Er is een bij die zijn nest bouwt van een soort natuurlijk plastic. Het produceert het zelf, gebruikt het om de larven ondergronds te beschermen en na een paar maanden begint dat materiaal af te breken. Een capaciteit die de kunststofindustrie al jaren probeert te reproduceren, vooral om alternatieven te vinden voor polyethyleen, een van de meest gebruikte en hardnekkige materialen in het milieu.
Onderzoekers van Virginia Tech en de Universiteit van Tennessee bestudeerden het en ontdekten hoe het polyester geproduceerd wordt Colletes inaequaliseen solitaire Noord-Amerikaanse bij, heeft eigenschappen die vergelijkbaar zijn met die van polyethyleen, hoewel het veel sneller in de bodem wordt afgebroken. Volgens de studie gepubliceerd op PNASIn slechts vier maanden tijd daalde het percentage polyester in kindervoering van 73% naar 40%. En dat allemaal zonder industriële composteringssystemen, hoge temperaturen of bijzondere behandelingen. De grond waarin deze bijen gewoonlijk leven is voldoende.
Bijen die nesten bouwen die zijn bekleed met natuurlijk plastic
Daar Colletes inaequalis het wordt ook wel de “cellofaanbij” genoemd, een nogal toepasselijke bijnaam. In tegenstelling tot honingbijen leeft hij alleen en graaft hij kleine ondergrondse nesten, waar hij zijn eieren legt en de kamers voorbereidt om de larven te huisvesten. Om ze te beschermen tegen vocht en micro-organismen die in de bodem aanwezig zijn, bedek de muren met een dunne, resistente en waterdichte film. Een soort beschermende verpakking, rechtstreeks door de bij gemaakt.
Het materiaal is een natuurlijk polyester, chemisch verschillend van traditioneel polyethyleen, maar met een aantal zeer vergelijkbare kenmerken. Het is waterbestendig, heeft een kristallijne structuur die vergelijkbaar is met die van gewone kunststoffen en behoudt een aanzienlijke stabiliteit gedurende de periode waarin het het nest moet beschermen. De verrassing komt wanneer die coating begint te verslechteren.
Jonathan Coote, hoogleraar aan de afdeling Duurzame Biomaterialen van Virginia Tech en eerste auteur van het onderzoek, legde uit dat het materiaal kenmerken heeft die normaal gesproken geassocieerd worden met kunststoffen en die bijzonder goed bestand zijn tegen afbraak. Maar in de grond gedraagt het zich anders.
In vier maanden tijd gaat het polyester van 73% naar 40%
Om te begrijpen hoe dit specifieke natuurlijke plastic werkt, verzamelden onderzoekers nestbekleding op twee locaties in Tennessee, waarbij ze nieuw geproduceerde materialen en andere materialen analyseerden die tot elf maanden onder de grond hadden gelegen. In recentere nesten was polyester verantwoordelijk voor ongeveer 73% van het voeringgewicht. Na vier maanden was dit percentage gedaald naar 40%.
De gegevens hebben betrekking op de samenstelling van de bekleding, die ook zijde bevat, en documenteren al in de eerste maanden een aanzienlijke degradatie van het polyester. Het materiaal begint daarom te verslechteren zonder dat de bijzondere omstandigheden nodig zijn die vereist zijn voor veel kunststoffen die als biologisch afbreekbaar op de markt worden gebracht.
Voor onderzoekers is dit een bijzonder interessant resultaat omdat bijenpolyester een kristalliniteit heeft van ongeveer 60%. Over het algemeen zorgt een dergelijke structuur ervoor dat plastic materialen moeilijker te ontleden zijn. En toch lijkt deze specifieke combinatie van resistentie en biologische afbreekbaarheid te werken.
Wetenschappers vermoeden dat sommige enzymen die de chemische bindingen van de polyester kunnen verbreken dit proces kunnen bevorderen. De rangschikking van de moleculen zou er ook aan kunnen bijdragen deze bindingen toegankelijker te maken voor de werking van water en micro-organismen. Het precieze mechanisme wordt nog onderzocht, maar het waargenomen resultaat biedt al een interessante mogelijkheid om te verkennen.
Van bijennesten tot de verpakkingen van de toekomst
Volgens schattingen van onderzoekers wordt er wereldwijd jaarlijks ongeveer 160 miljoen ton polyethyleen geproduceerd. We vinden het in tassen, voedselverpakkingen, containers en vele andere alledaagse voorwerpen. Het is licht, zuinig, duurzaam en waterdicht. Allemaal kenmerken die zeer gewaardeerd worden door de industrie, maar die er echter toe bijdragen dat het uiterst persistent is zodra het zich in het milieu verspreidt.
Zelfs als het uiteenvalt, kan het in de vorm van microplastics aanwezig blijven. Wetenschappers zijn al lang op zoek naar materialen die vergelijkbare prestaties kunnen leveren, maar met een aanzienlijk kortere ecologische duurzaamheid. Veel biologisch afbreekbare alternatieven vereisen echter specifieke composteringsomstandigheden of worden zeer langzaam afgebroken in de bodem.
Het polyester geproduceerd door Colletes inaequalis zou een aantal van deze moeilijkheden kunnen helpen overwinnen. Zoals uitgelegd door Virginia Tech, is het doel om te begrijpen welke kenmerken van de structuur ervoor zorgen dat het materiaal resistent is tijdens gebruik en biologisch afbreekbaar is nadat het zijn functie heeft vervuld. Zodra het mechanisme is geïdentificeerd, willen onderzoekers het kunstmatig reproduceren en nieuwe polymeren ontwerpen die ook op industriële schaal kunnen worden gebruikt.
Het idee ontstond uit een nogal merkwaardige samenwerking. Coote houdt zich bezig met plasticchemie, terwijl Laura Russo, een ecoloog aan de Universiteit van Tennessee, bijen bestudeert. Het was Russo zelf die zijn collega vertelde over het bestaan van deze insecten die een materiaal konden produceren dat op polyethyleen leek. Uit dat gesprek kwam een onderzoek voort waarbij ook wetenschappers van de Universiteit van Minnesota betrokken waren en dat, na jarenlang werken, leidde tot de karakterisering van de natuurlijke polyester van bijen.
Het doel is natuurlijk niet om miljoenen insecten te kweken om zakken en containers te produceren. Coote zelf sloot deze mogelijkheid uit en legde uit dat de industrie zou moeten leren het proces te reproduceren, zonder de productie rechtstreeks aan de bijen toe te vertrouwen. Voorlopig hebben wetenschappers een natuurlijk materiaal met veelbelovende eigenschappen geïdentificeerd. De volgende stap zal zijn om te begrijpen hoe vergelijkbare eigenschappen kunnen worden verkregen in kunstmatig geproduceerd plastic, terwijl de biologische afbreekbaarheid behouden blijft.
De bijen hebben op hun beurt het probleem waarvoor ze dit materiaal gebruiken al opgelost: het opbouwen van een resistente bescherming voor de larven, die voorbestemd zijn om in de bodem af te breken nadat ze hun functie hebben vervuld. En ze doen het zonder laboratoria, patenten of industriële installaties. Lang voordat iemand besloot ze te bestuderen.
