Nylonfressende Bakterien: So kann das Material besser recycelt werden
Nylon ist ein langlebiges und zugfestes Material, das sich unter anderem im Bereich von Sportkleidung, Fallschirmen, Angelschnüren und Fischernetzen großer Beliebtheit erfreut. Ganz zu schweigen von den weltweit vertretenen Strumpfhosen aus dem Material. Jahr für Jahr werden auf der Welt etwa zehn Millionen Tonnen Nylon produziert. Ungefähr fünf Prozent davon landen wieder im Recycling. Forscher:innen haben nun Bakterien gentechnisch so verändert, dass sie in der Lage sind, Nylon abzubauen und den Kunststoff dabei in hochwertige Stoffe umzuwandeln. Diese Methode soll dabei helfen, in Zukunft größere Mengen Nylon zu recyceln. Bevor sich die Mikroorganismen entsprechend einsetzen lassen, müssen sie jedoch noch weiter optimiert werden.
Besseres Recycling dank Bakterium
Die geringe Recyclingraten des Polymers Nylon ist vor allem auf dessen Eigenheiten zurückzuführen. Mit herkömmlichen Recyclingmethoden ist dem Kunststoff oft nicht beizukommen, da sie sich häufig nur auf relativ geringe Mengen anwenden lassen. Zwar ist es möglich, Nylonmaterial mittels chemischen Recyclings in seine Grundbausteine zu zerlegen und diese zu reinigen, sodass sie anschließend in neuem Kunststoff verwendet werden können, aber auch dabei wird das Nylon nicht komplett aufgespalten. Stattdessen entsteht ein Gemisch aus einzelnen Molekülen und kurzen Molekülketten. Im Vergleich zu reinen Nylonbausteinen kann dieses Gemisch nur schwer verarbeitet werden, weshalb die meisten Nylonabfälle in der Realität auf Deponien landen – oder als Plastikmüll im Ozean schwimmen.
Ein Team rund um Jan de Witt vom Forschungszentrum Jülich in Nordrhein-Westfalen haben eine neue Methode entwickelt, um größere Mengen Nylon recyceln zu können. Diese Methode basiert auf dem Bodenbakterium Pseudomonas putida, das in der Vergangenheit bereits beim Abbau von Materialien auf Ölbasis und verschiedenen Kunststoffmonomeren zum Einsatz kam. Allerdings ist das Bakterium nicht in der Lage, Nylon von Natur aus abzubauen. Die Forscher:innen kultivierten daher Pseudomonas-Bakterien auf Hexamethylendiamin (HMDA), einem Vorprodukt bei der Produktion von Nylon. Die Organismen wuchsen zunächst nicht auf dem HMDA, aber nach einer Inkubationszeit von fünf Tagen entwickelte sich auf dem Nährmedium eine mutierte Variante der Bakterien. Diese mutierte Variante hatte die Fähigkeit, HMDA zu verstoffwechseln.
„Manche Bakterien entwickeln durch zufällige Mutationen in ihrem Erbgut die Fähigkeit, Nylonbausteine besser zu verwerten. Diese Zellen haben einen Wachstumsvorteil gegenüber den anderen und können sich schneller vermehren. Nach einigen Generationen im Labor, in denen die Nylonbausteine die einzige Nahrungsquelle sind, besteht die Bakterienkultur schließlich nur noch aus diesen spezialisierten Zellen„, erläutert Nick Wierckx, einer der Seniorautoren der Studie, das Prinzip.
Mutation macht Bakterien zu Nylonfressern
Anschließend untersuchte das Team die Veränderungen im Erbgut der mutierten Bakterien. Dabei stießen sie auf eine Deletion, die insgesamt neun Basenpaare umfasste und die dazu führt, dass im DNA-Strang der Bakterien die Bauanleitung für drei Aminosäuren fehlten. Diese sind normalerweise ein Bauteil einer wichtigen Bindungsstelle der Bakterien. Aufgrund dieser Mutation können die Bakterien dann das HMDA verstoffwechseln. Und nicht nur das: Die Pseudomonas-Organismen verarbeiteten nach der Mutation noch zwei weitere wichtige Inhaltsstoffe des Nylons. Die Forscher:innen nutzten diese Erkenntnisse, um die Mutation gezielt in die DNA anderer Pseudomonas-Zellen einzubauen. Außerdem ergänztensie diese durch sogenannte Nylonasen, Enzyme, die kurze Nylonketten abbauen und als Nahrungsquelle erschließen können.
Noch viel Optimierungsbedarf
Dank der gezielten Veränderungen durch die Forscher:innen wurden die Bakterien zu effizienten Plastikfressern, die Nylon zu nahezu 100 Prozent verstoffwechseln können. Teilweise entstehen dabei sogar höherwertigere Substanzen wie Biopolyester.
Bevor die Bakterien das Nylon verarbeiten können, legten die Forscher:innen das Polyamid 24 Stunden lang in Säure ein und filterten es dann. Anschließend führten sie es in Form einer Lösung den Bakterien zu. Die Tatsache, dass das Nylon derart vorbehandelt werden muss, verhindert leider den Ansatz, einfach veränderte Pseudomonas-putida-Bakterien in die Weltmeere zu entlassen, damit sie dort das vorhandene Nylon abbauen können.
Außerdem resultierte die Methode in einem Ertrag von etwa sieben Prozent der trockenen bakteriellen Biomasse. Mit anderen Worten: Es gibt noch viel Potential für Optimierungen. Laut Wierckx werden die Bakterien erst in zehn bis 30 Jahren soweit optimiert werden können, dass sie größere Mengen höherwertige Stoffe aus den Nylonabfällen produzieren können.
