Vi khuẩn tái chế nhựa thế nào?

Có khi nào bạn tự hỏi vì sao vỏ chuối, quần áo cotton, giấy có thể phân hủy sinh học, còn nhựa lại tồn tại tới vài trăm năm. Thực tế, quá trình phân hủy trong tự nhiên dựa vào một cỗ máy tuần hoàn nhỏ bé - vi khuẩn. Chúng mài giũa kỹ năng trong hàng tỷ năm, nhai bất cứ thứ gì trong tầm với (động vật, thực vật) để chuyển hóa thành năng lượng sinh tồn.

Trong khi đó, so với chiều dài lịch sử Trái Đất, nhựa chỉ như một "đứa trẻ" chưa đầy 100 năm tuổi. Loại vật liệu này phần lớn được chiết xuất từ dầu thô, trải qua nhiều bước trong quá trình tinh chế và phối trộn, hình thành các loại nhựa khác nhau. Ví dụ, polypropylene (PP) cứng và bền, hoàn hảo cho các sản phẩm như hộp đựng thực phẩm. Hay polystyrene (PS) mềm dẻo và nhẹ hơn, lý tưởng cho các mặt hàng như bao bì xốp hoặc vật liệu cách nhiệt trong xây dựng.

Qua nhiều công đoạn phối trộn với cấu trúc bền chắc, nhựa ban đầu xa lạ với vi khuẩn. Chúng cần nhiều thời gian "vò đầu bứt tai", cân nhắc việc "nhai" loại vật liệu mới trên hành tinh.

Tương tự câu chuyện "thiên địch" trong giới tự nhiên, Ideonella sakaiensis, vi khuẩn ăn nhựa đầu tiên được phát hiện vào năm 2016, tại bãi rác bên cạnh nhà máy tái chế ở thành phố Sakai, Nhật Bản. Chúng được coi là "kẻ nổi loạn của thế giới vi khuẩn", khi ăn được PET, loại nhựa phổ biến nhất thế giới, ứng dụng trong chai nhựa và quần áo.

Ideonella sakaiensis là loại khuẩn hình que. Để ăn nhựa, chúng tiết ra loại enzyme đặc biệt, được đặt tên là PETase và MHETase. Cách chúng phân hủy nhựa tương tự đàn kiến đói nhai một chiếc bánh sandwich. Trong đó, PETase và MHETase có chức năng tương tự hàm răng khỏe mạnh. PETase cắt các chuỗi liên kết dài và bền chắc trong nhựa (polymer) thành các thành tố cơ bản đơn giản (monomer). Còn MHETase tiếp tục cắt thành phẩm trên thành ethylene glycol và terephthalic acid (hiểu nôm na là các monomer nhỏ hơn), tiền chất tạo nhựa.

Sau khi hấp thụ các monomer nhỏ, vi khuẩn chuyển hóa chúng thành năng lượng sinh tồn.

Việc phát hiện vi khuẩn ăn nhựa mở ra triển vọng mới trong xử lý và tái chế loại rác này, đặc biệt khi thế giới dự kiến thải 700 triệu tấn rác thải nhựa vào năm 2040. Các nhà khoa học hy vọng sẽ tìm thấy nhiều loài vi khuẩn tương tự với khả năng phân hủy nhanh hơn mức 7 tuần của Ideonella sakaiensis.

Một cuộc đua bới rác tìm vi khuẩn bắt đầu, thúc đẩy giới khoa học đi khắp thế giới tìm kiếm loại vi khuẩn sở hữu "siêu năng lực" và có tiềm năng sinh lời.

Đầu 2023, một nhóm nghiên cứu tại Đại học Quốc gia Chonnam ở Hàn Quốc đưa giàn khoan xây dựng đến bãi rác thành phố, khoan sâu 15 m. Ở đó, GS Soo-Jin Yeom và cộng sự đã tìm thấy vi khuẩn Bacillus thuringiensis, loại có thể sống sót khi ăn túi nilon. Họ đang tiếp tục nghiên cứu khả năng chuyển hóa nhựa của enzyme trong khuẩn này.

Tại các cánh rừng ngập mặn Việt Nam và Thái Lan, Simon Cragg - một nhà vi sinh vật học từ Đại học Portsmouth - cũng săn lùng các vi khuẩn có khả năng ăn PET khác. Rễ cây trong rừng ngập mặn vướng nhiều rác nhựa. Ông hy vọng loại vi khuẩn có khả năng phân hủy rễ cây ngập mặn có thể chuyển sang "ăn" loại vật liệu này.

Dựa trên những vi khuẩn này, giới khoa học liên tục cải tiến enzyme và ứng dụng trên quy mô lớn, hướng tới ngăn chặn cuộc khủng hoảng rác nhựa.

Tháng 4/2020, nhóm các nhà nghiên cứu từ Đại học Toulouse và Carbios - công ty công nghệ sinh học của Pháp - đã tìm ra một loại enzyme có thể phân hủy tới 90% chai nhựa PET chỉ trong 10 giờ. Theo đó, chỉ cần khuấy trong dung dịch chứa enzyme, một chai nhựa sau vài giờ biến thành các tiền chất nhựa mới, mở ra một phương thức tái chế nhựa dựa vào vi khuẩn.

Theo thống kê, mỗi phút có khoảng một triệu chai nhựa được bán ra trên toàn thế giới, và đạt tới 500 tỷ chai mỗi năm. Phương thức tái chế trên sẽ tạo ra vật liệu mới có chất lượng tương đương nhựa nguyên sinh (loại chưa từng trải qua công đoạn tái chế), giúp "mẹ thiên nhiên" có một khoảng nghỉ trước khi bị khai thác trở lại.

Một lợi ích lớn khác từ giải pháp trên là khả năng tái sử dụng quần áo polyester, khi hơn 50 triệu tấn quần áo polyester (làm từ PET) bị thải ra thùng rác trên toàn cầu, gây ô nhiễm môi trường và phát thải khí nhà kính.

Sau vi khuẩn, giới khoa học còn phát hiện "thiên địch" khác của nhựa - sâu sáp. Chúng là ấu trùng của bướm sáp, thường dùng như mồi câu cá. Khả năng "ăn" nhựa của sâu sáp được phát hiện vào 2017 bởi các nhà khoa học từ Tây Ban Nha và Anh, khi túi nilon đựng chúng bị cắn thủng.

Một số loài sâu khác cũng được thí nghiệm. Ví dụ tại Serbia, sâu bột được huấn luyện "ăn" nhựa PE, PS, chỉ thải ra CO2 và nước.

Giải pháp huấn luyện sâu "ăn" nhựa đang dừng ở giai đoạn thí nghiệm. Hiện tái chế nhựa dựa vào vi khuẩn là lĩnh vực duy nhất thành công ở quy mô thương mại, với nhà máy đầu tiên trên thế giới dự kiến khởi công trong năm nay, tái chế 50.000 tấn nhựa PET mỗi năm. Carbios, doanh nghiệp đầu tư dự án trên, kỳ vọng ngành tái chế nhựa tiên tiến sẽ đạt 200 tỷ EUR (hơn 235 tỷ USD) vào năm 2050.

Dù đạt được một số thành công ban đầu, các nhà khoa học lưu ý rằng việc ứng dụng vi khuẩn hay sâu ăn nhựa cần hạ tầng thu gom, tương tự giải pháp tái chế cơ học hoặc hóa học. Thêm vào đó, việc quản lý rác nhựa cần đi từ hoạt động giảm thiểu sản xuất, tiêu dùng, phân loại rác tại nguồn cũng như cải thiện thiết kế sản phẩm thân thiện môi trường, tạo thuận lợi cho hoạt động tái chế.

Bảo Bảo (theo Novonesis, The Guardian)