Wissenschaftler, die an einer Lösung für Kunststoffabfälle arbeiten, haben ein zweistufiges chemisches und biologisches Verfahren entwickelt, mit dem gemischte Kunststoffe abgebaut und zu wertvollen Bioprodukten aufbereitet werden können.
Das Projekt, an dem mehrere Einrichtungen beteiligt sind, stützt sich auf das Fachwissen im Bereich der synthetischen Biologie am Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums, um eine Mikrobe zu entwickeln, die dekonstruierte Kunststoffabfälle in Bausteine für Materialien der nächsten Generation umwandelt.
Das neue Verfahren, das in der Fachzeitschrift Science beschrieben wird , würde ein System ersetzen, das derzeit eine mühsame und kostspielige Sortierung der Materialien erfordert, was dazu geführt hat, dass in den Vereinigten Staaten nur etwa 5% der Kunststoffe recycelt werden.
Das Projekt wird vom National Renewable Energy Laboratory geleitet und bringt auch Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology, der University of Wisconsin-Madison und des ORNL im Rahmen des Konsortiums Bio-Optimized Technologies to keep Thermoplastics out of Landfills and the Environment (BOTTLE) zusammen.
Kunststoffgemische mittels Biologie vereinheitlichen
Verschiedene Kunststoffe enthalten unterschiedliche Polymere mit jeweils einzigartigen chemischen Bausteinen. Die BOTTLE-Forscher haben ein Verfahren entwickelt, mit dem gemischte Kunststoffe in ein einziges chemisches Produkt umgewandelt werden können, und arbeiten an einer Lösung, die es den Recyclern ermöglichen würde, das Sortieren zu überspringen.
Der erste Schritt des Prozesses beruht auf Sauerstoff und Katalysatoren, um grosse Polymermoleküle in ihre kleineren chemischen Bausteine zu zerlegen. Das Verfahren wurde auf eine Mischung aus drei gängigen Kunststoffen angewandt: Polystyrol (PS), das in Einweg-Kaffeebechern verwendet wird, Polyethylenterephthalat (PET), das in Einweg-Getränkeflaschen, Polyesterkleidung und Teppichen zum Einsatz kommt, und Polyethylen hoher Dichte (HDPE), das in vielen gängigen Verbraucherkunststoffen verwendet wird und oft mit Milchkannen in Verbindung gebracht wird.
"Dies ist ein potenzieller Einstieg in die Verarbeitung von Kunststoffen, die heute überhaupt nicht recycelt werden können", sagte Gregg Beckham, ein leitender Forschungsmitarbeiter am NREL und Leiter von BOTTLE.
Durch den Oxidationsprozess werden diese Kunststoffe in ein komplexes Gemisch chemischer Verbindungen aufgespalten - darunter Benzoesäure, Terephthalsäure und Dicarbonsäuren -, die zur Gewinnung reiner Produkte hochentwickelte und kostspielige Trennverfahren erfordern würden. An dieser Stelle kommt die Biologie ins Spiel.
Die Kollegen von BOTTLE haben eine Bodenmikrobe, Pseudomonas putida, entwickelt, um das Gemisch aus kleinen Zwischenprodukten biologisch in einzelne Produkte umzuwandeln: entweder in Polyhydroxyalkanoate (PHA), die eine neue Form von biologisch abbaubaren Biokunststoffen darstellen, oder in Beta-Ketoadipat, das zur Herstellung neuer, leistungsfähigerer Nylonmaterialien verwendet werden kann.
Gewünschte Eigenschaften kombiniert
Das Experiment baute auf einem Verfahren auf, das von Adam Guss vom ORNL und Kollegen vom NREL entwickelt wurde, um das Bakterium mit den gewünschten Eigenschaften anderer Organismen zu versehen. Der Prozess, der in der Zeitschrift Metabolic Engineering beschrieben wird, wandelte dekonstruiertes PET in Bausteine für ein besseres Nylonprodukt um, das wasser- und hitzebeständiger ist - ideal für Anwendungen wie Automobilteile.
"Wir haben einen kombinatorischen Ansatz für den Aufbau von Stoffwechselwegen gewählt, um die beste Kombination von Genen aus verschiedenen Organismen zu finden, die uns eine robuste Nutzung von PET in Pseudomonas putida ermöglicht", sagte Guss. "Das ORNL ist darauf spezialisiert, Mikroben, die keine Modellorganismen sind, so zu verändern, dass sie Eigenschaften erhalten, die für die Biotechnologie nützlich sind, wobei wir unser umfassendes Fachwissen in der synthetischen Biologie sowie in der Transkriptomik und Proteomik nutzen, um neue Stoffwechselwege zu entdecken."
"Biologisches Funneling bedeutet einfach, dass wir das Stoffwechselnetzwerk einer Mikrobe so verändert haben, dass der Kohlenstoff von einer grossen Anzahl von Substraten zu einem einzigen Produkt geleitet wird", sagte Allison Werner vom NREL, eine Mitautorin der Science-Veröffentlichung. "Dazu nehmen wir DNA aus der Natur - normalerweise von anderen Mikroben - und fügen sie in das Genom von Pseudomonas putida ein. Die DNA wird in RNA umgeschrieben, die wiederum in Proteine übersetzt wird, die verschiedene biochemische Umwandlungen durchführen, ein neues Stoffwechselnetz bilden und es uns letztendlich ermöglichen, mehr Kohlenstoff zu binden und zu steuern, wohin er geht."
Guss und seine Kollegen haben jahrelang an der Perfektionierung von P. putida gearbeitet, um das pflanzliche Biopolymer Lignin, das aus Bioenergiepflanzen gewonnen wird, in fortschrittliche Bioprodukte umzuwandeln, und zwar im Rahmen des Center for Bioenergy Innovation und der Agile BioFoundry des DOE. Im Jahr 2020 gab das von Guss geleitete Team bekannt, dass es die Mikrobe so konstruiert hat, dass sie gleichzeitig fünf der am häufigsten vorkommenden Verbindungen der lignozellulosehaltigen Biomasse verdaut.
Was als nächstes kommt
In den nächsten Schritten für BOTTLE "erweitern wir die Palette der Moleküle, die P. putida fressen kann, indem wir daran arbeiten, mehr Arten von Kunststoffen und auch mehr reale Kunststoffe mit zusätzlichen Additiven abzubauen", so Guss.
"Kunststoffe sind grosse Umweltverschmutzer und werden grösstenteils aus fossilem Kohlenstoff hergestellt", sagte er. "Diese Forschung liegt an der Schnittstelle zwischen dem Abbau der heutigen Kunststoffabfälle und ihrer Umwandlung in Bausteine für die nächste Generation von Kunststoffen, die sowohl recycelbar als auch biologisch abbaubar sind."
Literatur
Kevin P. Sullivan et al.; Mixed plastics waste valorization through tandem chemical oxidation and biological funneling; Science; 13 Oct 2022; Vol 378, Issue 6616; pp. 207-211