Ideonella sakaiensis - loại vi khuẩn mới và công nghệ sinh học xử lý chất thải nhựa polyethylene terephthalate

Bài viết tiến hành nghiên cứu và tổng hợp Polyethylene terephthalate, Thuộc tính và ứng dụng của Polyethylene terephthalate, công nghệ sinh học xử lý chất thải nhựa. Mời các bạn cùng tham khảo bài viết để nắm chi tiết hơn nội dung nghiên cứu.

NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI Ideonella sakaIensIs - loạI vI khuẩn mớI Và công nghệ Sinh học xử LÝ chấT Thải nhựA pOLyeThyLene TerephThALATe n Nguyễn Dương Tuệ Polyethylene terephthalate Polyethylene terephthalate (hay PET, PETE PETP PET-P) nhựa nhiệt dẻo phổ biến polyester dùng gia đình sử dụng sản xuất sợi dệt may quần áo, chăn, gối, đệm, bao bì, thùng chứa chất lỏng thực phẩm, vô số vật dụng khác Hàng năm, giới có 50 triệu nhựa terephalate polyethylene, PET, sản xuất Phần lớn PET sản xuất giới dùng cho sợi tổng hợp (trên 60%), sản xuất chai hộp, bao bì chiếm khoảng 30% nhu cầu tồn cầu [8] Trong bối cảnh ứng dụng cho ngành dệt may, PET gọi tên phổ biến polyester, tên gọi PET thường sử dụng liên quan đến bao bì PET polymer trùng hợp từ đơn vị monomer ethylene terephthalate Tùy thuộc vào chế biến mà tồn hai dạng: dạng vơ định hình (trong suốt) dạng polymer bán tinh thể (semicrystalline) Các vật liệu bán tinh thể xuất suốt (kích thước hạt nhỏ 500nm) mờ đục trắng (hạt kích thước lên đến vài micromet) tùy thuộc vào cấu trúc tinh thể kích thước hạt Nó nhanh chóng trở nên phổ biến với nhà sản xuất người tiêu dùng tính chất nhẹ vật liệu, có độ bền cao, chịu nước, chi phí thấp, dễ vận chuyển so với chai thủy tinh, sản phẩm vật dụng hàng ngày phong phú, đa dạng Tổng hợp Polyethylene terephthalate Polyethylene terephthalate polymer thành viên polyester cấp sáng chế vào năm 1941 Nó sản xuất thành sợi, thổi/đúc thành vỏ chai nước uống, ép đùn làm SỐ 4/2017 phim chụp ảnh, băng ghi âm vô số vật dụng khác PET tạo trùng hợp Ethylene glycol axit terephthalic Ethylene glycol chất lỏng không màu thu từ ethylene axit terephthalic chất rắn tinh thể thu từ xylene Về mặt hóa học, ethylene glycol diol, rượu có cấu trúc phân tử có chứa hai nhóm hydroxyl (-OH) axit terephthalic axit aromatic dicarboxylic Khi đun nóng với nhiệt độ áp suất cao có chất xúc tác hóa học nhóm hydroxyl cacboxyl phản ứng tạo thành nhóm este (-CO-O-), chúng đóng vai trị liên kết hóa học kết nối nhiều đơn vị PET (BHET) với thành chuỗi polymer dài Phản ứng tổng hợp Polyethyleneterephthalate sau: Phản ứng tông hợp Polyethyleneterephthalate Ban đầu phản ứng ester hóa phân tử hydroxyethylterephthalate (BHET) Ethylene glycol (EG) 250-2800C 2-3kPa Sau đó, oligomer polymer hóa 270-2800C 50-100kPa Ở giai đoạn này, tạo polymer thích hợp cho ứng dụng mà không cần khối lượng phân tử cao, nhiên trọng lượng phân tử cao cần thiết, polyme hóa trạng thái rắn thứ ba 200-2400C 100kPa Sau tổng hợp polymer chế biến thành dạng yêu cầu, qua đùn, ép, phun thổi Tạp chí Kh-cn nghệ An [32] NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI Thuộc tính ứng dụng Polyethyleneterephthalate (PET) semicrystalline, polyester nhiệt dẻo Nó sản xuất số cơng ty riêng biệt, tên thương mại khác PET bền mặt hóa học tính ổn định nhiệt, có độ thấm khí thấp, dễ dàng xử lý vật lý Sự kết hợp thuộc tính làm cho PET tạo nhiều vật liệu mong muốn, loạt ứng dụng khác đời sống thành phần quan trọng tiêu thụ nhựa toàn giới Hơn 50% sợi tổng hợp sản xuất toàn giới từ PET lượng tiêu thụ toàn cầu PET báo cáo vượt 17 tỷ USD năm PET dùng để sản xuất phim ảnh Đặc biệt hơn, sử dụng đóng gói thực phẩm đóng gói đồ uống (nước chai nước), hộp đông lạnh, dùng công nghiệp điện tử, phụ tùng ô tô, đồ gia dụng, sản phẩm chiếu sáng, dụng cụ điện, dụng cụ thể thao, X-ray… Loại sợi có phân khúc tạo nét, dạng sợi nhỏ dùng để lau chùi tất loại bụi, vết dơ bề mặt mà không để lại trầy xước vật dụng gia đình ngành cơng nghiệp, nhà hàng, khách sạn, lau chùi vết bẩn vết dầu loang, vết vân tay dùng sản xuất đĩa CD, Monitor, Camera, máy fax, xe ôtô, xe máy Tùy thuộc vào ứng dụng đặc tính mong muốn, PET sản xuất theo đặc điểm kỹ thuật cách kiểm soát điều kiện polyme hóa Vấn đề mơi trường Với khối lượng sản xuất khổng lồ (trên 50 triệu Các sản phẩm sản xuất từ PET tấn/năm), gia tăng tiêu thụ tồn cầu ngày lớn tính bền bỉ tự nhiên chúng nên khó bị suy thối, phân hủy tích lũy nhựa mơi trường mối quan tâm ngày tăng Điều bao gồm phác thảo vấn đề liên quan đến ô nhiễm nhựa mơi trường đất, nước, khơng khí, đặc biệt môi trường biển Mô tả sản xuất thương mại phân hủy PET, tổng quan khả phân hủy sinh học SỐ 4/2017 polyme thông thường polyme phân hủy sinh học sản xuất Do khả phục hồi nhựa chống xuống cấp phổ biến ngành công nghiệp, vấn đề ô nhiễm nhựa trở thành mối đe dọa đến hệ sinh thái toàn cầu Trong tự nhiên, quy luật, nhựa sử dụng rộng rãi khơng tự suy thối đến mức độ lớn thải vào môi trường Một lý cho phổ biến, ứng dụng rộng rãi nhiều polymer ổn định độ bền đặc biệt cao Có bốn chế mà chất dẻo phân hủy mơi trường bao gồm: suy thối quang, suy thối thermooxidative, suy thoái thủy phân phân hủy sinh học nhờ vi sinh vật Nói chung, thối hóa tự nhiên nhựa bắt đầu với suy thoái quang, dẫn đến suy thối thermooxidative Tia cực tím từ mặt trời cung cấp lượng kích hoạt cần thiết để bắt đầu cho kết hợp nguyên tử oxy vào polymer Điều làm cho nhựa trở nên giòn để phá vỡ thành nhiều mảnh nhỏ chuỗi polymer đạt khối lượng phân tử thấp đủ để chuyển hóa vi sinh vật Các vi khuẩn chuyển đổi carbon chuỗi polymer carbon dioxide kết hợp vào phân tử sinh học Tuy nhiên, tồn q trình diễn chậm, 50 năm nhiều cho nhựa phân hủy hoàn toàn [3] Điều không hỗ trợ thực tế rằng, tác dụng photodegradative giảm đáng kể nước biển nhiệt độ oxy sẵn có thấp nên tỷ lệ thủy phân hầu hết polyme không đáng kể đại dương [3] Chẳng hạn, môi trường biển, thời gian cho hợp chất để phân hủy dài; giấy báo tuần; túi nhựa 10-20 năm; tã lót dùng lần 50-100 năm; chai nhựa 100 năm nhiều hơn… Việc tái chế hóa học PET tiến hành việc áp dụng dây chuyền công nghệ tái chế công suất cao, 50.000 tấn/năm Một số nỗ lực để thiết lập nhà máy tái chế thực khứ không thành công vang dội Ngay việc tái chế đầy hứa hẹn Nhật Bản không trở thành bước đột phá cơng Tạp chí Kh-cn nghệ An [33] NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI nghiệp giá tăng đặn Các mức giá chai đóng kiện tăng, ví dụ năm 2000 khoảng 50 Euro / năm 2008 lên đến 500 Euro/tấn Công nghệ sinh học xử lý chất thải nhựa Sự đa dạng trao đổi chất vi sinh vật nguồn tài ngun hữu ích để khắc phục nhiễm nhựa môi trường Vi khuẩn sử dụng làm dầu tràn, PCBs kim loại nặng asen (As), thủy ngân (Hg), cadmium (Cd) chì (Pb) [1] Phân hủy sinh học thay hấp dẫn thực tiễn để xử lý chất thải, thường q trình rẻ hơn, có khả hiệu không gây ô nhiễm thứ cấp Trong số trường hợp, chí có sản phẩm cuối hữu ích với lợi ích kinh tế từ trao đổi chất vi khuẩn chất gây nhiễm, ví dụ, ethanol để sử dụng nhiên liệu sinh học [1] Nhiều nghiên cứu điều tra phân hủy loạt polyme Quan sát thấy nhiều trường hợp, polymer có khung cacbon tinh khiết đặc biệt kháng với hầu hết phương pháp suy thoái, polyme bao gồm nguyên tử khác cấu trúc (ví dụ, polyeste, polyamine) cho thấy nhạy cảm cao với suy thối PET ví dụ điển hình polymer Các ester tạo thành phần chuỗi polymer bình thường dễ dàng bị phá vỡ số chế, nhiên, nhóm thơm nó, polymer chất khơng phân hủy điều kiện bình thường Trong PET polymer đặc biệt ổn định bền, chứng minh cộng đồng vi khuẩn có khả sử dụng diethylene glycol terephthalate (DTP) - tiểu đơn vị PET, cacbon nguồn lượng Điều cho thấy lý cho ổn định cực phát sinh từ trạng thái polymer Những nỗ lực để tăng phân hủy sinh học PET tập trung vào thay đổi polymer để giảm gắn kết phân tử; Các sản phẩm từ nhựa PET phân giải đường hóa học, cịn tái chế vơ tốn Do phải xử lý chất thải SỐ 4/2017 đặc biệt ”cứng đầu” đường phân hủy sinh học, tan rã vật liệu tác dụng vi khuẩn, nấm, chủng sinh học khác Trong phân hủy sinh học đơn giản có nghĩa tiêu thụ vi sinh vật Thuật ngữ thường sử dụng mối quan hệ với môi trường sinh thái, quản lý chất thải, y sinh học môi trường tự nhiên, với mơi trường có khả phân hủy trở thành yếu tố tự nhiên chất hữu bị suy thối hiếu khí kỵ khí Vấn đề phân hủy sinh học nói chung vật liệu hữu “phục vụ” chất dinh dưỡng cho vi sinh vật Vi sinh vật phong phú, đa dạng tác dụng phạm vi rộng lớn hợp chất phân hủy sinh học bao gồm hydrocarbon (ví dụ dầu mỏ), polychlorinated biphenyls (PCBs), hydrocarbon polyaromatic (PAHs), chất dược liệu Việc sử dụng vi sinh vật để phân hủy nhựa biết đến vào năm 1961, sử dụng để mô tả phân hủy vật liệu vào thành phần sở carbon, hydro oxy vi sinh vật Bây phân hủy sinh học thường kết hợp với sản phẩm thân thiện với môi trường, phần chu kỳ bẩm sinh trái đất có khả phân hủy trở thành yếu tố tự nhiên Vào năm 1973 nhà nghiên cứu có kết thối hóa xử hoạt tính vi sinh vật đất Bây giờ, cơng nghệ phân hủy sinh học khoa học phát triển cao với ứng dụng sản phẩm bao bì, sản xuất, y học cơng nghệ oxo-biodegradable, phát triển xuất nhựa phân hủy sinh học Oxo - phân hủy sinh học xác định CEN (Tổ chức Tiêu chuẩn châu Âu) “suy thối oxy hóa, đơi mô tả “oxo-phân mảnh” “oxo-phân hủy” để mơ tả giai đoạn oxy hóa khả phân hủy với tốc độ chậm Đó lý chất dẻo thơng thường, bỏ đi, lại kéo dài với thời gian thập kỷ môi trường Giáo sư Steve Howdle cho polymer phân hủy sinh học đặc biệt hấp dẫn, nhựa bị xuống cấp thành sản phẩm khơng độc hại Bằng kiên trì hăng say mình, năm gần đây, nhà nghiên cứu phân tích từ đất, bùn nhà máy tái chế PET phát có vài lồi nấm có tiềm phá vỡ PET phải qua thời gian dài, Tuy nhiên, gần điều mà nhà khoa học làm cho nhân loại vui mừng năm 2016, nhóm nhà khoa học Nhật Bản từ Viện Công nghệ Kyoto Đại Tạp chí Kh-cn nghệ An [34] NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI học Keio, sau thu thập tới 250 mẫu PET mảnh vỡ vụn thành phố Sakai phát loại vi khuẩn - Ideonella sakaiensis 201-Fo có khả “ăn nhựa”, phân hủy gần hoàn toàn nhựa PET 06 tuần Ideconella sakaiensis vi khuẩn thuộc chi Ideonella họ Comamonadaceae, nhuộm gram âm (G - ), loại vi khuẩn hình que, sống hiếu khí, khơng hình thành bào tử, có tiên mao nên di chuyển, có cytochrome oxidase catalase Các lipid phân cực màng phosphatidylethanolamine, lyso-phosphatidylethanolamine, phosphatidylglycerol diphosphatidylglycerol Hệ gen có G + C ADN 70,4% mol [8][9] Phân tích, giải trình tự chuỗi rARN 16S cho thấy chủng 201-F6T thuộc chi Ideonella có liên quan chặt chẽ với Ideonella dechloratans LMG 28178T (97,7%) Ideonella azotifigens JCM 15503T (96,6%) Chủng 201-F6T phân biệt rõ ràng với loài liên quan chi Ideonella đặc tính sinh lý, sinh hóa, vị trí phát sinh lồi liên quan ADN Do đó, chủng đại diện cho lồi chi Ideonella, tên Ideonella sakaiensis 201-F6T đề xuất [9] Ideonella sakaiensis 201-F6T sinh trưởng, phát triển mơi trường có pH 5.5-9.0 (tối ưu pH 7,0-7.5) nhiệt độ 15-420C (tối ưu 30370C) [8][5] Theo tính tốn nhà nghiên cứu bình thường, thời gian để phân hủy hoàn toàn chai nhựa PET phải khoảng 450 năm sử dụng chủng vi khuẩn Ideonella sakaiensis 201-F6 tuần, vật liệu nhựa PET bị phân hủy hết nhiệt độ bình thường [10][2], mà khơng cần phải cung cấp nhiệt độ áp suất cao, điều diệu kỳ Nghiên cứu chế phản ứng phân giải PET vi khuẩn Ideonella sakaiensis 201-F6 cho thấy, sử dụng hai enzyme để “ăn” PET phá vỡ nhựa thành thành phần đơn giản hơn, thân thiện với môi trường Một enzyme gọi PETase, phân giải PET, tạo monomer MHET, tiếp đó, enzym thứ hai - MHETase phân giải MHET cho sản phẩm cuối axit terephthalic ethylene glycol sản phẩm vô hại với môi trường[10] Như vậy, sau nhiều năm làm việc với vi khuẩn chất dẻo, nhà khoa học xác định chủng vi khuẩn - vi khuẩn Ideonella sakaiensis 201-F6, có khả phân hủy polyethylene terephthalate, loại thường sử dụng nhiều sản xuất chai lọ, bao bì quần áo vô số vật dụng khác thuộc loại ”cứng đầu” khiến nhiều người lâu SỐ 4/2017 hy vọng xử lý, phân giải Việc phát Ideonella sakaiensis 201-F6 có tầm quan trọng đặc biệt điều mà nhân loại mơ ước với sản lượng tồn cầu hàng năm PET 50 triệu mà dùng xong thải mơi trường thảm họa lớn tuyệt vời với vi khuẩn vấn đề mơi trường nhiễm nhựa không đáng lo ngại Và phân hủy nhanh chóng phế thải từ nhựa polyethylene terephthalate thời gian tuần nên khơng phải mịn mỏi chờ đợi đến kỷ[5] Các nhà nghiên cứu hy vọng rằng, từ chủng vi khuẩn náy phân tích ADN thực cơng nghệ chuyển gene để mã hóa sản sinh thật nhiều enzime phân giải chất thải nhựa để sử dụng rộng rãi thực tiễn./ Tài liệu tham khảo Coghlan, Andy, “Bacteria found to eat PET plastics could help the recycling”, New Scientist Retrieved 2016/03/18 Folarin Okunola, 11/03/2016, Scientists have discovered new plastic-eating bacteria Hayden K Webb, Jaimys Arnott, Russell J Crawford and Elena P Ivanova, 2013, Plastic Degradation and Its Environmental Implications with Special Reference to Poly (ethylene terephthalate) Ideonella sakaiensis sp nov., isolated from a microbial consortium that degrades poly(ethylene terephthalate) IANS (Mar 12, 2016), Bacteria that eats plastic discovered Michelle Hampson March 2016, Science: Newly Identified Bacteria Break Down Tough Plastic SEAN MARTIN PUBLISHED (Mar 11, 2016), Bacteria discovered which biodegrades plastic bottles in just WEEKS Somboon Tanasupawat; Toshihiko Takehana; Shosuke Yoshida; Kazumi Hiraga; Kohei Oda (1 August 2016), “Ideonella sakaiensis sp nov., isolated from a microbial consortium that degrades poly (ethlyene terephthalate)” Tanasupawat S, Takehana T, Yoshida S, Hiraga K, Oda K (2016 Apr) 10 Yoshida S, Hiraga K, Takehana et al (10-32016), A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate 11 Wyeth, Nathaniel C “Biaxially Oriented Poly(ethylene terephthalate) Bottle” US patent 3733309, Issued May 1973 Tạp chí Kh-cn nghệ An [35] ... hóa học, cịn tái chế vơ tốn Do phải xử lý chất thải SỐ 4/2017 đặc biệt ”cứng đầu” đường phân hủy sinh học, tan rã vật liệu tác dụng vi khuẩn, nấm, chủng sinh học khác Trong phân hủy sinh học. .. Kh-cn nghệ An [33] NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI nghiệp giá tăng đặn Các mức giá chai đóng kiện tăng, ví dụ năm 2000 khoảng 50 Euro / năm 2008 lên đến 500 Euro/tấn Công nghệ sinh học xử lý chất thải nhựa. .. y học công nghệ oxo-biodegradable, phát triển xuất nhựa phân hủy sinh học Oxo - phân hủy sinh học xác định CEN (Tổ chức Tiêu chuẩn châu Âu) “suy thối oxy hóa, đơi mơ tả “oxo-phân mảnh” “oxo-phân