Untitled 50 Khoa học và đời sống Số 11 năm 2020 Vi nhựa bài toán môi trường toàn cầu Quản lý rác thải vi nhựa được xem là một trong những bài toán khó xử lý nhất trong câu chuyện bảo vệ môi trường Điề[.]
khoa học đời sống Khoa học đời sống tiềm ứng dụng công nghệ sinh học xử lý chất thải vi nhựa Chu Đức Hà1, Vũ Khánh Linh1, 2, La Việt Hồng3, 4, Lê Thị Ngọc Quỳnh5, Nguyễn Quốc Trung6, Nguyễn Xuân Cảnh6, Lê Trường Giang7 viện Di truyền nông nghiệp, viện Khoa học nông nghiệp việt nam Đại học gonzaga (hoa Kỳ) Trường Đại học Sư phạm hà nội Đại học Quốc gia Jeonbuk (hàn Quốc) Trường Đại học Thủy lợi học viện nông nghiệp việt nam viện Khoa học nông nghiệp việt nam Nhựa trở thành vật liệu quan trọng giới đại Tuy nhiên, rác thải nhựa vi nhựa xuất tất các hệ sinh thái thảm họa nhân tạo đáng báo động Công nghệ sinh học công cụ hiệu nhằm tổng hợp các loại nhựa sinh học có khả phân hủy hồn tồn để thay cho nhựa có nguồn gốc dầu mỏ Song song với đó, phát triển cơng nghệ vi sinh đạt thành tựu phân hủy sinh học vật liệu nhựa Vi nhựa: tốn mơi trường toàn cầu Quản lý rác thải vi nhựa xem tốn khó xử lý câu chuyện bảo vệ môi trường Điều trở nên nan giải sản phẩm từ nhựa sản xuất với số lượng ngày lớn toàn giới, biện pháp tái chế hay xử lý rác thải nhựa theo kịp Nghiên cứu Awasthi cộng [1] cho thấy, có khoảng 110.000-730.000 hạt vi nhựa/năm thải vào đất canh tác nông nghiệp khu vực Bắc Mỹ châu Âu Con số lớn nhiều nước phát triển, nơi có nhu cầu sử dụng nhựa cao Bất cập thứ hai cần nhắc đến, vi nhựa xâm nhập vào chuỗi thức ăn thơng qua mắt xích (động vật biển, trồng cạn) [2] Cụ thể, 99% lồi chim biển hấp thụ vi nhựa, 600 loài sinh vật biển (gần 15% tổng số lồi) bị đe dọa nhiễm vi nhựa hay vướng vào rác thải nhựa biển trước năm 2050 Đặc biệt, vi nhựa chứng minh ảnh hưởng gián tiếp (qua chuỗi thức ăn) trực tiếp (vi nhựa chứa phụ gia vật liệu thơ dạng polymer q trình sản xuất sản phẩm nhựa ) đến quan 50 Số 11 năm 2020 thể (hệ thần kinh, quan hô hấp, hệ tiết niệu, ống tiêu hóa hệ tiết, da người) [3] Xét mặt kinh tế, số lượng vi nhựa tăng lên có ảnh hưởng định kinh tế, đặc biệt quốc gia phụ thuộc chủ yếu vào ngành du lịch thủy sản [4] Có thể thấy, vi nhựa nhỏ bé trở thành tốn mơi trường vơ lớn tất nước giới Để đối phó với vấn đề mơi trường phát sinh này, phương pháp công nghệ sinh học bền vững xử lý chất thải vi nhựa xem xét giải pháp công nghệ sinh học nhằm loại bỏ sản phẩm nhựa có nguồn gốc dầu mỏ Phần lớn rác thải nhựa có nguồn gốc dầu mỏ nên phân hủy chậm tồn lâu dài tự nhiên Vì vậy, sử dụng nhựa có nguồn gốc sinh học có khả phân hủy hồn tồn phân hủy sinh học vật liệu nhựa xem hai giải pháp giúp giải vấn đề Nhựa sinh học có khả phân hủy Nhựa sinh học có khả phân hủy chủ yếu làm từ nguồn ngun liệu thơ mía, ngơ hay Khoa học đời sống khoai tây, sử dụng để thay cho polyethylene [(C2H4)n], polypropylene [(C3H6)n], polystyrene [(C8H8)n], polyvinyl chloride [(C2H3Cl) ] polyethylene terephthalate [(C10H8O4)n] n bao bì đóng gói [5] (hình 1) Mặc dù số lượng vật liệu nhựa sinh học có khả phân hủy sản xuất nhỏ so với nhu cầu sử dụng giới, giải pháp thân thiện môi trường nhận nhiều ý việc thay nguyên liệu từ dầu mỏ (tài nguyên không tái tạo) ngun liệu nơng nghiệp (có thể tái tạo) Tuy nhiên, phát triển nhựa sinh học có khả phân hủy cịn gặp khó khăn loại vật liệu có tính tương thích sinh học kém, giịn, dễ thấm nước, tính chất điện, nhiệt vật lý [6] Hình Sơ đồ hóa xử lý chất thải vi nhựa (Sh: sinh học) Hiện nay, nhựa sinh học có khả phân hủy hồn tồn sử dụng phổ biến sản xuất bao bì sản phẩm (vỏ sữa chua, cốc cà phê dùng lần túi rác phân hủy sinh học) Các dạng nhựa quy định đủ tiêu chuẩn phân hủy sinh học chúng bị phân hủy đến 90% (thành nước, chất khoáng phụ gia carbon dioxide) sau 12 tuần xử lý điều kiện nhiệt độ 60oC [1] Phân hủy sinh học vật liệu nhựa nhờ vi sinh vật Hình Sản phẩm nhựa có nguồn gốc từ polymer truyền thống polymer phân hủy sinh học Trong số dạng nhựa sinh học có tính phân hủy hồn tồn, polyhydroxybutyrate (tổng hợp q trình lên men lồi vi sinh vật Bacillus, Pseudomonas Alcaligenes [7]) xem polymer có triển vọng Đây dạng polymer có tính chất tương tự nhựa làm từ dầu mỏ, có tính phân hủy sinh học (được phân giải enzyme depolymerase nấm vi khuẩn), tương thích sinh học cao, xem khơng độc hại với môi trường người Bên cạnh đó, việc sử dụng trộn lẫn polymer phân hủy sinh học polylactic acid, polyhydroxyoctanoate, polybutylene succinate, poly-ε-caprolactone, poly(butylene succinate-co-adipate poly(3-hydroxybutyrateco-3-hydroxyvalerate) sử dụng để thay sản phẩm nhựa làm từ dầu mỏ truyền thống (hình 2) Phần lớn loại nhựa phân hủy điều kiện kỵ khí có gia nhiệt [8] Một số vi sinh vật (như nấm Mucor rouxii NRRL 1835, Aspergillus flavus, vi khuẩn Streptomyces) chứng minh có khả phân hủy sinh học vật liệu nhựa [9] Cụ thể, số thành phần polymer nhựa trở thành chất cho q trình trao đổi chất nhóm vi sinh vật dị dưỡng Một phương pháp công nghệ sinh học khác ghi nhận sử dụng trình nhiệt phân để chuyển đổi nhựa thành loại dầu, sau vi khuẩn hấp thụ [1, 9] Trong trình phân hủy sinh học, polymer trước tiên phá vỡ thành đơn phân, sau monomer tiếp tục khống hóa Để tăng hiệu phân hủy, số tác động vật lý (gia nhiệt) hóa học áp dụng nhằm tạo tổn thương học (đứt gãy polymer), tạo điều kiện cho xâm nhập nấm hay vi khuẩn tiết enzyme phân giải polymer, chủ yếu hai dạng depolymerase ngoại bào nội bào [9] Quá trình thủy phân polymer xúc tác enzyme theo hai bước Đầu tiên, enzyme có nguồn gốc từ vi sinh vật bám vào bề mặt chất polymer để xúc tác trình thủy phân polymer phức tạp, tạo phân tử nhỏ (monomer, dimer oligomer) Các đơn phân qua màng bán thấm vi khuẩn trở thành nguồn 51 Số 11 năm 2020 Khoa học đời sống lượng carbon Tuy vậy, trình phân giải sinh học hợp chất polymer không diễn triệt để phần nhỏ polymer chuyển vào sinh khối vi sinh vật, tạo mùn sản phẩm tự nhiên khác [1, 9] Ví dụ, nhà khoa học phát chủng vi khuẩn Ideonella sakaiensis có khả phân giải polyethylene terephthalate nhờ enzyme polyethylene terephthalatease [10] Kết mở hướng cho việc sử dụng enzyme mono-(2-hydroxyethyl) terephthalatease để phân giải polyethylene terephthalate Tương tự, phân hủy sinh học polyethylene diễn qua hai chế phân hủy sinh học ‘oxo’ ‘hydro’ Các tiền chất ơxy hóa tinh bột biết đến hai phụ gia đóng vai trị việc sản xuất dạng polyethylene phân hủy sinh học Trong trình thủy phân, vi sinh vật tìm loại bỏ chất phụ gia này, làm cho cấu trúc liên kết vật liệu nhựa yếu đi, thúc đẩy q trình ơxy hóa quang ơxy hóa nhiệt xảy Cuối cùng, vật liệu nhựa phân rã điều kiện áp suất thấp Về vấn đề tái chế vật liệu nhựa, có cơng nghệ tái chế đại số hạn chế Chi phí xử lý cao trở ngại cho việc tái chế polymer chất lượng thấp Sử dụng công nghệ vi sinh vật để biến rác thải nhựa thành sản phẩm giá trị cao lựa chọn thay đáng tin cậy cho công nghệ tái chế áp dụng Các thành công bước đầu công nghệ sinh học cho thấy tiềm việc tổng hợp polymer phân hủy sinh học * * * Vi nhựa phát tán tồn sinh nên cần phải có chiến 52 lược đa quốc gia để giải vi nhựa ẩn chứa nhiều tác động nguy hiểm, ảnh hưởng đến toàn chuỗi thức ăn sức khỏe người [2-4] Phân hủy vi nhựa trở thành vấn đề quan tâm nhiều Các vi sinh vật địa có khả phân hủy polymer xem giải pháp thân thiện với môi trường hiệu quả, bối cảnh sản phẩm nhựa tồn lâu tự nhiên Sinh giới, xét cho cùng, trải qua hàng triệu năm tiến hóa, hình thành lồi vi sinh vật có hệ thống enzyme phân giải polymer phức tạp (như cellulose, hemicellulose chitin) cách tối ưu Vì vậy, khơng có ngạc nhiên tìm thấy vi khuẩn I sakaiensis có khả phân giải polymer tổng hợp Đồng thời, ứng dụng kỹ thuật di truyền làm tăng cường khả phân hủy sinh học thông qua việc nuôi cấy chủng vi sinh vật tạo sinh vật sản xuất enzyme có hoạt lực cao Tuy vậy, phương pháp cơng nghệ sinh học giải vấn đề rác thải vi nhựa quy mơ nhỏ Bên cạnh đó, việc sản xuất nhựa sinh học có khả phân hủy từ polymer tổng hợp sinh học xu hướng thời đại nhằm thay cho loại nhựa không phân hủy sinh học [5] Trong giai đoạn tiếp theo, quy trình phân hủy sinh học polyhydroxybutyrate diễn cách triệt để [7], việc thương mại hóa sản xuất polymer sinh học trở thành lựa chọn tốt để thay cho polymer gốc dầu mỏ nhiều lĩnh vực Tuy nhiên, q trình phân hủy kỵ khí có gia nhiệt để phân rã polymer sinh học thường đòi hỏi thời gian dài Đây có lẽ hội phát triển cho ngành chế tạo vật liệu tổng hợp nano sinh học (bionanocomposite) [11] ? Số 11 năm 2020 tài LiỆu thaM Khảo [1] A.K Awasthi, Q Tan, J Li (2020), “Biotechnological potential for microplastic waste”, Trends Biotechnol., 38(11), pp.11961199 [2] Y.L Wang, et al (2020), “Potent impact of plastic nanomaterials and micromaterials on the food chain and human health”, Int J Mol Sci., 21(5), DOI: 10.3390/ijms21051727 [3] C Campanale, et al (2020), “A detailed review study on potential effects of microplastics and additives of concern on human health”, Int J Environ Res Public Health, 17(4), DOI: 10.3390/ijerph17041212 [4] P Agamuthu, et al (2019), “Marine debris: a review of impacts and global initiatives”, Waste Manag Res., 37(10), pp.987-1002 [5] L.P Wackett (2019), “Bio-based and biodegradable plastics: an annotated selection of world wide web sites relevant to the topics in microbial biotechnology”, Microbial Biotechnology, 12(6), pp.14921493 [6] R Ciriminna, M Pagliaro (2019), “Biodegradable and compostable plastics: a critical perspective on the Dawn of their global adoption”, ChemistryOpen, 9(1), pp.8-13 [7] Y.S Mostafa, et al (2020), “Production and characterization of bioplastic by polyhydroxybutyrate accumulating erythrobacter aquimaris isolated from mangrove rhizosphere”, Molecules, 25(1), DOI: 10.3390/molecules25010179 [8] T Narancic, et al (2018), “Biodegradable plastic blends create new possibilities for end-of-life management of plastics but they are not a panacea for plastic pollution”, Environ Sci Technol., 52(18), pp.10441-10452 [9] F.M Lamberti, L.A Román-Ramírez, J Wood (2020), “Recycling of bioplastics: routes and benefits”, J Polym Environ., 28, pp.2551-2571 [10] G.J Palm, et al (2019), “Structure of the plastic-degrading Ideonella sakaiensis MHETase bound to a substrate”, Nat Commun., 10, DOI: 10.1038/s41467-01909326-3 [11] A.M Díez-Pascual (2019), “Synthesis and applications of biopolymer composites”, Int J Mol Sci., 20(9), DOI: 10.3390/ ijms20092321 ... thay đáng tin cậy cho công nghệ tái chế áp dụng Các thành công bước đầu công nghệ sinh học cho thấy tiềm vi? ??c tổng hợp polymer phân hủy sinh học * * * Vi nhựa phát tán tồn sinh nên cần phải có... vấn đề tái chế vật liệu nhựa, có cơng nghệ tái chế đại số hạn chế Chi phí xử lý cao trở ngại cho vi? ??c tái chế polymer chất lượng thấp Sử dụng công nghệ vi sinh vật để biến rác thải nhựa thành... chất nhóm vi sinh vật dị dưỡng Một phương pháp công nghệ sinh học khác ghi nhận sử dụng trình nhiệt phân để chuyển đổi nhựa thành loại dầu, sau vi khuẩn hấp thụ [1, 9] Trong trình phân hủy sinh học,