Wissenschaftler stellten auf der Herbstkonferenz der American Chemical Society 2023 umweltfreundlichen Biokunststoff aus Soldatenfliegen vor. Karen Wooley und ihr Team extrahieren Chitin aus schwarzen Soldatenfliegen und verarbeiten daraus wertvolles Chitosan. Dieser biologisch abbaubare Kunststoff kann viel Wasser aufnehmen und könnte bei Überschwemmungen und Dürren helfen. Das Verfahren steht im Einklang mit einer Kreislaufwirtschaft: Insekten zersetzen Kunststoffe und stellen daraus neue Materialien her.
Stellen Sie sich vor, Sie könnten die Kraft von Insekten nutzen, um Chemikalien zu extrahieren, aus denen umweltfreundliche Kunststoffe hergestellt werden können, die dann von eben diesen Insekten leicht zersetzt werden können. Diese Idee ist tatsächlich plausibler, als sie zunächst erscheinen mag. Wissenschaftler diskutierten Fortschritte bei der Extraktion und Veredelung von Chemikalien aus Insekten und deren Umwandlung in nützliche Biokunststoffe.
Die Forscher präsentierten ihre innovativen Entdeckungen auf der Herbstkonferenz 2023 der American Chemical Society (ACS). Karen Wooley , Ph.D., die Projektleiterin, erklärte: „Seit 20 Jahren entwickelt meine Arbeitsgruppe Methoden, um Naturprodukte – wie beispielsweise aus Zuckerrohr oder Bäumen gewonnene Glukose – in abbaubare, verdauliche Polymere umzuwandeln, die nicht in der Umwelt verbleiben. Diese Naturprodukte werden jedoch aus Ressourcen gewonnen, die auch für Nahrungsmittel, Kraftstoffe, Bauwesen und Transport genutzt werden.“
Karen Wooley suchte nach anderen Quellen, die diese konkurrierenden Anwendungen nicht hatten. Ihr Kollege, Dr. Jeffery Tomberlin , schlug eine innovative Methode zur Verwertung von Abfallprodukten vor, indem er solche aus der Zucht von Soldatenfliegen nutzte . Diese aufstrebende Branche, zu der er aktiv beigetragen hat, birgt immenses Potenzial.
Diesen Sommer startet das Team ein Projekt zur Aufspaltung von Chitin in seine einzelnen Bestandteile, die Glucosamine. Diese kleinen Zuckermoleküle werden zur Herstellung von Biokunststoffen wie Polycarbonaten und Polyurethanen verwendet , die üblicherweise aus Petrochemikalien gewonnen werden.
Die schwarzen Soldatenfliegen sind nicht nur reich an nützlichen Verbindungen wie Proteinen, DNA, Fettsäuren, Lipiden und Vitaminen, sondern die Forschungsgruppe beabsichtigt auch, sie als wertvolle Ausgangsmaterialien zu nutzen. Aus diesen chemischen Bausteinen sollen Produkte hergestellt werden, die sich nach der Entsorgung zersetzen oder abbauen und somit nicht zur bestehenden Plastikverschmutzung beitragen.
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Professor Wooleys Vision bringt den Prozess mit dem Konzept der nachhaltigen Kreislaufwirtschaft in Einklang. Sie sagte: „Letztendlich möchten wir, dass die Insekten den Plastikmüll als Nahrungsquelle fressen. Anschließend würden wir sie erneut ernten und ihre Bestandteile sammeln, um daraus neue Kunststoffe herzustellen. Die Insekten wären also nicht nur die Quelle, sondern würden den weggeworfenen Kunststoff auch verbrauchen.“
Die unreifen Insekten, deren Larven mit einer Vielzahl von Proteinen und anderen nährstoffreichen Verbindungen gefüllt sind, werden heute in großem Umfang gezüchtet, um als Tierfutter zu dienen und die Abfallentsorgung zu optimieren. Erwachsene Insekten hingegen haben nach der Brutzeit eine relativ kurze Lebensdauer und werden entsorgt. Ausgewachsene Soldatenfliegen werden hingegen zur Herstellung von Bioplastik verwendet.
Professor Wooleys Team nutzte die von Jeffery Tomberlin vorgeschlagenen Überreste eines Erwachsenen als Ausgangspunkt für ihr Projekt. Cassidy Tibbetts , eine Doktorandin, die in Wooleys Labor an der Texas A&M University an dem Projekt mitarbeitet, sagte: „Wir nehmen etwas, das im wahrsten Sinne des Wortes Müll ist, und machen etwas Nützliches daraus.“
Bei der Herstellung von Biokunststoff aus Soldatenfliegen entdeckte Tibbetts, dass Chitin einen wesentlichen Bestandteil der toten Fliegen ausmacht . Dieses ungiftige, aus Zucker gewonnene Polymer stärkt das Exoskelett von Insekten und Krebstieren. Hersteller gewinnen Chitin bereits aus Garnelen- und Krabbenschalen für verschiedene Zwecke. Tibbetts verwendet ähnliche Verfahren, um Chitin aus Insektenkadavern zu extrahieren und zu reinigen.
Laut ihrer Aussage ist das aus Fliegen gewonnene Chitinpulver potenziell reiner, da es weder den üblichen gelblichen Farbton noch die dichte Konsistenz des herkömmlichen Produkts aufweist. Die Gewinnung von Chitin aus Fliegen kann Bedenken hinsichtlich Meeresfrüchteallergien ausräumen. Während andere Forscher Chitin oder Proteine aus Fliegenlarven extrahieren, gilt Prof. Wooleys Team als Pioniergruppe, die Chitin aus ausrangierten adulten Fliegen nutzt. Im Gegensatz zu den Larven, die üblicherweise als Futtermittel verwendet werden, zeichnet sich dieser einzigartige Ansatz durch seine besondere Vorgehensweise aus.
Tibbetts optimiert Extraktionstechniken, während ein anderer Doktorand, Hongming Guo , gereinigtes Fliegenchitin in ein Polymer namens Chitosan umwandelt. Er entfernt Acetylgruppen vom Chitin und legt so chemisch reaktive Aminogruppen frei, die eine Funktionalisierung und Vernetzung ermöglichen. Durch diese Schritte lässt sich Chitosan in wertvolle Biokunststoffe wie superabsorbierende Hydrogele umwandeln ; komplexe Polymernetzwerke mit der bemerkenswerten Fähigkeit, Wasser zu absorbieren.
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Guo entwickelte ein Hydrogel, das innerhalb kürzester Zeit das 47-fache seines Eigengewichts an Wasser aufnehmen kann . Laut Professorin Wooley hat dieses Produkt das Potenzial, Hochwasser im Ackerboden zu speichern und die Feuchtigkeit bei zukünftigen Dürreperioden nach und nach wieder abzugeben. Sie erklärt weiter: „Hier in Texas erleben wir ständig entweder Überschwemmungen oder Dürreperioden. Deshalb habe ich überlegt, wie wir ein superabsorbierendes Hydrogel entwickeln können, das dieses Problem löst. Da Hydrogel biologisch abbaubar ist, gibt es seine molekularen Bestandteile langsam als Nährstoffe für die Pflanzen frei.“
