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Leuchtende Biosensoren als Marker für kleinste Kunststoffpartikel

In einer aktuellen Studie hat ein finnisches Forscherteam eine neue Methode zum Nachweis und zur Verfolgung des Abbaus von Kunststoffen in Gewässern getestet. Zum Einsatz kamen sogenannte rekombinante bakterielle Ganzzell-Biosensoren, kurz Biosensoren, die so aufgebaut waren, dass sie bei Kontakt mit dem Monomer Acrylsäure aufleuchteten. Die Ergebnisse zeigen nach Angaben des finnischen Forscherteams, dass der Abbau von Kunststoffabfällen in Süß- und Salzwasser mit Hilfe dieser Biosensoren überwacht werden könnte.
 

 

Mikroplastik entsteht zum Beispiel beim Zerfall größerer, unsachgemäß entsorgter Kunststoffteile durch UV-Strahlung, Salz und Wellengang. Es kann dem finnischen Forscherteam zufolge in Wasserproben heute bis zu einer Größe von einem Mikrometer zum Beispiel durch aufwändige bildgebende Verfahren wie die Mikro-Infrarotspektroskopie nachgewiesen werden. Zur Identifizierung noch kleinerer Kunststoffpartikel im Wasser haben die beiden Forscherinnen von der Universität Tampere Emmi Puhakka und Ville Santala nun in einer aktuellen Studie eine neue Methode angewendet: Sie nutzten rekombinante bakterielle Ganzzell-Biosensoren, um Monomere in Wasserproben zu detektieren. Biosensoren werden üblicherweise zum Beispiel für eine genaue Vor-Ort- und Echtzeit-Detektion in der Analytik von Wasser und Abwasser wie zur Überwachung von Trinkwasser auf Schadstoffe und Toxine eingesetzt. Als rekombinant werden Sensoren bezeichnet, die künstlich mit Hilfe von gentechnisch veränderten Mikroorganismen oder in Zellkulturen hergestellt werden. Die für die vorliegende Studie genutzten Biosensoren kamen den Autorinnen zufolge erstmals zur Messung von Kunststoffpartikeln zum Einsatz. Das Forscherteam erzeugte einen Biolumineszenz-Biosensor auf Basis des Bakteriums Escerichia coli (E. coli) und des Glühwürmchen-Enzyms Luciferase. Dieser Sensor sollte aufleuchten, wenn er mit Acrylsäure, einem Monomer und Ausgangsmaterial für viele Kunststoffe, in Kontakt kam. Acrylsäure entsteht etwa bei der Zersetzung von Polyacrylsäure (PAA). Diese wird von der chemischen Industrie überwiegend als Ausgangsstoff zur Herstellung von polymeren Kunststoffen wie Polyacrylaten genutzt. PAA wird aber auch als Bestandteil von Klebstoffen, Farben, Lacken, Beschichtungen und Polituren verwendet.
 
In ihrer Studie testeten die Forscherinnen mit dem von ihnen entwickelten Biosensor jeweils sterile Wasserproben sowie Proben aus einem Süßwassersee in Westfinnland, die mit Acrylsäure in unterschiedlichen Konzentrationen versetzt worden waren. Hinzu kamen Salzwasserproben, denen entweder PAA oder Polymethylmethacrylat (PMMA) zugesetzt worden war. Die Zugabe von PMMA diente dem Nachweis, dass der Biosensor ausschließlich auf PAA und nicht auf andere, ähnliche chemische Verbindungen reagiert. Die Biosensorzellen wurden 60 Minuten lang zu jeder Probe gegeben und dann die Lumineszenz gemessen, die als Nachweis von Acrylsäuremonomeren diente. Mit den Biosensorzellen konnten der Studie zufolge Acrylsäuremoleküle in allen drei Probentypen nachgewiesen werden. Auch in den Salzwasserproben konnten die Biosensorzellen die aus PAA stammenden Acrylsäuremonomere identifizieren. Die Ergebnisse zeigen laut den Autorinnen, dass sich der Ansatz für das Screening von Umweltproben auf Kunststoffe sowohl für Süß- als auch Salzwasser eignet. Damit könnten Bakterien- und Enzym-basierte Biosensoren die derzeitigen Forschungsmethoden zur Überwachung von Kunststoffmonomeren in Wasserumgebungen ergänzen, so die Autorinnen. Darüber hinaus könne die Technik weiterentwickelt und auf andere Monomere erweitert werden.
 

Quellen:

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