Charakterisierung bakterieller Nanocellulose, die auf Polyethylenterephthalat-(PET-)Monomeren kultiviert wurde, mittels Raman- und Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie

Kunststoffabfall in nützliche Fasern verwandeln

Plastikflaschen und Lebensmittelbehälter aus PET sind allgegenwärtig, und winzige Fragmente dieses Plastiks werden mittlerweile in Ozeanen, Böden und sogar in unseren Körpern nachgewiesen. Diese Studie untersucht einen kreativen Ansatz zur Lösung dieses Problems: Bakterien zu nutzen, um die Grundbausteine von PET in ultrafeine, biologisch abbaubare Cellulosefasern umzuwandeln. Diese Fasern, bakterielle Nanocellulose genannt, können starke, flexible Membranen bilden, die eines Tages einige Kunststoffprodukte in Verpackungen, der Medizin und anderen Alltagsanwendungen ersetzen könnten.

Von Pflanzen zu winzigen bakteriellen Fabriken

Cellulose ist das wichtigste Strukturmaterial in Pflanzen und wird bereits in Papier, Textilien und vielen Industrieprodukten verwendet. Ihre Gewinnung beruht jedoch typischerweise auf Abholzung oder dem Anbau großflächiger Monokulturen. Einige Bakterien, darunter die Art Komagataeibacter sucrofermentans, können stattdessen während der Fermentation Cellulose direkt aus Zucker herstellen und ein Netz von Nanofasern spinnen, die dünner als hundert Nanometer sind. Diese bakterielle Nanocellulose hat attraktive Eigenschaften: Sie ist rein (frei von Pflanzenkitt und Lignin), nimmt Wasser gut auf und lässt sich zu glatten Membranen formen, die sich für Lebensmittelverpackungen oder Wundauflagen eignen.

Bakterien mit Kunststoff-Bausteinen füttern

Die Forscher fragten, ob diese Bakterien die Bausteine von PET — Ethylenglykol (EG) und Dinatriumterephthalat (TPA) — anstelle von herkömmlichem Zucker (Glukose) nutzen könnten. Sie kultivierten K. sucrofermentans in drei Medien, die sich nur in der Kohlenstoffquelle unterschieden: eins mit Glukose, eins mit EG und eins mit TPA. Nach drei Wochen sammelten und trockneten sie die an der Flüssigkeitsoberfläche schwimmenden Cellulosepellicles und wogen sie. Überraschenderweise ergab sich die höchste Ausbeute bei EG, das mehr Nanocellulose pro Liter lieferte als Glukose, während TPA eine geringere Ausbeute ergab. Das zeigt, dass zumindest ein Teil des Kohlenstoffs aus PET-Monomeren in ein nützliches, biologisch abbaubares Material umgelenkt werden kann.

Wie die Fasern aussehen und wie geordnet sie sind

Um zu sehen, welches Material entstanden war, untersuchte das Team die Membranen mit einem Rasterelektronenmikroskop. Glukose-gefütterte Bakterien erzeugten eine dichte, gleichmäßige Matte aus feinen Fasern mit regelmäßigen Poren — ein Zeichen für gut organisiertes Wachstum. EG und TPA führten zu lockereren, unregelmäßigeren Netzwerken, wobei TPA die offenste und ungleichmäßigste Struktur ergab, eher wie ein Verbundstoff als ein reines, einheitliches Filmmaterial. Röntgenbeugungsmessungen bestätigten diesen visuellen Eindruck: Cellulosefasern aus Glukose zeigten die hohe Kristallinität (dichte Packung), die üblicherweise mit starker, gut geordneter Cellulose verbunden ist, während EG-abgeleitete Fasern etwas weniger geordnet und TPA-abgeleitete Fasern deutlich stärker ungeordnet waren.

Den Molekülen mit Licht zuhören

Die Wissenschaftler nutzten dann zwei lichtbasierte Techniken — Raman- und Infrarotspektroskopie — um den Schwingungen der Moleküle in den Membranen „zuzuhören“. Diese Methoden funktionieren wie Fingerabdrücke und zeigen, welche Bindungen vorhanden sind und wie ordentlich die Ketten angeordnet sind. Alle drei Proben zeigten die charakteristischen Signale von Cellulose, was beweist, dass die Bakterien das erwartete Polymer aus jeder Kohlenstoffquelle aufgebaut hatten. Es gab jedoch wichtige Unterschiede: Die EG- und TPA-Proben zeigten stärkere Signale für ungeordnete, amorphe Bereiche, während die glukosebasierte Nanocellulose klarere Anzeichen für geordnete kristalline Zonen zeigte. Im TPA-gefütterten Material passten zusätzliche spektrale Banden zu Terephthalatgruppen, was bedeutet, dass einige PET-verwandte Fragmente in der Membran eingeschlossen blieben und nicht vollständig umgewandelt wurden.

Was das für sauberere Materialien bedeutet

Alltagssprachlich zeigt die Studie, dass bestimmte Bakterien Teile der molekularen Reste von PET „verzehren“ und in Cellulosebahnen umformen können, wobei die Qualität dieser Bahnen stark von der Ausgangsquelle abhängt. Glukose liefert weiterhin die reinsten und am besten geordneten Fasern, aber insbesondere EG kann die Menge des erzeugten Materials erhöhen, und TPA lässt sich zumindest teilweise umwandeln, während es in einem cellulosereichen Film eingebettet bleibt. Der Ansatz lässt PET noch nicht vollständig verschwinden — einige plastikähnliche Fragmente bleiben und müssten entfernt werden —, doch er markiert einen vielversprechenden Weg zum „Bio-Upcycling“, bei dem persistenten Kunststoff in weniger problematische Materialien verwandelt wird. Mit weiterer Prozessoptimierung und zusätzlichen Reinigungsschritten könnte bakterielle Nanocellulose, die auf PET-Monomeren wächst, Teil eines zirkulären Systems werden, das sowohl Plastikabfall bewältigt als auch nachhaltige, leistungsfähige Membranen liefert.

Zitation: Eriksson, R., Mariam, I., Ramser, K. et al. Characterization of bacterial nanocellulose cultivated on polyethylene terephthalate (PET) monomers via raman and fourier transform infrared spectroscopy. Sci Rep 16, 13133 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46886-z

Schlüsselwörter: bakterielle Nanocellulose, PET-Upcycling, Plastikverschmutzung, biologisch abbaubare Materialien, Raman- und FTIR-Analyse