1.4.4.1. Ƣu điểm
Ưu điểm của các loại vật liệu nhựa sinh học là có thể gia công bằng các công nghệ sản xuất nhựa truyền thống như khuôn gia nhiệt, ép phun, đùn thổi, v.v…nhưng sau khi sử dụng, các vật liệu nhựa sinh học có thể phân hủy hoàn toàn thành C, CO2, H2O… trong thời gian ngắn. Do đó, nhựa sinh học không gây ô nhiễm nặng nề môi trường như các loại nhựa nguồn gốc hóa dầu và có thể được sử dụng như là nguồn thay thế cho nhựa hóa dầu.
Do tính phân hủy sinh học, việc ứng dụng nhựa sinh học đặc biệt phổ biến để làm các vật dụng dùng duy nhất một lần như bao bì đựng thực phẩm. Sau khi sử dụng một lần, những loại bao bì này được tái chế lại, sử dụng làm túi đựng rác, đựng chất thải hữu cơ hay bao bì ứng dụng trong nông nghiệp. Sau một thời gian sử dụng, vật liệu tái chế phân hủy dần trong môi trường. Các loại khay và đồ đựng thực phẩm, chai nước ngọt, chai sữa… làm từ nhựa sinh học ngày càng được sử dụng rộng rãi [73].
Đầu những năm 1950, sản phẩm Amylomaize (chứa hơn 50% lượng bột bắp) đã được phát minh và ứng dụng trong thương mại nhựa sinh học bắt đầu được đào sâu. Năm 2003, công ty Sony vừa cho ra đời loại máy Walkman có sử dụng nhựa sinh học. Vào năm 2004, NEC đã phát triển nhựa chống cháy, PLA, mà không sử dụng hoá chất độc hại như các hợp chất halogen, photpho. Năm 2005, Fujisu trở thành công ty kỹ nghệ đầu tiên chế tạo vỏ máy tính cá nhân từ nhựa sinh học [73].
Toyota là công ty đầu tiên trên thế giới sử dụng nhựa sinh học trong chế tạo các phụ kiện của ôtô, ví dụ như phần vỏ đựng lốp dự trữ. Năm 2007 Braskem của Brazil thông báo con đường phát triển đển sản xuất HDPE (polyethylene có tỉ trọng cao) dùng nguyên liệu là ethylen bắt nguồn từ cây mía đường [73].
Năm 2011, Lần đầu tiên ở Việt Nam, Viện Hóa học Công nghiệp (Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đã nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng thành công vật liệu
polyme phân hủy sinh học không gây ô nhiễm môi trường. Nhóm nghiên cứu đã đưa ra thị trường sản phẩm ở ba dạng, đó là: màng phủ nông nghiệp (hình 4), bao bì bọc bầu ươm cây giống, túi bọc bầu ươm cây giống không phân hủy [68].
Hình 4. Mảng phủ nông nghiệp bằng polymer sinh học [14]
Việc sản xuất và sử dụng nhựa sinh học nói chung được xem như có khả năng duy trì nếu so sánh với sản xuất nhựa từ dầu hoả, bởi nó ít phụ thuộc vào nhiên liệu (hình thành từ xác động vật bị phân hủy) như nguồn cacbon và cũng ít tạo ra hiệu ứng nhà kính hơn khi phân huỷ.
1.4.4.2. Nhƣợc điểm
Giá thành cao: ngoại trừ công nghệ nhựa sinh học từ vật liệu là cellulose đã phát triển lâu đời, hầu hết công nghệ nhựa sinh học đều mới phát triển và khá mới mẻ với giá thành sản phẩm còn mắc hơn so với nhựa sản xuất từ dầu mỏ. Nhiều loại nhựa sinh học được sản xuất bằng cách sử dụng nhiên liệu - nguồn năng lượng cho quá trình sản xuất là từ nguồn dầu mỏ nên giá thành chưa giảm so với nhựa sản xuất từ dầu hỏa.
Do các yếu tố trên, nhựa sinh học hiện chưa có thể cạnh tranh được về giá cả so với loại nhựa có nguồn gốc từ dầu hỏa. Tuy nhiên với gia dầu ngày càng cao cộng với nguồn tài nguyên này sẽ bị cạn kiệt trong tương lai nên nhựa sinh học sẽ là một sự lựa
Hiện tại nhựa sinh học có nhược điểm về tính chất của vật liệu và tính dễ gia công như các loại vật liệu nhựa truyền thống. Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ tổng hợp nhựa sinh học và công nghệ ứng dụng, nhựa sinh học sẽ rút ngắn khoảng cách này.
Các Polymer sinh học tuy có khả năng tự phân hủy nhưng tốc độ phân hủy vẫn diễn ra chậm và phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Nếu được chôn trong môi trường nghèo vi sinh vật thì khả năng tự phân hủy của chúng rất thấp và cần một khoảng thời gian dài để quá trình tự phân hủy bắt đầu diễn ra. Chính đặc điểm phân hủy chậm này lại biến các polymer sinh học trở thành một nguồn rác thải khác mà người ta chưa nghiên cứu đến tác hại của nó.
Các polymer sinh học chỉ có thể phân hủy tốt trong môi trường có chứa nhiều loại vi sinh vật có khả năng sử dụng các polymer sinh học này làm nguồn cacbon [28].
1.5. Các vi sinh vật có khả năng phân hủy polymer sinh học
Môi trường đang bị hủy hoại bởi những hoạt động tạo ra các sản phẩm mới của chính mình. Cụ thể, các vật liệu polymer từ hóa dầu đã làm cho con người tiến xa về phía trước, nhưng người ta cũng đã nhận thấy rằng, các loại vật liệu này là mối nguy hại tiềm ẩn cho môi trường sinh thái vì nó không thể tự phân hủy. Chỉ có những tác động về cơ học và nhiệt mới có thể phá hủy nó, nhưng lại tạo ra nhiều chất độc hại hơn và đòi hỏi chi phí khổng lồ, vượt qua cả giá thành tạo ra chúng.
Hàng năm còn có khoảng 150 triệu tấn polymer được sản xuất để phục vụ nhu cầu của con người và số đó ngày càng tăng theo đà tăng dân số và đời sống. Song song với điều đó, số lượng rác từ các sản phẩm này cũng tăng lên đáng kể, đó sẽ là thách thức lớn cho môi trường của trái đất. Chính vì thế, việc nghiên cứu và sản xuất polymer phân hủy sinh học trong giai đoạn hiện nay là mối quan tâm của toàn thể nhân loại và hết sức cần thiết nhằm giúp giảm thiểu tình trạng ô nhiễm môi trường do ảnh hưởng của các sản phẩm polymer tạo ra từ hóa dầu trước đây để lại.
Trước thực trạng này, cần phải có những dạng vật liệu tương ứng tính năng của polymer truyền thống để thay thế. Đó chính là polymer có khả năng phân hủy sinh học mà khi gặp tác động của nước, không khí, nấm, vi khuẩn trong tự nhiên, các polymer này sẽ tự phân hủy thành những chất không có hại cho môi trường.
Xét về mức độ đa dạng các chủng vi sinh vật có khả năng phân hủy polymer sinh ho ̣c, Mergaert và Swing với nghiên cứu của mình đã thu nhâ ̣ n được 695 chủng vi sinh vâ ̣t được phân lâ ̣p từ các môi trường khác nhau : đất, nước, bùn. Những vi sinh vâ ̣t này gồm cả vi khuẩn Gram (-), vi khuẩn Gram (+), xạ khuẩn và nấm mốc [35].
1.5.1. Vi khuẩn
Chủng Bacillus brevis được phân lập từ đất có khả năng phân hủy PLLA ở nhiệt độ cao 60 ºC [55]. Vi khuẩn Bacillus smithii sinh trưởng trong môi trường có chứa 1% PLLA và trọng lượng phân tử PLLA đã giảm 35,6% chỉ sau 3 ngày nuôi lắc ở nhiệt độ 60ºC [56].
Teeraphatpornchai cùng cô ̣ng sự đã tiến hành n ghiên cứu , phân lập và tuyển chọn vi khuẩn có khả năng phân hủy nhiều polymer sinh học khác nhau . Từ 400 mẫu đất, quá trình phân lập được tiến hành ở 30o
C. Sau khi tuyển chọn đã thu được chủng TB–13 có khả năng phân hủy được PLA , PBSA, PBS, PCL, PES nhưng không có khả năng phân hủy PHBV [48].
Vi khuẩn Bacillus licheniformis có khả năng phân hủy PLA được phân lập từ phân hữu cơ . Chủng này đã được ứng dụng trong sản xuất phân compost [60].
Oda (1995), Takeda (1998) và các cộng sự trong những nghiên cứu của mình đã chỉ ra những vi sinh vật có khả năng phân hủy PHB ở nhiê ̣t đô ̣ cao thường thuô ̣c hai
chi Leptothrix và Paecilomyces lilacinus, đặc biê ̣t hơn các chủng vi sinh vâ ̣t thuô ̣c hai
chi này đều có khả năng tổng hợp enzym phân hủy PHB [28]. Takeda và cô ̣ng sự đã thu đươ ̣c chủng vi khuẩn phân lâ ̣p ở suối nước nóng có khả năng phân hủy PHB Vi khuẩn ưa nhiê ̣t có khả năng sử du ̣ng PHB ở nhiê ̣t đô ̣ 45–50oC. Bằng việc xác đi ̣nh trình tự cho kết luâ ̣n chủng vi khuẩn này l à Leptothrix discophora. Chủng vi khuẩn này có khả năng tổng hợp enzyme phân hủy PHB [46].
PHB là polymer sinh ho ̣c đang được sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa ho ̣c . Năm 2001, Asano cùng với Watanabe đã phân lâ ̣p được mô ̣t chủng vi sinh vâ ̣t W 6
Nishida và cộng sự đã phân lập được 77 chủng vi sinh vật phân hủy poly(β- propiolactone) bao gồm 68 chủng vi khuẩn. Trong số đó có ít nhất 41 chủng thuộc chi
Bacillus [38]. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Mô ̣t chủng ưa nhiê ̣t TT 96 thuô ̣c chi Bacillus có khả năng phân hủy PES . Vi khuẩn này cũng ta ̣o vòng sáng trên môi trường tha ̣ch có PCL và PHB làm nguồn
cacbon thay thế cho PES . Điều này chứng tỏ rằng chủng vi khuẩn ưa nhiê ̣t TT 96 cũng có khả năng phân hủy PHB và PCL.
Mô ̣t số vi sinh vâ ̣t thuô ̣c chi Flavobacterium, Pseudomonas có khả năng phân hủy các oligomer của PA6 nhưng không thể phân hủy da ̣ng polymer của PA 6 [49].
Theo mô ̣t nghiên cứu về khả năn g tự phân hủy của PA 4 ở trong đất , dưới tác đô ̣ng của tia phóng xa ̣. PA4 bị phân hủy hoàn toàn trong khi PA 6 không bi ̣ phân hủy dưới tác đô ̣ng của tia phóng xa ̣ . Gần đây, đã thu nhâ ̣n được chủng ND –10 và ND–11 có khả năng phân hủ y PA4 đươ ̣c nhâ ̣n da ̣ng thuô ̣c chi Pseudomonas. Chủng ND–11 có khả năng phân hủy hoàn toàn PA 4 dạng dung dịch sau 24 giờ, sản phẩm tạo thành là aminobutyric axit [49].
Cùng với việc phân lập , tuyển cho ̣n được các chủng vi sinh vâ ̣t có khả năng phân hủy polymer sinh ho ̣c , nhiều nghiên cứu cũng đang tâ ̣p trung vào viê ̣c tinh sa ̣ch các enzym có khả năng phân hủy polymer sinh học từ các chủng vi sinh v ật đó [19].
1.5.2. Xạ khuẩn
Jarerat và cộng sự [17] đã nghiên cứu khả năng phân hủy PLA của các chi thuộc lớp xạ khuẩn và thấy rằng các chủng xạ khuẩn có khả năng phân hủy PLA chủ yếu là các loài thuộc họ Pseudonocardiaceae và các chi liên quan như Amycolatopsis,
Saccharothrix, Lenzea, Kibdelosporangium và Streptoalloteichus. Trong đó chi
Saccharothrix có khả năng phân hủy PLA mạnh nhất. Paramuda và cộng sự [41] đã
phân lập chủng xạ khuẩn Amycolatopsis sp có khả năng phân hủy tới 60% PLA dạng màng mỏng sau 14 ngày nuôi cấy.
Theo nghiên cứu của Tokiwa và cô ̣ng sự , các chủng xạ khuẩn còn có thể sử dụng các loại biopolymer khác nhau. PBS có thể bi ̣ phân hủy dưới tác đô ̣ng của nhóm
vi sinh vâ ̣t thuô ̣c chi Amycolatopsis. HT–6 là một chủng thuộc chi này có khả năng phân hủy không chỉ PBS mà còn phân hủy được PHB và PCL [49].
1.5.3. Nấm
Torres và cộng sự [52] đã phân lập và nghiên cứu trên 14 loài nấm khác nhau trong tự nhiên sử dụng PLA bao gồm các chi: Aspergilus, Rhizopus, Penicillium,
Fusarium và Trichoderma. Các chủng nấm mốc phân lập có khả năng sử dụng axit
lactic và PLA khối lượng phân tử thấp. Trong số đó chủng Fusarium moniliforme có khả năng phân hủy mạnh nhất [52].
Yuji Oda và cô ̣ng sự đã phân lâ ̣p được 5 chủng nấm có khả năng phân hủy PHB và PCL, trong số đó chủng có ký hiệu là D218 đươ ̣c xác đi ̣nh là Paecilomyces lilacinus
có hoạt tính cao nhất. Trong môi trường nuôi cấy có bổ sung 0,1% PCL hoă ̣c PHB, chỉ trong 10 ngày chủng nấm này đã phân hủy hoàn toàn PHB và 10% lượng PCL. Không chỉ có vậy chủng nấm này còn tổng hợp được enzym phâ n hủy PHB và PCL vào môi trường có PHB và PCL làm nguồn cacbon . Hoạt tính của enzyme này sẽ giảm đi khi trong môi trường nguồn cacbon được thay thế bằng tin h bô ̣t tan, glucose hay lactose [39].
Nghiên cứu của Tansengco và Tokiwa đã c hỉ ra rằng: số lượng vi sinh vâ ̣t trong môi trường đất có khả năng phân hủy PCL ở 50o
C chiếm từ 3–49% (0,4–3,5x104
/1g đất) tổng số vi sinh vật có khả năng phân hủy PCL [47].
Khả năng phân hủy PCL cao phải kể đến chủng 26–1 (ATCC 36507) thuô ̣c chi
Penicillum. Chủng này phân hủy PCL hoàn toàn chỉ sau 12 ngày. Tokiwa và cô ̣ng sự
đã nghiên cứu, phân lâ ̣p được mô ̣t chủng nấm thuô ̣c chi Aspergillus có khả năng phân hủy hoàn toàn PCL dạng màng phim ở 50oC trong thời gian là 6 ngày [47].
Ngoài ra , mô ̣t số loa ̣i nấm cũng có khả năng phân hủy PES . Chủng nấm
Aspergillus clavatus phân hủ y đươ ̣c 21µg màng phim PES trên 1cm2 trong thờ i gian
mô ̣t giờ [49].
+ Giai đoạn đầu là phản ứng của oxi trong không khí với polymer, các mạch polymer bị cắt nhỏ (tạo thành olygomer) là kết quả của quá trình oxi hóa, giai đoạn này không có mặt của các vi sinh vật làm nhiệm vụ oxi hóa, việc sử dụng oxi sẽ biến các mạch polymer hình thành các nhóm chức như là cacbonyl, acid cacboxilic, ester, andehid, rượu. Từ một polymer kị nước xuất hiện các nhóm chức ưa nước tạo điều kiện cho việc phân hủy các polymer dễ dàng hơn.
+ Giai đoạn hai là phân hủy sinh học bởi sự oxi hóa của các vi sinh vật như vi khuẩn, nấm… chúng sẽ phân hủy các mạch olygomer còn lại thành CO2 và nước.
Trong giai đoạn đầu là giai đoạn quan trọng nhất vì nó quyết định toàn bộ quá trình, trong giai đoạn đầu của quá trình phân hủy sinh học sự giảm cấp có thể diễn ra nhanh hơn khi có mặt của tia UV hoặc nhiệt độ [67]. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Bên cạnh yếu tố môi trường, cơ chế và tốc độ phân hủy polymer sinh học cũng phụ thuộc vào thành phần hóa học của polymer. Đặc biệt tốc độ phân hủy sinh học phụ thuộc vào đặc tính polymer bởi vì chúng là cơ chất cho enzym. Khả năng phân hủy polymer sinh học nhanh hay chậm phụ thuộc vào bản chất của liên kết hóa học hiện diện trong mạch polymer đó [54].
PHB và PLA có các đơn phân tương ứng là axit 3-hydroxybutyric và axit lactic. Bản chất liên kết giữa các đơn phân trong mạch polymer là liên kết este. Các liên kết này sẽ bị bẻ gẫy trong phản ứng thủy phân và gây đứt mạch polymer. Do đó cả PHB và PLA đều có thể bị phân hủy bởi các enzym thủy phân (hình 5).
Hình 5. Phản ứng thủy phân PLA [36]
Đến nay việc tìm kiếm các chủng vi sinh vật có khả năng sử dụng polymer sinh học nói chung hay PLA nói riêng vẫn thu hút được nhiều nhà khoa học trên thế giới và ở Việt Nam. Việc phát hiện các chủng vi sinh vật mới không những mang lại ý nghĩa về mặt khoa học, mà còn có ý nghĩa thực tiễn trong việc tạo ra các chế phẩm sinh học góp phần giải quyết ô nhiễm môi trường.
CHƢƠNG 2: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Nguyên liệu
Các mẫu đất được thu thập từ khu vực nhà máy xử lý rác thải Cầu diễn-Từ liêm- Hà Nội và bãi rác thuộc khu vực thôn Đình thôn-Mỹ đình-Từ liêm-Hà Nội trong thời gian tháng 4/2011. Các mẫu sau khi thu thập được bảo quản chuyển về phòng thí nghiệm và phân tích trong vòng 24 tiếng.
2.2. Hóa chất và thiết bị 2.2.1. Hóa chất 2.2.1. Hóa chất
Poly lactic axit (PLA), Poly (-hydroxybulyrate) (PHB), poly(-caprolactone) (PCL) được mua từ hãng Sigma (Mỹ) và Takara (Nhật Bản). Các hóa chất này đều đạt độ tinh sạch cho mục đích nghiên cứu.
Iodonitrotetrazolium chloride (INT), chloroform (CHCl3), NaH2PO4, Na2HPO4, casein, gelatin, pepton, cao nấm men, và các hoá chất khác đạt độ tinh khiết trong phân tích.
2.2.2. Thiết bị
Nồi khử trùng (ALP–Nhâ ̣t). Máy lắc (Satorius–Đức).
Box cấy vi sinh vật (Aura vertical–Ý). Máy đo mâ ̣t đô ̣ quang ho ̣c (Bionate–Anh). Máy đo pH (Horiba–Nhật Bản).
Cân Kern (Satorius–Đức). Cân Precisa XT 220A (Ý). Tủ ấm (Sartorius–Đức).
Máy ly tâm sigma 3K30 (Memmert–Đức). Tủ sấy (Memmert–Đức).
Máy khuấy từ (IKA RET–Đức).
Máy giải trình tự tự động 3100-Avant Genetic Analyzer, AB-Applied Biosystem (Mỹ).
2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu 2.3.1. Phƣơng pháp thu thập mẫu 2.3.1. Phƣơng pháp thu thập mẫu
Mẫu được lấy vào các ống Falcon đã khử trùng. Tiến hành lấy mẫu trên cả 2 khu vực: Nhà máy xử lý rác thải Cầu diễn-Từ liêm-Hà Nội và Khu vực bãi rác Đình thôn-Mỹ đình-Từ liêm-Hà Nội. Mẫu đất được lấy ở phía dưới cách bề mặt 5-10 cm.