Wie man Plastik mit Enzymen recycelt

Jul 20, 2023

BILDNACHWEIS: CESAR HERNANDEZ / CSIC

Entdeckungen, dass bestimmte Kunststoffe durch Enzyme abgebaut werden können, wie hier im Speichel der Larve der Seidenraupenmotte (Galleria mellonella), haben die Bewegung des biologischen Recyclings vorangetrieben.

Wissenschaftler durchsuchen Mülldeponien auf der ganzen Welt nach Bakterien, Pilzen und sogar Insekten, die Enzyme beherbergen, die für den Abbau verschiedener Polymere genutzt werden könnten. Es ist noch am Anfang, aber wenn die Bemühungen effizient ausgeweitet werden können, könnte ein solches biologisches Recycling das Problem des Plastikmülls eindämmen.

Von Sandy Ong 24.08.2023

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An einem bewölkten Frühlingsmorgen im Jahr 2012 kümmerte sich Federica Bertocchini in der Nähe ihres Wohnortes in Santander an der malerischen Nordküste Spaniens um ihre Honigbienen. Eine der Waben „war von Würmern geplagt“, sagt der Hobbyimker und meint damit die lästigen Larven von Wachsmotten, die einen unersättlichen – und zerstörerischen – Appetit haben.

Bertocchini suchte sich die Würmer heraus, steckte sie in eine Plastiktüte und setzte ihre Bienenzucht fort. Als sie die Tasche ein paar Stunden später zurückholte, bemerkte sie etwas Seltsames: Sie war voller winziger Löcher.

Das Interesse des Wissenschaftlers war geweckt. Hatten die hungrigen Würmer das Plastik einfach zerkaut oder hatten sie auch seine chemische Zusammensetzung verändert? Schnelltests in ihrem Labor bestätigten überraschenderweise Letzteres: Etwas im Speichel der Würmer hatte das Plastik zersetzt. „Von diesem Zeitpunkt an begann die Forschung“, sagt Bertocchini, ein Entwicklungsbiologe, der früher beim spanischen Nationalen Forschungsrat arbeitete.

Heute ist sie Mitbegründerin von Plasticentropy – einem der zahlreichen Start-ups und Forschungsgruppen, die in den letzten Jahren entstanden sind und nach bioinspirierten Methoden zum Recycling von Kunststoff suchen. Dieses sogenannte biologische Recycling könnte effektivere und umweltfreundlichere Alternativen zu einigen der heutigen problematischen Recyclingmethoden bieten.

Im Rahmen dieser Bemühungen durchkämmen Wissenschaftler Mülldeponien, Autoschrottplätze und andere Standorte voller Plastikverschmutzung auf der Suche nach Organismen, die Plastik in seine Bestandteile zerlegen können. Durch die Aufnahme dieser Mikroben und die Verbesserung ihrer Fähigkeit, Polymere im Labor zu fressen, hoffen Wissenschaftler, einen effizienten Weg zu finden, die Bausteine ​​von Kunststoffen zurückzugewinnen. Diese Untereinheiten würden sie dann zur Herstellung neuer Materialien nutzen und so einen „unendlichen Recycling“-Kreislauf schaffen.

Es ist noch am Anfang und die Suche nach Enzymen, die für diese Aufgabe geeignet sind, ist nur ein erster Schritt. Aber biologisches Recycling könnte ein wertvolles Instrument zur Bekämpfung des immer größer werdenden Kunststoffproblems sein.

„Es gibt Gruppen auf der ganzen Welt, die daran arbeiten – Hunderte von Gruppen, Tausende von Wissenschaftlern – es ist wirklich erstaunlich“, sagt der Strukturbiologe John McGeehan, ein Berater für Kunststoffdekonstruktion, der sich auf die Entdeckung und Entwicklung von Enzymen für das Kunststoffrecycling spezialisiert hat.

Diese Bemühungen konnten nicht früh genug kommen. Seitdem in den 1950er-Jahren mit der Kunststoffherstellung begonnen wurde, ist die Produktion rasant gestiegen. Schätzungen gehen davon aus, dass wir jährlich fast 460 Millionen Tonnen Plastik produzieren, was dem Gewicht von etwa 2,3 Millionen Blauwalen entspricht.

Leider wird der Großteil dieses Plastiks verbrannt, auf Mülldeponien vergraben oder in der Umwelt entsorgt. Es ist kein Wunder, dass Plastik in jeden Winkel unseres Planeten vorgedrungen ist – von den tiefen Ozeanen bis zu beiden Polen, sogar im Regen. Es kommt auch in unserem Körper vor, mit Spuren in Plazenta, Muttermilch und menschlichem Blut; Die Verwendung und Entsorgung von Kunststoffen ist mit mehreren Gesundheits- und Umweltproblemen verbunden.

Trotz des allgegenwärtigen Symbols mit den drei Pfeilen in einer Schleife können die meisten Kunststoffe nicht recycelt werden, und selbst diejenigen, die es können, können oft nicht recycelt werden, wie diese Daten der Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (OECD) aus dem Jahr 2019 zeigen. Laut dieser Umfrage weisen die Vereinigten Staaten die niedrigste Kunststoffrecyclingrate auf, nämlich nur 4 Prozent; Weltweit werden nur 9 Prozent recycelt. Unter OECD-Länder versteht man 38 Mitgliedsstaaten, die größtenteils in Europa, Nordamerika und Asien liegen.

Trotz dieser Probleme bleibt die Nachfrage ungebrochen, und die Produktion soll bis 2050 voraussichtlich mehr als 1.000 Millionen Tonnen erreichen. Das liegt vor allem daran, dass Kunststoffe schwer zu ersetzen sind – das Material ist eine Freude für Hersteller: leicht und einfach zu formen, mit nahezu endlosen Eigenschaftenmöglichkeiten es kann durchdrungen werden.

Da es nicht realistisch ist, alle Kunststoffe zu ersetzen, besteht die nächstbeste Option darin, weniger Neumaterial aus fossilen Brennstoffen herzustellen und mehr von dem zurückzugewinnen, was bereits vorhanden ist. Mit anderen Worten: Die weltweiten Plastikrecyclingraten sollen von ihrem derzeitigen, düsteren Wert von etwa 9 Prozent angehoben werden.

Die Gründe für diese niedrige Rate sind zahlreich: Plastik lässt sich nur schwer abbauen; es kann im Recyclingprozess schädliche Chemikalien absorbieren; und es gibt Tausende von Kunststoffarten, jede mit ihrer eigenen Zusammensetzung, ihren eigenen chemischen Zusätzen und Farbstoffen. Viele dieser Arten können nicht zusammen recycelt werden.

„Wir haben dieses große Problem der Kreislaufwirtschaft bei Kunststoffen“, sagt Johan Kers, ein synthetischer Biologe und Mitbegründer des in Oregon ansässigen Unternehmens für enzymatisches Recycling Birch Biosciences. „Wir können Aluminium recyceln; wir können Papier recyceln; Aber um unser Leben zu retten, können wir Plastik nicht gut recyceln.“

Biologisches Recycling könnte das Kunststoffproblem entschärfen. Dabei werden Enzyme eingesetzt – die Arbeitspferde der Biochemie, die Reaktionen beschleunigen –, um Kunststoffpolymere in ihre Untereinheiten, sogenannte Monomere, zu zerlegen. Aus diesen Monomeren lassen sich dann neue Kunststoffe herstellen.

„Das Schöne an Enzymen ist, dass man die Bausteine ​​zurückbekommt“, sagt McGeehan. „Das ist möglicherweise ein unendlicher Prozess, also ist es wirklich attraktiv.“

In einer kleinen Demonstration schnitten Forscher einen Film aus Polyethylenterephthalat (PET) – einem Polymer, das häufig in Sprühflaschen und Getränkebehältern verwendet wird – auf und verwendeten eine technische Version eines Enzyms aus einem Komposthaufen, um das PET in seine Untereinheiten zu zerlegen (unten). Einige dieser Untereinheiten wurden an eine andere Mikrobe verfüttert, die entweder das Biopolymer PHA (Mitte) oder einen Zwischenbaustein (lila) herstellen kann. Mit etwas Chemie kann dieses Zwischenprodukt zur Herstellung eines anderen Biopolymers, bioPU (oben), verwendet werden. Das Verfahren ist noch nicht ganz frei von Chemikalien, die auf fossilen Brennstoffen basieren, ist aber ein Schritt hin zur Nutzung von Kunststoffabfällen für neue Verwendungszwecke.

Dieser Ansatz könnte gebrauchte Kunststoffe in eine wertvolle Ressource statt in eine Abfallquelle verwandeln, sagt Ting Xu, Polymerwissenschaftler an der University of California in Berkeley, der im Annual Review of Physical 2013 einen Überblick über biologisch-synthetische Hybridmaterialien verfasst hat Chemie.

Die Forschung zu plastikfressenden Enzymen reicht mindestens bis in die 1970er Jahre zurück, doch 2016 wurde das Gebiet neu belebt, als ein Team japanischer Wissenschaftler in Science eine bahnbrechende Arbeit veröffentlichte, in der ein neuer Stamm plastikfressender Bakterien beschrieben wurde. Unter der Leitung des Mikrobiologen Kohei Oda vom Kyoto Institute of Technology fand das Team heraus, dass die Mikrobe namens Ideonella sakaiensis 201-F6 PET-Kunststoff – einen Polyester, der häufig in Getränkeflaschen und Fasern verwendet wird – als Hauptenergie- und Nahrungsquelle verwendet.

Die Forscher stießen auf die Mikrobe in einem aufgesammelten Sediment, als sie mühsam 250 Umweltproben durchsuchten, die sie in einer Flaschenrecyclingfabrik etwas außerhalb von Osaka gesammelt hatten. Weitere Tests ergaben, dass I. sakaiensis PET innerhalb von sechs Wochen fast vollständig abbauen konnte.

Seitdem haben Wissenschaftler an verschiedenen Orten auf der ganzen Welt plastikfressende Mikroben entdeckt, darunter auf einem Komposthaufen auf einem Friedhof in Leipzig, Deutschland; eine Mülldeponie in Pakistans Hauptstadt Islamabad; und verwitterter Schutt wurde an zwei Stränden in Chania, Griechenland, angeschwemmt. Eine groß angelegte Analyse von mehr als 200 Millionen Genen, die in frei schwebender DNA in Umgebungen wie Ozeanen, dem Mutterboden der arktischen Tundra, Savannen und verschiedenen Wäldern gefunden wurden, ergab 30.000 verschiedene Enzyme mit plastikabbauendem Potenzial, berichtete ein Team im Jahr 2021.

Ein Bakterienstamm der Gattung Serratia (siehe Abbildung), den Wissenschaftler aus dem Darm des Schwarzkäfers Plesiophthalmus davidis isoliert haben, kann Polystyrol abbauen und könnte ein guter Kandidat für die Entsorgung von Polystyrolabfällen sein. Die Käfer ernähren sich typischerweise von morschem Holz.

BILDNACHWEIS: BK JUNG ET AL / JOURNAL OF BIOTECHNOLOGY 2017

Die Entdeckung von Enzymen ist jedoch nur der erste Schritt. Während viele der derzeit untersuchten Wirkstoffe schnell wirken und unter milden Bedingungen gut funktionieren, müssen Wissenschaftler sie normalerweise optimieren, um eine bessere Leistung zu erzielen. Beispielsweise hat McGeehan zusammen mit Kollegen am National Renewable Energy Laboratory in Colorado und anderswo zwei Enzyme entwickelt, die für die Plastikfressfähigkeit von I. sakaiensis verantwortlich sind, um deren Leistung zu steigern, und sie dann miteinander verbunden, wodurch ein Enzymcocktail entstand, der brechen kann sechsmal schneller als bisher möglich.

Wissenschaftler nutzen künstliche Intelligenz auch, um den Enzymen wünschenswerte Eigenschaften zu verleihen, die Kunststoffe schneller depolymerisieren, bei Zielsubstraten weniger wählerisch sind und einem größeren Temperaturbereich standhalten können.

Erste Daten deuten darauf hin, dass biologisches Recycling einen geringeren CO2-Fußabdruck haben könnte als die Neuherstellung von Kunststoffen. Einer Schätzung aus dem Jahr 2021 zufolge konnten durch den Einsatz von Enzymen zum Abbau von PET in eines seiner Monomere, Terephthalsäure (TPA), die Treibhausgasemissionen um bis zu 43 Prozent gesenkt werden, verglichen mit der Herstellung von TPA von Grund auf.

Natürlich ist PET nur eine von vielen Kunststoffarten – sie werden im Allgemeinen in sieben oder mehr Klassen eingeteilt, abhängig von Faktoren wie ihrer chemischen Struktur. Am einen Ende der Skala stehen Kunststoffe mit gemischten Kohlenstoffgerüsten – Polymere mit einem zentralen Rückgrat aus Kohlenstoff, der mit anderen Atomen wie Sauerstoff und Stickstoff verflochten ist. Derzeit eignen sich diese Kunststoffe am besten für das biologische Recycling, vor allem weil die verfügbaren Enzyme die Art der chemischen Bindung in diesem gemischten Kohlenstoffgerüst durchbrechen können. Es sei „eine Art Achillesferse“ für das Material, sagt Andy Pickford, Molekularbiophysiker an der Universität Portsmouth im Vereinigten Königreich.

PETs haben ein solches Rückgrat – in diesem Fall Kohlenstoff, der mit Sauerstoff vernetzt ist. PETs kommen häufig in Textilien und Limonadenflaschen vor und machen etwa ein Fünftel der jedes Jahr erzeugten Kunststoffe aus. Sie sind ein beliebtes erstes Ziel bei biologischen Recyclern und kommen der Umsetzung im kommerziellen Maßstab am nächsten. Das französische Unternehmen Carbios beispielsweise plant, im Jahr 2025 eine Biorecyclinganlage in Nordfrankreich zu eröffnen, mit dem Ziel, jährlich 50.000 Tonnen PET-Abfälle zu recyceln.

Das Unternehmen verwendet ein proprietäres Enzym, das zunächst in einem Komposthaufen identifiziert wurde und das die Forscher dann modifizierten, um seine Fähigkeit zum Aufbrechen der PET-Bindung zu verbessern und den höheren Temperaturen standzuhalten, bei denen der Kunststoff geschmolzen und weich wird. Das Enzym kann 90 Prozent von PET in 10 Stunden depolymerisieren, berichteten Wissenschaftler von Carbios und seinem akademischen Partner, dem Toulouse Biotechnology Institute, 2020 in Nature.

Ein weiteres Startup, das in Australien ansässige Unternehmen Samsara Eco, plant, im Jahr 2024 eine ähnliche 20.000-Tonnen-Anlage in Melbourne zu eröffnen, die sich ebenfalls auf PET konzentrieren wird.

Kunststoffe umfassen eine Vielzahl von Polymeren, von denen viele außerordentlich schwer zu zersetzen sind, was zum Teil auf starke Bindungen zwischen den Atomen ihrer Bestandteile und ihrer gesamten kristallinen Struktur zurückzuführen ist. Im Allgemeinen ist es einfacher, Kunststoffe in wiederverwendbare Untereinheiten zu zerlegen, wenn das Polymergerüst aus Kohlenstoff und einem anderen Atom wie Sauerstoff oder Stickstoff besteht (unten). Polymere mit Kohlenstoff-Kohlenstoff-Grundgerüsten (oben) bleiben äußerst widerspenstig.

Kunststoffe mit einer ähnlichen chemischen Zusammensetzung wie PET, die Polyamide und Polyurethane, seien ebenfalls vielversprechende Ziele für das enzymatische Recycling, da sie von Natur aus anfällig für den Abbau durch Enzyme seien, sagt Pickford, dessen Team in Portsmouth an allen drei Kunststoffarten arbeitet.

Neben PET verarbeitet Samsara jetzt auch Nylon, eine Art synthetisches Polyamid, das häufig in Stoffen und Textilien vorkommt. Im Mai kündigte das Unternehmen eine mehrjährige Partnerschaft mit der beliebten Sportmarke Lululemon an, um „die weltweit erste unendlich recycelte“ Nylon-Polyester-Bekleidung aus weggeworfener Kleidung herzustellen.

Forscher untersuchen auch Polyurethane, die etwa 8 Prozent oder 25 Millionen Tonnen des globalen Kunststoffkuchens ausmachen und häufig in Schaumstoffen wie Möbelkissen sowie in Windeln, Schwämmen und Turnschuhen vorkommen. Verschiedene Mikroben können einige Arten von Polyurethanen abbauen, und Kers‘ Team bei Birch Biosciences hat sich für Tests auf etwa 50 verschiedene Polyurethan-fressende Enzyme konzentriert, aber die Polymere sind eine strukturell vielfältige Gruppe und erfordern wahrscheinlich unterschiedliche Strategien.

Während enzymatisches Recycling für Kunststoffe mit gemischten Grundgerüsten vielversprechend aussieht, sind die Aussichten für diejenigen am anderen Ende der Skala nicht so rosig: Kunststoffe mit Grundgerüsten aus reinem Kohlenstoff. Dies ist eine vielseitige Gruppe, zu der Polyvinylchlorid (PVC), Polyvinylalkohol (PVA), Polystyrol und Polyethylen gehören, aus denen die allgegenwärtige Plastiktüte hergestellt wird. Das biologische Recycling dieser Kunststoffe sei weitaus anspruchsvoller, sagt Pickford. „Sie sind in gewisser Weise für Enzyme etwas fettig. Es gibt nicht wirklich viel, was ein Enzym festhalten könnte.“

Dennoch arbeiten einige Wissenschaftler an diesen widerspenstigen Kunststoffen – darunter der spanische Bertocchini. „Aus irgendeinem Grund habe ich mich für Plastiktüten entschieden, die auf Polyethylen basieren“, sagt sie. Polyethylen wird auch häufig in Lebensmittelverpackungsfolien und Take-out-Behältern verwendet und ist mit einem Marktanteil von mehr als 25 Prozent die mit Abstand größte Kunststoffklasse, die heute hergestellt wird. Ein Jahrzehnt nach ihrer zufälligen Entdeckung haben Bertocchini und ihr Team von Plasticentropy die plastikabbauenden Enzyme im Speichel von Wachswürmern identifiziert – und ihnen die Namen Demetra und Ceres gegeben. Die Enzyme bauen Polyethylen innerhalb weniger Stunden bei Raumtemperatur ab, indem sie Sauerstoff in das Kohlenstoffgerüst einbringen.

In Insekten vorkommende Enzyme könnten der Schlüssel für diese widerstandsfähigeren Kunststoffe sein. Der Mikrobiologe Chris Rinke von der University of Queensland in Australien, der sich mit Polystyrol beschäftigt, das häufig in Essensbehältern und Einwegbesteck zum Mitnehmen zu finden ist, gehört zu den Wissenschaftlern, die sich mit Insektenlarven befassen, die über robuste Mundwerkzeuge verfügen, die es ihnen ermöglichen, „sehr gut durch Dinge hindurchzukauen“. und sie in kleinere Partikel zerlegen. „Dann nehmen es die Mikroben im Darm auf“, sagt Rinke.

Rinke stieß auf die Larve eines Käfers namens Zophobas morio – auch Superwurm genannt –, der Polystyrol durch einen zweifachen Prozess abbaut: den Kunststoff mechanisch in kleinere Stücke zerkleinern, die ihn durch die Einführung von Sauerstoffatomen „altern“ lassen, und diese Stücke dann mit speziellen Mitteln depolymerisieren bakterielle Darmenzyme, die noch identifiziert werden müssen.

Die Larven eines Schwarzkäfers (Zophobas morio), sogenannte Superwürmer, können dank eines noch nicht identifizierten bakteriellen Enzyms im Wurmdarm Polystyrol fressen.

KREDIT: DIE UNIVERSITY OF QUEENSLAND

Einige Experten sind jedoch weniger optimistisch, was die Aussichten für biologisches Recycling angeht – insbesondere im Hinblick auf die Bekämpfung von Kunststoffen mit schwerer zu brechenden Grundgerüsten. „Ich bin noch nicht davon überzeugt, dass Polyolefine wie Polyethylen, Polypropylen und PVC jemals realistische Ziele für enzymatisches Recycling in großem Maßstab sein werden“, sagt Pickford. „Es gab einige interessante Beobachtungen, aber es wird äußerst schwierig sein, diese in einen industriellen Prozess umzusetzen. Ich hoffe, dass ich falsch liege.“

Es gibt Hinweise auf Fortschritte bei PVC, doch derzeit bleibt der spröde Kunststoff zusammen mit seinen Cousins ​​PVA und Polymilchsäure (PLA) für Enzyme weitgehend unbezwingbar. In solchen Fällen könnte es praktikabler sein, auf die Entwicklung neuer, recycelbarer Kunststoffe umzusteigen, sagt Pickford.

Doch die Ergebnisse kommen immer wieder: Im Jahr 2020 berichtete ein Team aus Südkorea über ein Darmbakterium, Serratia Fonticola, das den Larven eines schwarzen Käfers namens Plesiophthalmus davidis die Fähigkeit verlieh, Polystyrol zu verdauen. Eine andere Gruppe berichtete, zwei kälteadaptierte Pilzstämme gefunden zu haben – Lachnellula und Neodevriesia, die aus alpinem Boden bzw. der arktischen Küste isoliert wurden –, die bestimmte Arten von biologisch abbaubarem Kunststoff, einschließlich PLA, abbauen könnten.

Dennoch sind Enzyme nur ein Teil des Kampfes. Es ist unklar, wie einfach es wäre, Prozesse zu vergrößern, die diese Enzyme nutzen, und wie dieser vergrößerte ökologische Fußabdruck aussehen könnte.

„Ich denke, dass es für all das nie eine einzige Lösung geben wird“, sagt Vanessa Vongsouthi, Leiterin der Proteintechnik und Forschungsgründerin bei Samsara Eco. „Wir müssen an fortschrittlichem Recycling arbeiten, aber darüber hinaus sind Richtlinien, Produktneugestaltung, Wiederverwendung und sogar Beseitigung … alles Teil des Gesamtbildes.“

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Einige Richtlinienänderungen sind in Arbeit. Die Vereinten Nationen wollen im Jahr 2024 das weltweit erste globale Abkommen zur Plastikverschmutzung schaffen. Es zielt darauf ab, die Plastikverschmutzung einzudämmen und soll unter anderem neue Regeln für die Produktion und das Design von Plastikprodukten einführen, um das Recycling zu erleichtern. Und im darauffolgenden Jahr werden in Washington, Kalifornien und der Europäischen Union Gesetze in Kraft treten, die vorschreiben, dass 25 Prozent des Materials in Plastikbehältern und Getränkeflaschen aus recyceltem Plastik bestehen müssen. Aber ohne zusätzliche Änderungen und Anreize könnten diese Bemühungen nur ein Tropfen auf den heißen Stein sein. Solange Neuplastik aufgrund der niedrigen Preise fossiler Brennstoffe billig bleibt, können biologische Enzyme möglicherweise nicht mithalten.

„Das Hauptproblem sind die Kosten“, sagt McGeehan. „Kunststoffe aus fossilen Rohstoffen sind wirklich günstig, weil sie in großem Maßstab auf einem sehr ausgereiften Weltmarkt hergestellt werden.“ Es helfe auch nicht, dass einige Regierungen immer noch Anreize für die Herstellung von Kunststoffen auf diese Weise schaffen, sagt er. „Wir müssen hier wirklich umdenken und anfangen, Anreize für PET oder andere biologisch abbaubare Prozesse zu schaffen, so wie die Öl- und Gasindustrie in der Vergangenheit davon profitiert hat.“

McGeehan bleibt optimistisch, dass die Technologie für biologisches Recycling, sobald sie verbessert wird, schnell kosteneffizient genug sein wird, um mit Neuplastik zu konkurrieren. Bis dahin werden Forscher wie Bertocchini weitermachen. Als sie 2019 nach Madrid zog, gab sie ihre geliebten Bienenstöcke auf, erweitert aber heute das Enzymportfolio ihrer Firma weiterhin um Motten- und Schmetterlingslarven. Enzyme werden nicht das gesamte Kunststoffproblem lösen, sagt sie – „aber das ist ein Anfang.“

Anmerkung des Herausgebers: Diese Geschichte wurde am 25. August 2023 aktualisiert, um klarzustellen, dass Enzyme von Insekten, die beim Abbau bestimmter Kunststoffe helfen, mikrobiellen Ursprungs sein könnten.

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Sandy Ong ist eine in Singapur lebende Wissenschaftsjournalistin. Finden Sie sie auf Twitter @sandyong_yx.

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