Mikrobieller Abbau synthetischer Polymere und anderer Verbindungen

Die Arbeitsgruppe untersucht den biologischen Abbau verschiedener synthetischer Polymere, in erster Linie Polyethyleneglykol (PEG) und Polypropylenglykol (PPG), aber auch Polyvinylalkohol (PVA) oder Polyacrylat (PA). Dem biologischen Abbau dieser wasserlöslichen Polymere kommt eine besondere Bedeutung zu, da sie aufgrund ihrer Verwendung als nicht-ionische Detergenzien (PEG) in Waschmitteln, aber auch als Emulgatoren in Kosmetika (PPG) oder Chelatbildnern (PA) nicht recyklisiert und wiederverwertet werden.

Ein Hauptarbeitsgebiet beim Abbau synthetischer Polymere ist die mikrobielle Spaltung von Etherbindungen. Diese ist ein bemerkenswertes Phänomen, da die Energie einer C-O-Bindung 360 kJ/mol beträgt, und diese Energie zur Spaltung erst aufgebracht werden muß, wobei meist nur eine geringe Menge an assimilierbarem Kohlenstoff freigesetzt wird. Im Falle des PEG wäre dies eine C2-Einheit, beim PPG eine C3-Einheit.
Weiterhin wurde der mikrobielle Abbau des von der Firma Bayer AG (Leverkusen) neu eingeführten Komplexbildners Iminodisuccinat (IDS) untersucht. Parallel zum Abbau von Polyisoprenoiden wurde der mikrobielle Abbau des gesättigten und verzweigten Kohlenwasserstoffs Squalan untersucht.

Methoden und Strategien

Die Arbeiten umfassen sowohl die Isolierung und Charakterisierung von Bakterien, welche in der Lage sind, die gegebenen Substanzen zu verstoffwechseln, als auch die Untersuchung der physiologischen, biochemischen und molekularbiologischen Grundlagen, die diesen mikrobiellen Abbauleistungen zu Grunde liegen.

Bei der Isolierung der abbauenden Mikroorganismen werden zunächst klassische Anreicherungsverfahren verwendet. Hierdurch wurden z.B. aus Flüssen, Erde oder Belebtschlamm diverse Reinkulturen von Bakterien isoliert, welche ein gegebenes Polymer biologisch abbauen können. Die Identifizierung der Isolate erfolgt anhand von morphologischen, biochemischen und genetischen (16S rDNA) Merkmalen. So wurden zwei PEG abbauende Isolate den Gattungen Acinetobacter und Pseudomonas zugeordnet und ein PPG abbauendes Bakterium als Agrobacterium tumefaciens identifiziert.
Die Wachstums- und Abbauvorgänge lassen sich im Labormaßstab verfolgen, wobei die Abbauprodukte durch Gelpermeationschromatographie (GPC), Hochleistungsflüssigkeits-chromatographie (HPLC), Gaschromatographie (GC) oder Farbreaktionen nachgewiesen werden.

Aus diesen Daten lassen sich nun Enzymtests entwickeln, durch welche man weiteren Aufschluß über die beteiligten Stoffwechselwege und ihre Induzierbarkeit erhält. Eine Isolierung und biochemische Charakterisierung der am Abbau beteiligten Enzyme schließt sich in der Regel an.
Neben den enzymatischen Untersuchungen werden molekularbiologische Untersuchungen durchgeführt. So konnte die Bedeutung der PPG-Dehydrogenase für den Abbau mittels transposoninduzierter Mutanten gezeigt werden. Mit der Klonierung und Sequenzierung des am PEG Abbau beteiligten adh-Gens aus dem Isolat Acinetobacter ZEE II sind erstmals genetische Informationen über am Abbau dieser Polymere beteiligten Enzyme zugänglich.
Aus diesen Informationen wird sich ableiten lassen, wie Mikroorganismen ihre Stoffwechselwege an die Nutzung neuer Xenobiotica anpassen können und welche regulatorischen Mechanismen hinter dem Abbau stehen.

Stichwörter

Polyethylenglykol, Polypropylenglykol, Polyacrylat, Polyvinylalkohol, Iminodisuccinat, Squalan, biologischer Abbau

Literatur

Am Projekt beteiligte Mitarbeiter
 Koorperationspartner, Förderung, Finanzierung
Früher: Christin Aerts
Mahmoud Berekaa
Martin Kügler
Jürgen R.J. Paletta
Frank Reineke
Alexander Steinbüchel
 Derzeit keine

I Publications in peer reviewed journals (original contributions)

  1. Drewlo, S., C. O. Brämer, M. Madkour, F. Mayer, and A. Steinbüchel. 2001. Cloning and expression of a Ralstonia eutropha HF39 gene mediating indigo formation in E. coli. Appl. Environ. Microbiol. 67:1964-1969.
  2. Reinecke, F., T. Groth, K.-P. Heise, W. Joentgen, N. Müller, A. Steinbüchel. 2000. Isolation and characterization of Alcaligenes xylosoxidans strain B3 and other bacteria capable to degrade the synthetic chelating agent iminodisuccinate. FEMS Microbiol. Lett. 188:41-46.
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  4. Füchtenbusch, B., D. Fabritius, and A. Steinbüchel. 1996. Incorporation of 3-hydroxy-2-methylbutyric acid into polyhydroxyalkanoic acids by axenic cultures in defined media. FEMS Microbiol. Lett. 138:153-160.
  5. Jendrossek, D., I. Knoke, R. Habibian, A. Steinbüchel, D., and H. G. Schlegel. 1992. Degradation of poly(3-hydroxybutyric acid), PHB, by bacteria and purification of a novel PHB depolymerase from Comamonas sp. J. Environ. Polym. Degrad. 1:53-63.

II Other original contributions

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  2. Pickartz, S., F. B. Oppermann and A. Steinbüchel. 1996. Biodegradation of poly-g -glutamic acid. In: DECHEMA Monographs, Vol. 133 (Eds. W. Sand und G. Kreysa), pp. 655-662.

III Review arcticles in peer reviewed journals or books

  1. Steinbüchel, A. 2001. New degradable resins. In: H. J. Rehm, G. Reed, A. Pühler and P. Stadler (eds.) Biotechnology, 2nd Edition, Wiley-VCH, Weinheim, pp. 423-438.
  2. Linos, A., and A. Steinbüchel. 2001. Biodegradation of natural and synthetic rubbers. In: Koyama and A. Steinbüchel (eds.) Biopolymers – Vol. 2, 1st Edition, Wiley-VCH, Weinheim, pp. 321-359.
  3. Steinbüchel, A. 1996. PHB and other polyhydroxyalkanoic acids. In: H. J. Rehm, G. Reed, A. Pühler and P. Stadler (eds.) Biotechnology, 2nd Edition, Vol. 6, pp. 403-464.
  4. Steinbüchel. 1992. Biodegradable plastics. Current Opinion in Biotechnology 3:291-297.

IV Other review articles

  1. Oppermann, F.B., S. Pickartz and A. Steinbüchel. 1998. Biodegradation of polyamides. Polym. Degrad. Stabil. 59:337-344.
  2. Steinbüchel, A. 1996. Forscher suchen biologisch abbaubare "Kunststoffe": Ein neues Feld für Ackerbauern. Bauernblatt für Schleswig-Holstein und Hamburg 146:11-13.
  3. Steinbüchel, A. 1996. Biodegradability of polymers and mechanisms of biodegradation. In: DECHEMA Monographs, Vol. 133 (Eds. W. Sand und G. Kreysa), pp. 245-254.
  4. Steinbüchel, A. 1996. Synthese und Produktion biologisch abbaubarer Thermoplaste und Elastromere: gegenwärtiger Stand und Ausblick. Kautschuk Gummi Kunststoffe 49:120-124.
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  6. Steinbüchel, A. 1995. Biologischer Abbau von polymeren Strukturen. Chemie in Labor und Biotechnik. 46:60-67.
  7. Steinbüchel, A. 1994. Biologischer Abbau polymerer Strukturen. BioEngineering 10:58-59.
  8. Steinbüchel, A. 1993. Materialien aus nachwachsendenden Rohstoffen: geeignet für die Kompostierung ? Proceedings "Perspektiven der biologischen Abfallbehandlung. Biologische Behandlungsverfahren als ein Eckpfeiler einer zukunftsorientierten ökologischen Abfallwirtschaft". July 6 - 7, 1992, (Ed.) Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit pp.205-220.
  9. Steinbüchel, A. 1992. Umwelt/neue Materialien. Proceedings Workshop: Molekulare Naturstofforschung". (Ed.) Bundesministerium für Forschung und Technologie