Upcycling of plastic monomers by mixed microbial cultures

Utomo, Romualdus Nugraha Catur; Blank, Lars M. (Thesis advisor); Wierckx, Nick (Thesis advisor)

1. Auflage. - Aachen : Apprimus Verlag (2022)
Buch, Doktorarbeit

In: Applied microbiology 28
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Kurzfassung

Aufgrund ihrer Robustheit, vielseitigen Eigenschaften, und ihres günstigen Preises werden Kunststoffe für so unterschiedliche Anwendungen wie Knochenschrauben in der Medizintechnik und Verpackungen im Lebensmittelbereich in immer größeren Mengen verwendet. Das Umweltproblem, das durch unsachgemäß behandelten Plastikmüll verursacht wird, ist in vielen Teilen dieser Welt weit verbreitet und führt zu Kontaminationen des Bodens und der Meeresökosysteme. Um diese Herausforderung anzugehen, muss das End-of-Life von Kunststoff in der Wertschöpfungskette berücksichtigt werden. Eine noch nicht industriell umgesetzte Möglichkeit besteht darin, den Kunststoffabfall als Kohlenstoffquelle für Mikroben zu nutzen und Wertprodukte herzustellen. Im Idealfall sind die produzierten Produkte höherwertig als das Originalprodukt aus Kunststoff und werden daher nicht rezykliert sondern "upzykliert", ein Thema der hier vorgestellten Doktorarbeit. Polyurethane (PU) und Polyethylenterephthalat (PET) gehören zu den Top 10 der hergestellten Kunststoffe und können teilweise oder vollständig enzymatisch abgebaut werden. Diese in der Natur vorkommenden Enzyme können diese Polymere hydrolysieren und dann die Monomere wie Adipinsäure, 1,4-Butandiol, Ethylenglycol, 2,4-Toluylendiamin und Terephthalsäure freisetzen. Die Kunstoffmonomere können von Mikroorganismen wie dem biotechnologischen Arbeitstier Pseudomonas putida KT2440 oder neuen Spezies wie Pseudomonas capeferrum TDA1 als Kohlenstoffquelle genutzt werden, um hochwertige Produkte wie Rhamnolipide, Phenazine und Polyhydroxyalkanoate herzustellen, die in dieser Arbeit vorgestellt werden. Diese Arbeit stellt eine definierte Mischkultur vor, die ein PU-Hydrolysat als einzige Kohlenstoffquelle für das Wachstum und die Mono-Rhamnolipid-Synthese verwendet. Das Isocyanat-Derivat 2,4-Toluylendiamin (TDA) zeigte starke Hemmwirkung und wurde daher vor der Verwendung von Kohlenstoff mit 5 Gew.-% Di-(2-ethylhexyl)-Phosphorsäure (D2EHPA) in Paraffinöl extrahiert. Die Extraktion von TDA war notwendig, obwohl ein Mitglied des Konsortiums dieses Kunststoffmonomer abbauen konnte, was darauf hinweist, dass das biochemische Potenzial und die Raten der verschiedenen Mitglieder bei der Gestaltung von Mischkulturen berücksichtigt werden müssen. Als alternativer Ansatz wurde eine konsolidierte Mutante basierend auf P. capeferrum TDA1 etabliert, die alle Monomere aus PU und PET nutzt und Monorhamnolipide produziert. P. capeferrum TDA1 kann nativ Adipinsäure, 1,4-Butandiol und 2,4-Toluoldiamin verwenden, jedoch nicht Ethylenglycol und Terephthalsäure. Adaptive Laborevolution wurde durchgeführt, um das Wachstum auf Ethylenglykol zu ermöglichen, während das tph-Operonvon P. umsongensis GO16 transformiert wurde, um das Wachstum auf Terephthalsäure zu ermöglichen. Die Ergebnisse werden im Kontext der Bow-Tie-Struktur des Stoffwechsels und Plastikmüll als Kohlenstoffquelle in einer zirkulären (Bio)Ökonomie diskutiert.

Einrichtungen

• Fachgruppe Biologie [160000]
• Lehrstuhl für Angewandte Mikrobiologie [161710]