Enzyme: Cơ hội đẩy nhanh quá trình phân hủy nhựa sinh học

Nhựa sinh học phân hủy trong 3 ngày nhờ enzyme.

Các nhà nghiên cứu đã tìm ra cách dùng vi khuẩn enzyme để đẩy nhanh quá trình phân hủy nhựa sinh học thành axit lactic nuôi vi sinh vật trong đất.

Phương pháp tự hủy

Nhựa phân hủy sinh học được giới thiệu như một giải pháp cho vấn đề ô nhiễm nhựa đang hoành hành trên thế giới. Hầu hết sản phẩm nhựa có thể phân hủy, được làm chủ yếu từ sợi polyester (còn gọi là axit polylactic, PLA), một loại nhựa polyme.

Thực tế túi, nắp cốc, đồ dùng bằng nhựa phân hủy sinh học không thể phân hủy 100% trong quá trình ủ thông thường. Thậm chí, có thể làm ô nhiễm các loại nhựa tái chế khác.

Trong nghiên cứu mới nhất của Trường Đại học California Berkeley, Mỹ, được đăng tải trên tạp chí Nature, các nhà khoa học đã tìm ra phương pháp giúp việc phân hủy nhựa sinh học dễ dàng hơn bằng nhiệt độ và nước. Quá trình phân hủy diễn ra trong vài tuần, giải quyết được vấn đề nhức nhối đối với ngành công nghiệp nhựa và các nhà môi trường học.

Ting Xu, tác giả chính của bài nghiên cứu cho biết: “Người dân đang dần chuyển sang sử dụng nhựa polyester phân hủy sinh học thay cho nhựa sử dụng 1 lần.

Tuy nhiên, nếu việc sử dụng nhựa phân hủy sinh học không thực sự hiệu quả, mọi người có thể quay lại dùng các sản phẩm nhựa độc hại, nhiều chất hóa học. Về cơ bản, nghiên cứu của chúng tôi giúp giải quyết vấn đề phân hủy nhựa, giảm thiểu việc sử dụng các loại nhựa khó có thể phân hủy”.

Nhựa được thiết kế để không bị phân hủy trong quá trình sử dụng bình thường, đồng nghĩa chúng không thể xử lý sau khi vứt đi. Các sợi polyme có trong nhựa được sắp xếp chặt chẽ đến mức nước không thể xâm nhập, chưa kể các vi khuẩn có thể phá hoại polyme, vốn là phân tử hữu cơ.

Ý tưởng của Xu là nhúng vi khuẩn enzyme phá hoại polyme có kích thước nano, trực tiếp vào nhựa nhưng bảo vệ chúng đến khi gặp điều kiện thích hợp sẽ giải phóng.

Năm 2018, Xu từng thử nghiệm ý tưởng này bằng cách nhúng một tấm thảm chứa organophosphate, chất diệt côn trùng, vào enzyme phân hủy hóa chất. Dần dần, enzyme đã phân hủy organophosphate.

Cải tiến quan trọng của Xu là bảo vệ enzyme không bị phân hủy bằng cách bao bọc enzyme bởi một lớp dị polyme (RHP) rồi nhúng chúng vào các hạt nhựa dẻo, nguyên liệu để sản xuất nhựa.

Quá trình này giống với việc nhúng bột màu vào hạt nhựa để tạo màu cho các sản phẩm nhựa. Nghiên cứu cho thấy enzyme được RHP bao bọc không làm thay đổi đặc tính của nhựa. Nó vẫn có thể nấu chảy, tạo thành sợi như nhựa polyester ở nhiệt độ khoảng 170 độ C.

Xu đã thử nghiệm nhúng vi khuẩn enzyme vào các sản phẩm nhựa polyester phân hủy sinh học. Các enzyme này được bảo vệ bởi một lớp bọc polyme mỏng, ngăn không cho enzym tháo xoắn và trở nên vô hiệu.

Khi nhựa polyester phân hủy sinh học tiếp xúc với nhiệt độ và nước, enzyme sẽ tách rời lớp vỏ bọc polyme để phá hủy cấu trúc sản phẩm. Enzyme chuyển hóa polyester thành axit lactic, chất nuôi vi sinh vật trong đất. Lớp bọc polyme cũng dần bị tiêu trừ.

Phương pháp mới có thể giúp tái chế nhựa.

Bước tiến trong công nghệ tái chế nhựa

Ở nhiệt độ phòng, 80% sợi polyester bị phân hủy hoàn toàn trong vòng 1 tuần. Sự phân hủy diễn ra nhanh hơn ở nhiệt độ cao hơn. Trong điều kiện ủ phân công nghiệp, sợi polyester bị phân hủy trong vòng sáu ngày ở mức 50 độC. Một loại nhựa khác là polycaprolactone (PLC) bị phân hủy trong hai ngày khi ủ công nghiệp ở mức 40 độ C.

Đối với polyester, Xu nhúng enzyme proteinase K còn với polycaprolactone, cô sử dụng enzyme lipase. Đây đều là những enzyme dễ kiếm, rẻ tiền và sẵn có. “Nếu phết enzyme lên bề mặt nhựa, nó sẽ phân hủy rất chậm. Nhưng nếu bạn pha trộn enzyme ngay từ quá trình sản xuất nhựa, chúng sẽ phân hủy nhựa rất nhanh”, Xu giải thích.

Quy trình này giúp loại bỏ vi nhựa, những mảnh nhựa hoặc hạt có kích thước dưới 5 mm, thường được làm từ polyme tổng hợp. Trong thí nghiệm của Ting Xu, đến 98% nhựa bị phân hủy thành tiểu phân tử.

Quá trình phân hủy hoạt động tốt trong quá trình ủ phân tại thành phố lớn, thường mất 60 đến 90 ngày để biến thực phẩm và chất thải thực vật thành phân hữu cơ có thể sử dụng được. Việc ủ phân công nghiệp ở nhiệt độ cao mất ít thời gian hơn, nhưng polyeste cũng phân hủy nhanh hơn ở nhiệt độ này.

Xu nhận định rằng, nhiệt độ cao làm enzyme hoạt động tốt hơn và phá hủy các chuỗi polyme dễ dàng hơn. Các enzyme được bao bọc bởi RHP thường bám chặt vào phần đầu các chuỗi polyme, giữ cho enzyme ở gần mục tiêu của chúng.

Tuy nhiên, polyester sẽ không bị phân hủy ở nhiệt độ thấp hoặc không gian ẩm ướt trong thời gian ngắn. Ví dụ, một chiếc áo sơ mi polyester được sản xuất bởi phương pháp này sẽ chịu được mồ hôi và giặt ở nhiệt độ vừa phải. Nếu bị ngâm trong nước lạnh trong nhiệt độ phòng khoảng 3 tháng, nhựa cũng không bị biến chất. Nhưng nếu ngâm trong nước ấm, sản phẩm có thể xuống cấp.

Xu bày tỏ: “Thế hệ mới đang có nhiều cơ hội để giao tiếp, kết nối với Trái đất. Hãy nhìn vào những đồ vật mà chúng ta vứt bỏ như quần áo, giày dép, đồ điện tử. Chúng ta đang tàn phá với tốc độ nhanh hơn khả năng hồi phục của Trái đất”.

Nhóm nghiên cứu của Xu đang phát triển enzyme bọc RHP có thể làm phân hủy các loại nhựa polyester khác, đồng thời sửa đổi tính chất của RHP để quá trình phân hủy không phá hủy hoàn toàn vật liệu. Nhựa không được phân hủy hoàn toàn có thể nấu chảy lại và tái sử dụng.

Việc đẩy nhanh quá trình phân hủy nhựa sinh học có thể là chìa khóa để tái chế nhiều sản phẩm. Mục tiêu trong tương lai của các nhà khoa học là tách rời các mạch điện tử trong máy tính, điện thoại hay thiết bị điện tử và có thể tái sử dụng sau khi thiết bị ngừng hoạt động.