Tổng quan nghiên cứu

Polyetylen (PE) là loại nhựa nhiệt dẻo phổ biến nhất trên thế giới, với sản lượng tiêu thụ hàng năm lên đến khoảng 60 triệu tấn. Ở Việt Nam, lượng nhựa thải ra môi trường ngày càng tăng nhanh, đặc biệt là các sản phẩm bao bì PE như túi ni lông, chiếm tỷ trọng lớn trong rác thải nhựa. Theo báo cáo của ngành, Việt Nam nằm trong nhóm các quốc gia có lượng nhựa thải ra biển cao, ước tính từ 0,28 đến 0,73 triệu tấn mỗi năm, chiếm khoảng 6% tổng lượng nhựa thải ra biển toàn cầu. Thời gian phân hủy của PE rất dài, dao động từ 6 tháng đến 600 năm tùy loại, gây ra ô nhiễm nghiêm trọng cho đất, nước và không khí.

Vấn đề nghiên cứu tập trung vào việc phân lập, sàng lọc và tuyển chọn các chủng vi sinh vật có khả năng phân hủy PE hiệu quả nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường do rác thải nhựa. Mục tiêu cụ thể của luận văn là tìm ra các chủng vi sinh vật an toàn, có hoạt tính phân hủy PE tốt, đồng thời đánh giá khả năng phân hủy PE của các chủng này qua các chỉ số như giảm trọng lượng, thay đổi cấu trúc bề mặt và tính chất cơ học của màng PE. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 2 đến tháng 12 năm 2020 tại phòng thí nghiệm Công nghệ Sinh học, Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh, với mẫu thu thập từ các khu vực tập trung rác thải nhựa tại thành phố.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp giải pháp sinh học thân thiện môi trường để xử lý rác thải PE, góp phần giảm thiểu ô nhiễm và thúc đẩy phát triển bền vững trong quản lý chất thải nhựa. Các chỉ số đánh giá như tỷ lệ giảm trọng lượng PE đạt gần 49%, thay đổi các nhóm chức trên bề mặt PE qua phổ FTIR, và biến đổi cấu trúc bề mặt quan sát bằng SEM là những metrics quan trọng phản ánh hiệu quả phân hủy.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết phân hủy sinh học của polyetylen, bao gồm hai giai đoạn chính: giai đoạn giảm cấp phi sinh học và giai đoạn giảm cấp sinh học. Giai đoạn đầu tiên liên quan đến sự phá vỡ cấu trúc polymer dưới tác động của ánh sáng, nhiệt độ và các yếu tố hóa học, tạo ra các phân tử nhỏ hơn như oligome, dime và monome. Giai đoạn thứ hai là quá trình vi sinh vật sử dụng các sản phẩm phân giải này làm nguồn carbon và năng lượng, chuyển hóa thành CO2, H2O hoặc CH4.

Mô hình nghiên cứu tập trung vào việc phân lập vi sinh vật từ môi trường đất chứa rác thải PE, sàng lọc dựa trên khả năng sử dụng PE làm nguồn carbon duy nhất trong môi trường nuôi cấy, và đánh giá hiệu quả phân hủy qua các kỹ thuật phân tích vật lý và hóa học. Các khái niệm chính bao gồm: phân hủy sinh học PE, enzyme ngoại bào (manganese peroxidase, lignin peroxidase, laccases, alkane hydroxylases), màng sinh học trên bề mặt PE, và các chỉ số đánh giá phân hủy như giảm trọng lượng, thay đổi FTIR, SEM và tính chất cơ học.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu đất chứa rác thải PE thu thập từ ba khu vực tập trung rác thải tại TP. Hồ Chí Minh: bãi rác Hiệp Thành (Quận 12), khu tập trung rác Quận 10 và khu tập trung rác ven kênh nước đen Quận Tân Phú. Mẫu PE sử dụng là loại LDPE có độ dày 22,5 µm, được cắt thành các miếng vuông 50x50 mm và 3x3 mm.

Phương pháp phân lập vi sinh vật sử dụng môi trường nuôi cấy LCFBM (Liquid Carbon-Free Basal Medium) với PE làm nguồn carbon duy nhất nhằm chọn lọc các chủng có khả năng phân hủy PE. Vi khuẩn được phân lập trên môi trường Nutrient Agar (NA), nấm trên Sabouraud Dextrose Agar (SDA). Các chủng được sàng lọc nhanh qua các chỉ tiêu như khoảng cách PE cách bề mặt môi trường, độ bám dính và sự thay đổi tính chất cơ học của màng PE.

Phân tích hiệu quả phân hủy được thực hiện bằng các kỹ thuật: đo giảm trọng lượng tấm PE (đạt 48,8% đối với chủng Bacillus drentensis B8), phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) để phát hiện sự xuất hiện các nhóm chức mới trên bề mặt PE, kính hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát biến đổi cấu trúc bề mặt, và máy đo độ bền kéo để đánh giá sự thay đổi tính chất cơ học của màng PE. Thời gian nghiên cứu kéo dài 21 ngày với điều kiện 37°C, lắc 120 vòng/phút.

Phân tích dữ liệu sử dụng phần mềm SPSS 22 với các phương pháp thống kê mô tả, so sánh trung bình và phân tích phương sai ANOVA nhằm đánh giá sự khác biệt giữa các chủng vi sinh vật và điều kiện thí nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Phân lập và sàng lọc vi sinh vật phân hủy PE: Từ 12 mẫu đất có PE phân hủy, đã phân lập được 19 chủng vi sinh vật có khả năng phân hủy PE, trong đó có 12 chủng vi khuẩn và 7 chủng nấm. Qua sàng lọc nhanh, hai chủng nổi bật là Bacillus drentensis B8 (vi khuẩn) và Aspergillus fumigatus F7 (nấm) được chọn làm ứng viên tiềm năng.

  2. Giảm trọng lượng PE: Chủng Bacillus drentensis B8 đạt tỷ lệ giảm trọng lượng PE lên đến 48,8% sau 21 ngày nuôi cấy, cao hơn nhiều so với các nghiên cứu trước đây chỉ đạt khoảng 20-35%. Chủng Aspergillus fumigatus F7 cũng cho thấy khả năng giảm trọng lượng PE đáng kể, khoảng 30%.

  3. Thay đổi cấu trúc bề mặt PE: Phân tích FTIR cho thấy sự xuất hiện các nhóm carbonyl (-C=O) và ether (-C-O-C-) trên bề mặt PE sau xử lý với Bacillus drentensis B8, chứng tỏ quá trình oxy hóa và phân hủy polymer diễn ra. Quan sát SEM cho thấy bề mặt PE bị ăn mòn, xuất hiện các lỗ rỗng và vết nứt rõ rệt so với mẫu đối chứng.

  4. Thay đổi tính chất cơ học: Đo độ bền kéo của màng PE sau xử lý với Bacillus drentensis B8 giảm khoảng 40%, phản ánh sự phá vỡ cấu trúc polymer và giảm tính liên kết giữa các phân tử PE.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả phân hủy cao của Bacillus drentensis B8 là do khả năng tiết enzyme ngoại bào mạnh, đặc biệt là các enzyme oxy hóa như peroxidase và hydroxylase, giúp phá vỡ liên kết carbon trong chuỗi polymer PE. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về vai trò của Bacillus spp. trong phân hủy PE, tuy nhiên tỷ lệ giảm trọng lượng và thay đổi cấu trúc bề mặt trong nghiên cứu này cao hơn đáng kể, cho thấy tiềm năng ứng dụng thực tiễn.

So sánh với các chủng nấm như Aspergillus fumigatus F7, vi khuẩn Bacillus drentensis B8 có ưu thế về tốc độ phân hủy và khả năng thích nghi với môi trường nuôi cấy. Việc sử dụng môi trường LCFBM với PE làm nguồn carbon duy nhất đã giúp chọn lọc chính xác các chủng có hoạt tính phân hủy cao.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ giảm trọng lượng PE theo thời gian, phổ FTIR so sánh trước và sau xử lý, hình ảnh SEM minh họa biến đổi bề mặt, và bảng so sánh độ bền kéo của màng PE. Những kết quả này khẳng định tính khả thi của việc sử dụng vi sinh vật phân hủy PE trong xử lý rác thải nhựa sinh học.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển quy trình nuôi cấy và ứng dụng Bacillus drentensis B8: Đề xuất xây dựng quy trình nuôi cấy quy mô lớn chủng Bacillus drentensis B8 để ứng dụng trong xử lý rác thải PE tại các bãi rác hoặc nhà máy xử lý sinh học, với mục tiêu giảm trọng lượng PE ít nhất 40% trong vòng 30 ngày.

  2. Nghiên cứu phối hợp vi sinh vật: Khuyến nghị phối hợp Bacillus drentensis B8 với các chủng nấm như Aspergillus fumigatus F7 để tăng hiệu quả phân hủy nhờ cơ chế cộng sinh, giảm thời gian phân hủy và mở rộng phạm vi ứng dụng.

  3. Xây dựng hệ thống xử lý sinh học tại chỗ: Đề xuất thiết kế hệ thống xử lý sinh học rác thải PE tại các khu vực tập trung rác thải nhựa ở TP. Hồ Chí Minh trong vòng 2 năm tới, nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tận dụng nguồn vi sinh vật phân hủy hiệu quả.

  4. Đào tạo và nâng cao nhận thức cộng đồng: Khuyến nghị tổ chức các chương trình đào tạo, tuyên truyền về lợi ích của phân hủy sinh học PE và cách thức phân loại rác thải nhựa để tăng cường hiệu quả xử lý sinh học, hướng tới phát triển bền vững.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Sinh học: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp thực nghiệm chi tiết về phân lập và đánh giá vi sinh vật phân hủy PE, hỗ trợ nghiên cứu sâu hơn về xử lý sinh học chất thải nhựa.

  2. Chuyên gia môi trường và quản lý chất thải: Các kết quả và đề xuất trong luận văn giúp xây dựng các giải pháp xử lý rác thải nhựa thân thiện môi trường, giảm thiểu ô nhiễm và tác động tiêu cực đến hệ sinh thái.

  3. Doanh nghiệp xử lý chất thải và công nghệ sinh học: Thông tin về chủng vi sinh vật tiềm năng và quy trình phân hủy PE có thể ứng dụng trong phát triển công nghệ xử lý rác thải nhựa sinh học, nâng cao hiệu quả và giảm chi phí.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước và chính sách: Luận văn cung cấp dữ liệu khoa học và khuyến nghị thực tiễn để xây dựng chính sách quản lý rác thải nhựa, thúc đẩy phát triển công nghệ xanh và 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?
    Chủng Bacillus drentensis B8 được xác định có khả năng phân hủy PE tốt nhất với tỷ lệ giảm trọng lượng lên đến 48,8% sau 21 ngày, vượt trội so với các chủng khác.

  2. Phương pháp nào được sử dụng để đánh giá khả năng phân hủy PE?
    Nghiên cứu sử dụng đo giảm trọng lượng PE, phân tích phổ FTIR để phát hiện nhóm chức mới, quan sát cấu trúc bề mặt bằng SEM và đo độ bền kéo của màng PE để đánh giá hiệu quả phân hủy.

  3. Thời gian phân hủy PE trong thí nghiệm là bao lâu?
    Thí nghiệm được tiến hành trong vòng 21 ngày ở điều kiện 37°C với môi trường nuôi cấy LCFBM, cho thấy sự giảm trọng lượng và biến đổi cấu trúc rõ rệt của PE.

  4. Nghiên cứu có đề xuất ứng dụng thực tiễn nào không?
    Có, nghiên cứu đề xuất phát triển quy trình nuôi cấy quy mô lớn Bacillus drentensis B8 và xây dựng hệ thống xử lý sinh học rác thải PE tại các khu vực tập trung rác thải nhựa.

  5. Nghiên cứu có xem xét tính an toàn sinh học của các chủng vi sinh vật không?
    Có, các chủng được tuyển chọn dựa trên tiêu chí an toàn sinh học, tránh các vi sinh vật gây bệnh hoặc có nguy cơ gây hại cho môi trường và con người.

Kết luận

  • Đã phân lập và tuyển chọn thành công 19 chủng vi sinh vật có khả năng phân hủy PE, trong đó Bacillus drentensis B8 và Aspergillus fumigatus F7 là ứng viên tiềm năng nhất.
  • Chủng Bacillus drentensis B8 đạt tỷ lệ giảm trọng lượng PE lên đến 48,8% sau 21 ngày, kèm theo các biến đổi cấu trúc bề mặt và tính chất cơ học rõ rệt.
  • Kết quả phân tích FTIR và SEM chứng minh quá trình oxy hóa và phá vỡ cấu trúc polymer PE diễn ra hiệu quả dưới tác động của vi sinh vật.
  • Đề xuất phát triển quy trình nuôi cấy quy mô lớn và ứng dụng xử lý sinh học rác thải PE tại các khu vực tập trung rác thải nhựa ở TP. Hồ Chí Minh trong vòng 2 năm tới.
  • Khuyến nghị phối hợp các chủng vi sinh vật và nâng cao nhận thức cộng đồng để tăng cường hiệu quả xử lý rác thải nhựa sinh học.

Luận văn mở ra hướng nghiên cứu và ứng dụng công nghệ sinh học trong xử lý rác thải nhựa, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững. Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp có thể tiếp tục phát triển dựa trên kết quả này để tạo ra các giải pháp xử lý hiệu quả hơn.