Czy larwy moli woskowych rzeczywiście pomogą w walce z plastikiem?

Niedawno polskie media obiegła informacja o parze młodych naukowców z Zespołu Szkół nr 6 w Jastrzębiu-Zdroju, którzy jako pierwsi (ponoć) przebadali możliwość utylizacji plastiku z wykorzystaniem larw moli woskowych[1]. Za swoje odkrycia otrzymali nagrodę Międzynarodowym Konkursie Innowacyjności iCAN 2021 w Kanadzie. 

Biorąc pod uwagę, jak szeroko media podeszły do tematu uznałem, że warto sprawdzić, na czym polega to odkrycie. 

Co zostało zbadane?

Wpisując tytuł pracy w sieci natrafiłem na dokument zawierający opis badania naszych naukowców, który został zaprezentowany na Międzynarodowym Pokazie Wynalazców E-nnovate we wrześniu 2021 roku, na którym zdobyli złoty medal[2]. Zakładam, że do konkursu kanadyjskiego niewiele się zmieniło.

W pracy przeprowadzono badania w 6 różnych warunkach (po 1 próbie), gdzie w każdym przypadku w terrarium umieszczono 9-10 larw moli. Przez warunki rozumiem temperaturę otoczenia,\ oraz rodzaj pożywienia. Pierwsza seria 3 pomiarów obejmowała różne temperatury (od 18 do 24 stopni Celsjusza), druga seria 3 pomiarów obejmowała różne pożywienie (polietylen + wosk pszczeli w stosunku 1:1, polietylen i wosk pszczeli w stosunku 2:1, nieograniczona ilość wosku pszczelego).

Co wyszło?

Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że mole były w stanie w ciągu 21 dni zjeść ok. 0,007-0,02 g z 0,535 g polietylenu (pierwsza seria pomiarowa) lub 0,0026-0,0039 z 0,065g polietylenu. (druga seria pomiarowa). 

W przypadku pierwszej serii pomiarowej, zależnie od temperatury po 21 dniach zmarło 30-80% populacji, w przypadku drugiej serii pomiarowej było to 10-20% (20% zmarło przy nieograniczonej ilości wosku).

Na tym w zasadzie wyniki się kończą.

We wnioskach porównano “szybkość recyklingu” plastiku w zależności od ustalonych zmiennych. I w zasadzie to tyle.

Do czego można się przyczepić?

Powiem szczerze, że jak przeczytałem ten dokument, to wpadłem w lekką konsternację. Patrząc na sposób przeprowadzenia badań i ich zakres odniosłem wrażenie, że recenzenci przeczytali tylko wstęp i podsumowanie oraz że nie mają oni zielonego pojęcia o “robieniu nauki” jako takiej. Absolutnie nie winię tutaj naszych naukowców, którzy są licealistami – nie muszą oni przecież mieć warsztatu naukowego, który ja sam zdobywałem latami. Niemniej dziwię się nauczycielom (którzy jednak powinni mieć ukończone studia wyższe, a to sugeruje, że jakieś badania powinni zrealizować przy okazji prac dyplomowych), którzy nie zasugerowali chociaż prawidłowego sformatowania dokumentu, zwiększenia populacji czy liczby powtórzeń, a także nie zweryfikowali wyciągniętych wniosków.

Niestety jestem tym złym, który weryfikuje przedstawiane w mediach doniesienia. Z drugiej strony jednak bardzo chętnie pomogę każdemu, kto chce prowadzić badania naukowe amatorsko, czy to w obszarze technicznym, czy środowiskowym i chciałby je opublikować szerzej.

Jeżeli już miałbym recenzować tę pracę to zwróciłbym uwagę na następujące aspekty:

• wykonano zaledwie po jednym powtórzeniu dla każdej populacji, w związku z czym ciężko ustalić dokładność pomiaru
• małe wielkości populacji, przez co łatwo o błąd 
• niekonsekwentny opis wyników (raz gramy, raz procenty)
• niekonsekwentny opis zebranych danych (raz tabela zawiera 4 zmienne, raz 2 zmienne)
• sytuacja nie odzwierciedla rzeczywistego problemu, w naturalnym środowisku mam duże watpliwości, żeby mole zainteresowały się foliówką z LDPE (nadzieja w tym, że różnica między woskiem a polietylenem jest tylko w długości łańcucha węglowodorowego)
• nie określono pochodzenia larw moli ani nie wprowadzono rozwiązania pozwalającego odseparować wpływ wcześniejszego pożywienia na wyniki
• brakowało badania, gdzie mole były pozostawione bez pożywienia
• i najważniejsze – na podstawie tych badań nie można stwierdzić, że doszło do jakiegokolwiek recyklingu czy biodegradacji. Jeżeli 80% populacji zmarło, to znaczy, że na pewno larwy moli polietylenem się nie żywią, pomimo tego, że są w stanie go skonsumować.

Czyli mole nie pomogą w walce z plastikiem?

Na podstawie powyższej pracy nie można wysnuć takiego wniosku. Jest jednak pewne ale. Szukając pracy naszych naukowców na drugim miejscu w wyszukiwarce wyskoczyła mi praca z 2020 roku opublikowana w Environmental Science and Technology, w której przebadano dokładnie ten sam gatunek larwy (przepraszam, jeżeli źle posłużyłem się terminem “gatunek”) i co ciekawe, w przy takiej samej długości badania, tj. 21 dni i również z wykorzystaniem wosku pszczelego (możliwe, że zbieżność przypadkowa)[3]. 

W przypadku pracy nr 2 zbadano również pożywienie w postaci otrębów oraz zbadano piankę polietylenową i polistyrenową zamiast folii polietylenowej (struktura na pewno ma znaczenie, ponieważ wątpię, żeby tak mole tak łatwo sobie poradziły z HDPE). Tutaj badania zostały przeprowadzone 3-krotnie dla każdego zestawu parametrów układu, a także wykorzystano 150 larw na eksperyment.

Co ciekawe, w tej pracy powoływano się na artykuły z lat 2015-2019, więc na pewno nasi naukowcy nie byli pierwsi, którzy do tego tematu podeszli. 

Czy jest nadzieja?

Naukowcy podeszli do badań bardzo profesjonalnie, korzystając z następujących metod badawczych (obok pomiaru masy i liczby martwych osobników).

• analiza termograwimetryczna (TGA) – posłużyła do oceny odporności termicznej materiału po strawieniu
• spektroskopia w podczerwieni (FTIR) – do oceny zmiany struktury chemicznej materiału po strawieniu
• chromatografia żelowa (GPC) – zmiana ciężaru cząsteczkowego
• chromatografia gazowa sprzężona ze spektrometrem masowym (GC-MS) – określenie związków powstałych w na skutek trawienia
• analiza mikrobiologiczna układu trawiennego – do oceny wpływu pokarmu na stan mikroflory bakteryjnej.

Przeprowadzenie tak szeroko zakrojonych badań pozwoliło zarówno określić, co się dzieje z plastikiem po zjedzeniu przez mole. Wnioski są następujące:

• plastik “nie stanowi pokarmu” dla moli, ale też nie jest dla nich toksyczny. Śmiertelność przy plastiku była zbliżona do śmiertelności bez pokarmu.
• układ trawienny moli woskowych powoduje znaczącą zmianę struktury materiału (zmiana na krzywych termograwimetrycznych) zwiększając podatność na degradację (materiał rozkłada się w niższych temperaturach). 
• pojawienie się odpowiednich pików w pomiarze FTIR wskazuje na utlenienie polimerów. Dodatkowo stwierdzono, że odchody są bardziej hydrofobowe niż sam polietylen i polistyren.
• Obecność struktur tlenowych w odchodach jest solidnym potwierdzeniem, że następuje utlenienie polimerów oraz ich depolimeryzacja.
• układ trawienny moli woskowych spowodował rozbicie polistyrenu do kwasów tłuszczowych o długich łańcuchach (kwas oleinowy, kwas stearynowy, kwas palmitynowy) oraz prawdopodobnie związków z pierścieniami benzenowymi (ftalany, kwas ftalowy, cykloheksan i inne). W przypadku polietylenu zaobserwowano z kolei kwas palmitynowy, oleinowy oraz linolowy, palmitynian etylu i kilka innych związków.
• Autorzy nie określili struktury chemicznej wszystkich związków, które powstały w wyniku trawienia. Część z tych, które wykryto prawdopodobnie nie są obojętne dla środowiska.
• W badaniu uzyskano wynik sugerujący, że układ trawienny moli jest w stanie zmetabolizować struktury benzenowe.
• Powyższa obserwacja nie oznacza, że 100% materiału uległo takiemu rozkładowi, ponieważ wg badań na chromatografie żelowym średnia masa cząsteczkowa wzrosła dla polistyrenu, co by oznaczało, że rozkładowi prawdopodobnie uległy krótsze łańcuchy polimerowe zwiększając średni ciężar cząsteczkowy. 
• Zbadano wpływ różnych pokarmów na przeżywalność moli – istnieje tutaj więc możliwość optymalizacji składu pożywki w celu wydłużenia czasu życia moli przy zachowaniu ich funkcji do rozkładania plastiku.
• Dodatkowe badania muszą zostać przeprowadzone dla polietylenu wysokiej gęstości (HDPE), wg mnie z powodu większej masy cząsteczkowej i większych trudności z trawieniem.

Podsumowanie 

Niestety praca polskich młodych naukowców nie była ani pierwsza, ani nie pozwalała wysnuć wniosków, które są powtarzane w mediach . Z drugiej jednak strony istnieje praca badawcza, która pokazuje, że mole woskowe są w stanie w jakiś sposób strawić polietylen i polistyren.

Absolutnie nie krytykuję wysiłku naszych młodych naukowców – uważam, że bardzo dobrze, że zajęli się tak palącym problemem jak plastik w środowisku. Martwi mnie jednak hurraoptymizm mediów i brak realnego wsparcia w prowadzeniu badań. Ze swojej strony chętnie pomogę każdemu, kto chciałby prowadzić tego typu prace badawcze i potrzebowałby podpowiedzi merytorycznej jak dobrze ugryźć temat.

Czy to oznacza, że teraz mole woskowe oczyszczą świat z plastiku? Na ten moment mam tutaj duże wątpliwości, ponieważ musiałaby powstać praca, na ile chętnie mole woskowe “atakują” plastik w naturalnym środowisku. 

Z drugiej jednak strony w pracy pokazano bardzo obiecujące wyniki, a mianowicie, że faktycznie w temperaturze pokojowej następuje depolimeryzacja i biodegradacja polietylenu oraz polistyrenu. Wystarczyłoby wykorzystać dane szczepy bakterii (różne szczepy radzą sobie z polietylenem i polistyrenem, co daje selektywność metodzie), poddać je modyfikacjom jak w przypadku depolimeryzacji enzymatycznej PET (o czym pisałem tutaj i tutaj) i otrzymalibyśmy technologię selektywnej depolimeryzacji polietylenu i polistyrenu, która byłaby Świętym Graalem dla recyklingu tych odpadów. 

Literatura

• [1]https://noizz.pl/ekologia/16-latkowie-z-polski-znalezli-sposob-na-utylizacje-plastiku/6r4y5n3
• [2]https://www.e-nnovate.eu/image_upload_2021/1362988923.pdf
• [3] Yu Lou, Pererva Ekaterina, Shan-Shan Yang, Baiyun Lu, Bingfeng Liu, Nanqi Ren, Philippe F.-X. Corvini, and Defeng Xing, Biodegradation of Polyethylene and Polystyrene by Greater Wax Moth Larvae (Galleria mellonella L.) and the Effect of Co-diet Supplementation on the Core Gut Microbiome, Environ. Sci. Technol. 2020, 54, 2821−2831, https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.9b07044
• Zdjęcie pochodzi z pracy: Sana Jemel et al., Galleria mellonella for the Evaluation of Antifungal Efficacy against Medically Important Fungi, a Narrative Review, Microorganisms 2020, 8, 390; doi:10.3390/microorganisms8030390