die Mechanismen aufdeckten, die es Comamonas testosteroni ermöglichen, einfache Kohlenhydrate, die aus dem Abbau von Pflanzen und Plastik entstehen, zu metabolisieren. C. testosteroni gedeiht auf Polyethylenterephthalat (PET), einer Art von Plastik, die häufig in Lebensmittelverpackungen und Getränkeflaschen verwendet wird. PET ist bekannt für seine Widerstandsfähigkeit gegen Abbau, was es zu einem bedeutenden Faktor der Plastikverschmutzung macht.

Laut Aristilde macht PET-Plastik etwa 12% des gesamten globalen Plastikverbrauchs aus und ist für bis zu 50% der Mikroplastik verantwortlich, die in Abwässern gefunden wird. Daher ist die Erforschung dieser Bakterien von größter Bedeutung für das Verständnis und die Lösung des Problems der Plastikverschmutzung.

Natürliche Fähigkeit zur Zersetzung von Plastik

Um die Wechselwirkung von C. testosteroni mit Plastik besser zu verstehen, wandte Aristilde und ihr Team verschiedene theoretische und experimentelle Ansätze an. Zuerst züchteten sie Bakterien auf PET-Folien und -Pellets und beobachteten die Veränderungen auf der Oberfläche des Plastikmaterials über die Zeit. Darüber hinaus analysierten sie das Wasser um die Bakterien und suchten nach Beweisen für abgebautes Plastik in kleineren Nano-Größen. Die Forscher untersuchten auch das Innere der Bakterien, um die Werkzeuge zu identifizieren, die sie zum Abbau von PET verwenden.

In Gegenwart von Bakterien wird Mikroplastik in winzige Nanoteilchen zerlegt, und die Forscher entdeckten, dass dieses Bakterium über eine natürliche Fähigkeit verfügt, Plastik bis hin zu Monomeren abzubauen, den kleinen Bausteinen, die sich zu Polymeren verbinden. Diese kleinen Komponenten stellen eine Quelle für bioverfügbaren Kohlenstoff dar, den die Bakterien für ihr eigenes Wachstum und ihre Entwicklung nutzen können.

Schlüsselenzym

Aristilde war auch daran interessiert, zu untersuchen, wie C. testosteroni Plastik abbaut. Durch den Einsatz von Omics-Techniken, die es ermöglichen, alle Enzyme innerhalb einer Zelle zu messen, identifizierte ihr Team ein spezifisches Enzym, das aktiviert wird, wenn das Bakterium mit PET-Plastik in Kontakt kommt. In Zusammenarbeit mit dem Oak Ridge National Laboratory in Tennessee entwickelten die Forscher Bakterienstämme, die nicht in der Lage sind, dieses Enzym zu exprimieren. Überraschenderweise war ohne dieses Enzym die Fähigkeit der Bakterien, Plastik abzubauen, erheblich vermindert.

Wie Plastik sich im Wasser verändert

Neben der möglichen Verwendung für ökologische Lösungen betont Aristilde auch die Bedeutung des Verständnisses der Veränderungen, die Plastik in Abwässern durchläuft. Abwässer stellen ein großes Reservoir für Mikroplastik und Nanoplastik dar, und die meisten Menschen glauben, dass diese Partikel in ihrem Endzustand in die Reinigungssysteme gelangen. Forschungsergebnisse zeigen jedoch, dass Nanoplastik während des Abwasserreinigungsprozesses durch mikrobiologische Aktivität entstehen kann.

Dieses Wissen kann helfen, das Verhalten von Plastik besser zu verstehen, während es von Abwasser zu Flüssen und Seen wandert. Es ist wichtig, zu verfolgen, wie sich Plastik in diesen Systemen entwickelt, um Strategien für dessen Beseitigung zu entwickeln und die Auswirkungen auf die Umwelt zu reduzieren.

Quelle: Northwestern University