Schabe Blaptica dubia baut Polystyrol mit Darmmikroben ab

Polystyrol ist ein Kunststoff, der nur schwer abgebaut wird. Er ist leicht, günstig und allgegenwärtig – von Schaumstoffverpackungen bis zu Take-away-Behältern. In der Umwelt kann er jedoch sehr lange bestehen bleiben.

Zerfällt Polystyrol erst einmal zu Mikroplastik, kann es über sehr lange Zeit in Böden und Gewässern verbleiben, 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 spannend ist dabei nicht allein, dass der Kunststoff scheinbar „verschwindet“.

Die Forschenden stellten fest, dass die Schabe und ihre Darmmikroben als Team agieren.

Zunächst bauen Mikroben den Kunststoff chemisch ab. Anschließend scheint der Stoffwechsel der Schabe einen Teil dieser Abbauprodukte zu übernehmen und wie Brennstoff zu verwerten.

Was geschieht mit dem Kunststoff?

Seit einiger Zeit ist bekannt, dass einige Insekten, etwa Mehlwürmer, Polystyrol bis zu einem gewissen Grad anfressen können.

Die Abbauraten sind jedoch meist gering. Zudem lässt sich oft nur schwer unterscheiden, ob ein Insekt das Polymer tatsächlich abbaut oder es hauptsächlich in kleinere Partikel zermahlt.

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

Durchgeführt wurde die Arbeit von Forschenden des Harbin Institute of Technology gemeinsam mit Kooperationspartnern der Stanford University.

Polystyrol auf dem Weg durch eine Schabe

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

Die Forschenden geben dafür eine Abbaurate von 3.3 mg je Schabe und Tag an. Nach ihrer Einschätzung liegt diese deutlich über den bisher bei anderen kunststofffressenden Insekten gemeldeten Werten.

Ein reiner „Masseverlust“ kann für sich genommen irreführend sein: Kunststoff kann zerfallen, an Oberflächen haften bleiben oder bei der Handhabung verloren gehen.

Das Team untersuchte daher genau, wie der nach der Passage durch das Insekt verbleibende Kunststoff chemisch beschaffen war.

Belege für chemischen Abbau

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

Sie beobachteten einen deutlichen Rückgang der Polymerkettenlänge: Die Gelpermeationschromatografie zeigte, dass das zahlenmittlere Molekulargewicht um 46.4% sank. Dies weist auf eine Depolymerisation hin, bei der die Ketten aufgespalten werden.

Weitere Untersuchungen mittels FTIR, NMR, thermogravimetrischer Analyse und Py-GC/MS ergaben neue sauerstoffhaltige Gruppen. Das gilt als Hinweis auf Oxidation und Kettenspaltung sowie sogar auf Veränderungen, die mit Modifikationen der Struktur des aromatischen Rings vereinbar sind.

Die Fachleute nutzten außerdem eine Kohlenstoffisotopenverfolgung und berichteten von einer Anreicherung von δ¹³C im restlichen Kunststoff. Sie deuten dies als Beleg dafür, dass biologische Prozesse bevorzugt leichtere Kohlenstoffisotope nutzten.

Zusammen mit den chemischen Signaturen sehen die Autorinnen und Autoren darin eine Stütze für eine teilweise Mineralisierung und die metabolische Nutzung von kunststoffstämmigem Kohlenstoff.

Kunststofffreundliche Bakterien im Darm

Die Schabe bewältigt diese Aufgabe nicht allein. Metagenomische Sequenzierungen zeigten, dass die Fütterung mit Polystyrol das Darmmikrobiom veränderte und Bakteriengruppen anreicherte, die häufig mit dem Abbau widerstandsfähiger organischer Verbindungen in Verbindung gebracht werden.

Die Studie hebt Pseudomonas, Citrobacter, Klebsiella und Stenotrophomonas als Taxa hervor, die stärker in Erscheinung traten.

Parallel zu dieser Verschiebung wies die Darmgemeinschaft eine Anreicherung von Enzymfamilien wie Oxidoreduktasen und Transferasen auf – genau jene Werkzeuge, die bei einer oxidativen Chemie an einem widerstandsfähigen Polymer zu erwarten wären.

In ihrer Netzwerkanalyse beschreiben die Autorinnen und Autoren eng verknüpfte Mikroben-Enzym-Module, die offenbar die Oxidation aromatischer Verbindungen unterstützen. Das passt zu den chemischen Befunden, wonach der Kunststoff oxidiert wurde.

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 einen starken Anstieg bei Signalwegen, die mit Energiegewinnung und Kohlenstoffnutzung verbunden sind.

Zu diesen Signalwegen zählten 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 Hinweis darauf, dass die Schabe die kleineren Zwischenprodukte aufnimmt, sobald die Mikroben Polystyrol entsprechend aufgespalten haben, und sie in ihren eigenen Energiestoffwechsel einbaut.

Der vorgeschlagene Ablauf lautet: Mikroben beginnen den chemischen Angriff, während die Schabe den Prozess abschließt, indem sie die Produkte in ihre eigenen „Kraftwerks“-Signalwege leitet.

Ein vollständig integriertes System

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

„Die Schabe zerkleinert Polystyrol nicht einfach – sie verarbeitet die Abbauprodukte über ihre eigenen Energie-Signalwege stoffwechselaktiv.“

„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 gerade interessant. Sie legt nahe, dass sich bei der biologischen Sanierung von Kunststoff weiterkommen lässt, wenn man Systeme – Gemeinschaften und Stoffwechselketten – betrachtet, statt nach einem einzigen perfekten Enzym zu suchen.

Schaben und Polystyrolabbau

Die Botschaft lautet nicht: Schaben sollen zur Lösung der Plastikverschmutzung freigesetzt werden. Die Fachleute betonen, dass es weder praktikabel noch ratsam wäre, Schaben in die Umwelt auszusetzen.

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

Wenn Forschende diesen Prozess entschlüsseln können, lassen sich die wichtigsten Mikroben und Enzyme bestimmen. Ebenso können sie feststellen, welche Zwischenmoleküle der Wirt tatsächlich verwerten 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 dahinter ist, dass Insekten möglicherweise über mehr evolutionäre Flexibilität verfügen, als man ihnen üblicherweise zugesteht.

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

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