Badacz z AGH sprawdza, czy szkodniki drzew mogą być źródłem biopolimerów

Szkodniki drzew wyłapywane w lasach traktowane są jako odpad, który leśnicy utylizują bądź pozostawiają do naturalnego rozkładu. Naukowiec z AGH dostrzega w nich natomiast źródło chityny, cennego biopolimeru mającego wiele przemysłowych zastosowań. Obecnie bada, czy można go pozyskiwać z martwych owadów na masową skalę.

Chityna to, obok celulozy, jeden z dwóch biopolimerów najczęściej występujących w przyrodzie. Stanowi ona strukturalny składnik organizmów stawonogów, grzybów i drożdży, a także niektórych bezkręgowców. Do zastosowań przemysłowych używa się pochodnej chityny – chitozanu. Otrzymuje się go poprzez usunięcie z chityny co najmniej ponad połowy wchodzących w jej skład grup acetylowych. W przeciwieństwie do tej ostatniej, jest on rozpuszczalny w wodnych roztworach kwasów (chityna nie rozpuszcza się w wodzie i większości rozpuszczalników organicznych) oraz wysoce reaktywny ze względu na obecność wolnych grup aminowych.

Z uwagi na swoje właściwości chemiczne, nietoksyczność, biodegradowalność i antyseptyczność chitozan znajduje zastosowanie w medycynie i farmacji (m.in. przy produkcji opatrunków), uzdatnianiu wody i usuwaniu zanieczyszczeń ze środowiska, rolnictwie i hodowli zwierząt (np. jako składnik nawozów o ograniczonym uwalnianiu i pasz), przemyśle spożywczym (m.in. do wytwarzania powłok jadalnych i konserwacji żywności), produkcji odzieży i papieru (w tym tekstyliów antybakteryjnych i jako środek wzmacniający włókna celulozowe), kosmetyce oraz biotechnologii (m.in. do produkcji bioplastików).

Alternatywa dla importu chityny z Azji

Mnogość zastosowań powoduje, że rynek chityny i chitozanu charakteryzuje dynamiczny wzrost. W latach 2016-2021 wynosił on rocznie średnio 15,4%, osiągając finalnie wartość 4,2 mld dolarów. W 2023 r. szacowano ją już na 10,3 mld dolarów. Według prognoz do 2030 r. ma on przekroczyć tę wartość blisko trzykrotnie. Głównym źródłem chityny dla przemysłu są pancerze krewetek i krabów, stanowiące odpad pochodzący z przetwórstwa owoców morza. Powoduje to, że beneficjentami rosnącego rynku są państwa posiadające taki przemysł i odpowiednie warunki geograficzne.

– Produkcja chityny i chitozanu koncentruje się głównie w krajach Azji Południowo-Wschodniej, takich jak Chiny, Indie czy Tajlandia. Na znaczeniu zyskują również producenci z Ameryki Południowej, zwłaszcza z Chile. Europa pozostaje jednak w dużej mierze zależna od importu tego surowca. Z tego względu rozwój lokalnej produkcji, także w Polsce, mógłby stanowić ważny element budowania bezpieczeństwa dostaw. Jak wskazują doświadczenia ostatnich lat, od pandemii COVID-19 po konflikty międzynarodowe, globalne łańcuchy logistyczne są podatne na zakłócenia. Produkcja realizowana na miejscu mogłaby ograniczyć to ryzyko, nawet jeśli wiązałaby się z potencjalnie wyższymi kosztami – mówi mgr inż. Eugeniusz Świstuń, doktorant na Wydziale Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie.

Próba, która ma szansę na sukces

Naukowiec w ramach projektu finansowanego ze środków programu „Preludium 24” Narodowego Centrum Nauki bada, czy możliwe jest efektywne pozyskiwanie chityny i chitozanu z owadów zwalczanych w Polsce przez Lasy Państwowe jako szkodniki drzew.

Chityna wchodzi przede wszystkim w skład egzoszkieletów insektów, które chronią ich ciała i zapewniają im stabilizację. W przeszłości badacze niejednokrotnie podejmowali już udane próby ekstrakcji wymienionych polimerów z owadziej biomasy, korzystając w tym celu z wylinek poczwarkowych i martwych osobników dorosłych motyli, pszczół, chrabąszczy czy muchy domowej. Wykorzystanie do tego celu dziko żyjących szkodników lasów wciąż jednak należy na świecie do rzadkości, a w Polsce podobnych wysiłków w ogóle dotąd nie odnotowano.

Niezagospodarowany surowiec w lasach

Insekty, które stanowią materiał do badań prowadzonych przez mgr. inż. Świstunia, to osobniki schwytane w pułapki feromonowe, które są używane przez leśników do kontroli populacji owadów i ich zwalczania. Mają one najczęściej formę skrzynek lub rur, w których umieszczona jest substancja zapachowa wabiąca insekty. Kiedy owad trafia do pułapki, nie ma już możliwości ucieczki. Związki w nich używane dobierane są w taki sposób, żeby przyciągały jedynie wybrany gatunek insektów. Nie stanowią więc zagrożenia dla owadów niebędących szkodnikami, a naukowiec ma dzięki temu możliwość pozyskania wyselekcjonowanego materiału do badań.

Jak duży w skali kraju może być to zasób?

– Na potrzeby jednego z moich ostatnich artykułów wykonałem szacunki oparte na badaniach terenowych dotyczących korników. Okazało się, że w pojedynczej pułapce feromonowej może zgromadzić się nawet do 1,5 kg owadów. W okresie gradacji na jednym hektarze rozmieszcza się zwykle kilka takich pułapek, a działania obejmują często setki lub tysiące hektarów lasu. Przy założeniu powierzchni 10 tys. ha i dwóch pułapek na hektar, daje to około 30 t odłowionych owadów. Skala biomasy pozyskiwanej w ten sposób jest więc znacząca – wskazuje naukowiec.

Pięć gatunków szkodników pod lupą

W trakcie realizowanych przez siebie prac badacz sprawdzi, czy możliwe jest pozyskiwanie chityny i chitozanu z co najmniej pięciu gatunków szkodników, które najmocniej dają się we znaki drzewom. Należą do nich kornik drukarz, chrabąszcz majowy, rytownik pospolity, brudnica mniszka i kornik ostrozębny.

Metody, które stosuje się do pozyskiwania polimerów z owadów, nie odbiegają znacząco od tych, które są stosowane w tym celu w przypadku skorupiaków. Insekty, po wcześniejszym oczyszczeniu i wysuszeniu, mielone są na jednolitą frakcję. Następnie z biomasy chemicznymi sposobami usuwa się białka i minerały oraz grupy acetylowe w celu uzyskania chitozanu. Na koniec otrzymany w ten sposób polimer poddaje się dekoloryzacji, usuwając z niego obecne wcześniej w ciałach insektów pigmenty.

Podobnie z badanymi przez siebie owadami będzie pracował mgr inż. Świstuń, a różnice mogą dotyczyć przede wszystkim ilości używanych odczynników oraz temperatury przeprowadzania całego procesu. Dla naukowca z AGH nie jest to pierwszyzna, bo jest autorem wcześniejszego zgłoszenia patentowego dotyczącego właśnie pozyskiwania chityny i chitozanu ze szkodników leśnych.

Podczas oceny, czy dany gatunek owada stanowi dobre źródło chityny i chitozanu, kryterium będzie przede wszystkim ilość polimeru możliwa do uzyskania z suchej biomasy, ale nie tylko. Otrzymany materiał zostanie również poddany analizie jakościowej.

– Kluczowym parametrem jest w tym przypadku stopień deacetylacji, oznaczany m.in. metodą FTIR lub techniką miareczkowania. Znaczenie mają również rozpuszczalność, lepkość i stopień krystaliczności, które decydują o przydatności chitozanu w konkretnych zastosowaniach – wyjaśnia mgr inż. Świstuń.

Ma być skutecznie, a przy tym tanio

Po wstępnych analizach naukowiec z AGH zamierza wybrać jeden gatunek owada szczególnie perspektywiczny jako źródło chityny i chitozanu. Następnie będzie starał się zoptymalizować proces ich pozyskiwania w taki sposób, aby udało się otrzymać możliwie największą ilość polimeru o oczekiwanej jakości jak najmniejszym kosztem. Badacz stawia sobie za cel otrzymanie chitozanu stanowiącego 10% suchej biomasy oraz o stopniu deacetylacji co najmniej 75%.

– Przy wytwarzaniu chityny i chitozanu kluczowe znaczenie ma odpowiednie dobranie parametrów technologicznych. Można sprawdzać, czy procesy prowadzone tradycyjnie w temperaturze ok. 70°C mogą zachować podobną skuteczność przy niższych temperaturach, co pozwoliłoby ograniczyć zużycie energii. Optymalizacji podlegają także ilości i stężenia stosowanych odczynników. W przypadku chitozanu jest to szczególnie ważne, ponieważ warunki produkcji wpływają nie tylko na koszty i wydajność, ale również na właściwości materiału, takie jak lepkość czy rozpuszczalność – tłumaczy Eugeniusz Świstuń.

Z laboratorium do przemysłu

Na koniec badacz zamierza sprawdzić, czy opracowany przez niego proces da się przenieść ze skali laboratoryjnej do półtechnicznej. W tym celu we współpracy z zewnętrzną firmą na WGGiOŚ kompletowany jest reaktor chemiczny, który pozwoli na prowadzenie syntezy w ściśle kontrolowanych warunkach w większej skali. Miarą sukcesu, definiującego potencjał do dalszego rozwoju technologii, będzie uzyskanie 150 g chitozanu z 0,5-1 kg suchej biomasy.

Ewentualne wdrożenie rozwiązania w lasach pozwoliłoby nie tylko na zagospodarowanie martwych insektów, traktowanych obecnie jako odpad. Jeśli szkodniki zaczną stanowić wartościowy surowiec, może zachęcić to leśników do ograniczenia oprysków chemicznych przeciw owadom na rzecz częstszego stosowania innych środków do ich redukcji. Obecnie zwalczanie szkodników lasów samo niestety odbywa się ze szkodą dla przyrody – poprzez zanieczyszczanie gleb chemikaliami.

Źródło: Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie

Czytaj także: Patent UG może wspierać rozwój technologii służących ochronie środowiska