Welttag der Ozeane – Kann Plastik „gegessen“ werden? Dieser Meeresmikroorganismus hat einen unersättlichen Appetit

Wenn Sie sich umdrehen und umsehen, ist es Ihnen möglich, einen Gegenstand zu finden, der kein Plastik enthält? In unserem täglichen Leben können wir nicht ohne Kunststoff leben – von kleinen Gegenständen wie Einkaufstüten und Plastikflaschen bis hin zu großen Gegenständen wie Autos und Heimdekoration. Auch bei der Herstellung von Mobiltelefonen und Computern wird Kunststoff verwendet. Die großflächige Produktion von Kunststoffen hat den Menschen zwar Komfort gebracht, der Natur jedoch auch Probleme bereitet: Es dauert Jahrzehnte oder sogar Hunderte von Jahren, bis sich gewöhnlicher Kunststoff zersetzt. Gemessen an der Produktions- und Abbaurate wird die Erde bald zu einer riesigen Müllhalde für Plastik werden.

Verschiedene Kunststoffe Bildquelle: Veer Gallery

Daher ist die Frage, wie sich Plastik schneller und besser abbauen lässt, für die Wissenschaftler zu einem dringenden Problem geworden. Im Jahr 2021 entdeckten Wissenschaftler erstmals eine marine mikrobielle Gemeinschaft, die Plastikmüll effektiv abbauen kann. Jetzt haben sie erneut eine „verbesserte Version“ mariner Mikroorganismen entdeckt und gezüchtet, die nicht nur verschiedene Arten von Kunststoffen effektiv abbauen kann, sondern diese auch schneller abbaut, wobei sie einige Kunststoffe innerhalb von zwei Wochen in Fragmente zerlegt.

Was für ein magischer Mikroorganismus ist das? Wie kauen und verdauen sie solch starken Kunststoff? Bedeutet dies, dass Menschen Kunststoff mit Zuversicht verwenden können?

Mitglieder von Sun Chaomins Team untersuchen marine Mikroorganismen, die Müll „fressen“

Bildquelle: Institut für Ozeanologie, Chinesische Akademie der Wissenschaften

1. Die Plastikverschmutzung hat sich zu einer Epidemie entwickelt

Wenn Sie sich selbst und Ihren Feind kennen, können Sie hundert Schlachten schlagen, ohne Gefahr zu laufen, eine Niederlage zu erleiden. Bevor wir verstehen, wie Plastik abgebaut wird, müssen wir verstehen, was Plastik ist. Kunststoff ist eine Klasse künstlich synthetisierter hochmolekularer Polymere mit hervorragenden Eigenschaften. Neben den in den letzten Jahren sukzessive aufgekommenen nachwachsenden Rohstoffen und Mineralsalzen handelt es sich bei den synthetischen Rohstoffen vor allem um Erdöl, also erdölbasierte Kunststoffe. Jedes Jahr werden weltweit etwa 350–400 Millionen Tonnen synthetischer Kunststoffe produziert. Zu den wichtigsten wirtschaftlichen Sorten zählen Polypropylen, Polyethylen, Polystyrol, Polyvinylchlorid und Polyurethan.

Wie viele Erfindungen ist Kunststoff an sich kein „schlechter Stoff“, aber aufgrund fehlender Entsorgungsmaßnahmen entsprechend der enormen Produktionsmenge ist die unkontrollierte Verbreitung von Kunststoffabfällen in der Umwelt zu einem globalen Verschmutzungsproblem geworden. Einige Kunststoffprodukte wurden sogar vom Land ins Meer getragen und verursachten dort schwere Schäden am Meeresökosystem.

Statistiken des Umweltprogramms der Vereinten Nationen zeigen, dass die weltweite Plastikproduktion von zwei Millionen Tonnen im Jahr 1950 auf 348 Millionen Tonnen im Jahr 2017 gestiegen ist. Bis 2040 dürfte sich die Produktionskapazität verdoppeln. Jährlich gelangen etwa elf Millionen Tonnen Plastikmüll in die Meere. Bis 2040 könnte sich diese Zahl verdreifachen. Die Produktion und Umweltverschmutzung von Plastik führen zu einer „dreifachen Krise“ aus Klimawandel, Verlust der Natur und Verschmutzung des Planeten, von dem die Menschheit abhängig ist, und lösen eine Katastrophe aus. Die massive Produktion und Entsorgung von Plastik führt zu einer „dreifachen Krise“ in Bezug auf Klimawandel, Naturverlust und Umweltverschmutzung.

Land mit angesammeltem Plastikmüll Bildquelle: pixabay

Um auf dieses Verschmutzungsproblem zu reagieren und es zu lösen, das die menschliche Gesellschaft seit vielen Jahren plagt, haben Wissenschaftler ihre Aufmerksamkeit auf eine große Vielfalt von Mikroorganismen gerichtet. Diese „unauffälligen“ biologischen Gruppen sind in den verschiedenen ökologischen Umgebungen der Erde verbreitet und verfügen über eine starke Anpassungsfähigkeit und vielfältige funktionelle Eigenschaften.

Ist es daher an Orten und in Umgebungen, wo Plastikmüll in großen Mengen und über lange Zeiträume vorhanden ist, möglich, dass es Mikroorganismen gibt, die Plastik verwerten und „fressen“ können? **Basierend auf dieser Hypothese sammelten die Forscher Hunderte von Plastikmüllproben aus verschiedenen Materialien aus den Gezeitenzonen von Stränden, an denen häufig menschliche Aktivitäten stattfinden. Durch ein Breitband-Screening gelang es ihnen schließlich, einen Meerespilz zu isolieren, der Polyethylen-Kunststoff effektiv besiedeln und abbauen kann.

2. Was passiert, wenn Pilze auf Plastik treffen?

Wenn dieser Pilz mit einer Plastikfolie inkubiert wird, haften die Pilzhyphen fest an der Plastikoberfläche. Dadurch wird tatsächlich ein großes Problem des Kunststoffabbaus gelöst: Die Kunststoffoberfläche ist stark hydrophob, was die Adsorption durch Mikroorganismen erschwert.

Unter Hydrophobie versteht man hier vereinfacht die Fähigkeit einer Materialoberfläche, von Wasser benetzt zu werden. Wenn wir ein Stück Papier und ein Stück Plastik gleichzeitig in Wasser tauchen, wird das Papier leicht vom Wasser benetzt und eine große Anzahl von Wassermolekülen bleibt auf der Oberfläche zurück, aber das Plastik wird fast nicht vom Wasser benetzt. Aus diesem Grund kann Wasser nur schwer auf der Oberfläche von Kunststoff haften bleiben, und daher ist es auch für gewöhnliche Mikroorganismen schwierig, sich dort festzusetzen. Sie werden wegziehen, sobald die Wellen über sie hinwegspülen.

Das Besondere an diesem Pilz ist seine Fähigkeit, hydrophobe Proteine ​​abzusondern und an der hydrophoben/hydrophilen Schnittstelle einen amphiphilen Film zu bilden. Dadurch vergrößert sich die Kontaktfläche mit dem Kunststoff und schon im ersten Schritt übertrifft er andere Mikroorganismen!

Biologischer Abbau von Polymeren

Bildquelle: Magnin A, Pollet E, Phalip V, et al. Bewertung des biologischen Abbaus von Polyurethanen [J]. Fortschritte in der Biotechnologie, 2020, 39

Nach der Adsorption kann die gut entwickelte Hyphenstruktur des Pilzes eine Vielzahl extrazellulärer Enzyme absondern und auf den Kunststoff einwirken . So wie die Speichelamylase im Speichel die langkettige Stärke im Reis hydrolysieren kann, wodurch sie kleiner wird und leichter vom menschlichen Körper aufgenommen werden kann, können Mikroorganismen auch ihre eigenen Enzymsysteme synthetisieren, um Makromoleküle außerhalb der Mikroorganismen schrittweise abzubauen, ihre langkettigen Strukturen aufzubrechen, die Moleküle dieser Substanzen kleiner zu machen und dann mit einer „guten Mahlzeit“ zu beginnen.

Auch Kunststoffe bestehen aus langkettigen Makromolekülen mit komplexen Strukturen und dieser Pilz ist zufällig in der Lage, Enzyme abzusondern, die diese Makromoleküle abbauen und so einen wichtigen Schritt beim Abbau von Kunststoffen erreichen: Abbau und Depolymerisation.

Zusätzlich zu den Eigenschaften der Pilze selbst hat der enge Kontakt mit Plastikbergen auch dazu geführt, dass sie die Fähigkeit entwickelt haben, Plastik zu zersetzen und zu verwerten, oder dass diese Fähigkeit ausgemerzt wurde. So haben sich nach und nach einige Gruppen entwickelt, die Plastik effektiv abbauen können.

Viele Mikroorganismen können gut leben, wenn sie mit Brot und Reis gefüttert werden. Wenn ihnen jedoch ein solch gutes Lebensumfeld fehlt, wie etwa Mikroorganismen, die lange Zeit in der Nähe von Plastikmüll leben, müssen sie sich langsam „entwickeln“ und Plastik „fressen“, indem sie Enzyme absondern, um zusätzliche Energiequellen zu gewinnen. Darin spiegeln sich auch die Merkmale der gegenseitigen Beeinflussung, Interaktion und Anpassung zwischen Mikroorganismen und Umwelt wider.

Nach der Inkubation mit Pilzen traten auf der Oberfläche des Polyethylen-Kunststoffs deutliche Falten und Risse auf. Bei Untersuchungen mittels Rasterelektronenmikroskopie waren auf der mikroskopischen Oberfläche des Kunststoffs dichte Löcher zu sehen, was darauf schließen lässt, dass die am Kunststoff haftenden Hyphen in die Kunststoffoberfläche eingedrungen waren und dort eine zersetzende Wirkung hatten.

Pilzbesiedlung und Abbau von Polyethylen-Kunststoffen. Bildquelle: Institut für Ozeanologie, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Rasterelektronenmikroskopische Beobachtung des Pilzabbaus von Polyethylen-Kunststoffen

Bildquelle: Institut für Ozeanologie, Chinesische Akademie der Wissenschaften

3. Der Pilz weist ein breites Spektrum an Abbaufähigkeiten auf

Nachfolgende Experimente zeigten, dass die Fähigkeiten dieses Pilzes nicht darauf beschränkt sind. Es scheint in der Lage zu sein, mehr Kunststoffsubstrate wie Polyurethan, Polyvinylchlorid, Polystyrol, Polypropylen usw. abzubauen.

Polyurethan-Kunststoffe werden unter anderem in der Elektrogeräteherstellung sowie in der Automobil-, Bau- und Bekleidungsindustrie und anderen Branchen häufig verwendet. Polyurethan ist beispielsweise in schallabsorbierenden Materialien und Wärmedämmstoffen enthalten. Sein Marktanteil wird nur von vier Arten von Polyolefin-Kunststoffen übertroffen.

Seit seiner Einführung in den 1930er Jahren hat sich eine große Menge Polyurethan-Abfall in der Umwelt angesammelt. Dieser Pilz kann Polyurethanprodukte in einem mit bloßem Auge erkennbaren Ausmaß zersetzen und zersetzen. Zwei Wochen nach der Pilzbehandlung können auf der Oberfläche der Polyurethanmembran Risse auftreten. Bei einer Verlängerung der Behandlungszeit auf 5 Wochen zeigte die Membran eine deutliche Fragmentierung und der Abbaueffekt war gut.

Da herkömmliche Kunststoffe gut abgebaut werden können, können wir, wenn es sich bei dem zu behandelnden Objekt um abbaubaren Kunststoff handelt, nicht die Abbaueffizienz verbessern und den Abbauzyklus im Vergleich zum Original verkürzen? Die Antwort ist ja.

Bereits nach einer Woche Inkubation traten deutliche Risse auf der Oberfläche des biologisch abbaubaren Kunststoffs auf und der Kunststoff verfärbte sich gelb, was ein Zeichen für Oxidation und Erosion war. Nach zwei Wochen vergrößerte sich die Erosionsfläche auf der Kunststoffoberfläche deutlich und es traten noch größere Löcher auf. Nach drei Wochen waren nur noch sehr wenige Plastikrückstände vorhanden. Würden wir noch etwas warten, wäre der biologisch abbaubare Kunststoff vollständig verstoffwechselt und von den Pilzen verwertet.

Abbaubare Plastiktüten mit PBAT+PLA+St wurden innerhalb von 4 Wochen von Meerespilzen abgebaut

Bildquelle: Institut für Ozeanologie, Chinesische Akademie der Wissenschaften

4. Es wird empfohlen, biologisch abbaubare Kunststoffe zu verwenden

Im Vergleich zum Hunderte von Jahren dauernden Abbauprozess herkömmlicher Kunststoffprodukte in der natürlichen Umwelt verkürzt sich dieser Prozess bei biologisch abbaubaren Kunststoffen auf wenige Monate, was einen großen Fortschritt in der Geschichte der vom Menschen hergestellten synthetischen Kunststoffe darstellt. Es empfiehlt sich hier, auf abbaubare Kunststoffe zurückzugreifen und auf das Logo „abbaubarer Kunststoff“ zu achten. Das Logo ist ein Muster, das aus einem Kreis mit einem Pfeil, einem doppelten „j“ (den Anfangsbuchstaben des Pinyin für Degradation), Materialabkürzungen (wie PBAT, PLA usw.), nationalen Standards und Produktnamen besteht.

Beispiel für ein Etikett mit der Aufschrift „abbaubarer Kunststoff“ Bildquelle: Nationaler Standard GB/T 41010-2021

Der entsprechende nationale Standard ist GB/T 41010-2021 und tritt am 1. Juni 2022 in Kraft. Produkte, die diese nationale Standardzertifizierung erfüllen, haben die entsprechenden Tests hinsichtlich Abbaurate, Schwermetallgehalt und Toxizität der Abbauprodukte bestanden und sind äußerst umweltfreundlich.

Es ist anzumerken, dass die im täglichen Leben verwendeten biologisch abbaubaren Kunststoffe durch einfache Einwirkung von Wind und Sonne nicht vollständig abgebaut werden können und die Abbaurate sehr gering ist. Sie werden weiterhin die Umwelt verschmutzen. Wenn sie ins Meer gelangen und von Lebewesen wie Schildkröten verschluckt werden, können sie sehr wahrscheinlich den Verdauungstrakt blockieren und zum Tod führen.

Durch die Verwendung biologisch abbaubarer Kunststoffe können wir ein angenehmeres Leben führen und gleichzeitig die Umwelt schützen. Natürlich sollten wir ein Bewusstsein für einen maßvollen Umgang mit Plastikprodukten entwickeln – zum Beispiel beim Ausgehen unsere eigene Einkaufstasche dabeihaben und die Verwendung von Einwegartikeln reduzieren. Solange jeder in seinem Leben gute grüne Gewohnheiten beibehält, wird sich unsere Umwelt meiner Meinung nach deutlich verändern.

Herausgeber: Tian Wei

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Liu Rui, Fei Fan, Institut für Ozeanologie, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Hersteller: China Science Expo