In de darmen van plastic-etende wormen ligt mogelijk een sleutel tot een chemisch proces om het materiaal af te breken.
Beeld: Larven van de kever Zophobas morio eten piepschuim. Credit: Universiteit van Queensland.
Een van de opvallende dingen in het laboratorium van microbioloog Christian Rinke is het verbazend luide, knarsende geluid van wormachtige larven die zich een weg kauwen door polystyreen en zich ingraven in blokken van het piepschuim. Voordat hij een doorgekauwd blok weggooit, houdt Rinke het tegen zijn oor om te controleren of er nog achterblijvers zijn. ‘Als de worm daar nog aan het eten is, kan je het echt horen’, zegt hij.
Rinke en zijn collega's voeren plastic aan larven van de kever Zophobas morio, ook wel ‘superwormen’ genoemd vanwege hun grote omvang. Ze willen nagaan of de microben en enzymen in hun darmen inzicht kunnen geven in hoe de enorme hoeveelheid plastic afval van de mens kan worden afgebroken.
De onderzoekers hebben ontdekt dat deze superwormen kunnen overleven op een dieet van alleen maar polystyreen, dat wordt gebruikt in een breed scala van producten, variërend van bekers tot het verpakken van pinda's. Het vermogen van de wormen om het plastic te verwerken wijst erop dat het zeer efficiënt wordt afgebroken in het spijsverteringskanaal van de wezens. ‘Het zijn eigenlijk net eetmachines’, zegt Rinke. Hij werkt aan de Universiteit van Queensland in Australië en is co-auteur van een nieuwe studie die is gepubliceerd in Microbial Genomics waarin de bevindingen van zijn team worden beschreven.
‘Piepschuim is slecht voor de larven, maar het lijkt erop dat ze er wel enige energie uit kunnen halen’
Om te onderzoeken hoe het darmmicrobioom van superwormen reageert op een dieet van alleen maar plastic, verdeelden de onderzoekers 135 van de wezens in drie groepen: een daarvan kreeg alleen tarwezemelen te eten, een andere alleen zacht polystyreen, en een derde niets. Alle wormen werden gecontroleerd op kannibalisme, en de leden van de uitgehongerde groep werden van elkaar geïsoleerd.
De met zemelen gevoede larven waren aanzienlijk gezonder dan hun met plastic gevoede of uitgehongerde soortgenoten: hun gewicht verdubbelde tijdens de drie weken dat ze werden gecontroleerd. Daarna werden enkele wormen uit elke groep apart gezet om uit te groeien tot kevers. Negen van de tien met zemelen gevoede wormen groeiden met succes uit tot kevers en behielden het meest diverse darmmicrobioom van alle drie de groepen. De met plastic gevoede larven boekten minder indrukwekkende vooruitgang, maar ze kwamen nog steeds meer aan dan de uitgehongerde wormen, en twee derde van hen groeide uit tot kevers. ‘Het is duidelijk dat polystyreen een slecht dieet is voor de larven’, zegt Rinke. ‘Maar het lijkt erop dat ze ten minste enige energie uit het materiaal kunnen halen.’
Darmbacteriën
Dit komt waarschijnlijk door een symbiotische relatie tussen superwormen en hun darmbacteriën. De wormen versnipperen het plastic zodat de bacteriën het kunnen afbreken in kleinere moleculen die gemakkelijker verteerbaar zijn - of misschien ooit kunnen worden geüpcycled om nieuw plastic te maken, aldus Rinke. Weten welke bacteriële enzymen deze darmmicroben precies gebruiken om het polystyreen af te breken, is een gouden ticket om het proces in de toekomst op grote schaal na te bootsen.
Voor de nieuwe studie moesten de genomen van de organismen in de darmen van de wormen worden gesequeneerd om die enzymen te identificeren. ‘Met behulp van metagenomics kunnen we eigenlijk alle genen in het spijsverteringsmicrobioom in kaart brengen, zegt Rinke. ‘Eerdere studies van andere insecten waren niet zo uitgebreid en richtten zich op slechts één of twee mogelijke darmbacteriën of enzymen.’
We moeten superwormen niet loslaten op stortplaatsen of vervuilde landschappen
Uwe Bornscheuer, hoofd van de afdeling biotechnologie en enzymkatalyse aan de Universiteit van Greifswald in Duitsland, heeft op dit soort gegevens gewacht sinds iets meer dan tien jaar geleden voor het eerst duidelijk werd dat sommige insectenlarven moeilijk afbreekbaar plastic kunnen eten. Want zo helpen ze wetenschappers mogelijk bij het zoeken naar een manier om plastic af te breken en te recyclen. Het pas gepubliceerde werk is ‘de eerste degelijke studie waarbij ze naar het metagenoom hebben gekeken’, zegt Bornscheuer, die niet bij het artikel betrokken was, maar dit onderzoeksgebied wel had gevolgd.
Rinke en zijn collega's identificeerden specifieke enzymen waarvan zij dachten dat ze in een bepaalde volgorde werkten om het polystyreen in de darmen van de superwormen af te breken. Maar Bornscheuer heeft het team erop gewezen dat, in de volgorde waarin de onderzoekers die enzymen hadden geplaatst, ze de beruchte sterke bindingen tussen koolstofatomen in het plastic niet konden verbreken. Op basis van die feedback herzien de onderzoekers nu de stappen die zij voorstelden: zij zullen dezelfde enzymen later in het proces opnemen.
Rinke en zijn collega's zeggen niet dat superwormen moeten worden losgelaten op stortplaatsen of vervuilde landschappen om bergen plastic op te peuzelen, maar eerder dat het unieke microbioom in de darmen van de wormen een sleutel kan zijn tot de ontwikkeling van een chemisch proces om het materiaal af te breken. De onderzoekers zijn van plan de metagenomische gegevens van hun nieuwe studie als basis te gebruiken om experimenteel na te gaan wat elk geïdentificeerd bacterieel enzym met plastic doet en hoe alle enzymen bij elkaar passen. Ze hopen op die manier de meest efficiënte manier te vinden om ons plastic afval af te breken.
