Umwandlung von Fliegen in abbaubare Kunststoffe
Stellen Sie sich vor, Sie nutzen Insekten als Quelle für Chemikalien zur Herstellung von Kunststoffen, die später biologisch abgebaut werden können - mit Hilfe eben dieser Insektenart. Dieses Konzept ist näher an der Realität, als Sie vielleicht erwarten. Die Forscher werden ihre bisherigen Fortschritte beschreiben, einschließlich der Isolierung und Reinigung von aus Insekten gewonnenen Chemikalien und deren Umwandlung in funktionelle Biokunststoffe.
Schwarze Soldatenfliegen sind eine gute Quelle für Chemikalien zur Herstellung von Biokunststoffen.
Cassidy Tibbetts
"Seit 20 Jahren entwickelt meine Gruppe Methoden zur Umwandlung von Naturprodukten - wie Glukose aus Zuckerrohr oder Bäumen - in abbaubare, verdauliche Polymere, die nicht in der Umwelt verbleiben", sagt Karen Wooley, Ph.D., die Leiterin des Projekts. "Aber diese natürlichen Produkte werden aus Ressourcen gewonnen, die auch für Lebensmittel, Brennstoffe, Bau und Transport verwendet werden.
Also begann Wooley mit der Suche nach alternativen Quellen, die nicht mit diesen konkurrierenden Anwendungen konfrontiert sind. Ihr Kollege Jeffery Tomberlin, Ph.D., schlug ihr vor, Abfallprodukte zu verwenden, die bei der Zucht von schwarzen Soldatenfliegen anfallen, einer expandierenden Industrie, an deren Entwicklung er beteiligt war.
Die Larven dieser Fliegen enthalten viele Proteine und andere nahrhafte Verbindungen, so dass die unreifen Insekten zunehmend als Tierfutter und zur Verwertung von Abfällen gezüchtet werden. Die erwachsenen Tiere haben jedoch nur eine kurze Lebensdauer und werden nach der Aufzucht weggeworfen. Auf Tomberlins Anregung hin wurden diese erwachsenen Kadaver zum neuen Ausgangsmaterial für Wooleys Team. "Wir nehmen etwas, das im wahrsten Sinne des Wortes Müll ist, und machen etwas Nützliches daraus", 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 die Schale oder das Exoskelett von Insekten und Krebstieren. Hersteller extrahieren bereits Chitin aus Garnelen- und Krabbenschalen für verschiedene Anwendungen, und Tibbetts hat ähnliche Techniken wie Ethanolspülungen, saure Entmineralisierung, basische Entproteinisierung und Bleichentfärbung angewandt, um es aus den Insektenkadavern zu extrahieren und zu reinigen. Sie sagt, dass ihr aus Fliegen gewonnenes Chitinpulver wahrscheinlich reiner ist, da es nicht die gelbliche Farbe und klumpige Textur des herkömmlichen Produkts aufweist. Sie merkt auch an, dass die Gewinnung von Chitin aus Fliegen mögliche Bedenken hinsichtlich einiger Allergien gegen Meeresfrüchte ausräumen könnte. Einige andere Forscher isolieren Chitin oder Proteine aus Fliegenlarven, aber Wooley sagt, dass ihr Team das erste ist, von dem sie weiß, dass es Chitin von ausrangierten erwachsenen Fliegen verwendet, die - im Gegensatz zu den Larven - nicht als Futter verwendet werden.
Während Tibbetts ihre Extraktionstechniken weiter verfeinert, hat Hongming Guo, ein weiterer Doktorand in Wooleys Labor, das gereinigte Fliegenchitin in ein ähnliches Polymer namens Chitosan umgewandelt. Zu diesem Zweck entfernt er die Acetylgruppen des Chitins. Dadurch werden chemisch reaktive Aminogruppen freigelegt, die funktionalisiert und dann vernetzt werden können. Diese Schritte verwandeln Chitosan in nützliche Biokunststoffe wie superabsorbierende Hydrogele, d. h. 3D-Polymere, 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 in Ackerböden eingesetzt werden, um Überschwemmungswasser aufzufangen und die Feuchtigkeit bei nachfolgenden Dürreperioden langsam wieder abzugeben, so Wooley. "Hier in Texas sind wir ständig mit Überschwemmungen oder Dürren konfrontiert", erklärt sie. "Deshalb habe ich mir überlegt, wie wir ein superabsorbierendes Hydrogel herstellen können, das diese Probleme löst. Und da das Hydrogel biologisch abbaubar ist, sollte es seine molekularen Bestandteile nach und nach als Nährstoffe für die Pflanzen freisetzen.
In diesem Sommer startet das Team ein Projekt zur Aufspaltung von Chitin in seine monomeren Glucosamine. Diese kleinen Zuckermoleküle sollen dann zur Herstellung von Biokunststoffen wie Polycarbonaten oder Polyurethanen verwendet werden, die traditionell aus Petrochemikalien hergestellt werden. Schwarze Soldatenfliegen enthalten auch viele andere nützliche Verbindungen, die die Gruppe als Ausgangsmaterial verwenden will, darunter Proteine, DNA, Fettsäuren, Lipide und Vitamine.
Die aus diesen chemischen Bausteinen hergestellten Produkte sollen abgebaut oder verdaut werden, wenn sie weggeworfen werden, so dass sie nicht zum aktuellen Problem der Plastikverschmutzung beitragen. Die Vision von Wooley für diesen Prozess würde ihn mit dem Konzept der nachhaltigen Kreislaufwirtschaft in Einklang bringen: "Letztendlich möchten wir, dass die Insekten die Plastikabfälle als Nahrungsquelle fressen, und dann würden wir sie wieder ernten und ihre Bestandteile sammeln, um neue Kunststoffe herzustellen", sagt sie. "Die Insekten wären also nicht nur die Quelle, sondern sie würden auch die weggeworfenen Kunststoffe verzehren.
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