Vi khuẩn biển hợp tác phân hủy nhựa sinh học

Vi khuẩn đại dương hợp sức phân hủy nhựa sinh học

Nhựa sinh học có thể giúp giảm bớt cuộc khủng hoảng rác thải nhựa đang gây ô nhiễm môi trường và gây hại cho sức khỏe của chúng ta. Nhưng thời gian phân hủy của nhựa sinh học là bao lâu và cách thức vi khuẩn môi trường phối hợp để phân hủy chúng vẫn còn là một ẩn số lớn. Hiểu được cách vi khuẩn phân hủy nhựa có thể giúp các nhà khoa học tạo ra các vật liệu bền vững hơn và thậm chí các hệ thống tái chế vi sinh vật mới, chuyển đổi rác thải nhựa thành vật liệu hữu ích.

Hiện nay, các nhà nghiên cứu của MIT đã thực hiện một bước quan trọng đầu tiên để hiểu cách vi khuẩn phối hợp để phân hủy nhựa. Trong một bài báo mới, các nhà nghiên cứu đã khám phá ra vai trò của từng loại vi khuẩn đại dương trong việc phân hủy một loại nhựa sinh học 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 loại vi sinh vật phân tách nhựa thành các hóa chất thành phần của nó và những loại khác tiêu thụ từng hóa chất.

Các nhà nghiên cứu cho biết đây là một trong những nghiên cứu đầu tiên làm sáng tỏ vai trò của các loài vi khuẩn cụ thể trong việc phân hủy nhựa và chỉ ra tốc độ phân hủy nhựa có thể khác nhau rất nhiều tùy thuộc vào một vài yếu tố chính.

“Có rất nhiều sự mơ hồ về thời gian những vật liệu này thực sự tồn tại trong môi trường,” tác giả chính Marc Foster, một nghiên cứu sinh tiến sĩ trong Chương trình Liên kết MIT-WHOI, cho biết. “Điều này cho thấy sự phân hủy sinh học của nhựa phụ thuộc rất nhiều vào cộng đồng vi sinh vật nơi nhựa kết thúc. Nó cũng phụ thuộc vào nhựa — thành phần hóa học của polymer và cách chúng được tạo ra như một sản phẩm. Điều quan trọng là phải hiểu những quá trình này vì chúng tôi đang cố gắng hạn chế thời gian tồn tại của những vật liệu này trong môi trường.”

Cùng tham gia với Foster trong bài báo là ứng viên tiến sĩ của MIT Philip Wasson; cựu nghiên cứu sinh sau tiến sĩ của MIT Andreas Sichert; sinh viên đại học MIT Deborah Madden; các nhà nghiên cứu của Viện Hải dương học Woods Hole Matthew Hayden và Adam Subhas; Chong Becker và Sebastian Gross của công ty hóa chất và nhựa quốc tế BASF; Otto Cordero, phó giáo sư kỹ thuật dân dụng và môi trường của MIT; Darcy McRose, Giáo sư Phát triển Nghề nghiệp Thomas D. và Virginia W. Cabot của MIT; và Desirée Plata, Giáo sư Xuất sắc về Khí hậu và Năng lượng của Trường Kỹ thuật MIT. Bài báo xuất hiện trên tạp chí Environmental Science and Technology.

Khám phá sự hợp tác

Các nhà khoa học hy vọng nhựa sinh học có thể được sử dụng để giải quyết những núi rác thải nhựa đang chất đống trong các đại dương và bãi chôn lấp của chúng ta.

“Hơn một nửa số nhựa được sản xuất được đưa đến bãi chôn lấp hoặc thải trực tiếp ra môi trường,” Foster nói. “Nhưng nếu không biết cụ thể về các quá trình phân hủy khác nhau, chúng ta sẽ không thể dự đoán chính xác thời gian tồn tại của những 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 nhựa đã tập trung vào các sinh vật vi sinh vật đơn lẻ, nhưng Foster nói rằng điều đó không đại diện cho cách hầu hết nhựa được phân hủy trong môi trường.

“Rất hiếm khi một loại vi khuẩn đơn lẻ thực hiện toàn bộ quá trình phân hủy vì nó đòi hỏi một gánh nặng trao đổi chất đáng kể để mang tất cả các chức năng enzyme để khử polyme 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 nắm bắt dấu chân phân tử của các nhóm vi khuẩn khi chúng phân hủy nhựa, điều này cho thấy một bức tranh nhanh về các loài liên quan mà không khám phá ra các cơ chế hoạt động.

Đối với nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu muốn khám phá vai trò của các loài vi khuẩn cụ thể khi chúng phân hủy hoàn toàn nhựa. Họ bắt đầu với một loại nhựa sinh học được gọi là co-polyester aliphatic thơm. Loại nhựa này được sử dụng trong túi mua sắm và bao bì thực phẩm. Nó cũng thường được trải trên đất của các trang trại để ngăn chặn cỏ dại và giữ ẩm.

Để bắt đầu nghiên cứu, các nhà nghiên cứu tại BASF, nơi sản xuất loại nhựa đó, trước tiên đã đặt các mẫu sản phẩm vào các độ sâu khác nhau của Biển Địa Trung Hải để vi khuẩn phát triển thành một lớp màng sinh học mỏng xung quanh nhựa. Sau đó, công ty đã vận chuyển 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 chất phân lập đó và xác định được 30 loài vi khuẩn tiếp tục phát triển dồi dào 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 thể khử polyme các hợp chất nhựa, phá vỡ 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 người một, các nhà nghiên cứu đã cho mỗi loại vi khuẩn tiếp xúc với từng hóa chất, không tìm thấy vi khuẩn nào có thể tiêu thụ cả ba, mặc dù họ đã tìm thấy một số loài có thể tiêu thụ một hoặc hai hóa chất một mình.

Cuối cùng, các nhà nghiên cứu đã chọn năm loài vi khuẩn dựa trên khả năng phân hủy bổ sung của chúng và chỉ ra nhóm nhỏ này thể hiện khả năng phân hủy hoàn toàn nhựa giống như