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Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften

Sonderforschungsbereich 1357 Mikroplastik

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C-Projekte

​Mechanismen der Degradation von Kunststoffen in natürlichen und technischen Systemen

C01: Entstehung und Abbau von Mikroplastik unter simulierten Umwelteinflüssen

In Projekt C01 wird die Entstehung von sekundärem Mikroplastik aus makroskopischen Kunststoffformkörpern und der weitere Zerfall durch Einwirkung von UV-Strahlung, Wasser und mechanischen Kräften untersucht. Dazu werden verschiedene Kunststoffe in reiner und additivierter Form durch beschleunigte Bewitterungsprozesse gealtert und hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften und molekularen Struktur charakterisiert. So verbinden wir Rissbildung und –fortschritt mit Molekulargewicht, Kettenbruch bzw. Endgruppen der Makromolekülketten sowie Additivkonzentration bzw. -migration. Hierzu wird eine breite Palette verschiedener Techniken von mechanischen Analysen über Massenspektrometrie bis hin zur Festkörper-NMR-Spektroskopie genutzt. Durch Korrelation dieser Ergebnisse, die von mikroskopischen bis hin zu makroskopischen Längenskalen reichen, wird ein vertieftes Verständnis der Mechanismen und der zeitlichen Abläufe des Abbaus von Kunststoffen in der Natur erreicht.


C02: Abbau von biologisch abbaubaren Polymeren und deren Tonmineral-Nanokompositen unter umweltrelevanten Bedingungen

Bioabbaubare Polymere können eine elegante Lösung für das Mikroplastik-Problem darstellen. Für den Verpackungsbereich sind diese Polymere aber oftmals zu spröde und zu permeabel für Gase. Außerdem ist deren Abbau in relevanten Habitaten und unter realen natürlichen Bedingungen häufig zu langsam. Das langfristige Ziel dieses Forschungsprojektes ist es daher, zunächst ein umfassendes Verständnis des Abbauverhaltens konventioneller und maßgeschneiderter bioabbaubarer Polymere und Tonmineral-Nanokomposite in limnischen und terrestrischen Systemen zu erarbeiten. Dies wird uns dann in die Lage versetzen, Materialien zu entwickeln, die kein persistentes Mikroplastik generieren und gleichzeitig die technischen Anforderungen für Lebensmittelverpackungen erfüllen.


C03: Enzymatischer Abbau von Mikroplastik

Obwohl die meisten Kunststoffe sehr biostabil sind, gibt es klare Belege dafür, dass Mikroben diese Materialien enzymatisch abbauen können. Durch die Kombination verschiedener biochemischer und experimenteller Techniken mit Computersimulationen wollen wir verstehen, welche Eigenschaften ein Enzym haben muss, um Kunststoffe effizient angreifen und abbauen zu können. In dieser Hinsicht wird das kürzlich entdeckte Enzym PETase, das PET abbauen kann, als Modellsystem dienen. Dieses Enzym ist besonders interessant, da es strukturell und funktionell eng mit der Enzymegruppe der Cutinasen verwandt ist, von denen einige Vertreter auch PET angreifen können, wenn auch weniger effizient. Andere Cutinasen sind dazu jedoch nicht in der Lage. Darüber hinaus wollen wir nach neuen Enzymen suchen, die Kunststoffe wie zum Beispiel Polystyrol abbauen.


C04: Einfluss mikrobieller Diversität und Biofilmbildung auf Abbaumechanismen von Mikroplastik-Partikeln in der Umwelt

Mikroorganismen (MOs, Prokaryoten und Pilze) spielen eine zentrale Rolle bei der Mineralisierung von Mikroplastik (MP) in der Umwelt und stellen ein riesiges unerkanntes genetisches und metabolisches Abbau-Potenzial dar. Es ist daher das Ziel von C04, neue MP-abbauende MOs zu identifizieren, deren MP-Abbauwege aufzuklären, sowie Schlüsselenzym-kodierende Gene des MP-Abbaus und biologische Abbaumechanismen in der Umwelt zu erfassen. Reinkultur-Screenings, Abbauversuche mit Umweltproben und Identifikation von Schlüsselorganismen, stabile Isotopenbeprobung mit 13C-markiertem MP zur Verfolgung des MP-13C-Flusses und Gewinnung von Metagenomen der 13C-MP abbauenden MOs, gerichtete Isolierung, Genomik und Transkriptomik von Reinkulturen und Umweltproben sowie Genexpressionsstudien sollen am MP-Abbau beteiligte Enzym-kodierende Gene und MOs liefern. Beschleunigte Evolution wird zur Gewinnung hocheffizienter MP-abbauender MOs eingesetzt. Weiterhin wird untersucht, ob Biofilme, durch UV-absorbierende Eigenschaften, UV-abhängige Kunststoffoxidation inhibieren können und wie sich die mikrobielle Besiedlung auf die mechanische Stabilität sowie die Oberflächeneigenschaften von Kunststoffen auswirkt. Die hier gewonnenen Erkenntnisse sind zentral für den SFB 1357 und werden einen wesentlichen Beitrag zum Verständnis der Rolle von Mikroorganismen für das Schicksal von MP in der Umwelt liefern, die Erkennung von mikrobiellen ‚hot spots‘ MP abbauender MOs in der Umwelt ermöglichen, sowie eine Grundlage für die Entwicklung MP-Abbau-beschleunigender Additive und umweltfreundlicher Kunststoffe bieten.


C05: Abbau und Verhalten von Kunststoffen und deren Mikroplastik-Partikeln in technischen Systemen der Wasser- und Abfallwirtschaft

Teilprojekt C05 hat zum Ziel, den wichtigen Eintragsweg für Kunststoffe, in Form von Mikroplastik, in die Umwelt aus technischen Anlagen (MP) mechanistisch aufzuklären. Gleichzeitig sollen neue Ansätze verfolgt werden, die zur Vermeidung bzw. Reduktion von MP aus Standardkunststoffen maßgeblich beitragen sollen. Zu diesem Zweck sollen Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol, Nylon, Polyethylenterephthalat, Polyisopren und Polyvinylchlorid durch Beschleuniger (in situ) in ihren Oberflächeneigenschaften für die Biofilmbildung modifiziert und dadurch unter Prozessbedingungen biologisch angreifbar und abbaubar gemacht werden. So können auch Standardkunststoffe umweltverträglicher bezüglich der MP-Partikel Bildung werden. Damit geht TP C05 weit über die bislang üblichen eher deskriptiven Studien zu MP in technischen Anlagen und der Umwelt hinaus.

Folgende zentrale Fragen sollen in TP C05 in Hinblick MP-Partikel in technischen Anlagen der Abfall- und Abwasserwirtschaft beantwortet werden:

  • 1. Kommt es in den Anlagen zu spezifischen (biologischen) Abbau- und Degradationsvorgängen?
  • 2. Wie hängen die zu beobachtenden Prozesse von MP-Charakteristika (Materialsorte, Zusammensetzung, Größe, Morphologie, Beschichtung) ab?
  • 3. Lassen sich die Vorgänge („Bioabbaubarkeit“) durch gezielte Modifikation der Partikeloberfläche vor oder in den Anlagen beschleunigen?
  • 4. Welche ökologischen Konsequenzen einer Ausbringung der (modifizierten) Partikel in die Umwelt und hier vor allem in den Boden lassen sich postulieren?

Verantwortlich für die Redaktion: Dr.rer.nat. Melanie Pöhlmann

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