Deze website gebruikt cookies. Ik ga akkoord met de privacy policy
OK
Milieu

Het potentieel van garnalenpel als hernieuwbare grondstof

Wat hebben garnalen, kakkerlakken en schimmels dat wij niet hebben? Chitine, een van de meest voorkomende biologische materialen op aarde. Een veelzijdig materiaal ook, want toekomstige toepassingen variëren van een alternatief voor pesticiden tot een ijzersterk bouwmateriaal. 

Melissa Vanderheyden

Wetenschapsjournalist met een master in de evolutie- en gedragsbiologie.
“Sla groeit beter en is weerbaarder tegen infecties met chitine in de bodem. Ook overleven salmonellabacteriën dan minder goed op de slablaadjes. Goed nieuws, want zo zo kan de teler op termijn chemische bestrijdingsmiddelen mogelijk vervangen door chitine"

Net als plastic is chitine een polymeer, een stof die opgebouwd is als een ketting met vele schakels. De stof schenkt het uitwendige skelet van kreeftachtigen en insecten een hardheid die de dieren beschermt tegen de boze buitenwereld. Helaas voor de garnaal biedt het schild geen verweer tegen een garnalenvisser die hem aan boord haalt. Eenmaal gekookt en gepeld, blijven de schildjes achter. Een niet te verwaarlozen berg afval, want wereldwijd zorgen schaaldieren voor de grootste reststroom in de visverwerkende industrie. Nutteloos is het afval evenmin. Voor chitine bestaan er zoveel potentiële tweede levens dat een lege garnalenpel er haast keuzestress van krijgt. 

Alternatief voor pesticiden

Bij het Instituut voor Landbouw-, Visserij- en Voedingsonderzoek (ILVO) experimenteren bio-ingenieurs met chitine uit schaaldierafval als meststof voor aardbeien en sla. Caroline De Tender legt uit: 

“Sla groeit beter en is weerbaarder tegen infecties met chitine in de bodem. Ook overleven salmonellabacteriën dan minder goed op de slablaadjes. Bij aardbeienplanten die chitine krijgen, maakt de meeldauwschimmel dan weer minder kans. Het stimuleert dus het afweersysteem van de plant. Dat is goed nieuws, want zo kan de teler op termijn chemische bestrijdingsmiddelen mogelijk vervangen door chitine.”

Hoe chitine de plant precies beschermt, is niet helemaal duidelijk en wordt nu verder onderzocht binnen het Interreg 2 Seas project Horti-BlueC. Het effect valt deels te verklaren doordat chitine een bron is van stikstof, een belangrijke voedingsstof voor planten. Maar het is niet louter de stikstof die de planten beschermt, vertelt Bart Vandecasteele (ILVO).

“We vergeleken het effect van chitine met dat van een andere stikstofbron. Daaruit bleek dat chitine toch nog een extra effect had."

"De stikstof uit chitine komt ongeveer vrij op het tempo waarmee de plant het opneemt. Het is dus een traagwerkende meststof, waardoor het waarschijnlijk ook langer werkzaam is"

Gezonde bodembacteriën

Dat extra effect kan afkomstig zijn van nuttige bacteriën en schimmels, die leven van de chitine in andere schimmels en in de eitjes van rondwormen in de bodem. 

“Die schimmels en bacteriën profiteren van de chitine die we toevoegen. Zo verandert de microbiële gemeenschap in de bodem, vermoedelijk ten voordele van schimmels of bacteriën die de plantengroei stimuleren”, zegt De Tender. 

Zonder die microben zouden de planten bovendien niets aan kunnen met de chitine. Die bestaat uit een lange ketting van moleculen, N-acetyl-glucosaminen meerbepaald, die de plant niet kan opnemen. Het bodemleven verknipt die ketting tot kleinere ketens en zet die vervolgens om tot voedingsstoffen voor de plant, vooral opneembare stikstof. Wellicht zijn het bijverschijnselen van dat afbraakproces, die zo gezond zijn voor de plant. 

Een ander voordeel van dat proces is dat de voedingsstoffen niet in één keer vrijkomen, zoals bij kunstmest. Dat kan er immers voor zorgen dat stikstof uit de bodem spoelt en leidt tot overbemesting. 

“De stikstof uit chitine komt ongeveer vrij op het tempo waarmee de plant het opneemt. Het is dus een traagwerkende meststof, waardoor het waarschijnlijk ook langer werkzaam is”, zegt Vandecasteele.

"De laatste jaren gaat chitosan over de tong als hét materiaal van de toekomst. Het leent zich voor de productie van biologisch afbreekbaar plastic, eetbare verpakkingen en bacteriewerend medisch materiaal"
Credit: Stein Mincke

Positief ingesteld

De veelzijdigheid van chitine uit zich pas echt wanneer het omgezet wordt naar een andere stof: chitosan. De laatste jaren gaat chitosan over de tong als hét materiaal van de toekomst. Het leent zich voor de productie van onder meer biologisch afbreekbaar plastic, eetbare verpakkingen en bacteriewerend medisch materiaal. Het geheim van chitosan? Positief zijn. De molecule beschikt bij een bepaalde zuurtegraad immers over zijtakken met een positieve lading, die haar uniek maken. Ben van den Broek, die biomaterialen onderzoekt aan Wageningen Food & Biobased Research, legt uit: “De NH2-groepen op chitosan zijn positief. Dat kom je zelden tegen, de meeste stoffen in de natuur hebben een negatieve lading. Daardoor heeft chitosan bijvoorbeeld een antimicrobiële en bloedstelpende werking.”

Er bestaan verschillende theorieën die verklaren waarom microben een probleem hebben met die positieve lading. “De theorie met de meeste aanhang, is dat de negatief geladen celwand van de bacterie bindt met de positieve ladingen van chitosan. Daardoor werkt die niet meer goed en sterft de microbe. Een andere mogelijkheid is dat kleine stukjes chitosan de cel binnendringen en ervoor zorgen dat het DNA niet meer afgelezen kan worden”, zegt van den Broek.

Van garnaal tot chitosan. Credit: SynBioC UGent

Waterfilter

Met die positieve lading kan chitosan ook andere trucjes uithalen. Zo kan de stof bepaalde afvalstoffen uit het water filteren, waaronder metalen, kleurstoffen en geneesmiddelen. Het is een van de toepassingen die professor Chris Stevens en doctoraatsstudent Stein Mincke onderzoeken aan de UGent. Hun werk bestaat uit het chemisch aanpassen van hernieuwbare grondstoffen om er nieuwe functies aan te geven en zo producten te ontwikkelen. Tijdens een recente studie testte Mincke of een aangepaste versie van chitosan metalen uit afvalwater kon vissen. Met succes.

“Via de positieve lading kan chitosan palladium en platina aan zich binden. De bedoeling is dat we die kostbare metalen recupereren en hergebruiken. Dat is nuttig voor de verwerkende industrie, maar ook bijvoorbeeld voor ziekenhuizen. Chemotherapie bevat vaak platina, dat achteraf in de urine van de patiënt zit.”

Eerder zochten ze samen met een doctoraatsstudent uit Ethiopië naar een manier om fluoride uit het drinkwater te filteren. 

“Daar is in Ethiopië op grote schaal nood aan, dus ontwikkelden we een zo goedkoop mogelijke oplossing. We maakten een filter van vulkanische rotsen, zoals puimsteen, met een laagje chitosan. Dat werkte behoorlijk. Momenteel vormt vooral hergebruik nog een probleem, omdat het nog onduidelijk is hoe vaak en aan welke kostprijs de filters opnieuw gebruikt kunnen worden”, zegt Mincke. 

Chitine en chitosan in het lab. Credit: Stein Mincke

Niet-toxisch alternatief

Stevens en Mincke testen ook wat chitosan kan betekenen voor de scheepvaart, als antifouling - vrij te vertalen als mosselwerend middel. Kokkels en mossels die zich vasthechten aan de onderkant van de scheepsromp, creëren een weerstand die het schip vertraagt. Daarom moeten kapiteins hun boot jaarlijks behandelen met antifouling-producten, maar die zijn erg milieuonvriendelijk. 

“Die middelen staan momenteel onder druk door de steeds strengere Europese wetgeving. Daarom ontwikkelen we een biologisch afbreekbaar, niet-toxisch alternatief”, verklaart Stevens. 

“Testen op touwen en scheepsrompen leveren voorlopig positieve resultaten. Onze producten weren alvast de algen die de basis voor de aangroei vormen”, vult Mincke aan. 

Twee jaar geleden haalde het experimentele antifouling-middel de krant, toen een kapitein het wou testen tijdens een wereldreis. Het schip is nog onderweg, maar het experiment moesten ze stopzetten. 

Stevens: “Hij kwam aan bij de Galapagoseilanden, waar de regels streng zijn en er een verbod heerst op niet-gestandaardiseerde producten. De kapitein moest zijn boot dus opnieuw behandelen. Maar tijdens de vijf maanden ervoor heeft ons product in elk geval goed standgehouden. Van de drie middelen die hij testte, kwam het als beste uit de bus.”

“Dat experiment was kleinschalig en heeft geen enkele statistische waarde”, legt Stevens uit. Voor hun product echt op de markt komt, wachten er nog een hele reeks testen. “Wij ontwikkelen de werkzame stof en werken vervolgens samen met bedrijven om er een bruikbaar middel van te maken. Zij voegen er een formulering aan toe die er bijvoorbeeld voor zorgt dat je het kan aanbrengen op de scheepsromp en dat het lang genoeg blijft plakken. Voorlopig zijn de bedrijven enthousiast, maar hoe lang het nog duurt is een moeilijke vraag. Morgen kunnen we de perfecte samenstelling vinden, maar er kan net zo goed een alternatief op de markt komen.” 

"In de spray zit naast chitosan ook een enzym, transglutaminase, dat van nature in het lichaam voorkomt. Bij gekwetst weefsel voert het een noodhandeling uit door alles wat het tegenkomt aan elkaar te verbinden zodat het bloeden stopt"

Wondhelende spray stopt bloeden

Een andere wetenschapper wiens producten een lange testfase doormaken, is Javier Fernandez, materiaalwetenschapper aan de Singapore University of Technology and Design. Zijn onderzoeksteam ontwierp een wondhelende spray met chitosan.

“In de spray zit naast chitosan ook een enzym, transglutaminase, dat van nature in het lichaam voorkomt. Bij gekwetst weefsel voert het een noodhandeling uit door alles wat het tegenkomt aan elkaar te verbinden zodat het bloeden stopt. De lange ketens van chitosan geven een structuur aan het geheel. Doordat het enzym het weefsel verbindt met chitosan, ontstaat er een beschermende laag.”

Naast die structurele eigenschappen, maakt ook de antibacteriële werking dat chitosan een uitgelezen kandidaat is voor medisch gebruik. Veel toepassingen zijn in ontwikkeling, maar Fernandez zegt: 

“Het duurt eeuwig voor een geneeskundig product toelating krijgt. Voor zover ik weet is er momenteel slechts één goedgekeurde medische toepassing met chitosan: een verband voor militair gebruik.”

Met cellulose en chitine bouwden wetenschappers van de Singapore University of Technology and Design een vijf meter hoge structuur. Credit: Javier Fernandez

Bouwmateriaal van de toekomst

Fernandez gelooft dat het grootste potentieel voor chitosan niet in de medische wereld ligt. In 2012 toonde zijn onderzoek aan dat je met de stof ook extreem sterke structuren kunt bouwen. Zes jaar later maakte zijn team met een 3D-printer een vijf meter hoge structuur van chitosan en celstof (cellulose). Het was de hoogste structuur die ooit geprint werd uit biologische materialen. 

“Dat is het doel waar de natuur chitine voor ontworpen heeft. Kijk maar naar een sprinkhaan. Zowel zijn stevige maar vederlichte vleugels als zijn soepele gewrichten, zijn gemaakt van chitine. Als we de code kraken, kunnen we het chitine uit reststromen weer opbouwen tot een stevig materiaal. Het is duurzaam omdat het overal ter wereld aanwezig is en de natuur het achteraf weer kan afbreken. Combineer dat met 3D-printen en je hebt de steen der wijzen in handen”, zegt Fernandez. 

Ondanks het potentieel van chitine en chitosan, zijn er nog veel uitdagingen. Zo gebeurt het onttrekken ervan vandaag nog voornamelijk met chemicaliën, wat niet milieuvriendelijk is. Het team van ILVO werkt daarom aan een duurzamere extractiemethode, op basis van enzymen. 

Daarnaast varieert de kwaliteit van chitine en chitosan sterk, net omdat het natuurlijke materialen zijn. Afhankelijk van de diersoort - garnalen, krabben, insecten - maar ook van hun leefomstandigheden, heeft het materiaal andere eigenschappen. De wetenschap moet die horden nog zien te overwinnen, voor ze ons blij kan maken met een dode garnaal.

Comments

Draag bij en deel hier je kennis & ervaring. Of stel een vraag.

Bronvermelding