Bakterienstamm für die Produktion von Biokunststoffen aus Klärschlamm und Abwasser aufgedeckt

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Salztolerante Bakterien mit Appetit auf Klärschlamm stellen biologisch abbaubare Kunststoffe her
Mit Hilfe eines Bakterienstamms, der in Mangroven vorkommt, haben Forscher der Texas A&M eine kostengünstige und nachhaltige Methode zur Herstellung von Biokunststoffen aus Klärschlamm und Abwasser entdeckt.
In den Vereinigten Staaten fallen jährlich sieben Millionen Tonnen Klärschlamm an, genug um 2.500 Schwimmbecken von olympischer Größe zu füllen.

Während ein Teil dieses Abfalls für Dünger und andere Landanwendungen wiederverwendet wird, landet ein erheblicher Teil immer noch auf Mülldeponien.

In einer neuen Studie haben Forscher der Texas A&M University einen effizienten Weg gefunden, um aus dem Restschlamm biologisch abbaubare Kunststoffe herzustellen.
In der Septemberausgabe der Zeitschrift American Chemical Society (ACS) Omega berichten die Forscher, dass das Bakterium Zobellella denitrificans ZD1, das in Mangroven vorkommt, Schlamm und Abwasser verbrauchen kann, um Polyhydroxybutyrat zu produzieren, eine Art Biopolymer, das anstelle von erdölbasierten Kunststoffen verwendet werden kann.

Zusätzlich zur Verringerung der Belastung von Mülldeponien und der Umwelt, sagen die Forscher, dass Zobellella denitrificans ZD1 einen Weg bietet, die vorgelagerten Kosten für die Herstellung von Biokunststoffen zu senken, ein Schritt, um sie wettbewerbsfähiger gegenüber herkömmlichen Kunststoffen zu machen.

“Der Preis der Rohstoffe für die Kultivierung der Biopolymer-produzierenden Bakterien macht 25-45% der gesamten Produktionskosten für die Herstellung von Biokunststoffen aus.

Diese Kosten können sicherlich stark reduziert werden, wenn wir eine alternative Ressource anzapfen können, die billiger und leicht erhältlich ist”, sagte Kung-Hui (Bella) Chu, Professorin am Zachry Department of Civil and Environmental Engineering. “Wir haben einen Weg aufgezeigt, wie man kommunalen Belebtschlamm und Industrieabwässer aus der Agrar- und Aquakultur zur Herstellung von biologisch abbaubaren Kunststoffen nutzen kann.

Außerdem benötigt der Bakterienstamm keine aufwendigen Sterilisationsprozesse, um eine Kontamination durch andere Mikroben zu verhindern, was die Betriebs- und Produktionskosten von Biokunststoffen weiter senkt.”
Polyhydroxybutyrat, eine aufstrebende Klasse von Biokunststoffen, wird von verschiedenen Bakterienarten produziert, wenn sie ein Ungleichgewicht an Nährstoffen in ihrer Umgebung erfahren.

Dieses Polymer dient den Bakterien als zusätzliche Energiereserve, ähnlich wie Fettdepots bei Tieren.

Insbesondere ein Überfluss an Kohlenstoffquellen und ein Mangel an Stickstoff, Phosphor oder Sauerstoff veranlassen Bakterien dazu, ihre Kohlenstoffquellen unregelmäßig zu verbrauchen und als Stressreaktion Polyhydroxybutyrat zu produzieren.
Ein solches Medium, das Bakterien zur Bildung von Polyhydroxybutyrat zwingen kann, ist Rohglycerin, ein Nebenprodukt der Biodieselherstellung.

Rohglycerin ist reich an Kohlenstoff und enthält keinen Stickstoff, was es zu einem geeigneten Rohmaterial für die Herstellung von Biokunststoffen macht. Rohglycerin enthält jedoch Verunreinigungen wie Fettsäuren, Salze und Methanol, die das Wachstum von Bakterien behindern können. Wie Rohglycerin enthält auch Schlamm aus Abwasser viele der gleichen Fettsäuren und Salze.

Chu sagte, dass die Auswirkungen dieser Fettsäuren auf das Bakterienwachstum und folglich auf die Polyhydroxybutyrat-Produktion noch nicht untersucht wurden.
“Es gibt eine Vielzahl von Bakterienarten, die Polyhydroxybutyrat herstellen, aber nur wenige, die in salzreichen Umgebungen überleben können, und noch weniger unter diesen Stämmen können Polyhydroxybutyrat aus reinem Glycerin herstellen”, sagte Chu. “Wir haben untersucht, ob diese salztoleranten Stämme auch auf rohem Glycerin und Abwasser wachsen können.”
Für ihre Studie wählten Chu und ihr Team die Zobellella denitrificans ZD1, deren natürlicher Lebensraum das Salzwasser der Mangroven ist.

Sie testeten dann das Wachstum und die Fähigkeit dieses Bakteriums, Polyhydroxybutyrat in reinem Glycerin zu produzieren.

Die Forscher wiederholten die gleichen Experimente auch mit anderen Bakterienstämmen, die als Produzenten von Polyhydroxybutyrat bekannt sind.

Sie fanden heraus, dass Zobellella denitrificans DZ1 in der Lage war, in reinem Glycerin zu gedeihen und die maximale Menge an Polyhydroxybutyrat im Verhältnis zu seinem Gewicht ohne Wasser zu produzieren.
Als nächstes testete das Team das Wachstum und die Fähigkeit von Zobellella denitrificans ZD1, Polyhydroxybutyrat in Glycerin zu produzieren, das Salz und Fettsäuren enthält.

Sie fanden heraus, dass es selbst unter diesen Bedingungen effizient Polyhydroxybutyrat produzierte, selbst unter ausgeglichenen Nährstoffbedingungen.

Als sie die Experimente in Proben von hochfestem synthetischem Abwasser und abwasseraktiviertem Schlamm wiederholten, stellten sie fest, dass das Bakterium immer noch in der Lage war, Polyhydroxybutyrat zu produzieren, wenn auch in geringeren Mengen als in rohem Glycerin.
Chu merkte an, dass durch die Ausnutzung der Toleranz von Zobellella denitrificans ZD1 gegenüber salzhaltigen Umgebungen teure Sterilisationsprozesse, die normalerweise bei der Arbeit mit anderen Bakterienstämmen erforderlich sind, vermieden werden könnten.
“Die natürliche Vorliebe von Zobellella denitrificans ZD1 für Salzgehalt ist fantastisch, weil wir bei Bedarf die chemische Zusammensetzung des Abfalls durch einfache Zugabe von Kochsalzen verändern können.

Diese Umgebung wäre für andere Bakterienstämme toxisch”, sagte sie. “Wir bieten also eine kostengünstige, eine s

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