Nhựa sinh học được kỳ vọng sẽ góp phần giảm bớt cuộc khủng hoảng rác thải nhựa đang gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Tuy nhiên, thời gian để các loại nhựa này phân hủy trong tự nhiên và cách các vi khuẩn môi trường phối hợp để phá vỡ chúng vẫn chưa được hiểu rõ. Việc hiểu rõ cơ chế phân hủy nhựa của vi sinh vật có thể giúp các nhà khoa học phát triển những vật liệu bền vững hơn, đồng thời tạo ra các hệ thống tái chế sinh học mới có khả năng biến rác thải nhựa thành các vật liệu hữu ích.

Nghiên cứu mới của Marc Foster, nghiên cứu sinh tiến sĩ chương trình MIT-WHOI Joint Program, đã thực hiện một bước tiến quan trọng trong việc giải mã quá trình này. Họ xác định được vai trò của từng loài vi khuẩn đại dương trong việc phân hủy một loại nhựa sinh học được sử dụng rộng rãi, đồng thời cho thấy các vi sinh vật thực hiện những công đoạn bổ sung cho nhau: một số vi khuẩn cắt các chuỗi polymer của nhựa thành các hợp chất hóa học nhỏ hơn, trong khi những loài khác tiếp tục tiêu thụ các hợp chất này. Theo nhóm nghiên cứu, đây là một trong những công trình đầu tiên xác định cụ thể vai trò của từng loài vi khuẩn trong quá trình phân hủy nhựa. Kết quả cũng cho thấy tốc độ phân hủy có thể thay đổi rất lớn tùy thuộc vào một số yếu tố quan trọng như thành phần của cộng đồng vi sinh vật và đặc tính hóa học của loại nhựa.

Sự hợp tác của vi khuẩn trong phân hủy nhựa

Các nhà khoa học hy vọng nhựa sinh học có thể giúp giải quyết khối lượng lớn rác thải nhựa đang tích tụ trong đại dương và các bãi chôn lấp. Tuy nhiên, theo Foster, nếu không hiểu rõ các cơ chế phân hủy khác nhau, rất khó dự đoán chính xác thời gian tồn tại của các vật liệu này trong môi trường. Trước đây, nhiều nghiên cứu về phân hủy nhựa tập trung vào một loài vi sinh vật đơn lẻ, nhưng điều này không phản ánh đúng thực tế trong tự nhiên. Theo Foster, hiếm khi một loại vi khuẩn duy nhất có thể thực hiện toàn bộ quá trình phân hủy nhựa, bởi quá trình này đòi hỏi nhiều enzyme và chức năng trao đổi chất khác nhau. Một số nghiên cứu khác chỉ ghi nhận “dấu vết phân tử” của các cộng đồng vi khuẩn khi phân hủy nhựa, giúp xác định những loài tham gia nhưng không giải thích được cơ chế cụ thể. Vì vậy, nhóm nghiên cứu muốn xác định chính xác vai trò của từng loài vi khuẩn trong quá trình phân hủy hoàn toàn nhựa.

Các nhà khoa học bắt đầu với một loại nhựa sinh học có tên aromatic aliphatic co-polyester, thường được dùng để sản xuất túi mua sắm, bao bì thực phẩm và lớp phủ nông nghiệp nhằm ngăn cỏ dại và giữ độ ẩm cho đất. Trong giai đoạn đầu, các nhà nghiên cứu tại BASF đặt mẫu nhựa này ở nhiều độ sâu khác nhau trong Địa Trung Hải để vi khuẩn tự nhiên hình thành một lớp màng sinh học trên bề mặt nhựa. Sau đó, các mẫu được gửi đến MIT, nơi các nhà khoa học tách riêng càng nhiều loài vi khuẩn càng tốt và xác định được 30 loài vi khuẩn có thể phát triển trên nhựa.

Bằng cách đo lượng khí CO₂ sinh ra - một chỉ dấu của quá trình phân hủy nhựa - nhóm nghiên cứu phát hiện một loài vi khuẩn có tên Pseudomonas pachastrellae có khả năng cắt chuỗi polymer của nhựa thành ba hợp chất hóa học chính: axit terephthalic, axit sebacic và butanediol. Tuy nhiên, loài vi khuẩn này không thể tự tiêu thụ cả ba hợp chất đó. Khi thử nghiệm từng loài vi khuẩn riêng lẻ, nhóm nghiên cứu phát hiện một số loài chỉ có thể tiêu thụ một hoặc hai hợp chất.

Cuối cùng, họ lựa chọn 5 loài vi khuẩn có khả năng phân hủy bổ trợ lẫn nhau. Khi kết hợp lại, nhóm nhỏ này có thể phân hủy hoàn toàn nhựa với hiệu quả tương đương cộng đồng 30 loài ban đầu. Khi một loài bị loại khỏi nhóm, tốc độ phân hủy giảm đáng kể, cho thấy mỗi loài đóng một vai trò riêng trong quá trình này. Nhóm nghiên cứu cũng phát hiện rằng cộng đồng vi khuẩn gồm 5 loài này không thể phân hủy một loại nhựa khác, cho thấy các cộng đồng vi sinh vật có thể chỉ phân hủy hiệu quả những loại nhựa nhất định.

Ý nghĩa đối với công nghệ tái chế sinh học

Theo Foster, các vi khuẩn được nghiên cứu trong công trình có thể đặc trưng cho môi trường Địa Trung Hải, và nghiên cứu mới chỉ xem xét những loài có thể sống trong điều kiện phòng thí nghiệm. Dù vậy, đây vẫn là một trong những nghiên cứu đầu tiên làm rõ vai trò cụ thể của vi khuẩn trong việc tiêu thụ nhựa.

Kết quả này là bước khởi đầu quan trọng hướng tới việc xây dựng các hệ thống vi sinh vật có khả năng phân hủy nhựa nhanh hơn hoặc chuyển hóa nhựa thành các sản phẩm hữu ích. Trong các nghiên cứu tiếp theo, Foster đang tìm hiểu những yếu tố giúp các cặp vi khuẩn hoạt động hiệu quả nhất trong việc phân hủy nhựa, cũng như cách các enzyme bám vào bề mặt nhựa để khởi động và duy trì quá trình phân hủy.