Ideonella sakaiensis - Loại vi khuẩn mới và công nghệ sinh học xử lý chất thải nhựa Polyethylene Terephthalate

Tạp chí Kh-cn nghệ AnSỐ 4/2017 [32] NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI n Nguyễn Dương Tuệ Ideonella sakaIensIs - loạI vI khuẩn mớI Và công nghệ Sinh học xử LÝ chấT Thải nhựA pOLyeThyLene TerephThALATe 1. Polyethylene terephthalate Polyethylene terephthalate (hay PET, PETE hoặc PETP hoặc PET-P) là nhựa nhiệt dẻo phổ biến nhất của polyester dùng trong gia đình và được sử dụng trong sản xuất sợi dệt may quần áo, chăn, gối, đệm, bao bì, thùng chứa chất lỏng thực phẩm, cùng vô số vật dụng khác. Hàng năm, thế giới có trên 50 triệu tấn nhựa terephalate polyethylene, hoặc PET, được sản xuất. Phần lớn PET sản xuất ra trên thế giới dùng cho sợi tổng hợp (trên 60%), sản xuất chai hộp, bao bì chiếm khoảng 30% nhu cầu toàn cầu [8]. Trong bối cảnh các ứng dụng cho ngành dệt may, PET được gọi bằng cái tên phổ biến là polyester, trong khi tên gọi PET thường được sử dụng liên quan đến bao bì. PET là polymer được trùng hợp từ các đơn vị monomer ethylene terephthalate. Tùy thuộc vào chế biến mà nó có thể tồn tại ở cả hai dạng: dạng vô định hình (trong suốt) và dạng polymer bán tinh thể (semicrystalline). Các vật liệu bán tinh thể có thể xuất hiện trong suốt (kích thước hạt nhỏ hơn 500nm) hoặc mờ đục và trắng (hạt kích thước lên đến một vài mi- cromet) tùy thuộc vào cấu trúc tinh thể của nó và kích thước hạt. Nó đã nhanh chóng trở nên phổ biến với cả nhà sản xuất và người tiêu dùng do tính chất nhẹ của vật liệu, có độ bền cao, chịu được nước, chi phí thấp, dễ vận chuyển hơn so với chai thủy tinh, sản phẩm vật dụng hàng ngày rất phong phú, đa dạng. 2. Tổng hợp Polyethylene terephthalate Polyethylene terephthalate là một polymer thành viên của polyester đã được cấp bằng sáng chế vào năm 1941. Nó được sản xuất thành sợi, thổi/đúc thành vỏ chai nước uống, ép đùn làm phim chụp ảnh, băng ghi âm và vô số vật dụng khác. PET được tạo ra bởi sự trùng hợp của Ethylene glycol và axit terephthalic. Ethylene glycol là một chất lỏng không màu thu được từ ethylene và axit tereph- thalic là một chất rắn tinh thể thu được từ xylene. Về mặt hóa học, ethylene glycol là một diol, rượu có cấu trúc phân tử có chứa hai nhóm hydroxyl (-OH) và axit terephthalic là một axit aromatic dicarboxylic. Khi đun nóng với nhau ở nhiệt độ và áp suất cao có chất xúc tác hóa học các nhóm hydroxyl và cacboxyl phản ứng tạo thành các nhóm este (-CO-O-), chúng đóng vai trò liên kết hóa học kết nối nhiều đơn vị PET (BHET) với nhau thành các chuỗi polymer dài. Phản ứng tổng hợp Polyethyleneterephthalate như sau: Ban đầu là phản ứng ester hóa giữa các phân tử hy- droxyethylterephthalate (BHET) và Ethylene glycol (EG) ở 250-2800C và 2-3kPa. Sau đó, các oligomer được polymer hóa ở 270-2800C và 50-100kPa. Ở giai đoạn này, tạo các polymer thích hợp cho các ứng dụng mà không cần khối lượng phân tử cao, tuy nhiên nếu trọng lượng phân tử cao hơn là cần thiết, thì sẽ được polyme hóa trạng thái rắn thứ ba ở 200-2400C và 100kPa. Sau khi tổng hợp các polymer có thể được chế biến thành dạng yêu cầu, qua đùn, ép, phun hoặc thổi. Phản ứng tông hợp Polyethyleneterephthalate Tạp chí Kh-cn nghệ AnSỐ 4/2017 [33] NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI 3. Thuộc tính và ứng dụng Polyethyleneterephthalate (PET) là một semicrys- talline, polyester nhiệt dẻo. Nó được sản xuất bởi một số công ty riêng biệt, dưới tên thương mại khác nhau. PET khá bền về mặt hóa học và tính ổn định nhiệt, có độ thấm khí thấp, dễ dàng xử lý về vật lý. Sự kết hợp của các thuộc tính làm cho PET có thể tạo ra nhiều vật liệu mong muốn, một loạt các ứng dụng khác nhau trong đời sống và một thành phần quan trọng của tiêu thụ nhựa trên toàn thế giới. Hơn 50% sợi tổng hợp được sản xuất trên toàn thế giới từ PET và lượng tiêu thụ toàn cầu của PET đã được báo cáo vượt quá 17 tỷ USD mỗi năm. PET còn dùng để sản xuất các tấm và phim ảnh. Đặc biệt hơn, nó được sử dụng trong đóng gói thực phẩm và đóng gói đồ uống (nước ngọt và chai nước), các hộp đông lạnh, dùng trong công nghiệp điện tử, phụ tùng ô tô, đồ gia dụng, sản phẩm chiếu sáng, dụng cụ điện, các dụng cụ thể thao, các tấm X-ray Loại sợi này có phân khúc tạo nét, dạng sợi nhỏ có thể dùng để lau chùi tất cả các loại bụi, vết dơ trên bề mặt mà không để lại trầy xước ở các vật dụng trong gia đình và trong các ngành công nghiệp, nhà hàng, khách sạn, lau chùi vết bẩn vết dầu loang, vết vân tay và dùng trong sản xuất đĩa CD, Monitor, Camera, máy fax, xe ôtô, xe máy... Tùy thuộc vào các ứng dụng và đặc tính mong muốn, PET có thể được sản xuất theo đặc điểm kỹ thuật bằng cách kiểm soát các điều kiện polyme hóa. 4. Vấn đề môi trường Với khối lượng sản xuất khổng lồ (trên 50 triệu của polyme thông thường và polyme phân hủy sinh học đã được sản xuất. Do khả năng phục hồi của nhựa chống xuống cấp và sự phổ biến của nó trong ngành công nghiệp, vấn đề ô nhiễm nhựa đã trở thành một mối đe dọa đến hệ sinh thái toàn cầu. Trong tự nhiên, như một quy luật, nhựa được sử dụng rộng rãi và nó không tự suy thoái đến một mức độ lớn khi thải vào môi trường. Một trong những lý do chính cho sự phổ biến, ứng dụng rộng rãi của nhiều polymer là sự ổn định và độ bền đặc biệt cao của nó. Có bốn cơ chế mà các chất dẻo phân hủy trong môi trường bao gồm: suy thoái quang, suy thoái thermooxidative, suy thoái thủy phân và phân hủy sinh học nhờ vi sinh vật. Nói chung, sự thoái hóa tự nhiên của nhựa bắt đầu với suy thoái quang, dẫn đến suy thoái ther- mooxidative. Tia cực tím từ mặt trời cung cấp năng lượng kích hoạt cần thiết để bắt đầu cho sự kết hợp của các nguyên tử oxy vào poly- mer. Điều này làm cho nhựa trở nên giòn và để phá vỡ thành nhiều mảnh nhỏ hơn cho đến khi các chuỗi polymer đạt được khối lượng phân tử thấp đủ để được chuyển hóa bởi các vi sinh vật. Các vi khuẩn hoặc chuyển đổi carbon trong các chuỗi polymer carbon dioxide hoặc kết hợp nó vào phân tử sinh học. Tuy nhiên, toàn bộ quá trình này diễn ra rất chậm, có thể mất 50 năm hoặc nhiều hơn cho nhựa phân hủy hoàn toàn [3]. Điều này không được hỗ trợ bởi một thực tế rằng, tác dụng photodegradative được giảm đáng kể trong nước biển do nhiệt độ và oxy sẵn có thấp hơn nên tỷ lệ thủy phân của hầu hết các polyme là không đáng kể trong đại dương [3]. Chẳng hạn, trong môi trường biển, thời gian cho các hợp chất để phân hủy là khá dài; giấy báo 6 tuần; túi nhựa 10-20 năm; tã lót dùng 1 lần 50-100 năm; chai nhựa 100 năm hoặc nhiều hơn Việc tái chế hóa học của PET cũng đã được tiến hành bằng việc áp dụng dây chuyền công nghệ tái chế công suất cao, hơn 50.000 tấn/năm. Một số nỗ lực để thiết lập các nhà máy tái chế đã được thực hiện trong quá khứ nhưng không thành công vang dội. Ngay cả việc tái chế đầy hứa hẹn ở Nhật Bản cho đến nay đã không trở thành một bước đột phá công tấn/năm), cùng sự gia tăng tiêu thụ toàn cầu ngày càng lớn và tính bền bỉ tự nhiên của chúng nên rất khó bị suy thoái, phân hủy và tích lũy nhựa trong môi trường là mối quan tâm ngày càng tăng. Điều này bao gồm một phác thảo về các vấn đề liên quan đến ô nhiễm nhựa trong các môi trường đất, nước, không khí, đặc biệt là môi trường biển. Mô tả về sản xuất thương mại và phân hủy của PET, tổng quan về khả năng phân hủy sinh học Các sản phẩm sản xuất từ PET Tạp chí Kh-cn nghệ AnSỐ 4/2017 [34] NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI nghiệp do giá tăng đều đặn. Các mức giá của chai đóng kiện cũng tăng, ví dụ giữa những năm 2000 là khoảng 50 Euro / tấn và năm 2008 đã lên đến 500 Euro/tấn. 5. Công nghệ sinh học xử lý chất thải nhựa Sự đa dạng trao đổi chất của vi sinh vật là một nguồn tài nguyên hữu ích để khắc phục ô nhiễm nhựa trong môi trường. Vi khuẩn đã được sử dụng trong làm sạch dầu tràn, PCBs và các kim loại nặng như asen (As), thủy ngân (Hg), cadmium (Cd) và chì (Pb) [1] . Phân hủy sinh học là một thay thế hấp dẫn đối với thực tiễn hiện nay để xử lý chất thải, vì nó thường là một quá trình rẻ hơn, có khả năng hiệu quả hơn và không gây ô nhiễm thứ cấp. Trong một số trường hợp, thậm chí nó có thể có được sản phẩm cuối cùng hữu ích với các lợi ích kinh tế từ sự trao đổi chất của vi khuẩn của chất gây ô nhiễm, ví dụ, ethanol để sử dụng trong nhiên liệu sinh học [1]. Nhiều nghiên cứu đã điều tra các phân hủy của một loạt các polyme. Quan sát thấy rằng trong nhiều trường hợp, polymer có khung cacbon tinh khiết đặc biệt kháng với hầu hết các phương pháp suy thoái, nhưng polyme bao gồm các nguyên tử khác trong cấu trúc (ví dụ, các polyeste, polyamine) cho thấy sự nhạy cảm cao với suy thoái. PET là một ví dụ điển hình của một polymer như vậy. Các ester tạo thành một phần của chuỗi polymer bình thường có thể khá dễ dàng bị phá vỡ bởi một số cơ chế, tuy nhiên, do nhóm thơm của nó, là polymer bản chất không phân hủy trong điều kiện bình thường. Trong khi PET poly- mer đặc biệt ổn định và bền, đã được chứng minh rằng các cộng đồng vi khuẩn có khả năng sử dụng diethylene glycol terephthalate (DTP) - một tiểu đơn vị của PET, như một cacbon và nguồn năng lượng duy nhất. Điều này cho thấy rằng lý do cho sự ổn định cực phát sinh từ trong trạng thái polymer. Những nỗ lực để tăng phân hủy sinh học của PET đã tập trung vào những thay đổi của polymer để giảm sự gắn kết giữa các phân tử; Các sản phẩm từ nhựa PET không thể phân giải bằng con đường hóa học, còn tái chế thì vô cùng tốn kém. Do đó phải xử lý chất thải đặc biệt ”cứng đầu” này bằng con đường phân hủy sinh học, đó là sự tan rã của vật liệu bằng tác dụng của vi khuẩn, nấm, hoặc các chủng sinh học khác. Trong khi phân hủy sinh học chỉ đơn giản có nghĩa là được tiêu thụ bởi các vi sinh vật. Thuật ngữ này thường được sử dụng trong mối quan hệ với môi trường sinh thái, quản lý chất thải, y sinh học và môi trường tự nhiên, với môi trường có khả năng phân hủy trở thành các yếu tố tự nhiên và chất hữu cơ có thể bị suy thoái hiếu khí hoặc kỵ khí. Vấn đề phân hủy sinh học nói chung là vật liệu hữu cơ “phục vụ” như là một chất dinh dưỡng cho vi sinh vật. Vi sinh vật thì rất phong phú, đa dạng và tác dụng trên một phạm vi rộng lớn của các hợp chất được phân hủy sinh học bao gồm các hydrocarbon (ví dụ dầu mỏ), polychlorinated biphenyls (PCBs), hydrocarbon polyaromatic (PAHs), các chất dược liệu. Việc sử dụng vi sinh vật đầu tiên để phân hủy nhựa được biết đến vào năm 1961, khi sử dụng để mô tả sự phân hủy của vật liệu vào các thành phần cơ sở của carbon, hydro và oxy của các vi sinh vật. Bây giờ phân hủy sinh học thường được kết hợp với các sản phẩm thân thiện với môi trường, là một phần của chu kỳ bẩm sinh của trái đất và có khả năng phân hủy trở thành các yếu tố tự nhiên. Vào năm 1973 các nhà nghiên cứu đã có được kết quả đầu tiên về sự thoái hóa khi xử hoạt tính của vi sinh vật đất. Bây giờ, công nghệ phân hủy sinh học là một khoa học phát triển cao với các ứng dụng trong sản phẩm bao bì, sản xuất, y học công nghệ oxo-biodegrad- able, và đã phát triển hơn nữa như sự xuất hiện của nhựa phân hủy sinh học. Oxo - phân hủy sinh học được xác định bởi CEN (Tổ chức Tiêu chuẩn châu Âu) là “suy thoái do oxy hóa, đôi khi được mô tả như là “oxo-phân mảnh” và “oxo-phân hủy” để mô tả các giai đoạn đầu tiên hoặc oxy hóa nhưng khả năng phân hủy với tốc độ rất chậm. Đó là lý do tại sao chất dẻo thông thường, khi bỏ đi, lại kéo dài với một thời gian mấy thập kỷ trong môi trường. Giáo sư Steve Howdle cho rằng polymer phân hủy sinh học là đặc biệt hấp dẫn, nhựa bị xuống cấp thành các sản phẩm không độc hại. Bằng sự kiên trì và hăng say của mình, những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã phân tích từ đất, bùn tại các nhà máy tái chế PET và đã phát hiện ra rằng có một vài loài nấm có tiềm năng phá vỡ PET nhưng cũng phải qua một thời gian rất dài, Tuy nhiên, gần đây nhất điều mà các nhà khoa học đã làm cho nhân loại hết sức vui mừng đó là trong năm 2016, một nhóm các nhà khoa học Nhật Bản từ Viện Công nghệ Kyoto và Đại Tạp chí Kh-cn nghệ AnSỐ 4/2017 [35] NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI học Keio, sau khi thu thập tới 250 mẫu của PET trên các mảnh vỡ vụn ở thành phố Sakai đã phát hiện một loại vi khuẩn mới - Ideonella sakaiensis 201-Fo có khả năng “ăn nhựa”, phân hủy gần như hoàn toàn nhựa PET chỉ trong 06 tuần. Ideconella sakaiensis là vi khuẩn thuộc chi Ideonella trong họ Comamonadaceae, nhuộm gram âm (G - ), là loại vi khuẩn hình que, sống hiếu khí, không hình thành bào tử, có một tiên mao nên có thể di chuyển, có cytochrome oxidase và catalase. Các lipid phân cực chính ở màng là phos- phatidylethanolamine, lyso-phosphatidylethanolamine, phosphatidylglycerol và diphosphatidylglycerol. Hệ gen có G + C của ADN là 70,4% mol [8][9]. Phân tích, giải trình tự chuỗi rARN 16S cho thấy chủng 201-F6T thuộc chi Ideonella và có liên quan chặt chẽ với Ideonella dechloratans LMG 28178T (97,7%) và Ideonella azotifigens JCM 15503T (96,6%). Chủng 201-F6T có thể được phân biệt rõ ràng với các loài liên quan của chi Ideonella bởi các đặc tính sinh lý, sinh hóa, cũng như vị trí phát sinh loài của nó và liên quan ADN. Do đó, chủng này đại diện cho một loài mới của chi Ideonella, và tên Ideonella sakaiensis 201-F6T được đề xuất [9]. Ideonella sakaiensis 201-F6T sinh trưởng, phát triển trong môi trường có pH 5.5-9.0 (tối ưu ở pH 7,0-7.5) và ở nhiệt độ 15-420C (tối ưu ở 30- 370C) [8][5]. Theo tính toán của các nhà nghiên cứu nếu bình thường, thời gian để phân hủy hoàn toàn chai nhựa PET phải mất khoảng 450 năm nhưng khi sử dụng chủng vi khuẩn Ideonella sakaiensis 201-F6 thì chỉ trong 6 tuần, các vật liệu bằng nhựa PET bị phân hủy hết ở nhiệt độ bình thường [10][2], mà không cần phải cung cấp nhiệt độ áp suất cao, đó quả là điều hết sức diệu kỳ. Nghiên cứu về cơ chế phản ứng phân giải PET của vi khuẩn Ideonella sakaiensis 201-F6 cho thấy, nó chỉ sử dụng hai enzyme để “ăn” PET và phá vỡ nhựa này thành các thành phần đơn giản hơn, thân thiện với môi trường hơn. Một enzyme được gọi là PETase, nó phân giải PET, tạo ra monomer MHET, tiếp đó, enzym thứ hai - MHETase phân giải MHET cho sản phẩm cuối cùng là axit terephthalic và ethylene glycol và sản phẩm này vô hại với môi trường[10]. Như vậy, sau nhiều năm làm việc với các vi khuẩn và chất dẻo, các nhà khoa học xác định được một chủng vi khuẩn mới - vi khuẩn Ideonella sakaiensis 201-F6, có khả năng phân hủy polyethylene terephthalate, loại thường được sử dụng rất nhiều trong sản xuất chai lọ, bao bì và quần áo và vô số các vật dụng khác nhưng thuộc loại ”cứng đầu” khiến nhiều người lâu nay mất hy vọng về xử lý, phân giải nó. Việc phát hiện ra Ideonella sakaiensis 201-F6 có tầm quan trọng đặc biệt bởi đây là điều mà nhân loại đang mơ ước vì với sản lượng toàn cầu hàng năm của PET là trên 50 triệu tấn mà khi dùng xong được thải ra trong môi trường thì đó là một thảm họa lớn và tuyệt vời hơn khi với vi khuẩn này thì vấn đề môi trường ô nhiễm nhựa không đáng lo ngại. Và sự phân hủy nhanh chóng các phế thải từ nhựa polyethyl- ene terephthalate chỉ trong một thời gian mấy tuần nên không phải mòn mỏi chờ đợi đến mấy thế kỷ[5]. Các nhà nghiên cứu cũng hy vọng rằng, từ chủng vi khuẩn náy sẽ phân tích ADN và thực hiện công nghệ chuyển gene để mã hóa sản sinh ra thật nhiều enzime mới phân giải chất thải nhựa để sử dụng rộng rãi trong thực tiễn./. Tài liệu tham khảo 1. Coghlan, Andy, “Bacteria found to eat PET plastics could help do the recycling”, New Scientist. Retrieved 2016/03/18. 2. Folarin Okunola, 11/03/2016, Scientists have discovered new plastic-eating bacteria. 3. Hayden K. Webb, Jaimys Arnott, Russell J. Crawford and Elena P. Ivanova, 2013, Plastic Degra- dation and Its Environmental Implications with Special Reference to Poly (ethylene terephthalate). 4. Ideonella sakaiensis sp. nov., isolated from a mi- crobial consortium that degrades poly(ethylene terephthalate). 5. IANS (Mar 12, 2016), Bacteria that eats plastic discovered. 6. Michelle Hampson 9 March 2016, Science: Newly Identified Bacteria Break Down Tough Plastic. 7. SEAN MARTIN PUBLISHED (Mar 11, 2016), Bacteria discovered which biodegrades plastic bottles in just 6 WEEKS. 8. Somboon Tanasupawat; Toshihiko Takehana; Shosuke Yoshida; Kazumi Hiraga; Kohei Oda (1 Au- gust 2016), “Ideonella sakaiensis sp. nov., isolated from a microbial consortium that degrades poly (eth- lyene terephthalate)”. 9. Tanasupawat S, Takehana T, Yoshida S, Hiraga K, Oda K. (2016 Apr). 10. Yoshida S, Hiraga K, Takehana et al. (10-3- 2016), A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate. 11. Wyeth, Nathaniel C. “Biaxially Oriented Poly(ethylene terephthalate) Bottle” US patent 3733309, Issued May 1973.