Manche Insekten fressen sogar Plastik. Können wir sie um Hilfe beim Umgang mit Plastikmüll bitten?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Denovo Team

Hersteller: China Science Expo

Seit der Einführung von Kunstkautschuk hat die weltweite Kunststoffproduktion 8,3 Milliarden Tonnen überschritten. Durch die weitverbreitete Verwendung von Kunststoffen gelangen jedoch große Mengen an Kunststoffabfällen auf Mülldeponien oder in die Umwelt. Bei unsachgemäßer Handhabung können diese Abfälle zerfallen und schädliche Chemikalien freisetzen, die in die Nahrungskette gelangen und Organismen auf allen Ebenen kontaminieren.

Studien haben gezeigt, dass Mikroplastik mit einem Durchmesser von weniger als 5 mm eine potenzielle Bedrohung für die menschliche Gesundheit und die Ökosysteme darstellt. Ihre Ansammlung kann Probleme wie genetische Toxizität, Immunreaktionen und oxidativen Stress verursachen. Sie wurden in vielen Teilen des menschlichen Körpers gefunden, unter anderem in der Lunge, im Blut und in der Plazenta.

Diese Phänomene haben die Sorge geweckt, dass Mikroplastik Entzündungen, Störungen des Hormonsystems und Zellschäden verursachen könnte. Ihre spezifischen Auswirkungen müssen jedoch noch weiter untersucht werden. In den letzten Jahren haben Wissenschaftler entdeckt, dass bestimmte Insekten das Potenzial haben, Kunststoffe abzubauen, was das Problem der Plastikverschmutzung voraussichtlich lösen wird.

Das Gewicht des jährlich weltweit anfallenden Plastikmülls

(Bildquelle: Referenz 2)

Kann Plastik tatsächlich als Nahrung für Organismen dienen?

Wissenschaftler untersuchen, ob Kunststoff von Organismen als Nahrung genutzt werden kann. Unter anderem haben die Larven bestimmter Käfer und Motten die Fähigkeit bewiesen, sich von Plastik zu ernähren.

Bisher wurden elf Insektenarten entdeckt, die in der Lage sind, Kunststoffe biologisch abzubauen. Dabei handelt es sich überwiegend um Arten der Gattung Tenebrionidae (Käfer) und der Gattung Pyralidae (Schmetterlinge) [3]. Zu den am besten untersuchten Insekten zählen der Mehlwurm (Larven von Tenebrio molitor), der Gerstenwurm (Larven von Zophobas atratus) und der Wachswurm (Larven von Galleria mellonella). Diese Insekten sind in der Lage, eine Vielzahl gängiger Kunststoffe wie Polystyrol (PS), Polyethylen (PE), Polyvinylchlorid (PVC), Polypropylen (PP) und Polyurethan (PU) abzubauen [4-6].

Plastikabbauende Insekten der Gattungen Coleoptera Tenebriocaridae und Lepidoptera Pyralidae

(Bildquelle: Referenz 3)

Wie zersetzen Insekten Plastik?

Der Abbau von Plastik durch Insekten ist ein komplexer biologischer Prozess, der sich grundsätzlich in fünf verschiedene Phasen unterteilen lässt: Der Kunststoff wird von den Mundwerkzeugen des Insekts mechanisch zerkaut und gelangt anschließend in seinen Darm. Der Darm von Insekten fördert die Anhaftung von Mikroorganismen. Da es sich bei Kunststoffen um hochmolekulare Polymere handelt, werden sie durch die Einwirkung von Enzymen depolymerisiert und bilden einige Oligomerfragmente. Diese Oligomerfragmente werden weiter in kleinere Moleküle zerlegt. Der Körper des Insekts absorbiert dann diese kleinen Moleküle und nutzt sie als Energiequelle. Schließlich scheidet das Insekt die Endprodukte aus seinem Körper aus[7].

Allerdings variieren die Depolymerisationsfähigkeiten verschiedener Insekten. Der Depolymerisationsprozess einiger Insekten hängt von Darmmikroorganismen ab. Beispielsweise ist die Dörrobstmotte (Spodoptera frugiperda) auf Enterobacteriaceae im Darm angewiesen, um Polyethylen abzubauen[8].

Der Abbau von Polyethylen durch die Wachsraupe erfolgt unabhängig von der Darmflora[9]. Als die Forscher Wachswurmhomogenat direkt auf die Oberfläche einer Polyethylenfolie auftrugen, stellten sie fest, dass das Polyethylen einen erheblichen Masseverlust erlitt. Dies lässt darauf schließen, dass die Enzyme im Wachswurm direkt auf die Polyethylenoberfläche einwirken und deren Abbau verursachen könnten. Der Abbau von Polypropylen und Polystyrol durch Mehlwürmer ist auf Mikroorganismen angewiesen, der Abbau von Polyethylen hingegen nicht[10].

Welche Stoffe werden von Insekten abgebaut?

Frühere Studien haben ergeben, dass Mehlwürmer normal wachsen können, wenn sie mit Polystyrol gefüttert werden, und dass sie Larven ähneln, die mit normaler Nahrung (wie etwa Kleie) gefüttert werden. Die Forscher analysierten die von den Larven ausgeschiedene Stärke und bestätigten, dass langkettige Polystyrolmoleküle im Darm der Larven eine Depolymerisation erfahren.

Die Abbaufähigkeit der Insekten kann eingeschränkt sein oder der Abbauprozess kann bestimmte Bedingungen oder Zeit erfordern. Während des 16-tägigen Testzeitraums wurden 47,7 % des Kohlenstoffs in den aufgenommenen Polystyrolmolekülen in Kohlendioxid umgewandelt, etwa 49,2 % der Polystyrolrückstände wurden in Form von Fäkalien ausgeschieden und etwa 0,5 % des Polystyrols wurden als Teil des Organismus assimiliert. Dies deutet darauf hin, dass Mehlwürmer eine gewisse Fähigkeit besitzen, Kunststoffe abzubauen und umzuwandeln, ein Teil des Polystyrols jedoch nicht vollständig zersetzt wird und in seiner ursprünglichen oder teilweise zersetzten Form aus dem Körper ausgeschieden wird [11].

Biologischer Abbau von Polystyrol durch plastikfressende Mehlwürmer

(Bildquelle: Referenz 11)

Andere Forscher entdeckten durch Zufall, dass sich die Larven des Herbst-Heerwurms (Spodoptera frugiperda) von Polyvinylchloridfolien ernähren und diese Kunststoffe zur Energiegewinnung und zum kurzfristigen Überleben nutzen können. Diese Entdeckung hat das Interesse der Wissenschaftler an den Mechanismen des Plastikabbaus geweckt. Forscher isolierten ein Bakterium namens EMBL-1, das Polyvinylchlorid aus dem Darm dieses invasiven landwirtschaftlichen Schädlings abbauen kann. EMBL-1 bildet einen Biofilm auf der Oberfläche von PVC und sondert Katalase-Peroxidase ab, um PVC in Polymere mit niedrigerem Molekulargewicht abzubauen.

Anschließend verwenden die Bakterien Laccase, Monooxygenase, Dioxygenase usw., um die langkettigen Abbauprodukte von Polyvinylchlorid weiter zu zersetzen und in kürzere Produkte umzuwandeln.

Darüber hinaus stellten die Forscher fest, dass Gene, die Transportproteine ​​und Abbauproteine ​​kodieren, im Proteom und Transkriptom des EMBL-1-Stamms stark exprimiert wurden. Diese Gene könnten am Transport kleiner organischer Moleküle und Fettsäuren beteiligt sein, was darauf schließen lässt, dass der EMBL-1-Stamm die abgebauten Polyvinylchloridprodukte als Energie für sein eigenes Wachstum nutzen kann[12].

Polyvinylchlorid-Abbauweg des EMBL-1-Stamms

(Bildquelle: Referenz 12)

Wird von Insekten zersetzter Kunststoff weiterhin die Umwelt belasten?

Um festzustellen, ob abgebaute Kunststoffe weiterhin die Umwelt verschmutzen, müssen wir nicht nur verstehen, wie Kunststoffe abgebaut werden, sondern auch beurteilen, ob die Kunststoffe vollständig abgebaut werden. Gibt es noch weitere chemische Umwandlungsprodukte?

Abbau von Kunststoffen durch Insekten und Umweltmikroorganismen

(Bildquelle: Referenz 7)

Vollständiger Abbau bedeutet, dass die Kunststoffmoleküle vollständig umgewandelt und schließlich in Kohlendioxid und Wasser zersetzt werden. Um beurteilen zu können, ob Kunststoff vollständig abgebaut wurde, muss ermittelt werden, ob eine Mineralisierung stattgefunden hat. Mineralisierung ist der Prozess der vollständigen Zersetzung organischer Stoffe. Bei der Mineralisierung von Kunststoff wird der im Kunststoff enthaltene Kohlenstoff in Kohlendioxid umgewandelt und in die Insektenbiomasse eingebaut. Der Grad der plastischen Mineralisierung kann indirekt durch die Messung der freigesetzten Kohlendioxidmenge beurteilt werden. Wenn beim Abbauprozess Kohlendioxid freigesetzt wird, bedeutet dies, dass ein Teil des Kunststoffs in Gas umgewandelt wurde.

Darüber hinaus kann die Feststellung von Veränderungen des Kohlenstoffgehalts und der Isotopenverhältnisse bei Insekten auch dabei helfen, festzustellen, ob plastischer Kohlenstoff in den Organismus integriert wird. Unter chemischer Umwandlung versteht man Veränderungen der Molekularstruktur von Kunststoffen, sie bedeutet jedoch nicht zwangsläufig einen vollständigen Abbau.

Wie bereits erwähnt, können einige Insekten zwar Kunststoff abbauen, ihre Abbaukapazität ist jedoch begrenzt. Nicht vollständig abgebaute Kunststoffe werden von Insekten ausgeschieden und die Umweltverträglichkeit dieser Abbauprodukte muss noch weiter untersucht werden.

Industrielles Potenzial von Insekten, die Kunststoffe abbauen

Die Forschung zum Abbau von Kunststoffen durch Insekten hat gezeigt, dass dies ein Potenzial als umweltfreundliche Lösung darstellt. Allerdings gibt es noch viele Einschränkungen bei der Industrialisierung dieses Prozesses und seiner Anwendung zur großflächigen Kontrolle der Kunststoffverschmutzung, wie zum Beispiel:

Langsame Abbaurate: Insekten sind auf die Verdauung und mikrobielle Aktivität angewiesen, um Kunststoffe abzubauen. Dieser langsame Prozess kann mit der zunehmenden globalen Plastikverschmutzung nicht Schritt halten.

Harte Umgebungsbedingungen: Die Abbaueffizienz wird durch Umgebungsfaktoren wie Temperatur und Feuchtigkeit beeinflusst und es müssen bestimmte Bedingungen eingehalten werden, was die Komplexität und die Kosten industrieller Anwendungen erhöht.

Ökologische Risiken und betriebliche Schwierigkeiten: Verschiedene Insekten haben unterschiedliche Auswirkungen auf den Abbau von Kunststoffen, daher müssen Art und Kunststofftyp genau aufeinander abgestimmt sein. Gleichzeitig kann eine großflächige Anwendung das ökologische Gleichgewicht stören oder zur Invasion von Arten führen.

Um diese Einschränkungen zu überwinden, lassen sich Wissenschaftler und Unternehmen von den Mechanismen inspirieren, mit denen Insekten Kunststoffe abbauen. Sie nutzen Enzymtechnik und mikrobielle Technologie, um effiziente Lösungen für das Kunststoffrecycling zu entwickeln. Wissenschaftler haben die Effizienz des Kunststoffabbaus durch die Optimierung des Designs von PET-Hydrolasen deutlich verbessert. Studien haben gezeigt, dass die Reaktionsgeschwindigkeit, Substratspezifität und Hemmwirkung des Enzyms aufgrund seiner strukturellen Unterschiede variieren. Diese Studien liefern wichtige Referenzen für die Entwicklung effizienter PET-abbauender Enzyme und Enzym-Screening-Strategien[13].

Ein französisches Unternehmen hat ein enzymbasiertes Kunststoffrecyclingverfahren entwickelt, mit dem 97 % des PET-Kunststoffs innerhalb von 16 Stunden abgebaut werden können. Dies ist 10.000-mal effizienter als herkömmliche Methoden. Mit dieser Technologie können verschiedene PET-Sorten recycelt und lebensmittelechtes recyceltes PET erzeugt werden, wodurch ein geschlossener Recyclingkreislauf erreicht wird[14].

Tragbares, in sich geschlossenes System kann Abfälle mit hoher Energiedichte schnell in Nahrungsmittel, Wasser und Chemikalien umwandeln, um Expeditionseinsätze und Stabilisierungsmissionen zu unterstützen

(Bildquelle: Referenz 15)

Abschluss

Es gibt viele Arten von Kunststoffen und je nach Polymerstruktur ist ihre Abbaubarkeit unterschiedlich. Beispielsweise ist Polyethylen aufgrund seines stabilen linearen Kohlenstoffgerüsts schwieriger abzubauen als Polyethylenterephthalat. Darüber hinaus können abiotische Belastungen wie Hitze, Witterung und UV-Strahlung die Effizienz des Kunststoffabbaus durch Insekten und ihre Darmbakterien beeinträchtigen. Wenn es gelänge, für leicht abbaubare Kunststoffe passende Abbauenzyme zu entwickeln, könnte etwa die Hälfte des Kunststoffabfalls recycelt werden. Durch eingehende Forschungen zu abbauenden Insekten, funktionellen Bakterien und abbauenden Enzymen hoffen wir, in Zukunft den Umweltnutzen des Kunststoffrecyclings durch technologische Innovationen maximieren zu können.

Verweise

1. Gibb BC (2019). Kunststoffe sind für die Ewigkeit. Nature Chemistry, 11(5), 394–395.

2.Boctor, J., Pandey, G., Xu, W., Murphy, DV, & Hoyle, FC (2024). Die Plastikräuber der Natur: Eine umfassende und bibliometrische Übersicht über plastivore Insekten. Polymere, 16(12), 1671.

3. Yang, SS., Wu, WM., Bertocchini, F. et al. Radikale Innovationsdurchbrüche beim biologischen Abbau von Kunststoffen durch Insekten: Geschichte, Gegenwart und Zukunftsperspektiven. Front. Umwelt. Wissenschaft Eng. 18, 78 (2024).

4.Peng, BY, Chen, Z., Chen, J., Yu, H., Zhou, X., Criddle, CS, Wu, WM, & Zhang, Y. (2020). Biologischer Abbau von Polyvinylchlorid (PVC) in Larven von Tenebrio molitor (Coleoptera: Tenebrionidae). Umwelt International, 145, 106106.

5. Yang, Y., Wang, J. und Xia, M. (2020). Biologischer Abbau und Mineralisierung von Polystyrol durch den plastikfressenden Superwurm Zophobas atratus. Die Wissenschaft der Gesamtumwelt, 708, 135233.

6. Wang, Y., Luo, L., Li,

7. Yang,

8. Wang, Y., Luo, L., Li,

9. Bombelli, P., Howe, CJ, & Bertocchini, F. (2017). Biologischer Abbau von Polyethylen durch Raupen der Wachsmotte Galleria mellonella. Aktuelle Biologie: CB, 27(8), R292–R293.

10.Yang, L., Gao, J., Liu, Y., Zhuang, G., Peng, X., Wu, WM, & Zhuang, Chemosphere, 262, 127818.

11. Yang, Y., Yang, J., Wu, WM, Zhao, J., Song, Y., Gao, L., Yang, R. & Jiang, L. (2015). Biologischer Abbau und Mineralisierung von Polystyrol durch plastikfressende Mehlwürmer: Teil 1. Chemische und physikalische Charakterisierung und Isotopentests. Umweltwissenschaft und -technologie, 49(20), 12080–12086.

12. Zhang, Z., Peng, H., Yang, D. et al. Abbau von Polyvinylchlorid durch ein aus dem Darm von Insektenlarven isoliertes Bakterium. Nat Commun 13, 5360 (2022).

13. Erickson, E., Shakespeare, TJ, Bratti, F., Buss, BL, Graham, R., Hawkins, MA, König, G., Michener, WE, Miscall, J., Ramirez, KJ, Rorrer, NA, Zahn, M., Pickford, AR, McGeehan, JE und Beckham, GT (2022). Vergleichende Leistung von PETase als Funktion von Reaktionsbedingungen, Substrateigenschaften und Produktakkumulation. ChemSusChem, 15(1), e202101932.

14. Französisches Unternehmen entwickelt bahnbrechende Technologie und bringt die erste zu 100 % enzymatisch biologisch recycelbare PET-Flasche auf den Markt [EB/OL]. https://www.china-ipif.com/zh-cn/media/news02/_-100--_pet_.html

15. Von Plastik zu