Wissenschaftler entwickeln künstlichen "Wurmdarm" zum Abbau von Kunststoffen
Hoffnung auf eine von der Natur inspirierte Methode zur Bewältigung der globalen Plastikverschmutzung
Forscher der School of Civil and Environmental Engineering (CEE) der NTU und des Singapore Centre for Environmental Life Sciences Engineering (SCELSE) haben durch die Fütterung von Würmern mit Kunststoffen und die Kultivierung von Mikroben in ihren Eingeweiden eine neue Methode zur Beschleunigung des biologischen Abbaus von Kunststoffen entwickelt.
(L-R) Mitglieder des NTU-Forschungsteams sind Dr. Sakcham Bairoliya, Research Fellow, Associate Professor Cao Bin und Dr. Liu Yinan, Research Fellow.
NTU Singapore
Die NTU-Wissenschaftler fütterten die Würmer mit verschiedenen Plastiknahrungen und extrahierten das Mikrobiom aus ihrem Darm, indem sie sie in Flaschen bebrüteten, um einen künstlichen "Wurmdarm" zu bilden.
NTU Singapore
Frühere Studien haben gezeigt, dass Zophobas atratus-Würmer - die Larven des Schwarzkäfers, die üblicherweise als Tierfutter verkauft werden und wegen ihres Nährwerts als "Superwürmer" bekannt sind - mit einer Plastikdiät überleben können, weil ihr Darm Bakterien enthält, die gängige Plastikarten abbauen können. Ihr Einsatz in der Kunststoffverarbeitung war jedoch aufgrund der langsamen Fütterung und Wartung der Würmer unpraktisch.
NTU-Wissenschaftler haben nun einen Weg aufgezeigt, wie diese Probleme überwunden werden können, indem sie die Darmbakterien des Wurms isolieren und sie für diese Aufgabe nutzen, ohne dass eine groß angelegte Wurmzucht erforderlich ist.
NTU Associate Professor Cao Bin von der School of CEE und Principal Investigator bei SCELSE sagte: "Ein einzelner Wurm kann in seinem Leben nur ein paar Milligramm Plastik verzehren, also stellen Sie sich die Anzahl der Würmer vor, die benötigt würden, wenn wir uns auf sie verlassen würden, um unseren Plastikmüll zu verarbeiten. Unsere Methode beseitigt diesen Bedarf, indem sie den Wurm aus der Gleichung herausnimmt. Wir konzentrieren uns darauf, die nützlichen Mikroben im Wurmdarm zu fördern und einen künstlichen 'Wurmdarm' zu schaffen, der Kunststoffe effizient abbauen kann.
Die Studie, die im Januar in der Zeitschrift Environment International veröffentlicht wurde, steht im Einklang mit dem Engagement der Universität für die Förderung von Innovationen und die Umsetzung von Forschungsergebnissen in praktische Lösungen zum Nutzen der Gesellschaft im Rahmen des Fünfjahres-Strategieplans NTU2025.
Entwicklung eines künstlichen Wurmdarms
Um ihre Methode zu entwickeln, fütterten die NTU-Wissenschaftler drei Gruppen von Superwürmern 30 Tage lang mit verschiedenen Kunststoffnahrungen - Polyethylen hoher Dichte (HDPE), Polypropylen (PP) und Polystyrol (PS). Die Kontrollgruppe wurde mit Haferflocken gefüttert.
Die NTU-Wissenschaftler wählten die Kunststoffe aus, da sie zu den weltweit am häufigsten verwendeten Kunststoffen gehören und in Alltagsgegenständen wie Lebensmittelverpackungen und Waschmittelflaschen verwendet werden. HDPE ist eine Kunststoffart, die für ihre hohe Schlagfestigkeit bekannt ist und daher nur schwer abgebaut werden kann.
Nachdem die Wissenschaftler die Würmer mit Kunststoff gefüttert hatten, entnahmen sie ihnen das Mikrobiom aus dem Darm und bebrüteten sie in Flaschen, die synthetische Nährstoffe und verschiedene Kunststoffarten enthielten, so dass ein künstlicher "Wurmdarm" entstand. Sechs Wochen lang ließ man die Mikrobiome in den Flaschen bei Raumtemperatur wachsen.
Zunahme der kunststoffabbauenden Bakterien
Die Wissenschaftler stellten fest, dass in den Flaschen, die das Darmmikrobiom der mit Kunststoff gefütterten Würmer enthielten, im Vergleich zur Kontrollgruppe eine signifikante Zunahme der kunststoffabbauenden Bakterien zu verzeichnen war.
Darüber hinaus waren die mikrobiellen Gemeinschaften, die die Kunststoffe in den Flaschen besiedelten, einfacher und besser auf die spezifische Art von Kunststoff zugeschnitten als die Mikroben, die auf Kunststoffen gefunden wurden, die direkt an die Würmer verfüttert worden waren. Wenn die mikrobiellen Gemeinschaften einfacher und auf eine bestimmte Art von Kunststoff zugeschnitten sind, bedeutet dies, dass der Kunststoffabbau in der Praxis effizienter sein kann.
Der Erstautor der Studie, Dr. Liu Yinan, Research Fellow an der School of CEE and SCELSE, sagte: "Unsere Studie ist der erste erfolgreiche Versuch, kunststoffassoziierte Bakteriengemeinschaften aus dem Darmmikrobiom von mit Plastik gefütterten Würmern zu entwickeln. Indem wir die Darmmikrobiome bestimmten Bedingungen aussetzten, konnten wir die Anzahl der Plastik abbauenden Bakterien in unserem künstlichen 'Wurmdarm' erhöhen, was darauf hindeutet, dass unsere Methode stabil und in großem Maßstab reproduzierbar ist."
Die Forscher sagen, dass ihr Machbarkeitsnachweis die Grundlage für die Entwicklung biotechnologischer Ansätze bildet, die das Darmmikrobiom von Würmern zur Verarbeitung von Kunststoffabfällen nutzen.
In den nächsten Schritten wollen die Forscher verstehen, wie die Bakterien im Darm des Superwurms die Kunststoffe auf molekularer Ebene abbauen. Das Verständnis des Mechanismus wird den Wissenschaftlern dabei helfen, kunststoffabbauende Bakteriengemeinschaften zu entwickeln, um Kunststoffe in Zukunft effizient abzubauen.
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