Dokument: Biodegradation and microbial upcycling of plastics

Titel:	Biodegradation and microbial upcycling of plastics
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=67803
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20250227-105529-0
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Witt, Jan Alexander [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 31,40 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 01.12.2024 / geändert 01.12.2024
Beitragende:	Prof. Dr. Wierckx, Nick [Gutachter] Prof. Dr. Jaeger, Karl-Erich [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Kunststoffe haben ohne Zweifel unser tägliches Leben revolutioniert und sind in verschiedenen Bereichen wie der Verpackungs-, Gesundheits- und Automobilindustrie unverzichtbar geworden. Die derzeitigen Strategien zur Entsorgung von Kunststoffen sind jedoch nicht in der Lage, die steigende Weltproduktion von über 400 Millionen Tonnen im Jahr 2022 zu bewältigen, was die globale Plastikkrise weiter verschärft. Die Biokatalyse besitzt das große Potenzial, die Nachteile des traditionellen Recyclings zu überwinden, indem sie Enzyme und Mikroorganismen für die Depolymerisierung von Kunststoffen und deren anschließende Umwandlung in höherwertige Produkte einsetzt. Um den Übergang zu einer Kreislaufwirtschaft für Kunststoffe zu erleichtern, besteht das übergeordnete Ziel dieser Arbeit darin, neue biologische Verwertungsmöglichkeiten für Kunststoffabfälle zu entwickeln. Daher wurde das Substratspektrum von Pseudomonas putida KT2440 um weit verbreitete Kunststoffhydrolysate erweitert werden, die damit als Ausgangsstoffe für mikrobielles Upcycling zur Verfügung stehen. Umfangreiches Optimieren des Stoffwechsels ermöglichte die Nutzung von Polyamid (PA) -Hydrolysaten und die exakten synthetischen Stoffwechselwege wurden durch RNA-Sequenzierung aufgedeckt. Parallel dazu wurden neue Nylonase-Enzyme entdeckt und charakterisiert, die gegenüber PA und Poly(ester-amiden) aktiv waren. Zusätzlich wurden Stoffwechselwege für Dicarbonsäuren und Diole etabliert, deren Kombination einen leistungsstarken Plattformstamm hervorbrachte, der ein komplexes Polyesterhydrolysat vollständig verstoffwechselte. Darüber hinaus ermöglichte die rationale Expression eines Stoffwechselweges und dessen Aufklärung den Abbau von verzweigten kurzkettigen Dicarbonsäuren, darunter Itaconsäure, wodurch das metabolische Repertoire um weitere Plastikmonomere erweitert wurde. Um den Lebenszyklus von Plastikabfällen zu schließen, sollten Hydrolysate nicht nur verstoffwechselt, sondern auch wiederverwertet werden. Dies wurde durch die Umwandlung der neu zugänglichen Substrate in Polyhydroxyalkanoate erreicht, wobei unter anderem die Umwandlung von Nylon in Polyhydroxybutyrat durch Hydrolase und mikrobielle Umwandlung demonstriert wurde. Die dabei entstehenden Produkte sind aufgrund ihrer biologischen Abbaubarkeit umweltfreundlich und die Ressourcen bleiben im Wertstoffkreislauf erhalten. Im Hinblick auf eine kreislauforientierte Kunststoffwirtschaft ist es unerlässlich, Kunststoffbeschichtungen als zusätzliche Quelle der Komplexität zu betrachten. Zu diesem Zweck wurde das neue Bakterium Halopseudomonas formosensis FZJ aus einem Komposthaufen isoliert, welches in der Lage ist, Poly(ester-urethan)-Beschichtungen zu verstoffwechseln. Die detaillierte Charakterisierung seiner Stoffwechselwege und Enzyme bildet die wissenschaftliche Grundlage für zukünftige Bio-Recyclingprozesse von beschichteten Kunststoffen und damit komplexeren Materialien. Plastics have undoubtedly revolutionized our daily lives, becoming irreplaceable in several sectors, including packaging, healthcare, and automotive industries. However, current end-of-life strategies cannot cope with the increasing global production, which exceeded 400 million tons in 2022, leading to a global plastic pollution crisis. Biological catalysis has the potential to overcome the drawbacks of conventional recycling, using enzymes and microbes for the depolymerization of plastics and their subsequent conversion to value-added compounds. To facilitate the transition towards a circular plastics economy, the overall goal of this thesis is to provide new biological end-of-life solutions for plastics. Therefore, the substrate range of the biotechnological workhorse Pseudomonas putida KT2440 was expanded with prevalent plastic hydrolysates providing them as feedstock for microbial upcycling. Deep metabolic engineering enabled the utilization of polyamide (PA) hydrolysates as a carbon source, while RNA-sequencing revealed the synthetic metabolic routes and how they mesh with the native metabolism. In parallel, new nylonase enzymes were discovered and characterized that showed activities towards PA and poly(ester-amides). In addition to PA-derived compounds, metabolic routes for dicarboxylic acids and diols were established and their combination yielded a powerful platform strain that fully metabolized a complex polyester mock hydrolysate. Moreover, rational metabolic design enabled the degradation of branched short-chain dicarboxylates, including itaconic acid, thereby further expanding the metabolic palette of Pseudomonas with plastic monomers. To close the life cycle of plastic waste, hydrolysates should not only be metabolized but also upcycled. This was achieved by converting the newly accessible plastic-derived feedstocks into polyhydroxyalkanoates, demonstrating, among others, the conversion of nylon to polyhydroxybutyrate through hydrolysis and microbial conversion. The resulting products are environmentally benign due to their biodegradability and resources are maintained in the material cycle, reducing the production of virgin fossil-based plastics. With regard to a circular plastics economy, it is essential to consider plastic coatings as an additional source of complexity in plastic waste. For this, the novel Halopseudomonas formosensis FZJ was isolated from a compost heap due to its ability to metabolize poly(ester-urethane) coatings. The detailed characterization of its metabolic pathways and enzymes provides the scientific basis for future bio-recycling processes of coated plastics and thus increasingly complex materials.
Lizenz:	Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät
Dokument erstellt am:	27.02.2025
Dateien geändert am:	27.02.2025
Promotionsantrag am:	06.02.2024
Datum der Promotion:	17.10.2024