1.3. Xử lý nhựa phế thải bằng công nghệ oxo biodegradation
1.3.3. Quá trình phân hủy sinh học của PE sau phân hủy giảm cấp
Do polietilen (PE) đƣợc sử dụng khá phổ biến làm vật liệu bao bì nên rất nhiều nghiên cứu đã đƣợc tiến hành không chỉ với polietilen có khả năng phân hủy sinh học mà cả với quá trình phân hủy sinh học của polietilen [19, 38-40]. Kết quả của các nghiên cứu này chứng tỏ polietilen bị phân hủy sinh học sau quá trình phân hủy quang và phân hủy hóa học. Q trình phân hủy sinh học của polietilen diễn ra theo 2 cơ chế: phân hủy sinh học hidro (có mặt nƣớc) và phân hủy sinh học oxo (có mặt oxi) [19]. Hai cơ chế này phù hợp với những biến đổi do 2 phụ gia đƣợc sử dụng trong quá trình tổng hợp polietilen phân hủy sinh học là tinh bột và chất xúc tiến oxi hóa. Polietilen blend tinh bột có pha tinh bột liên tục làm cho vật liệu trở nên ƣa nƣớc và do đó bị xúc tác bởi các enzyme amylaza. Vi sinh vật có thể dễ dàng tiếp cận, tấn cơng và loại bỏ phần này. Nhờ đó, polietilen ƣa nƣớc với nền liên tục bị phân hủy sinh học hidro. Đối với polietilen có khả năng phân hủy sinh học đƣợc tổng hợp bằng cách bổ sung phụ gia xúc tiến oxi hóa, q trình phân hủy sinh học diễn ra sau quá trình phân hủy quang và phân hủy hóa học. Sau q trình oxi hóa nhiệt đƣợc xúc tác bởi kim loại chuyển tiếp, quá trình phân hủy sinh học các sản phẩm oxi hóa thấp phân tử diễn ra ngay tiếp sau. Ei- Shafei và cộng sự [40] nghiên cứu khả năng tấn công của nấm và chủng Streptomyces lên polietilen phân hủy bao gồm túi polietilen phế thải chứa 6% tinh bột. Vi sinh vật đƣợc sử dụng trong nghiên cứu này là 8 chủng Streptomyces khác nhau đƣợc phân lập và 2 loại nấm là Mucor rouxii NRRL1835 và Aspergillus Flavus. Sau 10 ngày xử lý nhiệt, màng polietilen đƣợc ủ và lắc rung với tốc độ 125 vòng/phút ở 300C trong môi trƣờng cao nấm men (pH 7,5) 0,6% đối với Streptomyces và trong môi trƣờng cao nấm men (pH 5,5) đối với nấm mốc. Các enzyme hoạt tính đƣợc phát hiện và q trình phân hủy sinh học của polietilen đƣợc khẳng định bằng cách đo kiểm tính chất cơ lý nhƣ độ bền kéo đứt và độ dãn dài khi đứt. Yamada- Onodera [41] phân lập một chủng nấm
Penicillium simplicissimum YK để phân hủy sinh học polietilen. Các tác giả cũng thảo luận việc tiền xử lý polietilen trƣớc khi nuôi cấy nấm để q trình phân hủy hồn tồn hơn. Trái với nghiên cứu đƣợc thực hiện bởi Ei- Shafei [40] sử dụng
polietilen chứa tinh bột là nguồn cacbon giúp vi sinh vật phát triển, Yamada- Onodera [41] nghiên cứu quá trình phân hủy sinh học của polietilen không chứa phụ gia. Các tác nhân oxi hóa hay bức xạ UV, nhƣ các chất nhạy UV, đƣợc sử dụng khi bắt đầu q trình nhằm hoạt hóa vật liệu trơ polietilen. Polietilen cũng đƣợc xử lý với axit nitric ở 800C trong 6 ngày trƣớc khi ni cấy với các nhóm chức đƣợc tạo ra mà vi sinh vật có thể tiếp cận. Kết quả thực nghiệm cho thấy với hoạt tính của nấm, polietilen có KLPT ban đầu trong khoảng 4000-28000 bị phân hủy thành các đơn vị có KLPT thấp hơn 500 sau 3 tháng ni cấy lỏng, chứng tỏ quá trình phân hủy sinh học của vật liệu này.
Một lƣợng đáng kể các hợp chất thấp phân tử đƣợc giải phóng vào mơi trƣờng nƣớc từ màng PE bị oxi hóa, các hợp chất này có thể đƣợc vi sinh vật tiêu thụ. Koutny và cộng sự [42] theo dõi các hợp chất thấp phân tử giải phóng vào mơi trƣờng nƣớc từ các mẫu màng HDPE và LDPE bằng kỹ thuật công hƣởng từ nhân. Các hợp chất này sau đó đƣợc tiêu thụ hoàn toàn bởi chủng Rhodococcus rhodochrous trong 4
ngày nuôi cấy.
Việc tồn tại các hợp chất hoạt động bề mặt từ vi khuẩn có khả năng sử dụng chất nền không tan cần phải đƣợc quan tâm. Các hợp chất này gắn tƣơng đối chắc với bề mặt vi khuẩn, làm tăng tính kị nƣớc của nó và thúc đẩy sự bám dính của vi khuẩn lên bề mặt chất nền cũng nhƣ sự chuyển động một cách thụ động của các phân tử chất nền. Hiện tƣợng này có thể liên quan đến nồng độ tới hạn tạo mixen của các chất hoạt động bề mặt sinh học so với các hợp chất hoạt động bề mặt tổng hợp thông thƣờng. Đối với PE bị oxi hóa thì các hợp chất hoạt động bề mặt từ vi khuẩn cũng có thể đóng vai trị rất quan trọng. Dƣờng nhƣ sự có mặt của chất tẩy rửa tổng hợp có tính chất lý hóa khác so với chất hoạt động bề mặt sinh học có ảnh hƣởng tới q trình phân hủy sinh học theo chiều hƣớng tiêu cực bởi nó làm tăng tính linh động của các hợp chất kém tan nhƣng đồng thời cũng làm yếu sự bám dính của vi khuẩn trên bề mặt vật liệu [43].
Hình 1.9. Cơ chế phân hủy sinh học của PE sau khi phân hủy oxi hóa [26]
Về cơ bản, có 2 cách tiếp cận đối với các thí nghiệm phân hủy sinh học. Cách thứ nhất sử dụng mơi trƣờng tự nhiên phức tạp, với các nhóm vi khuẩn hỗn hợp đƣợc thiết lập từ các chủng vi khuẩn và hoạt tính rộng, có khả năng mơ phỏng q trình phân hủy sinh học thực tế, nhƣ đất hoặc bùn hoạt tính. Cách thứ 2 là với các chủng vi khuẩn xác định trong môi trƣờng tổng hợp trong đó thí nghiệm có thể kiểm sốt và lặp lại chính xác, có thể so sánh thí nghiệm từ các PTN khác nhau và suy luận thông tin liên quan đến cơ chế phân hủy sinh học.
Việc lựa chọn các chủng vi khuẩn phù hợp để nghiên cứu quá trình phân hủy màng PE thƣờng dựa trên 3 lý lẽ: (i) Kết hợp các chủng vi khuẩn thuộc dòng
Streptomyces và các chủng nấm cùng tạo ra enzym thủy phân lignin. Bởi quan niệm
rằng lignin và PE đều là các chất nền cao phân tử khơng tan, trong q trình phân hủy sinh học của nó rất nhiều enzyme oxi hóa với tính đặc hiệu cho chất nền khơng tập trung đƣợc tiết ra, sau đó cũng có thể tấn cơng PE; (ii) Kết hợp các chủng của vi
khuẩn Gram dƣơng phát triển trên các n- ankan bậc cao. Trong các chủng đó có thể dự đốn đƣợc khả năng sử dụng PE bị oxi hóa làm chất nền có cấu trúc hóa học tƣơng tự. Các chủng này cũng có thể tạo ra chất hoạt động bề mặt sinh học cần thiết để cố định các phân tử chất nền kị nƣớc không tan; (iii) Các chủng đƣợc phân lập từ môi trƣờng đất ô nhiễm bởi PE, đặc biệt trong nhiều năm, một phƣơng pháp nghiên cứu phân hủy sinh học cổ điển [42]. Tổng quan các kết quả công bố đƣợc giới thiệu ở trong bảng 1.2.
Bảng 1.2. Tổng quan các nghiên cứu quá trình phân hủy sinh học bằng các chủng vi
khuẩn xác định và các tập đoàn vi khuẩn phức tạp
Vi sinh vật Nguồn T, tháng Mẫu MW, kDa TLT K
Aspergilus niger ATCC
9642
Gliocladium virens ATCC
9645 Penicillium pinophilum ATCC 11797 Phanerochaete chrysosporium H289 Chủng kết hợp 9
LDPE không chứa phụ gia xúc tiến oxi hóa đƣợc xử lý nhiệt và UV không công bố [43] Cladosporium cladosporioides ATCC 20251 Rhodococcus rhodochroust ATCC 29672
Nocardia asteroides isolate
Chủng kết hợp Chủng kết hợp Cao su phân hủy 6 LDPE, chất xúc tiến oxi hóa chứa Fe từ EPI. Xử lý nhiệt và bức xạ
14 [44]
Arthrobacter paraffineus Không
công bố 15
LDPE + tinh bột/chất xúc tiến oxi hóa chứa Fe đƣợc xử lý nhiệt
Rhodococcus rubber isolate Đất ô nhiễm 1 LDPE + chất nhạy quang đƣợc xử lý nhiệt và UV không công bố [45] Brevibacillus borstelensis Đất ô nhiễm 3 LDPE + chất nhạy quang đƣợc xử lý nhiệt và UV ~100 [46] Penicillium simplicissimum YK Đất và lá 3 HDPE 15 [41]
Streptomyces sp. isolate Không
công bố 1 PE + 6% tinh bột không công bố [40] Tập đồn vi khuẩn KH-12 Aspergilus sp. AK-3 Khơng công bố 0,7 sáp PE 2,9 1,2 [47]
Phân rác (550C) Phân hoai
mục 6,5 LDPE + Mn stearat <5 [18] Vi sinh vật đất Phân rác (550C) Đất rừng phân hoai và đất rừng 17 LDPE + phụ gia TDPA đƣợc xử lý nhiệt 6,7 [38]
Ghi chú: T: khoảng thời gian thí nghiệm; MW: khối lượng phân tử trung bình sau khi phân hủy oxi hóa phi sinh vật
Trong khi thực nghiệm với các chủng cụ thể trong môi trƣờng tổng hợp không đem lại những minh chứng định lƣợng thuyết phục về quá trình phân huỷ sinh học thì một số kết quả thu đƣợc trong q trình thực nghiệm trong mơi trƣờng đất hay trong điều kiện chơn lấp lại rất đáng khích lệ. Chiellini và cộng sự [38] theo dõi lƣợng CO2 sinh ra trong quá trình phân huỷ sinh học của màng LDPE có chất xúc tiến oxi hố. Trƣớc khi thử nghiệm phân huỷ sinh học, vật liệu đƣợc ủ 44 ngày ở 550C và q trình oxi hố nhiệt phi sinh học sơ bộ này làm giảm khối lƣợng phân tử trung bình cịn 6,7kDa. Mẫu sau đó đƣợc trộn với vật liệu trơ, đất rừng hay phân rác, là các nguồn chứa chủng vi khuẩn, đƣợc làm ẩm và ủ ở nhiệt độ phòng đối với đất và ở 550C đối với phân rác. Ban đầu giai đoạn phân huỷ sinh học rất nhanh khoảng 30 ngày đƣợc ghi lại, cuối giai đoạn đó lƣợng CO2 sinh ra đạt đỉnh tƣơng
ứng với q trình khống hố khoảng 4% và giữ không đổi ở giá trị này. Giai đoạn này quá trình phân huỷ sinh học gần nhƣ khơng xảy ra và kéo dài tới 160 ngày, sau đó tác giả hồi phục lại tập đồn vi khuẩn bằng cách thêm một lƣợng nhỏ đất rừng mới, khuấy và làm ẩm. Thao tác này cũng đƣợc thực hiện đối với mẫu trắng. Lại quan sát đƣợc sự bắt đầu quá trình phân huỷ sinh học. Trong khoảng hơn 1 năm ủ, mức độ khống hố đạt 50-60% trong mơi trƣờng đất và hơn 80% trong môi trƣờng phân rác. Cũng phải lƣu ý rằng q trình oxi hố nhiệt phi sinh học vẫn diễn ra, đặc biệt quan trọng trong thực nghiệm dƣới điều kiện chơn lấp ở 550C.
Một thí nghiệm chôn lấp khác đƣợc thực hiện bởi Jakubowick trong đó màng LDPE có phụ gia xúc tiến oxi hố cũng đƣợc xử lý nhiệt trƣớc sao cho khối lƣợng phân tử trung bình của nó giảm xuống dƣới 5000Da. Ngay khi thí nghiệm bắt đầu, lƣợng CO2 giải phóng ra đƣợc ghi lại và không thấy bất ký sự trễ pha nào trong quá trình sinh CO2, và trong vòng 6 tháng sau đạt tới mức tƣơng đƣơng với 60% khoáng hoá. Kết quả của Chiellini và Jakubowicz cung cấp bằng chứng rõ ràng, củng cố cho luận điểm về khả năng phân huỷ sinh học của PE chứa phụ gia xúc tiến oxi hoá, và cũng bởi các thực nghiệm đƣợc dẫn chứng rõ ràng và so sánh đầy đủ, kỹ lƣỡng với quá trình ủ đối chứng [48].
Mặc dù các kết quả nghiên cứu đƣợc tổng quan ở trên là tích cực và đáng khích lệ nhƣng chúng ta vẫn cần thận trọng trƣớc khi chấp nhận chúng nhƣ là minh chứng cuối cùng và hiệu quả cho quá trình phân huỷ sinh học của màng PE chứa phụ gia xúc tiến oxi hoá sau khi phân huỷ oxi hố. Trong các thí nghiệm đó, ngồi PE thì các ngăn chứa mẫu cũng có một lƣợng lớn các chất nền cacbon khác và đặc biệt trong các thí nghiệm thƣờng khơng dài, khơng thể loại bỏ hồn tồn một số sai lệch, ngay cả khi quy trình đƣợc thiết kế chính xác và đã thực hiện hiệu chỉnh mẫu trắng, vì chúng ta khơng thể phân biệt đƣợc phần CO2 có nguồn gốc thuần tuý từ PE chứa phụ gia xúc tiến oxi hố. Ví dụ việc tập hợp mẫu đơi khi làm thay đổi sự giải phóng CO2 của nền [49].