Các nhà khoa học tại NREL đang cầm ống nghiệm chứa vi khuẩn Clostridium thermocellum có khả năng thu giữ và chuyển hóa khí carbon dioxide (CO2). Ảnh: Amy Glickson

Các vi sinh vật đã định hình Trái đất trong gần bốn tỷ năm. có ít nhất một nghìn tỷ loài vi khuẩn duy trì sinh quyển, chẳng hạn, bằng cách sản xuất oxy hoặc cô lập carbon. Các vi khuẩn phát triển mạnh trong môi trường khắc nghiệt và sử dụng nhiều nguồn năng lượng khác nhau, từ metan đến kim loại. Và chúng có thể xúc tác các phản ứng phức tạp dưới nhiệt độ và áp suất môi trường xung quanh với hiệu quả đáng kể.

Nhiều nhà khoa học đã công nhận tiềm năng của vi khuẩn để giảm các tác động từ các hoạt động của con người lên hành tinh. Và vi khuẩn hoặc nấm đã được sử dụng để sản xuất vật liệu, nhiên liệu và phân bón để giúp giảm mức tiêu thụ năng lượng và nguyên liệu đầu vào là nhiên liệu hóa thạch, cũng như để làm sạch nước thải và chất gây ô nhiễm.

Tuy nhiên, bất chấp tiềm năng của chúng, các công nghệ dựa trên vi khuẩn hầu như vẫn chưa được nhắc đến trong các kế hoạch quốc tế nhằm chống lại biến đổi khí hậu hoặc giảm thiểu mất mát đa dạng sinh học. Chẳng hạn, có rất ít hoặc gần như không có các cuộc thảo luận về vai trò của các công nghệ vi khuẩn trong việc trở thành các giải pháp thay thế không sử dụng hóa thạch cho các sản phẩm và quy trình hiện tại, tại các hội nghị của các bên của Liên Hợp Quốc (COP) vào năm 2023 và 2024 về biến đổi khí hậu và về đa dạng sinh học vào năm 2022 và 2024.

Để tận dụng tốt hơn vi sinh vật trong việc giải quyết biến đổi khí hậu và các thách thức phát triển bền vững khác, Liên minh quốc tế các Hiệp hội vi sinh vật và Hiệp hội vi sinh vật Hoa Kỳ đã tập hợp một nhóm các nhà vi sinh vật học, nhà khoa học y tế công cộng và nhà kinh tế có chuyên môn về sức khỏe, năng lượng, khí nhà kính, nông nghiệp, đất và nước. Trong một loạt các cuộc họp, nhóm nghiên cứu đã đánh giá liệu một số công nghệ dựa trên vi khuẩn đã có trên thị trường có thể đóng góp vào các giải pháp bền vững có khả năng mở rộng, có tính đạo đức và khả thi về mặt kinh tế hay không. Nhóm nghiên cứu đã xác định các trường hợp đã chứng minh được tính khả thi về mặt kỹ thuật của phương pháp tiếp cận và trong đó các giải pháp có thể cạnh tranh với các phương pháp tiếp cận dựa trên nhiên liệu hóa thạch hiện nay trong 5-15 năm.

Công trình này đã thuyết phục các nhà khoa học rằng các biện pháp can thiệp dựa trên vi khuẩn mang lại triển vọng đáng kể như các giải pháp công nghệ để giải quyết vấn đề biến đổi khí hậu và mất đa dạng sinh học. Trong báo cáo “Các giải pháp vi sinh cho biến đổi khí hậu” và bài viết mới công bố trên Nature, trong đó TS. Nguyễn Nguyên - Giám đốc Viện Hàn lâm Vi sinh vật học Mỹ là tác giải chính, nhóm nghiên cứu đã giải thích lý do tại sao vi khuẩn có thể quan trọng đến vậy và nêu bật một số vấn đề mà các nhà vi sinh vật học, nhà khoa học khí hậu, nhà sinh thái học và nhà khoa học y tế công cộng, cùng với các tập đoàn, nhà kinh tế học và nhà hoạch định chính sách, sẽ cần xem xét để triển khai các giải pháp như vậy ở quy mô khác nhau.

Khả năng của vi khuẩn

Việc sử dụng công cụ genomics - công cụ kỹ thuật sinh học và những tiến bộ trong trí tuệ nhân tạo đang nâng cao đáng kể khả năng của các nhà nghiên cứu trong việc thiết kế protein, vi khuẩn hoặc cộng đồng vi khuẩn. Với việc sử dụng những phương pháp này và các phương pháp khác, các nhà vi sinh vật học có thể giúp giải quyết ba vấn đề chính.

Đầu tiên, nhiều sản phẩm được sản xuất từ ​​nhiên liệu hóa thạch (năng lượng, nhiên liệu khác và hóa chất) có thể được sản xuất bằng cách “nuôi” vi khuẩn bằng nhựa thải, carbon dioxide, metan hoặc chất hữu cơ như mía hoặc dăm gỗ.

Trong số nhiều công ty áp dụng các giải pháp dựa trên vi khuẩn để giải quyết vấn đề biến đổi khí hậu, LanzaTech - một công ty tái chế carbon ở Skokie, Illinois, đang nghiên cứu sản xuất nhiên liệu hàng không ở quy mô thương mại từ ethanol được tạo ra khi vi khuẩn chuyển hóa khí thải công nghiệp hoặc mía. Trong khi đó, Công ty NatureWorks ở Plymouth, Minnesota, đang sản xuất polyme, sợi và nhựa sinh học bằng cách sử dụng quá trình lên men vi sinh của nguyên liệu đầu vào, chẳng hạn như sắn, mía và củ cải đường.

Thứ hai, vi khuẩn có thể được sử dụng để làm sạch ô nhiễm - từ khí nhà kính, dầu thô, nhựa và thuốc trừ sâu đến dược phẩm. Chẳng hạn, một công ty khởi nghiệp có tên là Carbios, có trụ sở tại Clermont-Ferrand, Pháp, đã phát triển một loại enzyme vi khuẩn biến đổi có khả năng phân hủy và tái chế polyethylene terephthalate (PET) - một trong những loại nhựa dùng một lần phổ biến nhất. Một công ty khác - Oil Spill Eater International tại Dallas, Texas - sử dụng vi khuẩn để làm sạch dầu tràn, và các tập đoàn quản lý chất thải lớn ở Bắc Mỹ đang sử dụng vi khuẩn có tên là methanotrophs để chuyển đổi khí metan được tạo ra từ bãi chôn lấp (một loại khí nhà kính mạnh hơn CO2) thành etanol, nhiên liệu sinh học, polyme, nhựa phân hủy sinh học và hóa chất công nghiệp.

Công ty Floating Island International ở Shepherd, Montana, thậm chí còn xây dựng các đảo nổi nhân tạo trên các hồ và hồ chứa đã bị ô nhiễm do chất dinh dưỡng chảy tràn quá mức, để các vi khuẩn chuyển hóa metan có thể loại bỏ metan có nguồn gốc từ trầm tích hồ. Mục tiêu trong trường hợp này là biến các hồ và hồ chứa nội địa từ các nguồn metan ròng thành các bồn chứa carbon.

Cuối cùng, vi khuẩn có thể được sử dụng để giúp sản xuất thực phẩm ít phụ thuộc vào phân bón hóa học hơn và nhờ đó bền vững hơn.

Quá trình hóa học cần thiết để sản xuất amoniac làm phân bón bao gồm đốt nhiên liệu hóa thạch để đạt được nhiệt độ và áp suất cao cần thiết (lên đến 500°C và 200 áp suất khí quyển), giải phóng 450 megaton CO2 vào khí quyển mỗi năm (1,5% tổng lượng khí thải CO2) . Hơn nữa, lượng phân bón hóa học dư thừa chảy vào sông, hồ và đại dương gây ra hiện tượng tảo nở hoa, làm tăng lượng khí thải nitơ oxit - một loại khí nhà kính mạnh hơn cả CO​​2 hoặc metan.

Nhiều loại vi khuẩn và vi khuẩn cổ có thể được sử dụng để sản xuất phân bón nitơ với lượng khí thải nhà kính thấp hơn nhiều so với phân bón tổng hợp. Điều này là do các vi khuẩn cố định nitơ ở nhiệt độ phòng và ở áp suất khí quyển mực nước biển bằng cách sử dụng các enzyme được gọi là nitrogenase chuyển đổi nitơ trong khí quyển (N2) thành amoniac (NH3).

Một số công ty hiện đang bán phân bón sinh học, là các chế phẩm có chứa vi khuẩn gọi là vi khuẩn cộng sinh hoặc các vi khuẩn khác có thể làm tăng khả năng cung cấp chất dinh dưỡng cho cây trồng. Ngày càng có nhiều loại thuốc trừ sâu sinh học vi sinh vật cũng cung cấp cho các nhà sản xuất thực phẩm phương pháp để kiểm soát sâu bệnh cây trồng mà không gây hại cho sức khỏe con người hoặc động vật hoặc thải khí nhà kính vào khí quyển.

Giữ an toàn

Khi ngày càng có nhiều giải pháp dựa trên vi khuẩn thâm nhập thị trường - dù là giải pháp sinh học hay tự nhiên - thì các cân nhắc về an toàn sinh học cũng sẽ ngày càng trở nên quan trọng.

Nhiều giải pháp, chẳng hạn như sử dụng vi khuẩn để phân hủy dầu thô hoặc nhựa, đã được chứng minh là hiệu quả và an toàn trong môi trường phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, việc mở rộng sử dụng các giải pháp này để giảm lượng khí thải hoặc mất đa dạng sinh học toàn cầu lại có thể dẫn đến những tác động không lường trước được.

Một số biện pháp bảo vệ nhất định - thiết kế vi khuẩn có thể tồn tại trong hệ sinh thái chỉ trong một thời gian ngắn hoặc chỉ có thể tồn tại trong các điều kiện môi trường cụ thể - hiện đang được phát triển và áp dụng. Và, theo cách tương tự như các thử nghiệm lâm sàng theo từng giai đoạn trong nghiên cứu y sinh học, các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm có thể được nối tiếp bằng các thử nghiệm có giới hạn trong môi trường ngoài trời, sau đó có thể tiếp tục bằng các thử nghiệm thực địa quy mô lớn hơn. Các nhà điều tra cũng sẽ cần theo dõi các hệ thống theo thời gian, có thể bao gồm việc giải trình tự DNA môi trường từ nước thải và các phương pháp tiếp cận khác được sử dụng trong giám sát bệnh truyền nhiễm.

Cuối cùng, việc triển khai, ngăn chặn và giám sát hiệu quả các giải pháp dựa trên vi khuẩn trên quy mô lớn sẽ đòi hỏi các cộng đồng khoa học, chính phủ và tập đoàn phải cùng nhau phát triển các chính sách dựa trên bằng chứng và tham gia vào quá trình truyền thông rõ ràng và minh bạch về những cơ hội to lớn và những rủi ro tiềm ẩn.

“Những đổi mới dựa trên vi khuẩn mang đến cơ hội mạnh mẽ để chống lại biến đổi khí hậu bằng các giải pháp bền vững, có thể mở rộng quy mô và triển khai trên toàn cầu” - TS. Nguyễn Nguyên - Giám đốc Viện Hàn lâm Vi sinh vật học Mỹ của ASM - cho biết. “Việc tận dụng tiềm năng của vi khuẩn sẽ là một hướng đi quan trọng cho việc xây dựng các chiến lược nhằm giải quyết tình trạng phát thải khí nhà kính ngày càng tăng và biến đổi môi trường toàn cầu.”

Nguồn: nature.com, asm.org

Bài đăng KH&PT số 1338 (số 14/2025)

Kim Dung tổng hợp