Einzigartige Bakterien versöhnen die Natur mit Kunststoff
Viele Menschen glauben, dass im Mittelpunkt der nächsten technischen Revolution die synthetische Biologie stehen wird. Hinter dem Oxymoron verbirgt sich die Entwicklung und Konstruktion neuer, genormter biologischer Teile und Bauelemente für verschiedene Anwendungen. Und darunter befindet sich auch eine neue Generation umweltfreundlicher Kunststoffe. Aber so gut das Ganze auch klingt: Diese neue Ära der Produktion von Biokunststoffen wird das Problem der bereits in die Natur freigesetzten Kunststoffe auf Erdölbasis nicht lösen. Dafür haben die Mitglieder des P4SB-Konsortiums (From Plastic waste to Plastic value using Pseudomonas putida Synthetic Biology) einen speziellen Plan: die biologische Umwandlung von Kunststoffen auf Erdölbasis in vollständig biologisch abbaubare Kunststoffe unter Einsatz stark technisch veränderter Katalysatoren aus ganzen Bakterienzellen, die aus einem Bakterium namens Pseudomonas putida gewonnen werden. Die Depolymerisation von PET „Die Menschen denken nur zu gern, dass Kunststoff in der Natur letztendlich von Mikroorganismen konsumiert wird, wodurch sich die Umweltkrise rund um die Kunststoffe von selbst ‚auflösen‘ wird. Aber das wird nicht über Nacht geschehen, denn die Abbaugeschwindigkeit in der Umwelt ist sehr, sehr langsam“, warnt Dr. Lars Blank, Koordinator von P4SB im Auftrag der RWTH Aachen. „Mit Hilfe der synthetischen Biologie können wir jedoch kunststoffabbauende Enzyme und Mikroben erschaffen, die Monomere als eine Kohlenstoffquelle nutzen. Unser Partner UFZ hat Mikroorganismen bestimmt, die auf den Diamiden wachsen können, die aus den Isocyanaten des aufgeschlossenen Polyurethans (PU, aus Ihrer Schaumstoffmatratze oder Ihren Laufschuhen) stammen. Und das ist wirklich faszinierend, da diese Moleküle als hochgiftig bekannt sind.“ Das Konsortium untersuchte mehrere Monomere aus Polyethylenterephthalat (PET, das Material Ihrer Kunststoffwasserflasche) und PU, und wies nach, dass diese sowohl zur Fütterung der Mikroben als auch zur Herstellung eines biologisch abbaubaren Kunststoffs verwendet werden können. Diese Polyhydroxyalkanoate (PHA) sind Biopolyester. Somit hat das Projekt die erfolgreiche Depolymerisation von PET und einiger Bindungen in PU und die anschließende Herstellung von PHA aus resultierenden Einzelmonomeren vorzuweisen. „Derzeit funktionieren die Mikroben am besten bei PET. Dort können zweistellige Grammmengen pro Liter in 100 Stunden aufgeschlossen werden. Wir können PET-Flocken verwenden, sie mit Hilfe von Enzymen abbauen, die Mikroben zwecks Wachstum und Erzeugung von Biokunststoff damit füttern und diesen Kunststoff zu einem Endverbraucherprodukt formulieren. Das Verfahren funktioniert bis zu einem gewissen Grad auch mit PU, und in Zukunft sollten alle Kunststoffe mit Esterbindungen ein realistisches Ziel sein“, erläutert Dr. Blank. Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen sind jedoch noch nicht erforscht worden. Fortschritte in Richtung vollständiger Markteinführung Dr. Blank zufolge rangiert die P4SB-Technologie derzeit irgendwo zwischen Technologie-Reifegrad 3 und 5. Viele Aspekte des Umwandlungsprozesses bedürfen der Verbesserung, und die Energieeffizienz muss noch bewertet werden. Obwohl er voraussichtlich im Vergleich zu den derzeit marktüblichen Arbeitsabläufen energieintensiv ausfallen wird, weist Dr. Blank darauf hin, dass dies in einer Zukunft, in der die gesamte Energie potenziell frei von CO2-Emissionen erzeugt wird, kein Problem darstellen wird. P4SB soll im März 2019 abgeschlossen werden. Für die Zeit danach planen die Mitglieder des Konsortiums eine Weiterentwicklung ihrer abbauenden Enzyme. Es werden zum Beispiel Anwendungsmöglichkeiten in der Textilindustrie in Betracht gezogen. Sie sind außerdem dabei, einem neuen H2020-Aufruf zur Einreichung von Vorschlägen zum Thema gemischte Kunststoffabfälle Folge zu leisten. Zwischenzeitlich befindet sich der Einsatz von PET als Kohlenstoffquelle für den Biopolyester PHA bereits im Test. Das Konsortium sieht viele Möglichkeiten für die Zukunft – etwa die umweltfreundliche Produktion von Kunststoffen wie z. B. Mulchfolien aus PHA. Den Science-Fiction-Fans, die den Roman „Mutant 59: Der Plastikfresser“ gelesen haben, in dem kunststofffressende Bakterien die Welt verwüsten, kann versichert werden: „Es sind alle katalytischen Schritte vorhanden, so dass es keine Möglichkeit gibt, dass dieser Roman Realität wird“, scherzt Dr. Blank abschließend.
Schlüsselbegriffe
P4SB, Bakterien, biologisch abbaubar, PHA, PU, PET, Mikroben, Depolymerisation