Anaerobic biodegradation of natural and synthetic polyesters

Abou-Zeid, Dunja

Für einen Umweltfreundlichen Einsatz von bioabbaubaren Kunststoffen muß auch die anaerobe Bioabbaubarkeit (z.B. in anaeroben Entsorgungsverfahren und Deponien) gewährleistet sein. Wichtige Aspekte des Mechanismus des anaeroben Polyesterabbaus sowie Unterschiede zu aeroben Mechanismen konnten anhand der vorliegenden Arbeit aufgedeckt werden. Sowohl der natürlich-aliphatische Polyester Polyhydroxybutyrat (PHB) und sein Copolymer mit PHV (PHBV) als auch die synthetisch aliphatischen Polyester Poly(e-Caprolacton) (PCL), SP 3/6 und SP 4/6 (bestehend aus 1,3-Propanediol/Adibat bzw.1,4-Butandiol/Adipat) sind anaerob abbaubar. Jedoch im Gegensatz zu aeroben Systemen wird PHB schneller depolymerisiert und mineralisiert als PHBV. Ein kommerziell eingesetzter aliphatisch-aromatischer Copolyester (aerob vollständig abbaubar), wird unter anaeroben Bedingungen jedoch nicht angegriffen. Die Isolierung einzelner Polyester abbauender Bakterienstämme (neue Spezien der Gattungen Clostridium und Propionispora) ermöglichten Abbauuntersuchungen unter kontrollierten Bedingungen sowie eine drastische Verkürzung der Versuchsdauer. Drei unterschiedliche depolymerisierende Enzymsysteme scheinen für den Abbau verantwortlich zu sein und depolymerisieren entweder natürlichen Polyalkanoate, den Polyester PCL oder SP 3/6 ähnliche aliphatische Polyester. Eine anaerobe PHB-Depolymerase mit interessanten Eigenschaften, die sich teilweise von bekannten aeroben Depolymerasen unterscheiden wurde isoliert und charakterisiert.

For an environmentally save application of degradable plastics, even the anaerobic biodegradability (e.g. in anaerobic biowaste treatment plants or landfills) must be guaranteed. This recent study revealed important aspects of the basic mechanism of anaerobic polyester break down as well as significant differences to aerobic mechanisms. The biodegradation of the natural aliphatic polyesters polyhydroxybutyrate (PHB) and polyhydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate (PHBV) and synthetic aliphatic polyesters such as poly(e-caprolactone) (PCL), SP 3/6 and SP 4/6 (consisting of 1,3-propanediol/adibic acid and 1,4-butanediole/adipic acid, respectively) was ascertained. However, in contrast to aerobic systems, the homopolymer PHB showed higher degradation and mineralization rates than its copolymer with PHV (PHBV). A commercialized synthetic aliphatic?aromatic copolyester which is aerobically completely biodegradable resisted the anaerobic breakdown. The isolation of individual characterized polyester degrading anaerobes (new species of the genus Clostridium or Propionispora) rendered successively improved degradation experiments under controlled laboratory conditions possible. The degradation time was reduced compared to the degradation in unidentified complex environments. The involved depolymerizing enzymes seem to differ and are specialized to depolymerize either the natural polyalkanoates (e.g. PHB), the synthetic polyester PCL or synthetic aliphatic polyesters such as SP 3/6. The isolation and investigation of the anaerobic extracellular PHB-depolymerizing enzyme revealed interesting characteristics and significant differences to known aerobic PHB-depolymerases.

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Abou-Zeid, Dunja: Anaerobic biodegradation of natural and synthetic polyesters. 2000.

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