Drugie życie owadów. Naukowcy stworzą z ich odpadów materiał ratujący gleby

Poprawić właściwości gleby, wykorzystując do tego odpady z jednej z najszybciej rozwijających się gałęzi przemysłu opartej na hodowli owadów – to cel polsko-niemieckiego zespołu naukowców. Ich wspólny projekt otrzymał dofinansowanie w ramach programu Weave-UNISONO.

Gleba. oprócz tego, że jest miejscem wzrostu i rozwoju roślin, odgrywa kluczową rolę w kształtowaniu klimatu, zachowaniu bioróżnorodności, oczyszczaniu różnych ekosystemów. Niestety, z uwagi na coraz intensywniejsze użytkowanie, rośnie powierzchnia gleb zdegradowanych. Według Organizacji Narodów Zjednoczonych ds. Wyżywienia i Rolnictwa (FAO) zdegradowana jest już 1/3 wszystkich gleb na Ziemi, a ponad 90% może ulec degradacji w perspektywie najbliższego ćwierćwiecza. W Unii Europejskiej około 2/3 gleb uważa się za niezdrowe z powodu niewłaściwego zarządzania, a jeszcze więcej traci swoje wartości użytkowe z powodu zanieczyszczeń.

Zdegradowane gleby nie mogą pełnić swoich funkcji ekosystemowych. Charakteryzują się między innymi pogorszoną strukturą, słabą retencją wody i wyczerpaniem składników odżywczych. W Europie przyczyny degradacji gleby różnią się w zależności od regionu, ale w ostatnich latach coraz większą uwagę zwraca się na suszę spowodowaną zmianami klimatu. Zjawisko to zwiększa utratę gleby z powodu erozji, a także przyczynia się do jej zaskorupiania i pękania, co prowadzi do uszkodzenia systemu korzeniowego upraw – tłumaczy dr hab. Katarzyna Szewczuk-Karpisz, kierująca Zakładem Fizykochemii Materiałów Porowatych w Instytucie Agrofizyki im. Bohdana Dobrzańskiego PAN w Lublinie.

To właśnie dlatego jednym z największych wyzwań, przed jakimi stoją naukowcy, jest opracowanie innowacyjnych technologii, które pozwolą uodpornić gleby na częste susze. Jednym z obiecujących rozwiązań są nowatorskie kondycjonery, które oprócz zdolności do wchłaniania i stopniowego uwalniania wody, wzbogacałyby glebę w składniki odżywcze i poprawiały jej strukturę. Nad tego typu materiałami będą właśnie pracowali naukowcy z Polski i Niemiec.

Zamierzamy stworzyć innowacyjne materiały hydrożelowe sporządzone z odpadów z jednej z najszybciej rozwijających się gałęzi przemysłu opartej na hodowli owadów – zapowiada liderka polskiego zespołu.

Czarna mucha na pomoc glebie

Naukowcy połączą chitozan pozyskany z wylinek czarnej muchy (Hermetia illucens) z materiałami o dużej zawartości węgla organicznego (biowęgiel, hydrowęgiel, węgiel aktywny) sporządzonymi z martwych imago tego samego gatunku lub owadzich ekskrementów. Materiały odpadowe będą pochodzić z hodowli prowadzonej w Instytucie Agrofizyki PAN pod nadzorem dr inż. Piotra Bulaka.

Uzyskane w ten sposób hydrożele hybrydowe zostaną przebadane pod kątem ich zdolności sorpcyjnych względem wody oraz jonów metali ciężkich, zawartości składników odżywczych, ekotoksyczności oraz stabilności w środowisku glebowym. Badacze określą również ich wpływ na kondycję gleb o dużej zawartości piasku charakteryzujących się niską retencją.

Nasz pomysł wychodzi naprzeciw konieczności zagospodarowania odpadów z intensywnie rozwijającego się przemysłu opartego na owadach oraz konieczności ochrony zdrowia gleb w obliczu zmian klimatu i postępującej antropopresji. Zgodnie z Agendą na rzecz Zrównoważonego Rozwoju 2030, wszystkie nowe materiały, w miarę możliwości, powinny być wyprodukowane z odpadów celem dążenia do gospodarki o obiegu zamkniętym – zaznacza Szewczuk-Karpisz.

Jak dodaje, rozwój przemysłu opartego na hodowli owadów wiąże się ze wzrostem ilości pozostałości poprodukcyjnych. Są to np. odchody owadów (frass) połączone z resztkami paszy, a także martwe osobniki dorosłe (imago). Owady holometaboliczne, takie jak np. chrząszcze czy muchówki, wytwarzają również chitynowe odpady – wylinki – które stanowią pancerz poczwarek. Odpady te pozostają po wykluciu się dorosłej formy owada.

Dotąd nie zaproponowano uzyskania hydrożeli na bazie owadzich odpadów, mimo że istnieje duże prawdopodobieństwo wykorzystania wyizolowanego chitozanu jako głównego składnika polisacharydowego hydrożelu, podczas gdy frass oraz materiały bogate w węgiel uzyskane z martwych owadów mogłyby być stosowane jako wypełniacze hydrożeli – wyjaśnia badaczka IA PAN.

Badania podstawowe z potencjałem aplikacyjnym

Prace będzie realizować we współpracy z grupą prof. Stephana Petha z Uniwersytetu Gottfrieda Wilhelma Leibniza w Hanowerze. Od ponad 20 lat prowadzi on badania z zakresu fizyki, mechaniki i ekologii gleby w różnych skalach. Wyjaśnia wpływ sposobu użytkowania gruntów na przepływ wody, materii oraz energii w glebie oraz określa interakcje występujące pomiędzy sąsiednimi sferami (hydrosferą, biosferą itd.). Bada też m.in. wpływ procesów biotycznych i abiotycznych na magazynowanie i transport wody i węgla w glebie. W badaniach tych wykorzystuje głównie mikrotomografię rentgenowską, która umożliwia nieinwazyjne obrazowanie dynamiki struktury gleby. Projekty, w których brał udział, zaowocowały m.in. siecią czujników do monitorowania gleby, jak również techniką pomiarową opartą na dronach (termografia), za pomocą której można rejestrować przestrzenną zmienność temperatury gleby i drzewostanu.

W ostatnich latach naukowcy z całego świata coraz intensywniej dążą do zrozumienia niezwykle złożonego i zróżnicowanego środowiska, jakim jest gleba, oraz poznania zachodzących w niej procesów fizykochemicznych i biologicznych. Celem jest sukcesywne dostarczanie informacji, wskazówek i technologii zmierzających do zwiększenia zrównoważenia rolnictwa, tj. uzyskania jak najwyższej wydajności upraw bez negatywnego wpływu na środowisko. Prof. Peth jest jednym z liderów tych badań – wskazuje polska badaczka.

Jej zespół od lat zajmuje się opracowaniem nowych kondycjonerów do ochrony gleb użytkowanych rolniczo. Bada także ich wpływ na środowisko glebowe oraz wzrost i rozwój roślin. Współpraca z prof. Stephanem Pethem, specjalistą z zakresu biofizyki gleb, pozwoli na rozszerzenie zakresu tych prac.

W ramach projektu zaplanowano badania o charakterze podstawowym, ale ich wyniki będą ze sobą niosły ogromny potencjał aplikacyjny. Kompozyty hydrożelowe zostaną skomponowane tak, aby połączyć wszystkie zalety biowęgla, hydrowęgla, węgla aktywnego czy frassu z zaletami hydrożeli. Przełoży się to na ich zdolność do minimalizowania negatywnych skutków suszy oraz do podniesienia efektywności rekultywacji gleb zdegradowanych.

Zdolności opracowanych przez nas kompozytów hydrożelowych powinny znacznie przewyższyć te, jakie posiadają hydrożele konwencjonalne bez wypełniaczy – zapowiada dr hab. Katarzyna Szewczuk-Karpisz.

Obecnie, w większości przypadków, hydrożele są otrzymywane w oparciu o sieciowanie chemiczne, które wymaga użycia toksycznych substancji. Wiąże się to z kosztownymi procesami płukania, aby usunąć z nich szkodliwe cząsteczki. Sieciowanie fizyczne jest uważane za bezpieczniejsze.

Innym problemem w inżynierii hydrożeli jest stosowanie materiałów na bazie poliakrylamidu i kwasu poliakrylowego. Takie substraty są kontrowersyjne ze względu na ich potencjalną toksyczność – mogą zawierać nieprzereagowane niebezpieczne monomery lub uwalniać toksyczne związki podczas degradacji. Dlatego powinny je zastąpić polimery pochodzenia naturalnego, np. polisacharydy, w tym chitozan – kończy lubelska badaczka, która na swoją część projektu otrzymała 1,1 mln zł.

Prace doświadczalne ruszą w połowie grudnia, a zakończenie całego przedsięwzięcia zaplanowano na koniec 2028 roku.

Tekst pierwotnie ukazał się w portalu Forum Akademickie

• Nauki biologiczne i rolnicze