Schaben bauen Polystyrol mit Darmmikroben ab

Polystyrol ist ein Kunststoff, der sich nur sehr schwer abbaut. Das Material ist leicht, preiswert und allgegenwärtig – von Schaumstoffverpackungen bis zu Behältern für Speisen zum Mitnehmen. In der Umwelt kann es jedoch sehr lange erhalten bleiben.

Zerfällt Polystyrol zu Mikroplastik, kann es sich über sehr lange Zeit in Böden und Gewässern halten, weitere Schadstoffe aufnehmen und sogar durch Nahrungsnetze wandern.

Eine neue Studie berichtet jedoch, dass die Schabe Blaptica dubia innerhalb von 42 Tagen fast 55 % des von ihr gefressenen Polystyrols beseitigen kann. Besonders bemerkenswert ist dabei nicht allein, dass der Kunststoff „verschwindet“.

Die Forschenden stellten fest, dass Schabe und Darmmikroben dabei zusammenarbeiten.

Die Mikroorganismen beginnen, den Kunststoff chemisch aufzuspalten. Anschließend scheint der Stoffwechsel der Schabe einen Teil dieser Abbauprodukte wie einen Brennstoff weiterzuverarbeiten.

Was geschieht mit dem Kunststoff?

Seit einiger Zeit ist bekannt, dass einige Insekten, etwa Mehlwürmer, Polystyrol zumindest in begrenztem Umfang anfressen können.

Die erzielten Raten sind jedoch meist gering. Zudem lässt sich häufig kaum unterscheiden, ob ein Insekt das Polymer tatsächlich abbaut oder es überwiegend nur in kleinere Partikel zermahlt.

Diese Studie verfolgt den gesamten Ablauf: das Schicksal des Polymers, Veränderungen im Darmmikrobiom und die Prozesse im Inneren der Schabe, nachdem der Kunststoff in kleinere Moleküle zerlegt wurde.

Die Arbeit stammt von Forschenden des Harbin Institute of Technology in Zusammenarbeit mit der Stanford University.

Polystyrol auf dem Weg durch ein Insekt

Unter kontrollierten Laborbedingungen fraßen die Schaben pro Tier täglich etwa 6 mg Polystyrol. Nach 42 Tagen hatten sie laut Studie 54.9% der aufgenommenen Menge entfernt.

Daraus leiteten die Forschenden eine Abbaurate von 3.3 mg pro Schabe und Tag ab. Nach ihrer Einschätzung liegt sie deutlich über den bislang für andere kunststofffressende Insekten gemeldeten Werten.

Für sich genommen kann ein „Masseverlust“ irreführend sein: Kunststoff kann zerbrechen, an Oberflächen haften bleiben oder bei der Handhabung verloren gehen.

Deshalb untersuchte das Team genau, wie der verbliebene Kunststoff nach dem Durchgang durch das Insekt chemisch beschaffen war.

Hinweise auf einen chemischen Abbau

Die Forschenden verglichen das ursprüngliche Polystyrol mit dem Polymer, das aus dem Kot der Insekten zurückgewonnen wurde, und fanden mehrere Anzeichen für einen tatsächlichen chemischen Abbau.

Die Größe der Polymerketten nahm deutlich ab: Die Gelpermeationschromatografie ergab, dass das zahlenmittlere Molekulargewicht um 46.4% sank. Dies weist auf eine Depolymerisation hin, bei der die Ketten zerschnitten werden.

Weitere Analysen mittels FTIR, NMR, thermogravimetrischer Prüfung und Py-GC/MS wiesen neue sauerstoffhaltige Gruppen nach. Das gilt als Hinweis auf Oxidation und Kettenspaltung sowie auf Veränderungen, die mit Modifikationen der aromatischen Ringstruktur vereinbar sind.

Die Fachleute nutzten zudem eine Kohlenstoffisotopenverfolgung und berichteten eine Anreicherung von δ¹³C im verbleibenden Kunststoff. Sie deuten dies als Hinweis darauf, dass biologische Prozesse bevorzugt leichtere Kohlenstoffisotope nutzten.

Zusammen mit den chemischen Signaturen werten die Autoren dies als Beleg für eine teilweise Mineralisierung und die metabolische Nutzung von kunststoffstämmigem Kohlenstoff.

Kunststoffabbauende Bakterien im Darm

Die Schabe bewältigt diese Aufgabe nicht allein. Metagenomische Sequenzierungen zeigten, dass die Polystyrolnahrung das Darmmikrobiom umformte und Bakteriengruppen begünstigte, die häufig mit dem Abbau schwer abbaubarer organischer Verbindungen in Verbindung gebracht werden.

Die Studie hebt Pseudomonas, Citrobacter, Klebsiella und Stenotrophomonas als Taxa hervor, die deutlich stärker vertreten waren.

Parallel zu dieser Verschiebung zeigte die Darmgemeinschaft eine Anreicherung von Enzymfamilien wie Oxidoreduktasen und Transferasen – genau jenen Werkzeugen, die bei oxidativer Chemie an einem widerstandsfähigen Polymer zu erwarten wären.

In ihrer Netzwerkanalyse beschreiben die Autoren eng gekoppelte Mikroben-Enzym-Module, die offenbar die Oxidation aromatischer Verbindungen unterstützen. Das passt zu den chemischen Hinweisen auf eine Oxidation des Kunststoffs.

Schaben verwerten die Abbauprodukte

An diesem Punkt versucht die Arbeit, über die Erklärung „Die Mikroben haben es getan“ hinauszugehen. Die Forschenden untersuchten die Genaktivität der Schaben und fanden eine starke Zunahme von Signalwegen, die mit Energiegewinnung und Kohlenstoffnutzung verbunden sind.

Zu diesen Signalwegen gehörten die β-Oxidation, NADH-Dehydrogenase, oxidative Phosphorylierung und der TCA-Zyklus.

Dabei handelt es sich um den Stoffwechselapparat, mit dem Tiere fettähnliche Moleküle und andere Kohlenstoffquellen in Energie umwandeln.

Die Forschenden interpretieren dies als Anzeichen dafür, dass die Schabe kleinere Zwischenprodukte aufnimmt, nachdem die Mikroben das Polystyrol aufgespalten haben, und sie in ihren eigenen Energiestoffwechsel einbindet.

Der vorgeschlagene Ablauf lautet: Zunächst greifen die Mikroben den Kunststoff chemisch an, danach vollendet die Schabe den Prozess, indem sie die Produkte in ihre eigenen „Kraftwerks“-Signalwege leitet.

Ein vollständig integriertes System

„Diese Arbeit zeigt, dass der Kunststoffabbau bei Insekten nicht nur ein mikrobielles Phänomen ist, sondern eine vollständig integrierte metabolische Zusammenarbeit“, sagte Shan-Shan Yang, korrespondierende Autorin der Studie.

„Die Schabe zerkleinert Polystyrol nicht einfach – sie verarbeitet die Abbauprodukte metabolisch über ihre eigenen Energiepfade.“

„Die Kopplung der mikrobiellen Oxidation mit der β-Oxidation des Wirts und dem TCA-Zyklus stellt eine systemische Anpassung an synthetische Kohlenstoffquellen dar.“

Das ist eine weitreichende Behauptung, macht die Studie aber zugleich interessant. Sie legt nahe, dass die biologische Sanierung von Kunststoff erfolgreicher sein könnte, wenn sie als System aus Gemeinschaften und Stoffwechselketten gedacht wird, statt nach einem einzigen perfekten Enzym zu suchen.

Schaben und Kunststoffabbau

Die Schlussfolgerung lautet nicht: „Setzt Schaben frei, um die Plastikverschmutzung zu lösen.“ Die Fachleute betonen, dass es weder praktikabel noch ratsam wäre, Schaben in die Umwelt auszusetzen.

Der eigentliche Wert liegt darin, dass der Darm dieser Schabe wie eine natürlich entwickelte „Fertigungsstraße“ für den Umgang mit einem hartnäckigen synthetischen Polymer wirkt.

Wenn Forschende diesen Vorgang entschlüsseln, können sie bestimmen, welche Mikroben und Enzyme besonders wichtig sind. Außerdem können sie herausfinden, welche Zwischenmoleküle der Wirt tatsächlich nutzen kann.

Dieses Wissen könnte zu besseren mikrobiellen Systemen oder Werkzeugen der synthetischen Biologie führen, um Polystyrol unter kontrollierten Bedingungen zu recyceln oder zu entgiften.

Die größere, etwas verblüffende Idee lautet, dass Insekten möglicherweise über mehr evolutionäre Anpassungsfähigkeit verfügen, als man ihnen gewöhnlich zugesteht.

In einer Welt, die zunehmend mit menschengemachten Polymeren gefüllt ist, könnten manche Organismen Wege finden, „synthetischen Kohlenstoff“ als Ressource zu nutzen – nicht effizient genug, um unsere Hinterlassenschaften allein zu beseitigen, aber ausreichend, um uns neue Ansätze für den Umgang damit zu zeigen.

Die Forschung wurde in der Fachzeitschrift Environmental Science and Ecotechnology veröffentlicht.