Bacillus PE4: plastikabbauende Bakterien aus Ackerboden knacken Polyethylen

Plastik-Mulchfolien, die nach der Ernte als Streifen im Ackerboden zurückbleiben, wirkten lange wie ein reines Aufräumproblem – nicht wie eine Chance für eine Entdeckung. Im Mittelpunkt stand stets die Frage, wie man diese Reste entfernt, und nicht, ob darunter womöglich bereits plastikabbauende Bakterien leben.

Forschende in der chinesischen Provinz Zhejiang wählten jedoch einen anderen Ansatz. Statt in Deponien oder marinen Sedimenten zu suchen, untersuchten sie direkt den Boden unter den Folien – und stiessen auf Mikroben, die dort schon seit Längerem genau diese Arbeit verrichten.

Ein zäher Schadstoff

Polyethylen ist der Kunststoff in solchen Folien, in Einkaufstüten und in etwa einem Drittel aller weltweit hergestellten Kunststoffprodukte. Seine langen Kohlenstoffketten besitzen kaum angreifbare Stellen, an denen natürliche Enzyme „ansetzen“ könnten.

Genau darauf ist das Material ausgelegt: Es soll nicht verrotten. Hersteller haben es auf Haltbarkeit optimiert – und eben diese Beständigkeit macht die Beseitigung so schwierig, sobald Polyethylen in die Umwelt gelangt.

Auf Betrieben, die Plastik-Mulchfolien nutzen, sammeln sich nach jeder Saison neue Fragmente an. Mit der Zeit zerbrechen sie in immer kleinere Teile, bis sie klein genug sind, um als Mikroplastik zu gelten, das durch Boden, Wasser und Pflanzen wandert.

Eine aktuelle Untersuchung von Ackerflächen rund um Gewächshäuser zeigte zudem, dass sich Kunststoffreste weit über die eigentlichen Felder hinaus ausbreiten. Die Stücke bleiben nicht dort, wo sie ursprünglich ausgelegt wurden.

Blick in den Boden

Ein Team der Hangzhou Normal University (HNU) fragte sich, ob Mikroorganismen in der Nähe des vergrabenen Plastiks gelernt haben könnten, es als Nahrungsquelle zu nutzen. Bakterien passen sich unter konstantem Selektionsdruck schnell an – und landwirtschaftliche Böden liefern diesen Druck seit Jahrzehnten.

Die Biotechnologin Lu-E Shi und Kolleginnen und Kollegen der HNU entnahmen Bodenproben von Feldern in Zhejiang an der Ostküste Chinas, auf denen seit Jahren Mulchfolien eingesetzt werden. Diese Proben wurden mit zerkleinertem Polyethylen vermischt – ohne irgendeine andere Futterquelle.

Damit war die Logik klar: Nur Organismen, die vom Kunststoff leben können, würden überleben. Am Ende setzten sich fünf Bakterienstämme durch, und alle gehörten zur Gattung Bacillus – weit verbreitete Bodenmikroben, die dafür bekannt sind, widerstandsfähiges organisches Material zu zerlegen.

Der Stamm PE4

Besonders auffällig war ein Stamm, der den Namen Bacillus PE4 erhielt. Nachdem dieses Bakterium 30 Tage lang ausschliesslich mit dünnen Polyethylenfolien in Kontakt war, hatte es die Kunststoffmasse um nahezu 5% gegenüber dem Ausgangsgewicht reduziert.

Das wirkt zunächst wenig – bis man berücksichtigt, dass dieselbe Folie im Boden ohne Unterstützung über Jahrhunderte erhalten bleiben könnte.

Zusätzlich erhielt PE4 Polyethylen als Pulver, um die Abbauleistung in unterschiedlichen physikalischen Formen direkt zu vergleichen – eine systematische Gegenüberstellung, die zuvor kaum durchgeführt worden war.

Unter einem leistungsstarken Mikroskop war der Effekt an der Folienoberfläche deutlich zu erkennen: Aus einer glatten, glänzenden Struktur waren Bereiche mit Hohlräumen und Rissen geworden, in denen sich das Bakterium angesiedelt hatte.

Diese Spuren liessen sich nicht mit Wärme, Licht oder chemischer Einwirkung erklären, sondern gingen auf die Aktivität der Bakterien allein zurück.

Bedingungen optimieren

Nachdem ein funktionierender Stamm identifiziert war, testete das Team, wie sich die Leistung steigern lässt. Untersucht wurden unterschiedliche pH-Werte, verschiedene Ausgangskonzentrationen der Bakterien sowie eine Vorbehandlung des Polyethylens durch Erwärmung, um die Oberfläche zu „erweichen“.

Am wirksamsten erwies sich eine leicht alkalische Umgebung, eine Startdosierung von 4% Bakterien und eine thermische Vorbehandlung.

In Kombination erhöhte das den Abbau von etwa 5% pro Monat auf ungefähr 28% innerhalb von 100 Tagen.

Damit wurde aus einer biologischen Kuriosität ein Ansatz mit Entwicklungspotenzial: Unter Bedingungen, die eine Kläranlage oder eine Kompostieranlage grundsätzlich nachbilden könnte, knabberte das Bakterium nicht mehr nur an der Folie, sondern zerlegte sie spürbar.

Wie plastikabbauende Bakterien arbeiten

Warum die Optimierung so viel brachte, zeigte sich in der Chemie. Während Bacillus PE4 Polyethylen angriff, stieg ausserhalb der Zellen die Aktivität zweier bestimmter Enzyme stark an – Enzyme, die sich ursprünglich dafür entwickelt haben, widerstandsfähige kohlenstoffbasierte Strukturen in Holz aufzuschliessen.

Das hartnäckige Kohlenstoffgerüst von Polyethylen ähnelt solchen natürlichen Zielstrukturen chemisch. Diese Nähe könnte erklären, weshalb ein Enzym-Werkzeugkasten, der für Holz geeignet ist, auch bei synthetischem Kunststoff Wirkung zeigt.

Frühere Studien zu verwandten Bacillus-Stämmen hatten einen solchen Mechanismus bereits angedeutet – Holzabbau-„Maschinerie“, die nebenbei auch Kunststoff angreifen kann. Die vorliegenden Ergebnisse schärfen dieses Bild: Wenn die Enzymaktivität zunahm, nahm auch die sichtbare Schädigung der Folie zu.

Was als Nächstes folgt

Bislang waren direkte Vergleiche, wie derselbe Mikroorganismus Kunststoff in unterschiedlichen Formen verarbeitet – feste Folie gegenüber losem Pulver –, selten. Diese Daten schliessen diese Lücke.

Zugleich kam der Fundort überraschend. Die Suche nach plastikabbauenden Mikroben konzentrierte sich häufig auf Deponien, auf die Verdauungssysteme plastikfressender Insekten oder auf tiefe Meeresablagerungen. Gewöhnlicher Ackerboden galt dagegen nicht als naheliegender Kandidat für plastikabbauende Bakterien.

Für Anwendungen ist dieser Unterschied wichtig: Ein Organismus, der mit dicken Folien zurechtkommt, könnte grössere Kunststoffabfälle angreifen. Ein Stamm, der Pulver abbauen kann, liesse sich dagegen mit Zerkleinerung kombinieren, um Mikroplastik zu bearbeiten, das bereits im Boden verteilt ist.

Bacillus PE4 wirkt als Kandidat für beide Szenarien. Als fertige Lösung präsentieren die Forschenden den Ansatz jedoch ausdrücklich nicht – ein Abbau von 28% in 100 Tagen unter optimierten Bedingungen ist noch nichts, das man morgen grossflächig auf Felder ausbringen kann.

Dennoch liefert die Arbeit dem Forschungsfeld einen neuen Ausgangsstamm und zugleich klarere Hinweise darauf, welche Enzyme sich für künftiges Engineering eignen, wenn schnellere Prozesse gesucht werden. Für ein Problem, das seit Jahrzehnten kaum greifbare Ansatzpunkte bot, ist das ein bedeutender Schritt.