Fliegen in abbaubares Plastik verwandeln

Stellen Sie sich vor, Insekten als Quelle für Chemikalien zu nutzen, um Kunststoffe herzustellen, die später biologisch abbaubar sind – und zwar mithilfe genau dieser Insektenart. Dieses Konzept ist näher an der Realität, als Sie vielleicht erwarten. Auf der Herbsttagung des Forschungsinstituts beschreiben Forscher ihre bisherigen Fortschritte, einschließlich der Isolierung und Reinigung von aus Insekten stammenden Chemikalien und ihrer Umwandlung in funktionelle Biokunststoffe Amerikanische Chemische Gesellschaft (ACS).

„Meine Gruppe entwickelt seit 20 Jahren Methoden, um Naturprodukte – wie aus Zuckerrohr oder Bäumen gewonnene Glukose – in abbaubare, verdauliche Polymere umzuwandeln, die nicht in der Umwelt verbleiben“, sagt Karen Wooley, Ph.D., der Hauptforscher des Projekts. „Aber diese Naturprodukte werden aus Ressourcen gewonnen, die auch für Lebensmittel, Treibstoff, Bau und Transport verwendet werden.“

Also begann Wooley nach alternativen Quellen zu suchen, die diese konkurrierenden Anwendungen nicht bieten würden. Ihr Kollege Jeffery Tomberlin, Ph.D., schlug vor, dass sie Abfallprodukte verwenden könnte, die bei der Zucht schwarzer Soldatenfliegen übrig blieben, einer expandierenden Industrie, die er mit aufgebaut hat.

Die Larven dieser Fliegen enthalten viele Proteine ​​und andere Nährstoffe, weshalb die unreifen Insekten zunehmend als Tierfutter und zum Verzehr von Abfällen gezüchtet werden. Die erwachsenen Tiere haben jedoch nach der Brutzeit nur eine kurze Lebensdauer und werden dann ausgeschieden. Auf Tomberlins Vorschlag hin wurden diese erwachsenen Kadaver zum neuen Ausgangsmaterial für Wooleys Team. „Wir nehmen etwas, das im wahrsten Sinne des Wortes Müll ist, und machen daraus etwas Nützliches“, sagt Cassidy Tibbetts, eine Doktorandin, die in Wooleys Labor an der Texas A&M University an dem Projekt arbeitet.

Als Tibbetts die toten Fliegen untersuchte, stellte sie fest, dass Chitin ein Hauptbestandteil ist. Dieses ungiftige, biologisch abbaubare Polymer auf Zuckerbasis stärkt den Panzer oder das Exoskelett von Insekten und Krebstieren. Hersteller extrahieren Chitin bereits für verschiedene Anwendungen aus Garnelen- und Krabbenschalen, und Tibbetts wendet ähnliche Techniken an, indem es Ethanolspülungen, saure Entmineralisierung, basische Entproteinisierung und Bleichmittelentfärbung verwendet, um es aus den Insektenkadavern zu extrahieren und zu reinigen.

Sie sagt, ihr aus Fliegen gewonnenes Chitinpulver sei wahrscheinlich reiner, da ihm die gelbliche Farbe und die klumpige Textur des traditionellen Produkts fehlt. Sie weist außerdem darauf hin, dass die Gewinnung von Chitin aus Fliegen mögliche Bedenken hinsichtlich einiger Meeresfrüchteallergien vermeiden könnte. Einige andere Forscher isolieren Chitin oder Proteine ​​aus Fliegenlarven, aber Wooley sagt, ihr Team sei das erste, von dem sie weiß, dass es Chitin aus weggeworfenen erwachsenen Fliegen verwendet, die – anders als die Larven – nicht als Futter verwendet werden.

Während Tibbetts ihre Extraktionstechniken weiter verfeinert, hat Hongming Guo, eine weitere Doktorandin in Wooleys Labor, das gereinigte Fliegenchitin in ein ähnliches Polymer namens Chitosan umgewandelt. Dies geschieht durch die Abspaltung der Acetylgruppen des Chitins. Dadurch werden chemisch reaktive Aminogruppen freigelegt, die funktionalisiert und anschließend vernetzt werden können. Diese Schritte verwandeln Chitosan in nützliche Biokunststoffe wie superabsorbierende Hydrogele, bei denen es sich um 3D-Polymernetzwerke handelt, die Wasser absorbieren.

Guo hat ein Hydrogel hergestellt, das in nur einer Minute das 47-fache seines Gewichts an Wasser aufnehmen kann. Dieses Produkt könnte möglicherweise in Ackerlandböden eingesetzt werden, um Überschwemmungswasser aufzufangen und dann bei nachfolgenden Dürreperioden langsam Feuchtigkeit abzugeben, sagt Wooley. „Hier in Texas befinden wir uns ständig in einer Überschwemmungs- oder Dürresituation“, erklärt sie, „deshalb habe ich versucht, darüber nachzudenken, wie wir ein superabsorbierendes Hydrogel herstellen können, das dieses Problem lösen könnte.“ Und da das Hydrogel biologisch abbaubar ist, sollte es seine molekularen Bestandteile nach und nach als Nährstoffe für Nutzpflanzen freisetzen.

Als nächstes wird das Team ein Projekt starten, um Chitin in seine monomeren Glucosamine zu zerlegen. Aus diesen kleinen Zuckermolekülen werden dann Biokunststoffe wie Polycarbonate oder Polyurethane hergestellt, die traditionell aus Petrochemikalien hergestellt werden. Schwarze Soldatenfliegen enthalten auch viele andere nützliche Verbindungen, die die Gruppe als Ausgangsmaterialien verwenden möchte, darunter Proteine, DNA, Fettsäuren, Lipide und Vitamine.

Die aus diesen chemischen Bausteinen hergestellten Produkte sollen bei der Entsorgung abgebaut oder verdaut werden, sodass sie nicht zum aktuellen Problem der Plastikverschmutzung beitragen. Wooleys Vision für diesen Prozess würde ihn mit dem Konzept der nachhaltigen Kreislaufwirtschaft in Einklang bringen: „Letztendlich möchten wir, dass die Insekten den Kunststoffabfall als Nahrungsquelle fressen, und dann würden wir ihn erneut ernten und seine Bestandteile sammeln, um neuen Kunststoff herzustellen.“ ,“ Sie sagt. „Die Insekten wären also nicht nur die Quelle, sondern würden die weggeworfenen Kunststoffe dann auch ‚verbrauchen‘.“