Noord-Amerikaanse bij maakt PE-achtig polyester dat in de bodem snel degradeert

Een Noord-Amerikaanse solitaire bij produceert een kunststofachtig materiaal dat op moleculair niveau overeenkomsten vertoont met polyethyleen (PE), maar in de bodem relatief snel degradeert. Het materiaal combineert een hoge kristalliniteit met chemische verknoping. Dat is opmerkelijk, omdat beide eigenschappen de afbraak van veel synthetische polymeren juist kunnen bemoeilijken.

De onderzoekers van onder meer de University of Minnesota zien in de materiaalstructuur aanknopingspunten voor de ontwikkeling van nieuwe, biologisch afbreekbare kunststoffen met PE-achtige eigenschappen.

De chemische stabiliteit van PE heeft een keerzijde: wanneer het in het milieu terechtkomt, breekt het onder natuurlijke omstandigheden zeer langzaam af. De nestbekleding van de solitaire bij Colletes inaequalis lijkt nu een voorbeeld te bieden naar degradeerbaar materiaal.

Colletes inaequalis komt voor in het oosten van Noord-Amerika. De vrouwtjes graven nesten in de grond en bekleden de afzonderlijke broedcellen met een dunne, flexibele laag. Daarvoor gebruiken ze een afscheiding uit de Dufour-klier in hun achterlijf. Deze afscheiding bestaat uit macrocyclische lactonen. Wanneer de bij het materiaal op de nestwand aanbrengt, openen de lactonringen en worden de moleculen aan elkaar gekoppeld. Zo ontstaat een polyesternetwerk met lange koolwaterstofsegmenten en esterbindingen.

Het polymeer heeft lange koolwaterstofsegmenten die overeenkomsten vertonen met de structuur van polyethyleen. Tegelijkertijd bevat het esterbindingen die in principe door hydrolyse en enzymatische processen kunnen worden gesplitst.

Opmerkelijke combinatie van kristalliniteit en verknoping

De onderzoekers ontdekten dat het bijenpolyester sterk kristallijn is. De gemeten kristalliniteit bedraagt ongeveer 60 procent. Bovendien vertoont het materiaal een orthorombische kristalstructuur, vergelijkbaar met de kristalpakking van polyethyleen.

Het smeltpunt ligt rond 75 °C.

Een tweede opvallende eigenschap is de aanwezigheid van chemische verknoping. Het materiaal bleek zelfs bij verhoogde temperatuur niet oplosbaar in trichloorbenzeen of tolueen. Dat wijst op een driedimensionaal verknoopt polymeernetwerk.

De combinatie is bijzonder. Verknoping beperkt doorgaans de bewegingsvrijheid van polymeerketens en kan de vorming van kristallijne gebieden bemoeilijken. Ook een hoge kristalliniteit maakt polymeren vaak minder toegankelijk voor water en enzymen. Toch komen beide eigenschappen in het bijenpolyester samen.

De onderzoekers wijzen erop dat de verknopingsdichtheid relatief laag moet zijn om de waargenomen kristalliniteit mogelijk te maken. De precieze moleculaire organisatie en de rol van de verknoping in de afbraak verdienen nader onderzoek.

Polyestergehalte daalt van 73 naar 40 gewichtsprocent

De belangrijkste bevinding betreft het gedrag van het materiaal in de bodem. De onderzoekers analyseerden nestbekledingen van verschillende leeftijden, tot elf maanden na de aanleg.

Bij vers nestmateriaal bestond de bekleding voor ongeveer 73 gewichtsprocent uit polyester. Na vier maanden in de bodem was dat aandeel gedaald tot ongeveer 40 gewichtsprocent.

Ook de mechanische eigenschappen veranderen. Volgens de onderzoekers begint de nestbekleding na ongeveer zeven maanden scheuren te vertonen. Na elf maanden is het materiaal bros en verkruimelt het gemakkelijk. De oorspronkelijke stevigheid en flexibiliteit zijn dan grotendeels verdwenen.

Welke rol spelen enzymen en kristalstructuur?

Hoe het bijenpolyester relatief snel degradeert, is nog niet volledig opgehelderd. De onderzoekers hebben wel enkele aanwijzingen gevonden. Zo maten ze esterase-activiteit in zowel vers als vier maanden oud nestmateriaal. Esterasen zijn enzymen die esterbindingen kunnen hydrolyseren. De onderzoekers gebruikten daarvoor een modelsysteem met p-nitrofenylbutyraat als substraat.

De aangetoonde activiteit wijst erop dat enzymatische processen mogelijk een rol spelen bij de degradatie. Het experiment bewijst echter niet rechtstreeks dat de gemeten enzymactiviteit verantwoordelijk is voor de afbraak van het bijenpolyester zelf.

Ook de kristalstructuur kan van belang zijn. De onderzoekers stelden vast dat de kristallieten geen grotere, hoger georganiseerde structuren vormen, zoals de sferulieten of lamellaire structuren die bij veel synthetische semicrystallijne polymeren voorkomen.

Mogelijk blijven daardoor meer esterbindingen toegankelijk voor water en enzymen. De combinatie van een onregelmatige verdeling van esterbindingen, beperkte verknoping en relatief kleine kristallijne gebieden zou kunnen verklaren waarom het materiaal ondanks zijn hoge kristalliniteit toch degradeert.