Các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Tiên tiến Thâm Quyến đã phát triển một loại nhựa mang vi khuẩn sống bên trong. Khi được kích hoạt, những vi khuẩn này sẽ thức dậy và tiêu thụ vật liệu từ bên trong. Kết quả là vật liệu bị phân hủy hoàn toàn, không còn sót lại cặn vi nhựa nào.
Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí ACS Applied Polymer Materials. Nó mô tả một ma trận polycaprolactone được nhúng các bào tử ngủ đông của vi khuẩn Bacillus subtilis đã được biến đổi gen. Trong điều kiện bình thường, vật liệu này hoạt động giống như nhựa thông thường. Khi có tác nhân kích hoạt, các bào tử sẽ hoạt động.
Cơ chế hoạt động của hệ vi khuẩn
Thiết kế này dựa trên hoạt động tuần tự của hai chủng vi khuẩn. Chủng thứ nhất tạo ra một loại enzyme cắt các chuỗi polymer dài thành các đoạn ngắn hơn. Điều này tạo ra các điểm xâm nhập mới xuyên suốt vật liệu. Sau đó, một loại enzyme khác tấn công các đoạn này từ hai đầu. Cả hai chủng cùng nhau đẩy nhanh quá trình phân hủy cho đến khi chỉ còn lại các phân tử nhỏ.
Cơ chế hai giai đoạn này giải quyết một vấn đề đã được ghi nhận rõ ràng đối với nhiều loại nhựa phân hủy sinh học. Các loại nhựa phân hủy sinh học thông thường thường bị phân mảnh trước khi biến mất hoàn toàn. Những mảnh vụn đó tồn tại trong đất và nước dưới dạng vi nhựa. Theo nhóm nghiên cứu, vật liệu của Thâm Quyến đã phân hủy hoàn toàn mà không để lại cặn bẩn nào.
Polycaprolactone là một loại polyester tương đối dễ phân hủy. Nó đã xuất hiện trong các sợi in 3D và chỉ khâu phẫu thuật tự tiêu. Nó khác xa so với polyethylene, polypropylene và PET, những loại nhựa chiếm ưu thế trong rác thải nhựa toàn cầu. Mặc dù vậy, thí nghiệm đã tạo ra một kết quả cơ bản hữu ích. Màng chứa bào tử giữ được các đặc tính cơ học tương đương với polycaprolactone tiêu chuẩn. Việc thêm vi khuẩn sống không làm suy yếu vật liệu trong suốt thời gian hoạt động của nó.
Việc kích hoạt vẫn cần điều kiện thí nghiệm.
Các điều kiện kích hoạt vẫn được kiểm soát chặt chẽ. Trong thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đặt màng nhựa vào dung dịch dinh dưỡng ấm ở nhiệt độ khoảng 50 độ C. Sau đó, các bào tử được kích hoạt, và màng nhựa bị phân hủy hoàn toàn trong vòng sáu ngày.
Những điều kiện đó khác xa so với bất cứ điều gì gặp phải trong môi trường tự nhiên. Một mảnh nhựa sống bị vứt bỏ sẽ không phân hủy trong bãi rác, sông ngòi hay thùng ủ phân. Quá trình kích hoạt đòi hỏi sự can thiệp có chủ đích. Hạn chế đó giới hạn các ứng dụng trong ngắn hạn nhưng cũng làm giảm một mối lo ngại: sự phân hủy sớm trong quá trình sử dụng hoặc bảo quản.
Nhóm nghiên cứu cũng đã chế tạo một điện cực đeo được từ loại nhựa sinh học này. Nó phát hiện tín hiệu cơ từ cánh tay người. Khi được kích hoạt, điện cực sẽ phân hủy trong khoảng hai tuần. Mạch điện bằng đồng vẫn còn nguyên vẹn. Việc tách polyme có thể phân hủy khỏi kim loại có thể tái chế cho thấy một phương pháp tiềm năng để xử lý các thiết bị điện tử dùng một lần, nơi mà việc tái chế các vật liệu hỗn hợp hiện đang gặp khó khăn.
Vị trí của vấn đề này trong lĩnh vực nghiên cứu rộng hơn.
Công trình nghiên cứu tại Thâm Quyến dựa trên một lượng lớn các nghiên cứu về sinh học tổng hợp. Một nghiên cứu năm 2019 trên tạp chí Nature Chemical Biology cho thấy bào tử Bacillus subtilis có thể tồn tại bên trong vật liệu in 3D và phản ứng với những thay đổi bề mặt như vết nứt. Nghiên cứu gần đây hơn trên tạp chí Nature Chemical Engineering phát hiện ra rằng nhựa sinh học dựa trên bào tử có thể chịu được nhiệt độ cao và dung môi hữu cơ. Phát hiện này rất quan trọng đối với môi trường xử lý công nghiệp, nơi các vật liệu phân hủy sinh học thông thường thường không đáp ứng được yêu cầu.
Nguyên mẫu ở Thâm Quyến là một minh chứng cho tính khả thi của ý tưởng. Nó chưa giải quyết được vấn đề về nhựa, loại chất thải chiếm tỷ lệ lớn nhất trên toàn cầu. Việc mở rộng phương pháp này sang các loại polymer thông dụng và phát triển các hệ thống kích hoạt thực tiễn bên ngoài phòng thí nghiệm sẽ đòi hỏi nhiều công sức nghiên cứu hơn nữa.
Đối với các nhà đầu tư và nhà hoạch định chính sách theo dõi ô nhiễm nhựa, câu hỏi quan trọng là liệu quá trình phân hủy theo yêu cầu có thể được tích hợp vào thiết kế sản phẩm ở quy mô lớn hay không. Các sản phẩm có vòng đời ngắn là nguồn gây ô nhiễm môi trường chính. Chúng bao gồm các thiết bị y tế, cảm biến đeo được, màng nông nghiệp và bao bì sử dụng một lần. Một vật liệu duy trì ổn định trong quá trình sử dụng và sau đó phân hủy hoàn toàn theo lệnh có thể làm giảm chi phí xử lý cuối vòng đời và trách nhiệm pháp lý theo quy định.
Nghiên cứu này chưa đưa ra câu trả lời cho câu hỏi đó. Tuy nhiên, nó cung cấp bằng chứng cho thấy vật liệu sinh học có thể phân hủy hoàn toàn, vẫn giữ được các đặc tính chức năng trong quá trình sử dụng và được tích hợp vào các ứng dụng điện tử. Mỗi kết quả đó trước đây đều chưa chắc chắn.
Các chuyên gia về khí hậu và đa dạng sinh học từ lâu đã xác định ô nhiễm vi nhựa là một rủi ro môi trường ngày càng trầm trọng. Các mảnh polymer tích tụ trong hệ sinh thái biển, đất nông nghiệp và mô người. Phân hủy hoàn toàn, chứ không phải chỉ phân mảnh, là tiêu chuẩn mà các nhà quản lý và nhà nghiên cứu ngày càng yêu cầu. Nghiên cứu tại Thâm Quyến cho thấy một hướng đi khả thi để đáp ứng tiêu chuẩn này, mặc dù khoảng cách đến ứng dụng thương mại vẫn còn khá lớn.
