Tổng quan nghiên cứu

Polyethylene (PE) là loại nhựa nhiệt dẻo phổ biến nhất trên thế giới với sản lượng tiêu thụ hàng năm vượt quá 100 triệu tấn, chiếm khoảng 34% tổng thị trường nhựa toàn cầu. Tại Việt Nam, mức tiêu thụ nhựa trên đầu người đã tăng từ 3,8 kg/năm vào năm 1990 lên khoảng 54 kg/năm vào năm 2018, trong đó bao bì chiếm 37,43% và đồ gia dụng chiếm 29,26%. Sự gia tăng nhanh chóng của sản lượng và nhu cầu sử dụng PE đã dẫn đến lượng rác thải nhựa tích tụ ngày càng lớn, gây ô nhiễm nghiêm trọng môi trường đất, nước và không khí. Ước tính đến năm 2015, khoảng 6.300 triệu tấn chất thải nhựa được tạo ra, trong đó 79% tích tụ tại các bãi chôn lấp hoặc phát tán trong môi trường tự nhiên.

Vấn đề phân hủy PE trở thành thách thức lớn do đặc tính khó phân hủy sinh học của loại nhựa này, với thời gian phân hủy có thể kéo dài từ vài chục đến hàng trăm năm. Các phương pháp xử lý truyền thống như chôn lấp, đốt và tái chế đều tồn tại những hạn chế nhất định về hiệu quả và tác động môi trường. Trong bối cảnh đó, nghiên cứu về vi sinh vật có khả năng phân hủy PE được xem là hướng đi tiềm năng nhằm phát triển giải pháp xử lý rác thải nhựa thân thiện với môi trường.

Mục tiêu chính của luận văn là thu thập và xây dựng bộ sưu tập các chủng vi sinh vật an toàn có khả năng phân hủy PE, đồng thời sàng lọc và đánh giá tiềm năng phân hủy của các chủng ưu thế. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 6/2021 đến tháng 6/2022 tại phòng thí nghiệm Bộ môn Công nghệ Sinh học, Trường Đại học Bách Khoa, TP. Hồ Chí Minh. Kết quả nghiên cứu góp phần mở rộng hiểu biết về khả năng phân hủy PE của vi sinh vật bản địa và chuẩn, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho việc ứng dụng vi sinh vật trong xử lý rác thải nhựa tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình về phân hủy sinh học polyethylene, bao gồm:

  • Cơ chế phân hủy PE của vi sinh vật: Quá trình phân hủy PE diễn ra qua hai giai đoạn chính là giảm cấp phi sinh học (do tác động vật lý, hóa học như nhiệt, tia UV, oxy hóa) và giảm cấp sinh học (do vi sinh vật sử dụng enzyme để phân cắt chuỗi polyme thành các phân tử nhỏ hơn, sau đó chuyển hóa thành CO2, H2O và sinh khối). Enzyme như laccase đóng vai trò xúc tác quan trọng trong quá trình này.

  • Khả năng phân hủy PE của vi sinh vật: Vi sinh vật có thể sử dụng PE làm nguồn carbon duy nhất trong môi trường nuôi cấy đặc hiệu. Các chỉ tiêu đánh giá khả năng phân hủy bao gồm sự giảm trọng lượng PE, thay đổi cấu trúc bề mặt (quan sát bằng SEM), sự thay đổi các nhóm chức trên bề mặt (phân tích FTIR), độ bền kéo đứt và tính kỵ nước của màng PE.

  • Mô hình sàng lọc và tuyển chọn chủng vi sinh vật: Thu thập chủng chuẩn an toàn từ các bộ sưu tập, phân lập chủng bản địa từ mẫu PE mục, sau đó sàng lọc nhanh và đánh giá chi tiết khả năng phân hủy PE của các chủng tiềm năng.

Các khái niệm chính bao gồm: polyethylene (PE), vi sinh vật phân hủy PE, enzyme laccase, phân tích FTIR, kính hiển vi điện tử quét (SEM), độ bền kéo đứt, môi trường nuôi cấy đặc hiệu (LCFBM, LCFSDA).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng 6 chủng vi sinh vật chuẩn an toàn gồm 3 chủng vi khuẩn (Bacillus subtilis ATCC 5230; Streptococcus lactis ATCC 11454; Brevibacillus borstelensis ATCC 51667) và 3 chủng nấm (Aspergillus niger ATCC 6275; Aspergillus oryzae ATCC 10124; Aspergillus glaucus ATCC 14567). Đồng thời phân lập thêm 9 chủng vi sinh vật bản địa từ các mẫu PE mục thu thập tại 3 khu vực tập trung rác thải ở TP. Hồ Chí Minh.

  • Phương pháp phân tích: Sàng lọc nhanh khả năng phân hủy PE dựa trên môi trường nuôi cấy đặc hiệu LCFBM (cho vi khuẩn) và LCFSDA (cho nấm) với PE làm nguồn carbon duy nhất. Đánh giá khả năng phân hủy qua các chỉ tiêu: giảm trọng lượng PE, thay đổi khoảng cách tấm PE cách bề mặt môi trường, độ bền kéo đứt, phân tích FTIR và quan sát cấu trúc bề mặt bằng SEM.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Tổng cộng 15 chủng vi sinh vật được khảo sát, trong đó 6 chủng chuẩn và 9 chủng phân lập bản địa. Mật độ tế bào vi sinh vật sử dụng trong các nghiệm thức là 3.5×10^5 log CFU/mL.

  • Timeline nghiên cứu: Thời gian thực hiện từ tháng 6/2021 đến tháng 6/2022. Các thí nghiệm ủ vi sinh vật với PE kéo dài 12 tuần, với các mốc đánh giá tại tuần 4, 8 và 12.

  • Phương pháp xử lý số liệu: Sử dụng phân tích phương sai một chiều (ANOVA) và thử nghiệm Duncan để xác định sự khác biệt có ý nghĩa thống kê giữa các nghiệm thức với mức ý nghĩa p ≤ 0.05.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Xây dựng bộ sưu tập vi sinh vật phân hủy PE: Bộ sưu tập gồm 15 chủng vi sinh vật, trong đó 6 chủng chuẩn an toàn và 9 chủng phân lập bản địa từ các mẫu PE mục tại TP. Hồ Chí Minh. Qua sàng lọc nhanh, tuyển chọn được hai chủng ưu thế là Bacillus subtilis ATCC 5230 (vi khuẩn) và Aspergillus oryzae ATCC 10124 (nấm).

  2. Khả năng giảm trọng lượng PE: Sau 12 tuần ủ trong môi trường đặc hiệu, Bacillus subtilis ATCC 5230 làm giảm 41,8% trọng lượng PE, trong khi Aspergillus oryzae ATCC 10124 giảm 36,3%. Các chủng khác có mức giảm trọng lượng thấp hơn đáng kể, dưới 30%.

  3. Thay đổi cấu trúc bề mặt và tính chất vật lý PE: Phân tích FTIR cho thấy sự xuất hiện các nhóm carbonyl và ester trên bề mặt PE sau ủ với các chủng ưu thế, chứng tỏ quá trình oxy hóa và phân cắt chuỗi polyme. Quan sát SEM ghi nhận sự ăn mòn, xuất hiện các rãnh và lỗ nhỏ trên bề mặt PE sau ủ với Bacillus subtilis ATCC 5230, cho thấy sự tấn công trực tiếp của vi sinh vật lên màng PE.

  4. Giảm độ bền kéo đứt của PE: Độ bền kéo đứt của tấm PE sau ủ với Bacillus subtilis ATCC 5230 giảm khoảng 35% so với mẫu đối chứng, phản ánh sự suy yếu liên kết trong chuỗi polyme do phân hủy sinh học.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy Bacillus subtilis ATCC 5230 và Aspergillus oryzae ATCC 10124 là hai chủng vi sinh vật có tiềm năng phân hủy PE cao nhất trong bộ sưu tập. Mức giảm trọng lượng PE trên 36% sau 12 tuần là kết quả đáng khích lệ, tương đương hoặc vượt trội so với nhiều nghiên cứu quốc tế trước đây, ví dụ như Penicillium oxalicum giảm 36,6% sau 90 ngày hay Bacillus amylolyticus giảm 32% sau 30 ngày.

Sự thay đổi các nhóm chức trên bề mặt PE và cấu trúc bề mặt quan sát được qua FTIR và SEM minh chứng cho cơ chế phân hủy sinh học qua giai đoạn oxy hóa và enzym phân cắt chuỗi polyme. Giảm độ bền kéo đứt cũng phản ánh sự suy giảm tính chất cơ học của PE do vi sinh vật tác động.

So với các nghiên cứu khác, việc sử dụng các chủng chuẩn an toàn và chủng bản địa giúp tăng tính đa dạng sinh học và khả năng ứng dụng thực tiễn tại Việt Nam. Kết quả này mở ra triển vọng phát triển công nghệ xử lý rác thải PE bằng phương pháp sinh học, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ giảm trọng lượng PE theo thời gian, bảng so sánh các chỉ số FTIR trước và sau ủ, hình ảnh SEM minh họa sự thay đổi bề mặt PE, và biểu đồ thể hiện độ bền kéo đứt giảm theo thời gian.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển quy trình nuôi cấy và ứng dụng Bacillus subtilis ATCC 5230 trong xử lý rác thải PE: Tập trung nghiên cứu tối ưu điều kiện nuôi cấy (nhiệt độ, pH, môi trường dinh dưỡng) để tăng hiệu quả phân hủy PE, hướng tới ứng dụng trong các bãi rác hoặc nhà máy xử lý rác thải nhựa trong vòng 2-3 năm tới.

  2. Mở rộng khảo sát và phân lập thêm các chủng vi sinh vật bản địa có khả năng phân hủy PE: Tiếp tục thu thập mẫu từ nhiều khu vực khác nhau tại Việt Nam để xây dựng bộ sưu tập đa dạng hơn, nâng cao hiệu quả phân hủy và khả năng thích nghi với điều kiện môi trường thực tế.

  3. Nghiên cứu phối hợp các chủng vi sinh vật trong hỗn hợp sinh học: Thử nghiệm phối hợp Bacillus subtilis với các chủng nấm Aspergillus hoặc các vi sinh vật khác để tận dụng hiệu ứng cộng sinh, tăng tốc độ phân hủy PE, dự kiến thực hiện trong 1-2 năm.

  4. Xây dựng mô hình xử lý sinh học rác thải PE quy mô pilot: Thiết kế và vận hành mô hình xử lý sinh học rác thải PE tại các khu vực tập trung rác thải nhựa, đánh giá hiệu quả thực tế và tác động môi trường, dự kiến triển khai trong 3-5 năm.

  5. Tăng cường đào tạo và nâng cao nhận thức cộng đồng về xử lý rác thải nhựa sinh học: Phối hợp với các cơ quan quản lý và tổ chức xã hội để phổ biến kiến thức về phân hủy sinh học PE, khuyến khích thu gom và xử lý rác thải nhựa đúng cách.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Sinh học, Môi trường: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và phương pháp nghiên cứu chi tiết về vi sinh vật phân hủy PE, giúp phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan.

  2. Doanh nghiệp và nhà quản lý ngành xử lý chất thải: Thông tin về các chủng vi sinh vật ưu thế và quy trình phân hủy PE có thể ứng dụng trong phát triển công nghệ xử lý rác thải nhựa thân thiện môi trường.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Kết quả nghiên cứu hỗ trợ xây dựng các chính sách, quy định về xử lý rác thải nhựa sinh học, thúc đẩy phát triển bền vững.

  4. Tổ chức phi chính phủ và cộng đồng bảo vệ môi trường: Tài liệu giúp nâng cao nhận thức về tác hại của rác thải nhựa và giới thiệu giải pháp sinh học khả thi, từ đó thúc đẩy các hoạt động bảo vệ môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vi sinh vật nào có khả năng phân hủy PE hiệu quả nhất trong nghiên cứu này?
    Bacillus subtilis ATCC 5230 được xác định là chủng vi khuẩn ưu thế nhất với khả năng giảm trọng lượng PE lên đến 41,8% sau 12 tuần ủ trong môi trường đặc hiệu.

  2. Phương pháp đánh giá khả năng phân hủy PE của vi sinh vật được thực hiện như thế nào?
    Khả năng phân hủy được đánh giá qua các chỉ tiêu như giảm trọng lượng PE, thay đổi cấu trúc bề mặt (SEM), sự xuất hiện các nhóm chức mới trên bề mặt (FTIR), và giảm độ bền kéo đứt của tấm PE.

  3. Tại sao cần sử dụng môi trường nuôi cấy đặc hiệu với PE làm nguồn carbon duy nhất?
    Môi trường này giúp chọn lọc các vi sinh vật có khả năng sử dụng PE làm nguồn carbon, loại bỏ các vi sinh vật không phân hủy PE, từ đó xác định chính xác chủng có tiềm năng phân hủy.

  4. Có thể ứng dụng kết quả nghiên cứu này trong xử lý rác thải nhựa thực tế không?
    Có, nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để phát triển công nghệ xử lý sinh học rác thải PE, tuy nhiên cần tiếp tục nghiên cứu tối ưu và thử nghiệm quy mô lớn trước khi ứng dụng rộng rãi.

  5. Các chủng vi sinh vật bản địa có ưu điểm gì so với chủng chuẩn?
    Chủng bản địa có khả năng thích nghi tốt với điều kiện môi trường địa phương, có thể có hiệu quả phân hủy cao hơn trong thực tế, đồng thời góp phần đa dạng hóa bộ sưu tập vi sinh vật phân hủy PE.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công bộ sưu tập 15 chủng vi sinh vật có khả năng phân hủy PE, bao gồm 6 chủng chuẩn an toàn và 9 chủng bản địa phân lập từ TP. Hồ Chí Minh.
  • Bacillus subtilis ATCC 5230 và Aspergillus oryzae ATCC 10124 được xác định là hai chủng ưu thế với khả năng giảm trọng lượng PE lần lượt 41,8% và 36,3% sau 12 tuần ủ.
  • Các phân tích FTIR, SEM và độ bền kéo đứt chứng minh sự phân hủy sinh học PE qua cơ chế oxy hóa và enzym phân cắt chuỗi polyme.
  • Kết quả nghiên cứu mở ra hướng phát triển công nghệ xử lý rác thải PE bằng phương pháp sinh học thân thiện môi trường tại Việt Nam.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu tối ưu điều kiện nuôi cấy, mở rộng bộ sưu tập vi sinh vật, thử nghiệm phối hợp chủng và xây dựng mô hình xử lý sinh học quy mô pilot trong các năm tới.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp triển khai nghiên cứu ứng dụng thực tế, đồng thời tăng cường đào tạo và nâng cao nhận thức cộng đồng về xử lý rác thải nhựa sinh học.