Schaben bauen 54.9% Polystyrol in 42 Tagen ab

Polystyrol ist ein Kunststoff, der sich nur schwer zersetzt. Er ist leicht, preiswert und allgegenwärtig – von Schaumstoffverpackungen bis zu Behältern für Speisen zum Mitnehmen –, kann aber sehr lange in der Umwelt verbleiben.

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

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

Die Forschenden stellten fest, dass die Schabe mit ihren Darmmikroben zusammenarbeitet.

Zunächst verändern Mikroorganismen den Kunststoff chemisch; anschliessend scheint der Stoffwechsel der Schabe einen Teil dieser Abbauprodukte wie Brennstoff weiterzuverarbeiten.

Was geschieht mit dem Kunststoff?

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

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

Diese Studie verfolgt den gesamten Prozess: das Schicksal des Polymers, Veränderungen im Darmmikrobiom und die Vorgänge im Inneren der Schabe, nachdem der Kunststoff zu kleineren Molekülen umgewandelt 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. Über einen Zeitraum von 42 Tagen bauten sie laut Studie 54.9% der aufgenommenen Menge ab.

Die Forschenden geben dafür eine Abbaurate von 3.3 mg je Schabe und Tag an, die ihren Angaben zufolge deutlich über den bisher bei anderen kunststofffressenden Insekten gemeldeten Werten liegt.

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

Deshalb untersuchte das Team sorgfältig, wie sich das verbliebene Polystyrol nach der Passage durch das Insekt chemisch verändert hatte.

Hinweise auf einen chemischen Abbau

Die Forschenden verglichen ursprüngliches Polystyrol mit Polymer, das aus Frass – dem Insektenkot – zurückgewonnen worden war, und fanden mehrere Hinweise auf einen tatsächlichen chemischen Abbau.

Die Grösse der Polymerketten nahm deutlich ab: Die Gelpermeationschromatographie 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 erfassten neue sauerstoffhaltige Gruppen. Das spricht für Oxidation und Kettenspaltung sowie sogar für Veränderungen, die zu Modifikationen der aromatischen Ringstruktur passen.

Die Fachleute nutzten zudem eine Kohlenstoff-Isotopenmarkierung und berichteten über eine Anreicherung von δ¹³C im restlichen Kunststoff. Sie deuten dies als Hinweis darauf, dass biologische Prozesse bevorzugt leichtere Kohlenstoffisotope verwerteten.

Zusammen mit den chemischen Signaturen werten die Autoren dies als Unterstützung für eine teilweise Mineralisierung und eine metabolische Nutzung des aus Kunststoff stammenden Kohlenstoffs.

Kunststoffabbauende Bakterien im Darm

Die Schabe bewältigt diese Aufgabe nicht allein. Metagenomische Sequenzierungen ergaben, dass Polystyrol als Nahrung das Darmmikrobiom veränderte und Bakteriengruppen anreicherte, die häufig mit dem Abbau widerstandsfähiger organischer Verbindungen in Zusammenhang stehen.

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

Parallel zu dieser Verschiebung war die Darmgemeinschaft an Enzymfamilien wie Oxidoreduktasen und Transferasen reicher – genau jene Werkzeuge, die bei einer oxidativen Chemie an einem widerstandsfähigen Polymer zu erwarten wären.

In ihrer Netzwerkanalyse beschreiben die Autoren eng verknüpfte Mikroben-Enzym-Module, die offenbar die Oxidation aromatischer Verbindungen unterstützen. Das stimmt mit den chemischen Befunden überein, 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 deutlichen Anstieg bei Stoffwechselwegen, die mit Energiegewinnung und Kohlenstoffnutzung verbunden sind.

Dazu gehörten β-Oxidation, NADH-Dehydrogenase, oxidative Phosphorylierung und der TCA-Zyklus.

Mit diesem Stoffwechselapparat wandeln Tiere fettsäureähnliche Moleküle und andere Kohlenstoffquellen in Energie um.

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

Dem vorgeschlagenen Ablauf zufolge beginnen die Mikroben den chemischen Angriff, während die Schabe den Prozess vollendet, indem sie die Produkte in die Stoffwechselwege ihres eigenen „Kraftwerks“ 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 fragmentiert Polystyrol nicht einfach – sie verarbeitet die Abbauprodukte über ihre eigenen Energiewege metabolisch.“

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

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

Schaben und Polystyrolabbau

Die Botschaft lautet nicht: „Setzt Schaben frei, um das Plastikproblem zu lösen.“ 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.

Können Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler diesen Prozess entschlüsseln, lässt sich feststellen, welche Mikroben und Enzyme besonders wichtig sind. Ausserdem können sie ermitteln, 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, leicht verblüffende Idee lautet, dass Insekten möglicherweise evolutiv anpassungsfähiger sind, als ihnen gewöhnlich zugeschrieben wird.

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 eigenständig zu beseitigen, aber ausreichend, um uns neue Ansätze für den Umgang damit zu vermitteln.

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