Bodenbakterien recyceln kunterbunten Plastikmüll

Bildnachweis: Marc Newberry/Unsplash

Recycling- und Rückgewinnungsbetriebe werden durch die Menge an Kunststoffabfällen auf Mülldeponien überfordert, was zu einer globalen Umweltverschmutzungskrise geführt hat. Verschiedene Kunststoffabfälle könnten als Quelle nützlicher Chemikalien sinnvoll genutzt werden. Forscher haben chemische und biologische Prozesse erforscht, um Recyclingsysteme zu entwickeln, die gemischte Kunststoffabfälle in kommerziell wertvolle Chemikalien umwandeln. Ein Hindernis für solche Upcycling-Bemühungen ist jedoch die enorme chemische Vielfalt und Komplexität von Kunststoffabfällen.

Eine neue Studie, die am 13. Oktober in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht wurde, berichtet über einen zweistufigen Prozess, der chemische und biologische Mechanismen kombiniert, um gemischte Kunststoffabfälle in vorteilhafte Chemikalien umzuwandeln. Chemieingenieure des National Renewable Energy Laboratory und des BOTTLE Consortium in Golden, Colorado, des Oak Ridge National Laboratory in Tennessee, des Massachusetts Institute of Technology und der University of Wisconsin Madison entwickelten den Hybridprozess und demonstrierten seine Fähigkeit, verwendbare Chemikalien zu erzeugen.

„Sullivan et al. heben hervor, wie hybride chemische und biologische Prozesse ein Plastikrecycling ermöglichen können, das sonst nicht möglich wäre“, schrieb Ning Yan, PhD, außerordentlicher Professor in der Abteilung für Chemie- und Biomolekulartechnik an der National University of Singapore, in einer verwandten Perspektive Artikel in derselben Ausgabe der Zeitschrift. (Yin war an der Studie nicht beteiligt).

Diese kleinen Moleküle, die durch den anfänglichen Autoxidationsschritt erzeugt werden, stellen geeignete Substrate für die biologische Umwandlung dar. Anschließend haben die Forscher ein Bodenbakterium, Pseudomonas putida, gentechnisch verändert, um in einem Tandem-Biokonversionsschritt nützliche Chemikalien aus diesen sauerstoffhaltigen Verbindungen zu erzeugen. Um die Anwendung zu veranschaulichen, wandelten die Wissenschaftler Mischungen aus hochdichtem Polyethylen (HDPE), Polystyrol (PS) und Polyethylenterephthalat (PET) – den häufigsten Bestandteilen von Kunststoffabfällen – in b-Ketoadipat oder Polyhydroxyalkanoate um.

„Wir haben zwei Stämme von Pseudomonas putida entwickelt: erstens, um Acetat, C4- bis C17-Dicarboxylate, Benzoat und Terephthalat in Polyhydroxyalkanoate umzuwandeln, einen natürlichen Polyester mit wachsenden industriellen Anwendungen, und zweitens, um Acetat und Dicarboxylate für das Wachstum zu verwenden und gleichzeitig Benzoat und Terephthalat umzuwandeln „β-Ketoadipat, ein Monomer für leistungsstärkere Polymere“, stellten die Autoren fest.

Aktuelle Kunststoffrecyclingpraktiken erfordern eine anspruchsvolle und teure Sortierung der Kunststoffarten und führen zu Endprodukten von geringerer Qualität und geringerem Wert. Dieser neue zweistufige Ansatz ist effektiv bei der Umwandlung von Gemischen aus Post-Consumer-Kunststoffabfällen in wertvolle Spezialchemikalienprodukte.

Polyhydroxyalkanoate sind eine Familie von Biokunststoffen, die für verschiedene medizinische Materialien und andere Anwendungen geeignet sind. Andererseits baut der β-Ketoadipat-Weg, der in Bodenbakterien und Pilzen weit verbreitet ist, eine Vielzahl von Verbindungen, darunter Benzoate und Lignine, zu β-Ketoadipat ab, das wiederum in Zwischenprodukte der Tricarbonsäure (TCA) umgewandelt werden kann. Zyklus, der wichtigste biologische Mechanismus zur Energieerzeugung.

Während die Autoren den Ansatz durch die Herstellung von β-Ketoadipat oder Polyhydroxyalkanoaten demonstrierten, stellten sie fest, dass die Gentechnik mikrobieller Stoffwechselwegkomponenten eine maßgeschneiderte Umwandlung gemischter Kunststoffe in eine Vielzahl von Plattform- oder Spezialchemikalien ermöglichen könnte.

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