Cận cảnh sâu sáp.
Khám phá này có nhiều ứng dụng tiềm năng để xử lý hoặc tái chế rác thải nhựa vốn đang khiến thế giới phải đau đầu.
Nước bọt của sâu sáp
 Sâu sáp có thể nhanh chóng phân hủy polyethylene thông qua nước bọt của nó. |
Polyethylene được sử dụng chủ yếu để làm túi và bao bì nhựa. Trong các thử nghiệm tại Đại học Cambridge, 100 con sâu sáp được thả trong túi nhựa một siêu thị ở Anh và các lỗ thủng đã xuất hiện chỉ sau 40 phút. Trong khoảng 12 giờ, 92mg nhựa đã được sâu sáp phân hủy. Ngược lại, các thử nghiệm trước đây cho thấy vi khuẩn chỉ xử lý được 0,13mg nhựa trong 24 giờ. |
Sự phân hủy sinh học của nhựa là một trong những lĩnh vực nghiên cứu có nhiều hứa hẹn và tiềm năng nhất. Quá trình này được gọi là phân hủy sinh học và nó liên quan đến các vi sinh vật như vi khuẩn và nấm. Tuy nhiên, chỉ có một số ít vi sinh vật được biết đến là có thể phân hủy các phân tử nhựa tạo nên polyethylene.
Nhóm nghiên cứu lần đầu tiên phát hiện ra loài sâu sáp (lepidopteran galleria mellonella) có thể phân hủy loại nhựa rất phổ biến hiện nay là polyethylene vào năm 2017. Họ đã tìm ra cơ chế hoạt động của nó: Nước bọt loại sâu trên có chứa các enzyme có khả năng nhanh chóng khởi tạo quá trình phân hủy nhựa ở nhiệt độ phòng.
Theo người đứng đầu nghiên cứu này là bà Federica Bertocchini (của CSIC), những enzyme trong nước bọt của sâu sáp là những enzyme đầu tiên và duy nhất hiện nay được biết đến có khả năng phân hủy nhựa polyethylene mà không cần xử lý trước.
Để nhựa phân hủy, oxy phải xâm nhập vào phân tử. Đây là bước đầu tiên của quá trình oxy hóa vốn thường là kết quả của việc tiếp xúc với ánh sáng Mặt trời hoặc nhiệt độ cao.
Quá trình này cũng thể hiện một "nút thắt cổ chai" làm chậm sự phân hủy polyethylene vốn được coi là một trong những loại nhựa "cứng đầu" nhất. Đó là lý do tại sao, trong điều kiện môi trường bình thường, nhựa phải mất vài tháng hoặc thậm chí nhiều năm để phân hủy.
Bà Bertocchini cho biết, giờ đây nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra các enzyme trong nước bọt của sâu sáp thực hiện bước quan trọng là oxy hóa nhựa. Điều này có nghĩa là chúng có thể vượt qua nút thắt cổ chai trong quá trình phân hủy nhựa và đẩy nhanh quá trình này.
Tốc độ xử lý nhựa nhanh chóng
Sâu sáp có thể mở ra khả năng phân hủy rác thải nhựa nhanh chóng.
Vài năm trước, một lĩnh vực nghiên cứu đã mở ra sau việc phát hiện một số loài côn trùng thuộc bộ Lepidoptera và Coleoptera có thể phân hủy polyethylene và polystyrene.
Bà Bertocchini cho biết, trong phòng thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra loài côn trùng dường như xử lý nhựa nhanh nhất là ấu trùng của loài sâu sáp. Những ấu trùng này có thể oxy hóa và phá vỡ các phân tử trong nhựa thực sự nhanh chóng (chỉ sau một giờ tiếp xúc).
Có lần, bà Bertocchini dọn sạch một tổ ong và tạm thời đặt những con sâu sáp ăn tổ ong này vào một túi nhựa mua sẵn. Bà sớm nhận ra những túi nhựa này nhanh chóng bị thủng lỗ chỗ.
Theo bà, dựa trên giả định sâu sáp có thể sử dụng nhựa làm thức ăn và sự phân hủy nhựa là kết quả của hoạt động trao đổi chất, tiêu hóa của chúng, nhiều nghiên cứu đã tập trung vào vi sinh vật sống trong hệ tiêu hóa của những con sâu này. Tuy nhiên, giả định này rất đáng nghi ngờ, vì vậy, ngay từ đầu nghiên cứu của các nhà khoa học tại CSIC đã tập trung vào khoang miệng của sâu sáp.
Các nhà nghiên cứu đã xem xét kỹ hành vi của sâu sáp khi nó tiếp xúc với polyethylene và nhận thấy các enzyme có trong nước bọt của sâu có thể phân hủy loại nhựa cứng đầu này.
Theo bà Bertocchini, khi tiếp xúc với nước bọt của sâu sáp, phân tử nhựa sẽ bị oxy hóa và phân giải trong vòng vài giờ. Các nhà khoa học cũng đã xác định được sự hình thành các chất cặn bã của nhựa khi có nước bọt sâu sáp.
Khả năng mở rộng quy mô
Phenol là các phân tử được thực vật sử dụng để tự vệ trước những kẻ thù tiềm năng như ấu trùng và côn trùng. Trong khi đó, côn trùng lại có thể tạo ra các enzyme phenol oxidase để oxy hóa và trung hòa phenol mà thực vật sử dụng để tự vệ. Điều này giúp côn trùng có thể ăn thực vật một cách an toàn.
Phenol cũng có mặt trong nhiều chất phụ gia nhựa, do đó, nó khiến nhựa dễ bị enzyme phenol oxidase xử lý, tạo các điều kiện cần thiết cho quá trình oxy hóa và phân hủy nhựa.
Các nhà khoa học tin rằng, sâu sáp có các enzyme mạnh trong nước bọt để tấn công các liên kết hóa học của nhựa, giống như cách chúng tiêu hóa chất sáp phức tạp có trong tổ ong mà chúng thường ăn.
Theo nhà khoa học Paolo Bombelli của Đại học Cambridge (Anh), nếu một enzyme duy nhất chịu trách nhiệm cho quá trình hóa học này thì việc tái tạo nó trên quy mô lớn bằng phương pháp công nghệ sinh học có thể đạt được.
Khi đó, các nhà máy tái chế có thể được điều chỉnh để phân hủy sinh học bằng enzyme. Ông cũng đưa ra khả năng một ngày nào đó, enzyme trên có thể được phun trực tiếp lên các bãi rác, hoặc thậm chí truyền vào các thực vật biển để phân hủy nhựa có trong môi trường này.
Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu cảnh báo cần thực hiện thêm các nghiên cứu kết hợp giữa sinh học côn trùng với công nghệ sinh học để có được câu trả lời chắc chắn về khả năng của sâu sáp.