Các nhà nghiên cứu từ lâu đã quan sát thấy một họ vi khuẩn môi trường phổ biến, Comamonadacae, phát triển trên nhựa rải rác khắp các con sông và hệ thống nước thải ở thành phố. Nhưng chính xác thì những vi khuẩn Comamonas này đang làm gì vẫn còn là một bí ẩn.
Vi khuẩn Comamonas sống trong nước thải, nơi chúng phân hủy rác thải nhựa để làm thức ăn. Tín dụng: Ludmilla Aristilde/Northwestern University
Hiện nay, các nhà nghiên cứu do Đại học Northwestern dẫn đầu đã phát hiện ra cách các tế bào của vi khuẩn Comamonas phân hủy nhựa để làm thức ăn. Đầu tiên, chúng nhai nhựa thành những mảnh nhỏ, gọi là nanoplastic. Sau đó, chúng tiết ra một loại enzyme chuyên biệt để phân hủy nhựa thậm chí còn sâu hơn. Cuối cùng, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng vi khuẩn sử dụng một vòng các nguyên tử carbon từ nhựa làm nguồn thức ăn.
Phát hiện này mở ra những khả năng mới cho việc phát triển các giải pháp kỹ thuật dựa trên vi khuẩn để giúp làm sạch rác thải nhựa khó loại bỏ, gây ô nhiễm nước uống và gây hại cho động vật hoang dã.
Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Khoa học và Công nghệ Môi trường.
"Chúng tôi đã chứng minh một cách có hệ thống, lần đầu tiên, rằng một loại vi khuẩn nước thải có thể lấy vật liệu nhựa ban đầu, làm hỏng nó, phân mảnh nó, phá vỡ nó và sử dụng nó như một nguồn carbon", Ludmilla Aristilde của Northwestern, người đứng đầu nghiên cứu cho biết. "Thật đáng kinh ngạc khi loại vi khuẩn này có thể thực hiện toàn bộ quá trình đó và chúng tôi đã xác định được một loại enzyme chính chịu trách nhiệm phân hủy các vật liệu nhựa. Điều này có thể được tối ưu hóa và khai thác để giúp loại bỏ nhựa trong môi trường".
Là một chuyên gia về động lực học của các chất hữu cơ trong các quá trình môi trường, Aristilde là phó giáo sư về kỹ thuật môi trường tại Trường Kỹ thuật McCormick của Northwestern. Bà cũng là thành viên của Trung tâm Sinh học Tổng hợp, Viện Công nghệ Nano Quốc tế và Viện Năng lượng và Phát triển Bền vững Paula M. Trienens. Các đồng tác giả đầu tiên của nghiên cứu này là Rebecca Wilkes, cựu nghiên cứu sinh tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của Aristilde, và Nanqing Zhou, hiện là cộng sự sau tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của Aristilde. Một số cựu nghiên cứu sinh sau đại học và đại học từ Phòng thí nghiệm Aristilde cũng đã đóng góp vào công trình này.
Vấn đề ô nhiễm
Nghiên cứu mới này dựa trên nghiên cứu trước đây của nhóm Aristilde, nghiên cứu này đã làm sáng tỏ các cơ chế cho phép Comamonas testosteri chuyển hóa các cacbon đơn giản được tạo ra từ thực vật và nhựa bị phân hủy. Trong nghiên cứu mới, Aristilde và nhóm của bà một lần nữa tìm hiểu về C. testosteroni, loài phát triển trên polyethylene terephthalate (PET), một loại nhựa thường được sử dụng trong bao bì thực phẩm và chai đựng đồ uống. Vì không dễ phân hủy nên PET là tác nhân chính gây ô nhiễm nhựa.
"Điều quan trọng cần lưu ý là nhựa PET chiếm 12% tổng lượng nhựa sử dụng trên toàn cầu", Aristilde cho biết. "Và nó chiếm tới 50% lượng vi nhựa trong nước thải".
Khả năng phân hủy nhựa bẩm sinh
Để hiểu rõ hơn về cách C. testosteroni tương tác và ăn nhựa, Aristilde và nhóm của cô đã sử dụng nhiều phương pháp lý thuyết và thực nghiệm. Đầu tiên, họ lấy vi khuẩn—phân lập từ nước thải—và nuôi trên màng và viên PET. Sau đó, họ sử dụng kính hiển vi tiên tiến để quan sát cách bề mặt vật liệu nhựa thay đổi theo thời gian.
Tiếp theo, họ kiểm tra nước xung quanh vi khuẩn, tìm kiếm bằng chứng về nhựa bị phân hủy thành các mảnh nhỏ hơn có kích thước nano. Và cuối cùng, các nhà nghiên cứu nhìn vào bên trong vi khuẩn để xác định các công cụ mà vi khuẩn sử dụng để giúp phân hủy PET.
"Với sự hiện diện của vi khuẩn, các hạt vi nhựa đã bị phân hủy thành các hạt nhựa nano nhỏ", Aristilde cho biết. "Chúng tôi phát hiện ra rằng vi khuẩn trong nước thải có khả năng bẩm sinh là phân hủy nhựa thành các monome, các khối xây dựng nhỏ kết hợp với nhau để tạo thành polyme. Các đơn vị nhỏ này là nguồn carbon sinh học mà vi khuẩn có thể sử dụng để phát triển".
Sau khi xác nhận rằng C. testosteroni thực sự có thể phân hủy nhựa, Aristilde tiếp tục muốn tìm hiểu cách thức. Thông qua các kỹ thuật omics có thể đo tất cả các enzyme bên trong tế bào, nhóm của cô đã phát hiện ra một loại enzyme cụ thể mà vi khuẩn biểu hiện khi tiếp xúc với nhựa PET. Để khám phá sâu hơn vai trò của enzyme này, Aristilde đã yêu cầu các cộng tác viên tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge ở Tennessee chuẩn bị các tế bào vi khuẩn không có khả năng biểu hiện enzyme. Đáng chú ý là, nếu không có enzyme đó, khả năng phân hủy nhựa của vi khuẩn đã bị mất hoặc giảm đáng kể.
Nhựa thay đổi như thế nào trong nước
Mặc dù Aristilde hình dung rằng khám phá này có khả năng được khai thác để tìm ra các giải pháp cho môi trường, bà cũng cho biết kiến thức mới này có thể giúp mọi người hiểu rõ hơn về cách nhựa phát triển trong nước thải.
"Nước thải là một hồ chứa khổng lồ các hạt vi nhựa và nano nhựa", Aristilde cho biết. "Hầu hết mọi người nghĩ rằng nano nhựa đi vào các nhà máy xử lý nước thải dưới dạng nano nhựa. Nhưng chúng tôi đang chứng minh rằng nano nhựa có thể được hình thành trong quá trình xử lý nước thải thông qua hoạt động của vi khuẩn. Đó là điều chúng ta cần chú ý khi xã hội của chúng ta cố gắng hiểu hành vi của nhựa trong suốt hành trình từ nước thải đến các sông và hồ tiếp nhận".
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
