»Wir machen hier beschleunigte Evolution im Labor.«

von Thomas Stollenwerk · 5. Juli 2019

In Tulln werden Enzyme entwickelt, die Plastik in seine Einzelteile zerlegen können. Sie könnten in der Recycling-Wirtschaft der Zukunft eine wichtige Rolle spielen.

Bisher werden alltägliche Kunststoffe wie PET meist verbrannt oder mit eher geringer Recycling-Quote wiederverwertet. Blickt man auf die Umweltbilanz der praktischen Alltagsmaterialien, ist das Verschwendung. Das Ziel der Forschung sind deshalb Stoffkreisläufe, in denen Plastik mit der Hilfe der Natur zum wiederverwertbaren Material wird. In einem der weltweit führenden Forschungsteams auf diesem Gebiet von Prof. Georg Gübitz leitet Doris Ribitsch am Institut für Umweltbiotechnologie die Molekularbiologie zur Entwicklung von Enzymen in Tulln.

Sie entwickeln biologische Verfahren, um Plastik zu Leibe zu rücken. Kann man das so sagen?

Doris Ribitsch: Das stimmt. Allerdings muss ich dazusagen, dass wir Plastik hier nicht verdammen. Kunststoffe haben nämlich ganz tolle Eigenschaften und sind extrem wichtig für uns, in allen Bereichen des Lebens. Manche Kunststoffe sind regelrecht überlebenswichtig. Sie sind resistent gegenüber Chemikalien und Wettereinflüssen. Man kann Plastik an der Oberfläche modifizieren, damit es besondere Eigenschaften erhält und zum Beispiel hydrophil wird. Es ist außerdem irrsinnig leicht und günstig in der Herstellung. Das ist einfach praktisch.

Aber wo liegen die Nachteile von Kunststoffen?

Doris Ribitsch: Wir haben uns hier am Institut die Gruppe der Polyester herausgegriffen. Dazu zählt zum Beispiel PET, das Polyethylenterephthalat, das immer noch als sehr resistent gegen den Bioabbau gilt. PET wird wie viele andere Kunststoffe auch aus Erdöl hergestellt. Und das ist eine Ressource, die einmal zuneige gehen wird. Es ist sehr schade, dass wir das kostbare Erdöl für Einwegmaterialien verwenden, die wir einfach wegschmeißen. Das ist eines der Probleme an der übermäßigen Plastikverwendung, wie wir sie heute betreiben. Ein anderes Problem ist, dass gerade die positiven Eigenschaften des Plastiks dafür sorgen, dass es nicht biologisch abbaubar ist. Das hat man zumindest gedacht. Es stimmt allerdings nicht zu 100 Prozent. Und das führt zu unserer Arbeit hier im Institut. Wir haben Enzyme isoliert, die in der Lage sind, Plastik abzubauen.

Doris Ribitsch erklärt im Labor am Campus Tulln der Wiener Universität für Bodenkultur, wie aus natürlichen Enzymen biotechnologische Lösungen für das Plastikrecycling von morgen entwickelt werden.

Und diese Enzyme kommen in der Natur vor?

Doris Ribitsch: Ja, zum Beispiel im Komposthaufen. Auch dort gibt es Material, das Polyester enthält. Etwa die Schale von Äpfeln und Tomaten. Die wachsartige Komponente in den Schalen besteht aus dem natürliche Polyester Cutin. Dieses Biomaterial unterscheidet sich strukturell vom künstlichen PET, wird aber beim Kompostieren von natürlichen Enzymen abgebaut.

Was machen Sie mit diesen Enzymen?

Doris Ribitisch: Wir haben zunächst das Cutin aus Apfelschalen isoliert. Dann haben wir Mikroorganismen angezüchtet, die in der Lage sind, Cutin abzubauen. Mit den Enzymen, die den Abbau erledigen, beschäftigen wir uns dann im Labor. Sie können zwar Cutin abbauen, nicht aber PET als nichtnatürliches Substrat. Die Aktivität der Enzyme auf PET ist deutlich geringer und für technische Anwendungen viel zu gering. Genau hier setzen wir an. Denn man kann Enzyme im Labor maßschneidern und an nichtnatürliche Substrate anpassen. Dafür verändert man gewisse Eigenschaften, indem man Aminosäuren austauscht. Zum Beispiel verändert man die Oberfläche, damit das Enzym besser an der PET-Oberfläche bindet.

Sie erzeugen also Enzyme, die an PET binden und dafür sorgen, dass PET zerfällt.

Doris Ribitsch: Genau. Sie müssen sich die Enzymreaktionen so vorstellen: Es gibt ein Substrat, in diesem Fall PET. Das Enzym bindet sich ans Substrat und wirkt wie eine Schere. Es zerschneidet das Plastik in die kleinen Ausgangsmaterialien. Ein Polymer ist ja aus vielen kleinen Bestandteilen aufgebaut. Und das Enzym kann die Bestandteile auseinandernehmen. Es bleiben dann die Ausgangsstoffe übrig. Bei PET sind die Baustoffe vor allem Terephthalsäure und Ethylenglycol. Daraus kann man dann wieder etwas Neues bauen.

Sind diese Ausgangsstoffe ökologisch unbedenklich?

Doris Ribitsch: Ja. Diese Stoffe können von Mikroorganismen im Stoffwechsel verarbeitet werden. Das ist also ein echter Bioabbau. Die Enzyme selbst sind Proteine. Sie sind daher zu 100 Prozent biologisch abbaubar. Und sie arbeiten unter milden, physiologischen Bedingungen in wässrigen Systemen. Man braucht für ihren Einsatz keine Lösungsmittel und keinen Druck. Sie sind also wirklich umweltfreundlich und eine grüne Alternative zu den bisherigen Recycling-Verfahren für PET, speziell in Verbundmaterialien für die etablierte Verfahren schwer anwendbar sind.

Was sind denn die bisherigen Verfahren?

Doris Ribitsch: Bisher war ein Recycling von Verbundmaterialien, die PET enthalten, sehr schwierig und diese wurden meist verbrannt. Verbrennt man diese Kunststoffe, verbrennt man letztlich Erdöl. Das ist eine One-Way-Nutzung, bei der nichts zurück in den Ressourcen-Kreislauf kommt. Es wird verbrannt und weg ist es. Dabei entstehen auch noch Treibhausgase. Unsere Erdöl-Reserven könnten wir wirklich besser und sorgfältiger nutzen.

Am Ende Ihrer Forschungsarbeit könnten also Enzyme stehen, die in Recyclingbetrieben eingesetzt werden?

Doris Ribitsch: Genau. Wir arbeiten mit Firmen zusammen, die unsere Ergebnisse zu Produkten und Anwendungen weiterentwickeln. Zum Beispiel mit einem französischen Unternehmen, das die Enzyme bereits einsetzt und verkauft. Dabei gibt es Abbauraten von über 90 Prozent.

Die Enzyme aus dem Labor sind in der Lage, PET-Strukturen in ihre Einzelteile zu zerlegen.

Spielt es für Ihre Forschung eine Rolle, dass das Plastikproblem in letzter Zeit vermehrt öffentlich diskutiert wird?

Doris Ribitsch: Wir arbeiten schon seit über 20 Jahren an diesen Enzymen und haben einiges an Expertise aufgebaut. Erst jetzt ist das aber zu einem großen Thema geworden. Es dauert wohl immer eine Zeit, bis ein Problem als großes Problem wahrgenommen wird. Es hat vielleicht auch damit zu tun, dass China unseren europäischen Plastikmüll nicht mehr annimmt, sondern wir nun selbst darauf sitzenbleiben. Hinzu kommt die neue EU-Richtlinie zur Reduktion von Einwegplastik. Wenn erst einmal Gesetze da sind, wird natürlich der Druck, Lösungen zu entwickeln, größer.

Sehen Sie im Recycling durch Enzyme die Lösung?

Doris Ribitsch: Ja. Das ist genau das, was wir in der Biotechnologie machen: Wir schauen in die Natur und suchen darin nach Problemlösungen. In unserem Fall geht es um Abbauprozesse. Der passiert in der Natur durch Enzyme. Das ist der natürlichste Weg, den Abbau von Materialien zu betreiben.

Wie weit sind wir noch davon entfernt, dass ihre Methode zum üblichen Recyclingverfahren wird?

Doris Ribitsch: Da ist noch viel Arbeit nötig. Denn es ist heute noch viel billiger, Verbundmaterialien aus Plastik einfach zu verbrennen. Aber das ist kein fairer Wettbewerb. Denn beim Verbrennen erfolgt ja nur eine Entsorgung, aber kein Recycling.

Woran scheitert das Recycling noch?

Doris Ribitsch: Wir müssen unsere Enzyme noch verbessern. Wir haben zwar schon viel erreicht, aber um das Recycling durch Enzyme wirtschaftlich zu machen, müssen die Enzyme Plastik schneller abbauen. Wir sind hier allerdings auf einem guten Weg.

Wie speziell müssen die Enzyme an verbreitete Plastiksorten angepasst sein, damit der natürliche Abbau funktioniert?

Doris Ribitsch: Enzyme sind sehr spezialisiert. Im Labor spezialisieren wir hochspezifische Enzyme aus der Natur noch weiter, um sie an bestimmte Arten von Plastik anzupassen. Wir maßschneidern also Enzyme für völlig unnatürliche Substrate, die noch dazu nicht wasserlöslich sind. So ein Enzym besteht aus ungefähr 300 Aminosäuren. Davon tauschen wir eine oder zwei aus. Das hat bereits einen riesigen Effekt. In ein paar hundert Jahren wird die Natur wahrscheinlich auch evolutionär ein Enzym entwickelt haben, das das unnatürliche Substrat PET abbauen kann. Nur können wir so lange nicht warten. Wir machen hier beschleunigte Evolution im Labor.

Kann das langfristig auch das Problem der Plastikverschmutzung der Meere lösen?

Doris Ribitsch: Es wäre vermessen, zu behaupten, alle Probleme durch unsere Methode lösen zu können. Dafür sind die Probleme einfach zu vielfältig. Es macht einen großen Unterschied, ob man sich mit Mikroplastik im Meer beschäftigt, oder mit gesammeltem, sortiertem Plastikmüll. Um das Plastikmüllproblem in den Griff zu bekommen, brauchen wir viele verschiedene Ansätze. Unser Ansatz ist einer davon.

Stoßen Ihre Ansätze auch in der Kunststoffindustrie auf Interesse?

Doris Ribitsch: Wir haben auch gemeinsame Forschungsprojekte mit großen Kunststoffherstellern und Müllentsorgungsunternehmen. Hier findet ein Know-how-Transfer statt, bei dem es um die Entwicklung des Plastiks der Zukunft geht. Wir wissen ja, was notwendig ist, damit Plastik natürlich abbaubar ist. Und das Plastik der Zukunft sollte den natürlichen Abbau unterstützen.

Man entwickelt also die Enzyme, die zum Plastik passen, und das Plastik, das zu diesen Enzymen passt. Welche Rolle spielen die Plastiksorten, die bereits heute als Bioplastik vermarktet werden?

Doris Ribitsch: Die sind noch nicht ganz das, was wir gerne hätten. Der Begriff Bioplastik suggeriert einerseits, dass es aus nachwachsenden Rohstoffen besteht, und andererseits, dass es bioabbaubar ist. Das ist, was sich die Konsumierenden erwarten. Allerdings ist Bioplastik anders definiert. Es besteht entweder aus nachwachsenden Rohstoffen, oder es ist biologisch abbaubar. Das Oder macht einen großen Unterschied. Es gibt biologisch abbaubares Plastik, das aus Erdöl besteht. Und es gibt Plastik aus nachwachsenden Rohstoffen, das aber nicht bioabbaubar ist. Das ist eine Diskrepanz. Mit dem Begriff Bioplastik muss man also aufpassen und genau hinschauen, wenn man umweltfreundlich handeln möchte. Es macht keinen Sinn, Plastik gegen nachwachsendes Bioplastik auszutauschen, für das am Ende Urwälder gerodet werden müssen. Hier muss man sehr gut abwägen, was wirklich grün und bio ist.

Können einzelne Konsumierende das überhaupt abwägen?

Doris Ribitsch: Es gibt inzwischen viele verschiedene Labels und Zertifikate, die angeben, was ökologisch sinnvoll ist, und was weniger. Aber ich muss zugeben, dass das für Konsumierende sehr schwierig zu überblicken ist. Eine der besten Maßnahmen bleibt es, einfach weniger Plastik zu verwenden. Wenn man ein Plastiksackerl zweimal statt einmal verwendet, reduziert man den Müll um 50 Prozent – eine einfache Rechnung. Das ist noch immer die wirksamste Methode. Es geht letztlich um drei Säulen: re-use, also Wiederverwenden; re-cycle, Stoffkreisläufe aufbauen; und re-duce, weniger verwenden.

Werden wir in zwanzig Jahren deutlich weniger Plastik einsetzen, oder einfach anderes, besseres Plastik?

Doris Ribitsch: Beides. Die eine Lösung für das Plastikproblem wird es nicht geben, weil es so vielfältig ist. Es gibt Bereiche, in denen man Plastik leicht ersetzen kann. Es gibt aber auch Bereiche, in denen das kaum geht. Zum Beispiel in der Medizin, oder auch in der Automobilindustrie. Wenn ein Auto nicht so viele Plastikteile hätte, wäre es schwerer und würde so viel Kraftstoff verbrauchen, dass es deutlich umweltschädlicher wäre. In der Automobilindustrie gibt es deshalb Bemühungen, wieder mehr holzbasierte Materialien zu verwenden, weil auch Holz leicht ist. Man muss für einzelnen Produkte und Anwendungen Lösungen finden, um Plastik zu reduzieren oder zu ersetzen. Aber es gibt Anwendungsbereiche, in denen wir Plastik einfach nicht ersetzen können.

Die Wissenschaftlerin Doris Ribitsch forscht am Institut für Umweltbiotechnologie der BOKU Wien am Campus Tulln sowie am Austrian Centre for Industrial Biotechnology (ACIB) an Recyclingtechnologien, die natürliche Zersetzungsprozesse nutzen.