科学家将苍蝇变为可生物降解的塑料

想象一下,利用昆虫提取化学物质来制造可生物降解的塑料,然后再由这些昆虫进行分解。这个想法并不像听起来那么牵强。科学家们最近讨论了他们的研究进展,包括提取和提炼这些来自昆虫的化学物质,以及将它们转化为有效的生物塑料。

研究人员在美国化学学会(ACS)秋季会议上展示了他们的研究成果。美国化学学会2023年秋季会议是一个混合会议,将于8月13-17日以虚拟和现场方式举行,大约有12000个关于各种科学主题的报告。

“20 年来,我的研究小组一直在开发将天然产品(例如从甘蔗或树木中获取的葡萄糖)转化为可降解、可消化且不会在环境中持久存在的聚合物的方法,”该项目的首席研究员 Karen Wooley 博士说。”但是,这些天然产品是从同时用于食品、燃料、建筑和运输的资源中提取的。”

于是,Wooley 开始寻找没有这些竞争性用途的替代资源。她的同事杰弗里-汤姆柏林(Jeffery Tomberlin)博士建议她可以使用养殖黑兵蝇留下的废品,这是他一直在帮助发展的一个不断扩大的产业。

这种苍蝇的幼虫含有多种蛋白质和其他营养成分,因此越来越多的人开始饲养这种未成熟的昆虫,作为动物饲料和消耗废物。然而,成虫在繁殖期结束后寿命很短,随后就会被丢弃。在汤姆柏林的建议下,这些成虫的尸体成了伍利团队新的起始材料。德克萨斯农工大学伍利实验室的研究生卡西迪-蒂贝茨(Cassidy Tibbetts)说:”我们正在把一些垃圾变成有用的东西。”

当蒂贝茨检查死苍蝇时,她确定甲壳素是其中的主要成分。这种无毒、可生物降解的糖基聚合物可以强化昆虫和甲壳类动物的外壳或外骨骼。制造商已经从虾壳和蟹壳中提取甲壳素用于各种用途,Tibbetts 一直在使用乙醇漂洗、酸性脱盐、碱性脱蛋白和漂白脱色等类似技术,从昆虫尸体中提取和提纯甲壳素。她说,她从苍蝇身上获取的甲壳素粉可能更纯净,因为它没有传统产品的淡黄色和结块质地。她还指出,从苍蝇身上获取甲壳素可以避免对某些海鲜过敏的担忧。其他一些研究人员从苍蝇幼虫中分离出几丁质或蛋白质,但 Wooley 说,据她所知,她的团队是第一个使用废弃成蝇中的几丁质的团队。

在蒂贝茨继续改进提取技术的同时,伍利实验室的另一名研究生郭宏明一直在将纯化的苍蝇甲壳素转化为一种类似的聚合物,即壳聚糖。他的方法是剥离甲壳素的乙酰基。这就暴露出了具有化学反应活性的氨基,这些氨基可以被官能化,然后交联。这些步骤将壳聚糖转化为有用的生物塑料,如超吸水性水凝胶,这是一种能吸水的三维聚合物网络。这种水凝胶能在一分钟内吸收 47 倍于其重量的水。Wooley 说,这种产品有可能用于农田土壤,以吸收洪水,然后在随后的干旱期间缓慢释放水分。她解释说:”在得克萨斯州,我们经常不是遭遇洪水就是遭遇干旱,所以我一直在想如何制造一种超吸水性水凝胶来解决这个问题。她说,由于这种水凝胶是可生物降解的,它应该会逐渐释放出其分子成分,作为农作物的养分。”

今年夏天,研究小组将启动一个项目,将甲壳素分解成单体葡糖胺。然后,这些小糖分子将被用来制造生物塑料,如聚碳酸酯或聚氨酯,这些塑料传统上是用石油化工产品制造的。黑兵蝇还含有许多其他有用的化合物,该研究小组计划将其用作起始材料,包括蛋白质、DNA、脂肪酸、脂类和维生素。

用这些化学构件制成的产品在丢弃时可以降解或消化,因此不会造成目前的塑料污染问题。Wooley 对这一过程的愿景是使其符合可持续发展的循环经济理念。她说:”最终,我们希望昆虫以废塑料为食物来源,然后我们再收获它们,收集它们的成分来制造新的塑料。因此,昆虫不仅是塑料的来源,而且还会食用废弃塑料”。

By TENG