Karakterisering van bacteriële nanocellulose gekweekt op polyethyleentereftalaat (PET)-monomeren via Raman- en fouriertransform-infraroodspectroscopie

Plasticafval omzetten in nuttige vezels

Plastic flessen en voedselverpakkingen van PET zijn alomtegenwoordig, en kleine fragmenten van dit plastic worden inmiddels aangetroffen in oceanen, bodem en zelfs in ons lichaam. Deze studie onderzoekt een creatieve manier om dat probleem aan te pakken: het gebruik van bacteriën om de bouwstenen van PET om te zetten in ultrafijne, biologisch afbreekbare cellulosevezels. Deze vezels, bacteriële nanocellulose genoemd, kunnen sterke, flexibele membranen vormen die op termijn sommige plastic producten in verpakkingen, de geneeskunde en andere dagelijkse toepassingen zouden kunnen vervangen.

Van planten naar microscopische bacteriefabriekjes

Cellulose is het belangrijkste structurele materiaal in planten en wordt al gebruikt voor papier, textiel en vele industriële producten. De winning ervan is doorgaans afhankelijk van kappen van bomen of het verbouwen van uitgestrekte monoculturen. Sommige bacteriën, waaronder een soort genaamd Komagataeibacter sucrofermentans, kunnen in plaats daarvan tijdens fermentatie rechtstreeks cellulose spinnen uit suiker en een netwerk van nanovezels opbouwen dat dunner is dan honderd nanometer. Deze bacteriële nanocellulose heeft aantrekkelijke eigenschappen: ze is zuiver (vrij van plantaardige gomstoffen en lignine), neemt goed water op en kan worden gevormd tot gladde membranen die geschikt zijn voor voedselverpakkingen of wondverzorging.

Bacteriën voeden met plasticbouwstenen

De onderzoekers vroegen zich af of deze bacteriën de bouwstenen van PET—ethyleenglycol (EG) en dinatriumterephthalaat (TPA)—kunnen gebruiken in plaats van uitsluitend op conventionele suiker (glucose) te vertrouwen. Ze kweekten K. sucrofermentans in drie vloeistoffen die identiek waren behalve de koolstofbron: één bevatte glucose, één EG en één TPA. Na drie weken verzamelden en droogden ze de cellulosepellicles die aan het oppervlak dreven en wogen deze. Verrassend genoeg leverde EG de hoogste opbrengst op, met meer nanocellulose per liter dan glucose, terwijl TPA een lagere opbrengst gaf. Dit toont aan dat ten minste een deel van de koolstof in PET-monomeren kan worden omgeleid naar een bruikbaar, biologisch afbreekbaar materiaal.

Uiterlijk van de vezels en hun ordening

Om te zien welk soort materiaal zich had gevormd, beeldde het team de membranen af met een scanning elektronenmicroscoop. Bacteriën gevoed met glucose produceerden een dicht, gelijkmatig matje van fijne vezels met regelmatige poriën—een teken van goed georganiseerde groei. EG en TPA leidden tot lossere, onregelmatigere netwerken, waarbij TPA het meest open en ongelijkmatige structuur gaf, meer als een composiet dan een zuivere, uniforme film. Röntgendiffractie-metingen bevestigden deze visuele indruk: cellulosevezels uit glucose toonden de hoge kristalliniteit (dichte stapeling) die gewoonlijk geassocieerd wordt met sterke, goed geordende cellulose, terwijl EG-afgeleide vezels iets minder geordend waren en TPA-afgeleide vezels veel meer gedesordend waren.

Moleculen beluisteren met licht

Vervolgens gebruikten de wetenschappers twee lichtgebaseerde technieken—Raman- en infraroodspectroscopie—toen de vibraties van de moleculen in de membranen te "luisteren". Deze methoden functioneren als vingerafdrukken en onthullen welke bindingen aanwezig zijn en hoe netjes de ketens zijn gerangschikt. Alle drie de monsters toonden de karakteristieke signalen van cellulose, wat bewijst dat de bacteriën het verwachte polymeer uit elke koolstofbron hadden opgebouwd. Maar er waren belangrijke verschillen: de EG- en TPA-monsters vertoonden sterkere kenmerken van gedesordineerde, amorfe regio's, terwijl op glucose gebaseerde nanocellulose duidelijkere tekenen van geordende kristallijne zones liet zien. In het TPA-gevoede materiaal kwamen extra spectrale banden overeen met tereftalaatgroepen, wat betekent dat sommige PET-gerelateerde fragmenten in het membraan waren blijven zitten en niet volledig waren omgezet.

Betekenis voor schonere materialen

In gewone woorden laat de studie zien dat bepaalde bacteriën delen van PET’s moleculaire resten kunnen verteren en kunnen omvormen tot cellulosevellen, hoewel de kwaliteit van die vellen sterk afhankelijk is van de voedingsstof. Glucose levert nog steeds de schoonste en meest ordelijke vezels, maar EG kan met name de geproduceerde hoeveelheid verhogen, en TPA kan ten minste gedeeltelijk worden getransformeerd terwijl het ingebed raakt in een cellulose-rijke film. De benadering doet PET nog niet volledig verdwijnen—sommige plasticachtige fragmenten blijven achter en zouden moeten worden verwijderd—maar het markeert een veelbelovende route naar "bio-upcycling", waarbij persistent plastic wordt omgezet in minder schadelijke materialen. Met verdere optimalisatie van het proces en zuiveringsstappen zou bacteriële nanocellulose die op PET-monomeren is gekweekt deel kunnen uitmaken van een circulair systeem dat zowel plastic afval beheert als duurzame, hoogpresterende membranen levert.

Bronvermelding: Eriksson, R., Mariam, I., Ramser, K. et al. Characterization of bacterial nanocellulose cultivated on polyethylene terephthalate (PET) monomers via raman and fourier transform infrared spectroscopy. Sci Rep 16, 13133 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46886-z

Trefwoorden: bacteriële nanocellulose, PET upcycling, plasticvervuiling, biologisch afbreekbare materialen, Raman- en FTIR-analyse