Vi khuẩn lạ và cuộc chạy đua cứu hành tinh khỏi rác thải nhựa

Vi khuẩn ăn nhựa

Trong khoảng thời gian từ năm 2010 đến 2015, một sinh vật nhỏ xíu có "khẩu vị" khác thường đã sinh sống trong khu vực công nghiệp gần nhà máy tái chế chai lọ ở Sakai, Nhật Bản. Nước và đất ở khu vực này bị ô nhiễm nhựa PET, một trong những loại nhựa phổ biến nhất thế giới. PET được dùng để làm chai soda, túi đựng thực phẩm, băng dính, quần áo… Loại nhựa này rẻ tiền, bền, co giãn và có thể tồn tại nhiều năm trời.

Mô hình máy tính của PETase, một enzyme có thể tiêu hóa nhựa PET. Khu vực trong vòng tròn là nơi enzyme gắn vào nhựa để phá vỡ chúng.

Trong vùng đất đầy rác thải nhựa này, loài vi khuẩn nói trên sinh sôi nảy nở. Đó là Ideonella sakaiensis. Các nhà khoa học đặt tên cho nó theo tên thành phố mà họ phát hiện ra nó.

Vi sinh vật có hình chiếc xúc xích này không chỉ sống sót mà còn tiến hóa. Nó đã làm được việc mà con người suốt hàng chục năm qua không giải quyết được: Ideonella sakaiensis có thể phân hủy nhựa PET.

Ông Gregg Beckham, người nghiên cứu về phân hủy nhựa tại Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia ở Colorado (Mỹ) và các nhà khoa học cho rằng sinh vật bé nhỏ này có thể nắm giữ chìa khóa giải quyết cuộc khủng hoảng môi trường to lớn và ngày càng nghiêm trọng hiện nay.

Phát hiện trên đã khiến cả thế giới chạy đua tìm cách thiết kế và tối ưu hóa công cụ thiên nhiên này để phân hủy núi rác thải nhựa tràn ngập đất liền và đại dương.

Hình ảnh một tế bào Ideonella sakaiensis nhìn dưới kính hiển vi.

Các nhà nghiên cứu ước tính trong năm 2017 rằng loài người sản xuất ra 8,3 tỷ tấn nhựa từ khi phát minh ra loại vật liệu này. Nhựa làm từ dầu và khí thiên nhiên, gây ảnh hưởng tới môi trường và khí hậu toàn cầu.

Với tốc độ tiêu thụ nhựa như hiện nay, tới năm 2030, chúng ta sẽ thải 1,34 gigaton carbon dioxide vào bầu khí quyển, tương đương khí thải mà 300 nhà máy điện đốt than thải ra. Đó là lý do tại sao giảm sử dụng và tái chế nhựa lại rất quan trọng. Tuy nhiên, 91% nhựa lại không thể tái chế, chất đống trong bãi rác mà phải mất 500 đến 1.000 năm mới phân hủy hoàn toàn.

Trong cuộc khủng hoảng nhựa bức thiết đó, các nhà khoa học lùng sục thế giới tự nhiên tìm giải pháp. Khi phát hiện ra Ideonella sakaiensis, các nhà nghiên cứu trên thế giới đang khẩn trương "dỗ" loại vi khuẩn này ăn nhiều loại nhựa khác, tiêu hóa nhựa nhanh hơn. Họ hy vọng thiết lập được một quy trình có thể giải quyết bãi rác nhựa gần như vĩnh cửu của loài người.

Gian nan thí nghiệm

Các nhà khoa học phụ trách xử lý rác thải nhựa tại Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia muốn tìm hiểu xem Ideonella sakaiensis đã tiêu hóa nhựa như thế nào và liệu con người có thể đẩy nhanh quá trình hiện rất chậm đó.

Vi khuẩn ăn nhựa mang lại hy vọng giải quyết vấn đề rác thải nhựa cấp bách.

Trong điều kiện phòng thí nghiệm có kiểm soát chính xác, một "đàn" Ideonella sakaiensis mất tới 6 tuần mới phân hủy hoàn toàn được một miếng nhựa PET. Loại vi khuẩn này phải mất hàng tuần, thậm chí hàng tháng mới phân hủy được một chai nhựa hay một hộp đựng thức ăn bằng nhựa PET.

Tốc độ này nhanh hơn nhiều so với quá trình tự phân hủy của nhựa trong tự nhiên, nhưng không đủ nhanh so với kỳ vọng về một cỗ máy tiêu hóa nhựa mà con người có thể phát triển một ngày nào đó. Với tốc độ hiện tại, khó có thể thuyết phục nhà đầu tư bỏ tiền xây dựng một cơ sở phân hủy PET và sẽ khiến cho đống rác nhựa của con người ngày càng đầy.

Để loài vi khuẩn này tiêu hóa nhựa với quy mô và tốc độ như mong muốn, các nhà khoa học Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia đang triển khai nhiều chiến thuật.

Một cách tiếp cận là cho vi khuẩn tiến hóa thích nghi trong phòng thí nghiệm. Tại đây, các nhà nghiên cứu nuôi vi khuẩn trong ống nghiệm nhỏ và tính toán xem chúng tiêu hóa 6mm nhựa ra sao. Dùng kính hiển vi, họ có thể theo dõi hoạt động của vi khuẩn trong thời gian thực. Họ chọn những con vi khuẩn "phàm ăn" nhất và nuôi chúng. Trong thế hệ vi khuẩn tiếp theo, họ lại chọn những con ăn nhựa khỏe nhất và cứ như thế.

Một kỹ thuật nữa là tiến hóa có định hướng. Kỹ thuật này đẩy nhanh quy trình tiến hóa của một cơ chế sinh học trong phòng thí nghiệm nhằm thực hiện một nhiệm vụ cụ thể mà ở đây là tiêu hóa nhựa. Những người tiên phong trong lĩnh vực tiến hóa có định hướng đã giành giải Nobel Hóa học năm 2018.

Rác thải nhựa tràn ngập một bãi biển Manila, Philippines.

Trong trường hợp này, các nhà khoa học nhằm vào enzyme tiêu hóa PET (PETases). Đây là những protein phức tạp và tương đối lớn. Chúng đóng vai trò chất xúc tác, đẩy nhanh phản ứng hóa học mà bình thường diễn ra rất chậm. Chúng cũng rất kén chọn điều kiện hoạt động: nếu quá nóng, quá lạnh, quá axit, quá kiềm, quá mặn, không đủ mặn thì enzyme này có thể không hoạt động gì cả.

Enzyme cũng có xu hướng chỉ thực hiện một phản ứng hóa học đơn lẻ như sao chép ADN hay phá vỡ đường. Vì chúng rất phức tạp và chỉ tập trung vào một nhiệm vụ cụ thể nên rất khó để "dụ" một loại enzyme làm việc gì khác mà không phá vỡ nó.

Dù vậy, khó nhưng không bất khả thi. Các nhà nghiên cứu có thể cố ý giảm đột biến ở enzyme và theo dõi chúng hoạt động. Phần lớn sẽ thất bại nhưng sẽ có một số enzyme hoạt động tốt hơn.

Sau đó, các nhà khoa học phân tích những enzyme "chiến thắng" để xem điều gì khiến chúng không bị phá vỡ. Khi đo đạc kỹ lưỡng hình dạng và giám sát hoạt động của chúng, các nhà khoa học hy vọng tìm ra cách bắt enzyme hoạt động nhanh hơn hoặc khiến chúng hoạt động trong môi trường khó khăn hơn.

Bằng các siêu máy tính, các nhà khoa học cũng thiết kế enzyme riêng bằng những enzyme họ tìm thấy trong tự nhiên. Họ có thể tính toán sao cho enzyme đó có thể phá vỡ nhựa, hoạt động nhanh và lâu dài. Họ hy vọng có thể phát triển enzyme từ dưới lên.

Từ đó, các nhà khoa học có thể lập công thức kết hợp enzyme sao cho nó có thể phá vỡ nhựa nhanh và rẻ tiền. Hoặc họ có thể tạo ra vi khuẩn hoặc tảo để sản xuất ra một loại enzyme có thiết kế mới và tự tiêu hóa vật liệu tổng hợp.

Kỹ thuật nào mới cho kết quả tốt nhất thì phải mất một quá trình dài và gian khó mới biết được. Ít nhất là 5 năm nữa thị trường mới có một "cỗ máy" sinh học tiêu hóa nhựa ở dạng nào đó.

Các nhà nghiên cứu khác cũng đang giải quyết vấn đề nhựa thải nhưng theo cách riêng. Nhóm nhà nghiên cứu tại Đại học Purdue mới công bố một kỹ thuật biến màng co mềm polyolefin (loại nhựa dùng trong đồ điện tử, dây vợt tennis, giày…) thành nhiên liệu và các sản phẩm khác.

Công ty Pháp Carbios đã chứng minh một lò phản ứng sinh học có thể phân tách nhựa PET thành các thành phần cấu tạo ban đầu. Những thành phần này sau đó có thể được sử dụng để làm nhựa mới, từ đó giảm nhu cầu dùng nhiên liệu hóa thạch và giảm sản xuất nhựa. Kỹ thuật này vẫn ở giai đoạn đầu và sẽ mất nhiều năm mới có thể ra mắt lò phản ứng sinh học thương mại như vậy.

Một nhóm gồm 30 công ty quốc tế lớn như Exxon Mobile, Protec&Gamble… đã hợp lực để thành lập Liên minh Chấm dứt Rác thải nhựa. Một trong số mục đích của họ là sử dụng nhựa cũ bằng cách mới. Nhóm này đã cam kết chi hơn 1 tỷ USD để giảm rác thải nhựa và phát triển công nghệ mới, trong đó có công nghệ phân hủy nhựa.

Chỉ là một phần giải pháp

Tiêu hóa nhựa chỉ là một phần nhỏ trong giải pháp tổng thể cho vấn đề rác thải nhựa. Mỗi khi chúng ta biến một chất từ dạng này sang dạng khác, chúng ta cần năng lượng. Khi đó, ta đều tác động tới môi trường và cũng phải mất tiền mới làm được. Đó là lý do tại sao sản xuất nhựa mới thì rẻ hơn và tiết kiệm năng lượng hơn là làm sạch, phân loại, xử lý rác thải nhựa hiện có.

Các nhà khoa học đau đầu tìm cách giải quyết rác thải nhựa tràn ngập khắp Trái Đất.

Ngay cả khi chúng ta tìm ra cách nuôi loại vi khuẩn ăn nhựa nói trên, chúng ta cũng không chỉ đơn giản là thả chúng vào nước để chúng ăn cả tấn rác nhựa trôi nổi hay hạt vi nhựa trong đại dương. Điều đó có thể không hiệu quả. Cho dù là có hiệu quả thì cũng có thể gây nhiều hậu quả ngoài ý muốn.

Trong phim khoa học viễn tưởng The Andromeda Strain (Bộ não nhân tạo) của Michael Crichton, một vi sinh vật ngoài hành tinh đã tiến hóa tới mức ăn được vật chứa để thoát ra ngoài và hủy diệt thế giới. Trong thế giới thực, chúng ta đã chứng kiến vi khuẩn nguy hiểm lọt ra ngoài phòng thí nghiệm. Nếu vi khuẩn ăn nhựa thoát ra ngoài và sinh sôi nảy nở, rất nhiều đồ nhựa trên thế giới sẽ bắt đầu tan rã. Đó là lý do tại sao các nhà khoa học cực kỳ cẩn trọng về việc triển khai vi sinh vật ăn nhựa trong tự nhiên.

Có một thực tế rằng dù loài vi sinh vật này có thể tiến hóa trong bãi rác của con người nhưng rất nhiều sinh vật khác, cả trên đất liền và trên biển, sẽ không may mắn như thế.

Thùy Dương (tổng hợp)