Các loài vi khuẩn trong môi trường có thể giúp tiêu thụ nhựa phân hủy sinh học.

Nhựa phân hủy sinh học có thể giúp giảm bớt cuộc khủng hoảng rác thải nhựa đang gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng đến sức khỏe của chúng ta. Tuy nhiên, thời gian phân hủy của nhựa và cách thức các vi sinh vật trong môi trường phối hợp với nhau để phân hủy chúng vẫn còn là điều chưa được biết rõ.

Việc hiểu rõ cách thức vi sinh vật phân hủy nhựa có thể giúp các nhà khoa học tạo ra các vật liệu bền vững hơn và thậm chí cả các hệ thống tái chế vi sinh mới, chuyển đổi chất thải nhựa thành các vật liệu hữu ích.

Các nhà nghiên cứu tại MIT đã thực hiện một bước quan trọng đầu tiên hướng tới việc hiểu cách vi khuẩn phối hợp với nhau để phân hủy nhựa. Họ đã khám phá ra vai trò của từng loại vi khuẩn biển trong quá trình phân hủy một loại nhựa sinh học phân hủy được sử dụng rộng rãi. Họ cũng chỉ ra các quá trình bổ sung mà vi sinh vật sử dụng để tiêu thụ hoàn toàn nhựa, trong đó một vi sinh vật phân tách nhựa thành các chất hóa học cấu thành và các vi sinh vật khác tiêu thụ từng chất hóa học đó.

Đây là một trong những nghiên cứu đầu tiên làm sáng tỏ vai trò của các loài vi khuẩn cụ thể trong quá trình phân hủy nhựa và chỉ ra rằng tốc độ phân hủy nhựa có thể thay đổi đáng kể tùy thuộc vào một vài yếu tố chính.

“Có rất nhiều điều chưa rõ ràng về thời gian thực sự tồn tại của các vật liệu này trong môi trường,” tác giả chính Marc Foster, Nghiên cứu sinh Tiến sĩ thuộc Chương trình hợp tác MIT-WHOI, cho biết. “Điều này cho thấy quá trình phân hủy sinh học của nhựa phụ thuộc rất nhiều vào cộng đồng vi sinh vật nơi nhựa được thải ra. Nó cũng phụ thuộc vào chính loại nhựa – thành phần hóa học của polyme và cách chúng được sản xuất. Việc hiểu rõ các quá trình này rất quan trọng vì chúng ta đang cố gắng xác định thời gian tồn tại của các vật liệu này trong môi trường.”

Khám phá khả năng phân hủy nhựa

Các nhà khoa học hy vọng nhựa phân hủy sinh học có thể được sử dụng để giải quyết vấn đề rác thải nhựa khổng lồ đang tích tụ trong đại dương và các bãi rác.

“Hơn một nửa lượng nhựa được sản xuất ra được đưa đến bãi chôn lấp hoặc thải trực tiếp vào môi trường,” Foster nói. “Nhưng nếu không biết rõ các quá trình phân hủy khác nhau, chúng ta sẽ không thể dự đoán chính xác tuổi thọ của các vật liệu này và kiểm soát tốt hơn quá trình phân hủy đó.”

Cho đến nay, nhiều nghiên cứu về sự phân hủy sinh học của chất dẻo đã tập trung vào các vi sinh vật đơn lẻ, nhưng Foster cho rằng điều đó không phản ánh đúng cách mà hầu hết các loại chất dẻo bị phân hủy trong môi trường.

“Rất hiếm khi một vi khuẩn đơn lẻ có thể thực hiện toàn bộ quá trình phân hủy vì nó đòi hỏi một gánh nặng trao đổi chất đáng kể để thực hiện tất cả các chức năng enzyme nhằm phân giải polymer và sau đó sử dụng các đơn vị hóa học đó làm nguồn carbon và năng lượng,” Foster nói.

Các nghiên cứu khác đã tìm cách ghi lại dấu vết phân tử của các nhóm vi khuẩn khi chúng phân hủy nhựa, điều này cung cấp cái nhìn tổng quan về các loài liên quan mà không làm sáng tỏ cơ chế hoạt động của chúng.

Để khám phá vai trò của các loài vi khuẩn cụ thể trong quá trình phân hủy hoàn toàn nhựa, họ bắt đầu với một loại nhựa phân hủy sinh học được gọi là copolyester thơm béo. Loại nhựa này được sử dụng trong túi mua sắm và bao bì thực phẩm. Nó cũng thường được trải trên đất nông nghiệp để ngăn ngừa cỏ dại và giữ ẩm.

Các nhà nghiên cứu tại BASF, công ty sản xuất loại nhựa này, trước tiên đã đặt các mẫu sản phẩm xuống các độ sâu khác nhau của Địa Trung Hải để cho vi khuẩn phát triển thành một lớp màng sinh học mỏng xung quanh nhựa. Sau đó, công ty đã gửi các mẫu đến các nhà nghiên cứu tại MIT, những người đã phân lập càng nhiều loài vi khuẩn càng tốt từ các mẫu. Các nhà nghiên cứu đã trộn các chủng vi khuẩn phân lập đó và xác định được 30 loài vi khuẩn tiếp tục phát triển mạnh trên nhựa.

Sử dụng carbon dioxide làm thước đo sự phân hủy nhựa, các nhà nghiên cứu đã phân lập từng loại vi khuẩn và tìm thấy một loại,  Pseudomonas pachastrellae , có khả năng phân giải các hợp chất nhựa, tách chúng thành ba thành phần hóa học của nhựa: axit terephthalic, axit sebacic và butanediol.

Nhưng vi khuẩn đó không thể tự mình tiêu thụ cả ba thành phần. Từng bước một, các nhà nghiên cứu cho mỗi loại vi khuẩn tiếp xúc với từng hóa chất, và không tìm thấy loại vi khuẩn nào có thể tiêu thụ cả ba, mặc dù họ tìm thấy một số loài có thể tự mình tiêu thụ một hoặc hai hóa chất.

Cuối cùng, các nhà nghiên cứu đã chọn ra năm loài vi khuẩn dựa trên khả năng phân hủy bổ sung của chúng và chứng minh rằng nhóm nhỏ này có khả năng phân hủy hoàn toàn nhựa tương tự như cộng đồng vi khuẩn gồm 30 thành viên.

“Tôi đã có thể đơn giản hóa quá trình phân hủy thành một tập hợp các chức năng trao đổi chất cụ thể,” Foster nói. “Và sau đó, khi tôi loại bỏ một loại vi khuẩn, quá trình khoáng hóa giảm xuống, điều này cho thấy sinh vật đó đang kiểm soát sự phân hủy của polyme. Sau đó, khi tôi nuôi cấy riêng từng loại vi khuẩn, không loại nào có thể đạt được mức độ phân hủy tương tự như khi cả năm loại cùng hoạt động, cho thấy cần có một chức năng bổ sung. Kết quả tốt hơn nhiều so với tôi tưởng tượng.”

Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng cộng đồng vi khuẩn gồm năm thành viên này không thể phân giải một loại nhựa khác, cho thấy các nhóm vi khuẩn có thể chỉ có khả năng phân giải những loại nhựa cụ thể. “Điều này cho thấy các vi sinh vật sống ở nơi nhựa này tích tụ sẽ quyết định tuổi thọ của nhựa,” Foster nói.

Phân hủy nhựa nhanh hơn

Foster lưu ý rằng các vi khuẩn trong nghiên cứu của ông có thể chỉ có ở vùng biển Địa Trung Hải. Nghiên cứu cũng chỉ bao gồm các vi khuẩn có thể sống sót trong môi trường phòng thí nghiệm của ông. Tuy nhiên, Foster cho biết đây là một trong những bài báo đầu tiên xác định vai trò của vi khuẩn trong việc phân hủy nhựa.

“Hầu hết các nghiên cứu sẽ không thể xác định được loại vi khuẩn cụ thể nào kiểm soát từng quá trình khoáng hóa bổ sung,” Foster nói. “Ở đây, chúng ta có thể nói rằng vi khuẩn này kiểm soát sự phân hủy, vi khuẩn kia xử lý quá trình khoáng hóa, và sau đó chúng ta chứng minh chức năng của từng loại vi khuẩn và cho thấy rằng cùng nhau, chúng có thể loại bỏ toàn bộ polymer.”

Công trình này là bước đầu tiên quan trọng hướng tới việc tạo ra các hệ thống vi sinh vật có khả năng phân hủy nhựa tốt hơn hoặc chuyển hóa nó thành những thứ hữu ích. Trong luận án tiến sĩ tiếp theo, anh đang nghiên cứu những yếu tố tạo nên các cặp vi khuẩn hiệu quả giúp tiêu thụ nhựa nhanh hơn và cách các enzyme bám vào các hạt nhựa để bắt đầu và tiếp tục quá trình phân hủy.