Die Plastikfresser: Mikroben gegen die Plastikflut im Ozean

Viele von uns nehmen es kaum noch wahr. Man sitzt irgendwo am Ufer eines Gewässers, badet vielleicht, und im Wasser treibt ein milchiger Fetzen vorbei. Plastikfolie. Es kann natürlich auch ein zerborstener Joghurtbecher sein, ein ausgedientes Wattestäbchen oder eine PET-Flasche – die Auswahl ist schließlich riesig. Genauso wie die Menge: Hochrechnungen zufolge produziert die Weltbevölkerung jedes Jahr über 300 Millionen Tonnen Plastikabfälle, Tendenz: steigend. Die Entsorgung ist, gelinde gesagt, mangelhaft. Bis zu 13 Millionen Tonnen dürften alljährlich in Flüssen, Seen und letztlich im Meer landen. Eine gigantische Flutwelle aus Müll.

Anne-Leïla Meistertzheim kennt die Folgen aus nächster Nähe. Die Biologin des Observatoire Océanologique im südfranzösischen Banyuls-sur-Mer widmet sich schon seit Jahren der Plastikpest. Bereits 2014 untersuchten sie und einige Kollegen an Bord des Forschungsschiffs „Tara“ die Kunststoffkontamination des westlichen Mittelmeeres. In manchen Gebieten fanden die Wissenschaftler genauso viele Plastikteilchen wie Zooplankton – also Krebse, Flügelschnecken und anderes im Wasser treibendes Kleingetier. „Das ist zu viel“, sagt Meistertzheim trocken. Es sei kein Wunder, dass der Müll längst auch in die Nahrungskette eingedrungen ist. Muscheln zum Beispiel filtern Mikroplastik in großen Mengen aus dem Wasser. Könnte der Verzehr von Meeresfrüchten deshalb ein Gesundheitsrisiko sein? Bisher ist das noch nicht erforscht, sagt Meistertzheim. Die Muschelzüchter indes machten sich schon Sorgen, verständlicherweise.

Das Interesse der Expertin gilt allerdings nicht nur dem Plastikmüll selbst. In der Natur wird fast alles irgendwie von irgendwem besiedelt. Das gilt, so fanden Forscher heraus, sogar für langlebige Kunststoffpartikel im Meer.

2013 beschrieb ein US-amerikanisches Team erstmalig ganze Kolonien von Mikroorganismen, die es auf schwimmendem Abfall im Nordatlantik entdeckt hatte: Hunderte verschiedene Bakterienarten, Diatomeen, Algen, Cyanobakterien und sogar räuberische Wimpertierchen hatten auf und in dem Abfall ein regelrechtes Ökosystem erschaffen. Die Wissenschaftler tauften die neu entdeckte Welt Plastisphäre.

Stetige Entwicklung ist eines der Grundgesetze des Lebens, und so hat sich das globale Heer der Mikroben darangemacht, auch den Plastikmüll im Meer zu erobern. Für Anne-Leïla Meistertzheim faszinierend: „Da ist wahrscheinlich ein neuer Evolutionsprozess im Gange.“ Mit eigenen Selektionsmustern und „richtig komplex“.

Drei Jahre nach der Entdeckung der Plastiphäre stießen japanische Biologen in einer Recyclinganlage auf eine bis dahin unbekannte Bakterienspezies, die sich in dieser so gar nicht sauberen Welt erfolgreich vermehrt: Ideonella sakaiensis. Diese Winzlinge, so zeigten die Untersuchungen, sind in der Lage, Kunststoff zu verdauen. Und zwar ausgerechnet das extrem weit verbreitete Polyethylenterephthalat, besser bekannt als PET – das ist das Material, aus dem die meisten Einwegflaschen gefertigt sind. Wie die Bakterien das anstellen? Sie bilden ein spezielles Enzym, das in der Lage ist, das Polymergrundgerüst des Kunststoffs zu zersetzen.

Die Forscher nennen die Substanz PETase. Inzwischen wurde auch bei anderen Arten von Bakterien die Fähigkeit zum Kunststoffabbau nachgewiesen. Ideonella sakaiensis & Co werden zwar das weltweite Plastikproblem nicht lösen – darin ist sich die Fachwelt ziemlich einig –, doch ihre Enzyme bergen großes industrielles Potenzial. Heute geht es zunächst um die Grundlagen. Die Forscher in Banyuls-sur-Mer wollen verstehen, wie Evolution in der Plastisphäre funktioniert und wie sich das alles auf die Umwelt auswirkt.

Am Anfang steht der Griff in den Müll: Anne-Leïla Meistertzheim hat sich eine Bodenprobe von der Mündung des Flusses Tiber geholt. Konzentriert betrachtet sie das Material durch eine Tischlupe und stochert mit einer Pinzette zwischen Sandkörnern und Holzstückchen herum.

Das Material ist durchsetzt mit Plastikkrümeln: Granulatperlen, Styroporklümpchen, bunte Splitter und Fasern. Meistertzheim weiß: Fast jedes Partikel besteht aus einer anderen Plastiksorte, in jedem stecken andere Zusatzstoffe. Die Suche nach Bakterien oder Enzymen, die all diese Substanzen zerlegen können, könnte lange dauern, fürchtet Meistertzheim. Möglicherweise gibt es den gesuchten Allesfresser unter den Mikroben auch gar nicht.

Ein Etappenziel ist es daher, jeweils passende Mikroben für besonders verbreitete Kunststoffe zu finden: Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) und Polyethylenterephthalat (PET) stellen gemeinsam den Löwenanteil der Plastikverschmutzung im Meer. Das dreckige Trio hat sogar schon die Tiefsee und das Polareis erobert.

Am Observatorium in Banyuls-sur-Mer liegt der Fokus auf Polyethylen, wie Meistertzheims Kollege Jean-François Ghiglione erläutert: „Wir wissen zwar, dass PE abgebaut werden kann, aber nicht, wie schnell das passiert.“ Der immer wieder genannte Zeitraum von etwa 100 Jahren sei fraglich. Vieles hänge von der Oxidation ab, sagt Ghiglione. Diese Reaktion mit Sauerstoff schwächt die Molekularstruktur des Polyethylens und macht sie anfällig für weitere biologische Attacken. Additive im Kunststoff können die Oxidation jedoch wiederum verhindern.

„Das ist das Hauptproblem mit Plastik“, schimpft Ghiglione. Dank hochwirksamer Zusatzstoffe hält das Material praktisch ewig, tatsächlich eingesetzt wird es jedoch meistens für kurzlebige Einwegverpackungen. Ex und hopp ad absurdum.

Auf hoher See herrschen gleichwohl harte Bedingungen. Schwimmendes Plastik ist dem Sonnenlicht ausgesetzt, das einer beschleunigten Oxidation Vorschub leistet – trotz Additiva. Das korrodierende Salz trägt ebenfalls seinen Teil bei. So wird der Kunststoff brüchig, dann beginnt der Zerfall in immer kleinere Stücke. Die Besiedlung seiner Oberfläche beginnt jedoch schon lange vorher, begünstigt durch die physikalischen Eigenschaften von Kunststoff. „Sobald man ein Stück Plastik ins Wasser wirft, binden sich daran organische Substanzen“, erklärt Jean-François Ghiglione. Fette haften bestens an den wasserabweisenden Oberflächen.

Die entstehende Schmiere lockt bald die ersten Bakterien an. Ihnen bietet der Belag einen üppig gedeckten Tisch. Laborversuchen zufolge sind die Mikroben auch in der Lage, Polyethylen & Co selbst anzufressen. Doch wie das im Detail funktioniert, ist noch weitgehend unerforscht. Diese Wissenslücken will das Team in Banyuls-sur-Mer schließen. Das fensterlose Untergeschoss des Institutsgebäudes beherbergt deshalb eine Reihe kleiner Aquarien. In der Luft hängt ein algenartiges Aroma, monotones Blubbern der Pumpen durchbricht die sonst vorherrschende Stille. Die Becken sind Sonderanfertigungen, erklärt Meistertzheim: Sie kommen ohne die sonst üblichen Kunststoffbauteile aus, denn diese könnten die Versuchsergebnisse verfälschen.

Im Wasser der Aquarien hängen Röhrchen mit dazwischen stapelweise befestigten Lamellen. Sie bestehen aus verschiedensten Polymerfolien, erklärt die Forscherin, und auf den meisten davon gedeiht offenbar bereits reichlich Leben: Sie sind übersät mit braunen Pusteln und grünlichem Flaum, zottelige Algenfäden hängen herab.

Überall im Wirrwarr sind Gasbläschen gefangen. Sie enthalten Sauerstoff und andere Zellausdünstungen, erklärt Meistertzheim. Dank der speziellen Bedingungen in der Plastisphäre seien deren Bewohner viel aktiver als anderswo. Ihr Metabolismus läuft auf Hochtouren. Ziel der Versuchsanordnung ist es, die Interaktion zwischen Plastik und Mikroorganismen möglichst naturgetreu nachzustellen. Das zirkulierende Meerwasser kommt direkt aus der Bucht von Banyuls, das Ansaugrohr holt das Wasser aus 18 Meter Tiefe. Frischer geht’s nicht. Die ständige Wasserzufuhr garantiert, dass das Mikrobensortiment in den Aquarien stets repräsentativ ist für die aktuelle Biodiversität draußen im Mittelmeer. Das sei wichtig, erklärt Meistertzheim, denn die Zusammensetzung des Mikrobenzoos unterliege ohnehin starken saisonalen Schwankungen. Gut, dass das Labor am Hafen steht. „In Paris könnten wir solche Studien nicht machen“, so Meistertzheim.

Die große Artenvielfalt der Plastisphäre scheint sich zu einem wesentlichen Teil selbst zu bedingen. „Es ist ein Mikroökosystem“, meint Meistertzheim, und als solches kann es durchaus mit einem Wald verglichen werden – Sukzession, also die natürliche Rückkehr für den Standort typischer Lebewesen, inklusive. Den Pionieren folgen Spezies, die von den Erstbesiedlern profitieren, diese beispielsweise fressen. Auch für Symbiosen ist Platz. Einige Arten produzieren reichlich Schleimstoffe. Ihre Sekrete bilden wachsende Ablagerungen, in denen sich noch mehr Mikroorganismen niederlassen. Mit der Zeit entsteht das, was Fachleute einen Biofilm nennen.

Solche lebendigen Schmierschichten findet man auch auf Steinen im Bach um die Ecke. Untersuchungen haben gezeigt, dass Kunststoffreste ähnlich wie Bachsteine von den üblichen Verdächtigen aus der Mikrobenwelt besiedelt werden. Da gibt es keine unbekannten Spezies. Einzigartig ist allerdings die Zusammensetzung der Gemeinschaften, die auf Flaschen, Einkaufstaschen, Folien und anderem Plastikmüll zu sprießen beginnen.

Als Erste treffen die sogenannten Hydrocarbonoklasten ein, berichtet Anne Leïla Meistertzheim. Diese sonst raren Mikroorganismen, hauptsächlich Bakterien, sind eigentlich auf den Abbau von Kohlenwasserstoffen wie Wachs oder Erdöl aus natürlichen Quellen spezialisiert. Wer genau sich dann zu ihnen gesellt, hängt ab von der Plastiksorte, den vorherrschenden Umweltbedingungen und dem Zeitpunkt.

Und immer wieder kommt dabei Seltsames zustande. So wird an der Meeresoberfläche treibender Abfall in den ersten Wochen von zahlreichen Cyanobakterien bewohnt. Sie nutzen den Platz an der Sonne für ihre Photosynthese. Das Erstaunliche daran: Die meisten plastikaffinen Cyanobakterien leben normalerweise am Boden im Flachwasser, beschreibt Jean-François Ghiglione. Durch die Vermüllung der Ozeane können diese Arten aber nun in großen Mengen auch auf hoher See gedeihen. „Beeinflusst das den Kohlenstoffkreislauf?“, fragt sich der Forscher. Denkbar wäre es.

Trotzdem gilt das Hauptinteresse den Hydrocarbonoklasten. Sie dürften beim biologischen Abbau von Plastik die Schlüsselrolle spielen. Diese Spezialisten verfügen über besondere Enzyme, mit denen sie lange Kohlenwasserstoffketten aufbrechen können – anscheinend auch jene der Kunststoffpolymere. Anne-Leïla Meistertzheim geht aber davon aus, dass der vollständige Verzehr eine Gemeinschaftsarbeit ist. Unterschiedliche Arten würden demnach unterschiedliche Enzyme beisteuern, und jede holt sich ihren Teil. Um herauszufinden, welche Spezies sich die Plastikbausteine tatsächlich einverleibt, greifen die Wissenschaftler zu einem raffinierten Trick.

Sie setzen den Mikroorganismen mit dem Kohlenstoffisotop 13C markierte Kunststoffe vor. Die Polymerfresser nehmen das leicht nachweisbare 13C auf und bauen es sogar in ihre DNA ein. So können die Biologen sie später anhand der genetischen Fingerabdrücke identifizieren. Belastbare Ergebnisse sollen 2021 vorliegen.

Bei der Untersuchung von angeblich kompostierbarem Plastik ist man am Observatorium schon weiter. Die bisher getesteten Sorten werden im Meer wohl nur langsam oder gar nicht zersetzt, berichtet Jean-François Ghiglione. Einzige Ausnahme sind Polymere aus PHA, die in den Versuchsbecken innerhalb von fünf Monaten komplett verschwinden. PHA, vollständig Polyhydroxyalkanoate genannt, sind natürliche Speichersubstanzen von Bakterien, ähnlich wie Stärke in Kartoffeln. Ihre Verdauung bereitet den Mikroorganismen daher keine Probleme. Ein hoffnungsvoller Ansatz. Jean-François Ghiglione und Anne-Leïla Meistertzheim arbeiten inzwischen auch mit Industrieunternehmen zusammen, um weitere, gut abbaubare Alternativen zum herkömmlichen Einwegplastik zu entwickeln. Die Verseuchung unserer Welt muss unbedingt gestoppt werden. „Veränderung ist möglich“, sagt Meistertzheim entschlossen. „Also los.“

Das Plastikproblem und seine Lösung

Wachsendes Problembewusstsein bei Herstellern und Konsumenten ist der Schlüssel zum Erfolg.

IST ES WIRKLICH SO SCHLIMM?

Ja, leider. Allein 2016 (aus diesem Jahr stammen die aktuellsten Zahlen) landeten 11 Millionen Tonnen Plastik in den Weltmeeren. Tendenz: steigend. Geht das so weiter, landet 2040 dreimal so viel Müll im Meer. Dabei ist Plastik schon jetzt allgegenwärtig: 93 Prozent aller vom WWF untersuchten Eissturmvögel hatten Plastik im Magen, obwohl sich dieTiere ihre Nahrung weit vor den Küsten aus dem Meer fangen. Fische und Meerestiere schlucken Mikroplastik und die darin enthaltenen Chemikalien; so kommen diese Stoffe auf unsere Teller zurück.

WOHER KOMMT DER MÜLL?

Nach einer Studie des Leipziger Umweltforschungszentrums spülen nur zehn Flüsse 90 Prozent des weltweiten Plastikmülls ins Meer. Acht dieser Flüsse befinden sich in Asien und Afrika. Doch Europa ist mitschuld. Es exportiert 46 Prozent seiner alten Plastikflaschen – den Löwenanteil davon ausgerechnet nach Asien.

BESTEHT NOCH HOFFNUNG?

Ja, sagt Martin Stuchtey, Geografieprofessor an der Universität Innsbruck und Gründer der Innovationsschmiede SYSTEMIQ. Er beobachtet ein weltweit wachsendes Problembewusstsein. „Konzernbosse erkennen das Imageproblem, wenn ihre Verpackungen als Meeresmüll enden.“ Mit seinen Mitarbeitern hat Stuchtey errechnet, dass allein durch konsequenten Einsatz verfügbarer Techniken 80 Prozent weniger Plastik im Meer landen würde. Dazu gehört etwa der Einsatz von wenigen Plastiksorten, was Recycling erleichtern könnte. Weitere Maßnahmen: Müllexporte nach Asien sollten vermieden und die Müllentsorgung in Schwellenländern verbessert werden.

WAS KANN DER EINZELNE TUN?

Alternativen zu Plastikprodukten wählen und/oder Produkte wählen, die möglichst leicht und ohne Qualitätsverlust recycelt werden können. Und vor der eigenen Haustür kehren. „Jeder kennt die Müllinseln im Meer“, sagt die Abfallwirtschaftsexpertin Gudrun Obersteiner von der Universität für Bodenkultur in Wien: „Aber wenige denken daran, dass dieser Müll auch über unsere Flüsse dorthin gelangt.“ Hier kann jeder Einzelne darauf achten, die bestehende und gut ausgebaute Struktur der getrennten Sammlung in Österreich zu nutzen und so dafür zu sorgen, dass wir das Kunststoffrecycling ganzheitlich fördern.

Die Reportage erschien im Terra Mater Magazin 06-2020.