Giải pháp cho vấn đề rác thải nhựa? Loài sâu bướm ăn nhựa PE 

Giải pháp cho vấn đề rác thải nhựa? Loài sâu bướm ăn nhựa PE

Các nhà khoa học Tây Ban Nha mới đây đã công bố phát hiện về một loài sâu bướm có thể ăn một loại rác thải nhựa là PE, phát hiện đến từ một quan sát rất đơn thuần.

Phát hiện tình cờ

Federica Bertocchini, nhà nghiên cứu tại Đại học Cantabria, Tây Ban Nha, có một sở thích là nuôi ong mật. Một lần khi đang chăm sóc ong của mình, cô phát hiện những con sâu ăn sáp – ấu trùng của loài bướm Galleria mellonella – đang tấn công tổ ong nhà mình. Bertocchini bắt những con sâu và bỏ vào túi nhựa siêu thị làm từ PE. Sau đó một vài giờ, cô để ý thấy lũ sâu ăn sáp đã đục lỗ chỗ cái túi nhựa PE.

Bertocchini đã cộng tác với các nhà khoa học ở Đại học Cambridge, Anh, để nghiên cứu hiệu tượng này. Cô phát hiện rằng loại sâu này không chỉ cắn rách chiếc túi, mà đã ăn và thải ra hợp chất khác, không còn là PE nữa. Điều này đã được xác nhận bằng phân tích quang phổ hồng ngoại biến đổi (FTIR), sắc ký lỏng hiệu năng cao kết hợp khối phổ (HPLC–MS).

“Có một sự biến đổi hóa học đối với polyethylene. Điều này cho chúng tôi biết đây không phải là hành vi cắn phá  đơn thuần của lũ sâu”, Paolo Bombelli từ Đại học Cambridge, đồng tác giả nghiên cứu, cho biết.

Theo dõi cho thấy, khoảng 100 con sâu trong khoảng 12 giờ có thể “tiêu thụ” được 92 mg nhựa [1]. Chúng thải ra ethylene glycol [1] – chất mà ngày nay trong công nghiệp người ta dùng chủ yếu với hai mục đích là sản xuất sợi polyester và chống đông lạnh/làm mát cho động cơ.

Cần thêm nghiên cứu: tại sao loài sâu này ăn được rác thải nhựa?

Điều gì cho phép sâu ăn sáp cắt đứt các liên kết hóa học vốn không dễ gì bị phân hủy sinh học? Câu trả lời có thể nằm ở tập tính của sâu sáp. Chúng ăn sáp ong, và nơi cư ngụ nhiên của chúng là tổ ong; bướm đêm mellonella đẻ trứng bên trong tổ ong, và ấu trùng khi nở ra sẽ ăn sáp ong. Sáp ong là một hỗn hợp các hợp chất, bao gồm ankan, anken, axit béo và este.

Liên kết hydrocarbon phổ biến nhất là CH2 – CH2, như trong PE. Mặc dù các cơ chế phân tử đằng sau hiện tượng này đòi hỏi phải nghiên cứu thêm, có vẻ như liên kết đơn C – C của các hợp chất trong sáp ong này là một trong những mục tiêu của hệ thống tiêu hóa. Sự xuất hiện của các lỗ hổng khi nhựa PE tiếp xúc trực tiếp với sâu ăn sáp và phân tích FTIR về PE bị phân hủy, cho thấy sự phân hủy hóa học của PE, bao gồm cả sự phá vỡ liên kết C – C. Không rõ liệu hoạt động tiêu hóa hydrocarbon của G. mellonella bắt nguồn từ chính nó, hay từ các hoạt động enzyme trong hệ vi sinh đường ruột của nó, như trong trường hợp Plodia interpuncella cũng tiêu hóa.

Nghiên cứu sâu hơn cũng được yêu cầu để xác định xem các loài họ hàng có khả năng phân hủy PE hay không. Tuy nhiên, với tốc độ phân hủy sinh học nhanh được báo cáo ở đây, những phát hiện này có tiềm năng cho các ứng dụng công nghệ sinh học quan trọng.

Tiềm năng và định hướng

PE chiếm ∼40% tổng nhu cầu sản xuất nhựa của châu Âu; PE qua sử dụng sẽ được chôn lấp (38%), tái chế (26%) và chuyển đổi thành năng lượng (38% – chắc là đốt). Một số nỗ lực đã được đặt vào vấn đề nhựa PE, song chúng rất khó phân hủy.

Tốc độ phân hủy sinh học chậm của PE đã được quan sát ở điều kiện thích hợp. Ví dụ, sự phân giải rất hạn chế được quan sát thấy sau khi xử lý với axit nitric và ủ trong 3 tháng trong môi trường nuôi cấy lỏng nấm Penicillium simplicissimum [2]. Suy phân hủy PE chậm cũng được ghi nhận sau 4 đến 7 tháng khi cho tiếp xúc với vi khuẩn Nocardia asteroides [3].

Gần đây, Yang  và cộng sự báo cáo sự phân giải của PE trong vài tuần [4]. Tuy nhiên, không có sự hình thành ethylene glycol sau sự phân hủy sinh học đó. Các tác giả đã báo cáo rằng sự phân hủy sinh học PE đến từ hoạt động của các vi sinh vật có trong ruột của ấu trùng bướm Ấn Độ Plodia interpuncella (hai chủng vi khuẩn, Bacillus sp. YP1 và Enterobacter asburiae YT1).

Phân hủy sinh học ở tốc độ nhanh hơn đối với một loại nhựa khác, poly (ethylene terephthalate) (PET) bởi vi khuẩn Ideonella sakaiensis, đã được mô tả gần đây [5]. Mặc dù PET là một vật liệu bề đối với tác nhân sinh học, nhưng người ta có thể suy luận sự phân hủy sinh học của nó sẽ dễ dàng hơn PE, vì PET có bộ khung polyester và có thể bị thủy phân. Nghiên cứu lần này báo cáo về sự sự phân hủy sinh học nhanh chóng của PE bởi sâu ăn sáp, ấu trùng của bướm đêm Galleria mellonella thuộc họ Lepidoptera.

Nhóm nghiên cứu cũng nghiền những con sâu và phết hỗn hợp thu được lên túi nhựa PE. “Chúng tôi rất phấn khích khi thấy dung dịch vẫn có thể phân hủy nhựa”, Bombelli nói, dù với hiệu suất thấp hơn. “Điều này cho chúng tôi biết có thể tồn tại loại enzyme phân cắt polyethylene. Đây là một phát hiện tuyệt vời bởi chúng tôi thực sự hy vọng xác định được loại enzyme đó. Nếu làm được, sau đó chúng tôi có thể chiết xuất enzyme ở những sinh vật khác như nấm men hay vi khuẩn, và sử dụng chúng ở quy mô công nghiệp”.

Nấm men hay vi khuẩn có thể hiệu quả hơn sâu trong việc phân hủy nhựa ở quy mô lớn, nhưng sâu cũng có thể được sử dụng. Tuy nhiên, ethylene glycol rất độc hại đối với nhiều loài bao gồm con người, do đó thả sâu sáp ra bãi rác không phải giải pháp tốt. Nhưng những con sâu sáp vẫn có vẻ khỏe mạnh sau khi ăn túi nhựa và có thể biến thái thành bướm.

Nghiên cứu được công bố tháng 4/2017 trên tạp chí Current Biology.

Trích dẫn

[1] Bombelli, P., Howe, C. J., & Bertocchini, F. (2017). Polyethylene bio-degradation by caterpillars of the wax moth Galleria mellonella. Current Biology, 27(8), R292-R293.

[2] Yamada-Onodera, K., Mukumoto, H., Katsuyaya, Y., Saiganji, A., & Tani, Y. (2001). Degradation of polyethylene by a fungus, Penicillium simplicissimum YK. Polymer degradation and stability, 72(2), 323-327.

[3] Bonhomme, S., Cuer, A., Delort, A. M., Lemaire, J., Sancelme, M., & Scott, G. (2003). Environmental biodegradation of polyethylene. Polymer Degradation and Stability, 81(3), 441-452.

[4] Yang, J., Yang, Y., Wu, W. M., Zhao, J., & Jiang, L. (2014). Evidence of polyethylene biodegradation by bacterial strains from the guts of plastic-eating waxworms. Environmental science & technology, 48(23), 13776-13784.

[5] Yoshida, S., Hiraga, K., Takehana, T., Taniguchi, I., Yamaji, H., Maeda, Y., … & Oda, K. (2016). A bacterium that degrades and assimilates poly (ethylene terephthalate). Science, 351(6278), 1196-1199.

iceberg (tổng họp)

tapchisinhhoc.com

Đọc thêm: Quang hợp nhân tạo: chuyển CO2 thành nhiên liệu lỏng