Ideonella sakaiensis - loại vi khuẩn mới và công nghệ sinh học xử lý chất thải nhựa polyethylene terephthalate

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:4

Thêm vào BST

Báo xấu

40
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết tiến hành nghiên cứu và tổng hợp Polyethylene terephthalate, Thuộc tính và ứng dụng của Polyethylene terephthalate, công nghệ sinh học xử lý chất thải nhựa. Mời các bạn cùng tham khảo bài viết để nắm chi tiết hơn nội dung nghiên cứu.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Ideonella sakaiensis - loại vi khuẩn mới và công nghệ sinh học xử lý chất thải nhựa polyethylene terephthalate

NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI Ideonella sakaIensIs - loạI vI khuẩn mớI Và công nghệ Sinh học xử LÝ chấT Thải nhựA pOLyeThyLene TerephThALATe n Nguyễn Dương Tuệ 1. Polyethylene terephthalate phim chụp ảnh, băng ghi âm và vô số vật dụng Polyethylene terephthalate (hay khác. PET được tạo ra bởi sự trùng hợp của Ethylene PET, PETE hoặc PETP hoặc PET-P) là nhựa glycol và axit terephthalic. Ethylene glycol là một chất nhiệt dẻo phổ biến nhất của polyester dùng lỏng không màu thu được từ ethylene và axit tereph- trong gia đình và được sử dụng trong sản xuất thalic là một chất rắn tinh thể thu được từ xylene. Về sợi dệt may quần áo, chăn, gối, đệm, bao bì, mặt hóa học, ethylene glycol là một diol, rượu có cấu thùng chứa chất lỏng thực phẩm, cùng vô số trúc phân tử có chứa hai nhóm hydroxyl (-OH) và axit vật dụng khác. Hàng năm, thế giới có trên 50 terephthalic là một axit aromatic dicarboxylic. Khi đun triệu tấn nhựa terephalate polyethylene, hoặc nóng với nhau ở nhiệt độ và áp suất cao có chất xúc PET, được sản xuất. Phần lớn PET sản xuất ra tác hóa học các nhóm hydroxyl và cacboxyl phản ứng trên thế giới dùng cho sợi tổng hợp (trên 60%), tạo thành các nhóm este (-CO-O-), chúng đóng vai trò sản xuất chai hộp, bao bì chiếm khoảng 30% liên kết hóa học kết nối nhiều đơn vị PET (BHET) với nhu cầu toàn cầu [8]. Trong bối cảnh các ứng nhau thành các chuỗi polymer dài. Phản ứng tổng hợp dụng cho ngành dệt may, PET được gọi bằng Polyethyleneterephthalate như sau: cái tên phổ biến là polyester, trong khi tên gọi PET thường được sử dụng liên quan đến bao bì. PET là polymer được trùng hợp từ các đơn vị monomer ethylene terephthalate. Tùy thuộc vào chế biến mà nó có thể tồn tại ở cả hai dạng: dạng vô định hình (trong suốt) và dạng polymer bán tinh thể (semicrystalline). Các vật liệu bán tinh thể có thể xuất hiện trong suốt (kích thước hạt nhỏ hơn 500nm) hoặc mờ đục và trắng (hạt kích thước lên đến một vài mi- cromet) tùy thuộc vào cấu trúc tinh thể của nó và kích thước hạt. Nó đã nhanh chóng trở nên Phản ứng tông hợp Polyethyleneterephthalate phổ biến với cả nhà sản xuất và người tiêu dùng Ban đầu là phản ứng ester hóa giữa các phân tử hy- do tính chất nhẹ của vật liệu, có độ bền cao, droxyethylterephthalate (BHET) và Ethylene glycol chịu được nước, chi phí thấp, dễ vận chuyển (EG) ở 250-2800C và 2-3kPa. Sau đó, các oligomer hơn so với chai thủy tinh, sản phẩm vật dụng được polymer hóa ở 270-2800C và 50-100kPa. Ở giai hàng ngày rất phong phú, đa dạng. đoạn này, tạo các polymer thích hợp cho các ứng dụng 2. Tổng hợp Polyethylene terephthalate mà không cần khối lượng phân tử cao, tuy nhiên nếu Polyethylene terephthalate là một polymer trọng lượng phân tử cao hơn là cần thiết, thì sẽ được thành viên của polyester đã được cấp bằng sáng polyme hóa trạng thái rắn thứ ba ở 200-2400C và chế vào năm 1941. Nó được sản xuất thành sợi, 100kPa. Sau khi tổng hợp các polymer có thể được chế thổi/đúc thành vỏ chai nước uống, ép đùn làm biến thành dạng yêu cầu, qua đùn, ép, phun hoặc thổi. [32] Tạp chí SỐ 4/2017 Kh-cn nghệ An
NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI 3. Thuộc tính và ứng dụng của polyme thông thường và polyme phân hủy Polyethyleneterephthalate (PET) là một semicrys- sinh học đã được sản xuất. Do khả năng phục talline, polyester nhiệt dẻo. Nó được sản xuất bởi một hồi của nhựa chống xuống cấp và sự phổ biến số công ty riêng biệt, dưới tên thương mại khác của nó trong ngành công nghiệp, vấn đề ô nhau. PET khá bền về mặt hóa học và tính ổn định nhiễm nhựa đã trở thành một mối đe dọa đến nhiệt, có độ thấm khí thấp, dễ dàng xử lý về vật lý. Sự hệ sinh thái toàn cầu. Trong tự nhiên, như một kết hợp của các thuộc tính làm cho PET có thể tạo ra quy luật, nhựa được sử dụng rộng rãi và nó nhiều vật liệu mong muốn, một loạt các ứng dụng khác không tự suy thoái đến một mức độ lớn khi thải nhau trong đời sống và một thành phần quan trọng của vào môi trường. Một trong những lý do chính tiêu thụ nhựa trên toàn thế giới. Hơn 50% sợi tổng hợp cho sự phổ biến, ứng dụng rộng rãi của nhiều được sản xuất trên toàn thế giới từ PET và lượng tiêu polymer là sự ổn định và độ bền đặc biệt cao thụ toàn cầu của PET đã được báo cáo vượt quá 17 tỷ của nó. USD mỗi năm. PET còn dùng để sản xuất các tấm và Có bốn cơ chế mà các chất dẻo phân hủy phim ảnh. Đặc biệt hơn, nó được sử dụng trong đóng trong môi trường bao gồm: suy thoái quang, gói thực phẩm và đóng gói đồ uống (nước ngọt và chai suy thoái thermooxidative, suy thoái thủy phân nước), các hộp đông lạnh, dùng trong công nghiệp điện và phân hủy sinh học nhờ vi sinh vật. Nói tử, phụ tùng ô tô, đồ gia dụng, sản phẩm chiếu sáng, chung, sự thoái hóa tự nhiên của nhựa bắt đầu dụng cụ điện, các dụng cụ thể thao, các tấm X-ray… với suy thoái quang, dẫn đến suy thoái ther- Loại sợi này có phân khúc tạo nét, dạng sợi nhỏ có thể mooxidative. Tia cực tím từ mặt trời cung cấp dùng để lau chùi tất cả các loại bụi, vết dơ trên bề mặt năng lượng kích hoạt cần thiết để bắt đầu cho mà không để lại trầy xước ở các vật dụng trong gia đình sự kết hợp của các nguyên tử oxy vào poly- và trong các ngành công nghiệp, nhà hàng, khách sạn, mer. Điều này làm cho nhựa trở nên giòn và để lau chùi vết bẩn vết dầu loang, vết vân tay và dùng trong phá vỡ thành nhiều mảnh nhỏ hơn cho đến khi sản xuất đĩa CD, Monitor, Camera, máy fax, xe ôtô, xe các chuỗi polymer đạt được khối lượng phân máy... Tùy thuộc vào các ứng dụng và đặc tính mong tử thấp đủ để được chuyển hóa bởi các vi sinh muốn, PET có thể được sản xuất theo đặc điểm kỹ thuật vật. Các vi khuẩn hoặc chuyển đổi carbon bằng cách kiểm soát các điều kiện polyme hóa. trong các chuỗi polymer carbon dioxide hoặc 4. Vấn đề môi trường kết hợp nó vào phân tử sinh học. Tuy nhiên, Với khối lượng sản xuất khổng lồ (trên 50 triệu toàn bộ quá trình này diễn ra rất chậm, có thể mất 50 năm hoặc nhiều hơn cho nhựa phân hủy hoàn toàn [3]. Điều này không được hỗ trợ bởi một thực tế rằng, tác dụng photodegradative được giảm đáng kể trong nước biển do nhiệt độ và oxy sẵn có thấp hơn nên tỷ lệ thủy phân của hầu hết các polyme là không đáng kể trong đại dương [3]. Chẳng hạn, trong môi trường biển, thời gian cho các hợp chất để phân hủy là khá dài; giấy báo 6 tuần; túi nhựa 10-20 Các sản phẩm sản xuất từ PET năm; tã lót dùng 1 lần 50-100 năm; chai nhựa 100 năm hoặc nhiều hơn… tấn/năm), cùng sự gia tăng tiêu thụ toàn cầu ngày càng Việc tái chế hóa học của PET cũng đã được lớn và tính bền bỉ tự nhiên của chúng nên rất khó bị suy tiến hành bằng việc áp dụng dây chuyền công thoái, phân hủy và tích lũy nhựa trong môi trường là nghệ tái chế công suất cao, hơn 50.000 mối quan tâm ngày càng tăng. Điều này bao gồm một tấn/năm. Một số nỗ lực để thiết lập các nhà phác thảo về các vấn đề liên quan đến ô nhiễm nhựa máy tái chế đã được thực hiện trong quá khứ trong các môi trường đất, nước, không khí, đặc biệt là nhưng không thành công vang dội. Ngay cả môi trường biển. Mô tả về sản xuất thương mại và phân việc tái chế đầy hứa hẹn ở Nhật Bản cho đến hủy của PET, tổng quan về khả năng phân hủy sinh học nay đã không trở thành một bước đột phá công SỐ 4/2017 Tạp chí [33] Kh-cn nghệ An
NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI nghiệp do giá tăng đều đặn. Các mức giá của đặc biệt ”cứng đầu” này bằng con đường phân hủy sinh chai đóng kiện cũng tăng, ví dụ giữa những học, đó là sự tan rã của vật liệu bằng tác dụng của vi năm 2000 là khoảng 50 Euro / tấn và năm khuẩn, nấm, hoặc các chủng sinh học khác. Trong khi 2008 đã lên đến 500 Euro/tấn. phân hủy sinh học chỉ đơn giản có nghĩa là được tiêu 5. Công nghệ sinh học xử lý chất thải thụ bởi các vi sinh vật. Thuật ngữ này thường được sử nhựa dụng trong mối quan hệ với môi trường sinh thái, quản Sự đa dạng trao đổi chất của vi sinh vật là lý chất thải, y sinh học và môi trường tự nhiên, với môi một nguồn tài nguyên hữu ích để khắc phục trường có khả năng phân hủy trở thành các yếu tố tự ô nhiễm nhựa trong môi trường. Vi khuẩn đã nhiên và chất hữu cơ có thể bị suy thoái hiếu được sử dụng trong làm sạch dầu tràn, PCBs khí hoặc kỵ khí. Vấn đề phân hủy sinh học nói chung và các kim loại nặng như asen (As), thủy ngân là vật liệu hữu cơ “phục vụ” như là một chất dinh dưỡng (Hg), cadmium (Cd) và chì (Pb) [1] . Phân cho vi sinh vật. hủy sinh học là một thay thế hấp dẫn đối với Vi sinh vật thì rất phong phú, đa dạng và tác dụng thực tiễn hiện nay để xử lý chất thải, vì nó trên một phạm vi rộng lớn của các hợp chất được phân thường là một quá trình rẻ hơn, có khả năng hủy sinh học bao gồm các hydrocarbon (ví dụ dầu hiệu quả hơn và không gây ô nhiễm thứ mỏ), polychlorinated biphenyls (PCBs), hydrocarbon cấp. Trong một số trường hợp, thậm chí nó có polyaromatic (PAHs), các chất dược liệu. Việc sử dụng thể có được sản phẩm cuối cùng hữu ích với vi sinh vật đầu tiên để phân hủy nhựa được biết đến vào các lợi ích kinh tế từ sự trao đổi chất của vi năm 1961, khi sử dụng để mô tả sự phân hủy của vật khuẩn của chất gây ô nhiễm, ví dụ, ethanol để liệu vào các thành phần cơ sở của carbon, hydro và oxy sử dụng trong nhiên liệu sinh học [1]. của các vi sinh vật. Bây giờ phân hủy sinh học thường Nhiều nghiên cứu đã điều tra các phân hủy được kết hợp với các sản phẩm thân thiện với môi của một loạt các polyme. Quan sát thấy rằng trường, là một phần của chu kỳ bẩm sinh của trái đất và trong nhiều trường hợp, polymer có khung có khả năng phân hủy trở thành các yếu tố tự nhiên. cacbon tinh khiết đặc biệt kháng với hầu hết Vào năm 1973 các nhà nghiên cứu đã có được kết các phương pháp suy thoái, nhưng polyme quả đầu tiên về sự thoái hóa khi xử hoạt tính của vi sinh bao gồm các nguyên tử khác trong cấu trúc vật đất. Bây giờ, công nghệ phân hủy sinh học là một (ví dụ, các polyeste, polyamine) cho thấy sự khoa học phát triển cao với các ứng dụng trong sản nhạy cảm cao với suy thoái. PET là một ví dụ phẩm bao bì, sản xuất, y học công nghệ oxo-biodegrad- điển hình của một polymer như vậy. Các ester able, và đã phát triển hơn nữa như sự xuất hiện của nhựa tạo thành một phần của chuỗi polymer bình phân hủy sinh học. Oxo - phân hủy sinh học được xác thường có thể khá dễ dàng bị phá vỡ bởi một định bởi CEN (Tổ chức Tiêu chuẩn châu Âu) là “suy số cơ chế, tuy nhiên, do nhóm thơm của nó, thoái do oxy hóa, đôi khi được mô tả như là “oxo-phân là polymer bản chất không phân hủy trong mảnh” và “oxo-phân hủy” để mô tả các giai đoạn đầu điều kiện bình thường. Trong khi PET poly- tiên hoặc oxy hóa nhưng khả năng phân hủy với tốc độ mer đặc biệt ổn định và bền, đã được chứng rất chậm. Đó là lý do tại sao chất dẻo thông thường, khi minh rằng các cộng đồng vi khuẩn có khả bỏ đi, lại kéo dài với một thời gian mấy thập kỷ trong năng sử dụng diethylene glycol terephthalate môi trường. Giáo sư Steve Howdle cho rằng polymer (DTP) - một tiểu đơn vị của PET, như một phân hủy sinh học là đặc biệt hấp dẫn, nhựa bị xuống cacbon và nguồn năng lượng duy nhất. Điều cấp thành các sản phẩm không độc hại. này cho thấy rằng lý do cho sự ổn định cực Bằng sự kiên trì và hăng say của mình, những năm phát sinh từ trong trạng thái polymer. gần đây, các nhà nghiên cứu đã phân tích từ đất, bùn Những nỗ lực để tăng phân hủy sinh học tại các nhà máy tái chế PET và đã phát hiện ra rằng có của PET đã tập trung vào những thay đổi của một vài loài nấm có tiềm năng phá vỡ PET nhưng cũng polymer để giảm sự gắn kết giữa các phân tử; phải qua một thời gian rất dài, Tuy nhiên, gần đây nhất Các sản phẩm từ nhựa PET không thể phân điều mà các nhà khoa học đã làm cho nhân loại hết sức giải bằng con đường hóa học, còn tái chế thì vui mừng đó là trong năm 2016, một nhóm các nhà vô cùng tốn kém. Do đó phải xử lý chất thải khoa học Nhật Bản từ Viện Công nghệ Kyoto và Đại [34] Tạp chí SỐ 4/2017 Kh-cn nghệ An
NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI học Keio, sau khi thu thập tới 250 mẫu của PET trên hy vọng về xử lý, phân giải nó. Việc phát hiện các mảnh vỡ vụn ở thành phố Sakai đã phát hiện một ra Ideonella sakaiensis 201-F6 có tầm quan loại vi khuẩn mới - Ideonella sakaiensis 201-Fo có khả trọng đặc biệt bởi đây là điều mà nhân loại năng “ăn nhựa”, phân hủy gần như hoàn toàn nhựa PET đang mơ ước vì với sản lượng toàn cầu hàng chỉ trong 06 tuần. Ideconella sakaiensis là vi khuẩn năm của PET là trên 50 triệu tấn mà khi dùng thuộc chi Ideonella trong họ Comamonadaceae, nhuộm xong được thải ra trong môi trường thì đó là gram âm (G - ), là loại vi khuẩn hình que, sống hiếu một thảm họa lớn và tuyệt vời hơn khi với vi khí, không hình thành bào tử, có một tiên mao nên có khuẩn này thì vấn đề môi trường ô nhiễm thể di chuyển, có cytochrome oxidase và catalase. Các nhựa không đáng lo ngại. Và sự phân hủy lipid phân cực chính ở màng là phos- nhanh chóng các phế thải từ nhựa polyethyl- phatidylethanolamine, lyso-phosphatidylethanolamine, ene terephthalate chỉ trong một thời gian mấy phosphatidylglycerol và diphosphatidylglycerol. Hệ tuần nên không phải mòn mỏi chờ đợi đến gen có G + C của ADN là 70,4% mol [8][9]. Phân tích, mấy thế kỷ[5]. Các nhà nghiên cứu cũng hy giải trình tự chuỗi rARN 16S cho thấy chủng 201-F6T vọng rằng, từ chủng vi khuẩn náy sẽ phân tích thuộc chi Ideonella và có liên quan chặt chẽ với ADN và thực hiện công nghệ chuyển gene để Ideonella dechloratans LMG 28178T (97,7%) và mã hóa sản sinh ra thật nhiều enzime mới Ideonella azotifigens JCM 15503T (96,6%). phân giải chất thải nhựa để sử dụng rộng rãi Chủng 201-F6T có thể được phân biệt rõ ràng với trong thực tiễn./. các loài liên quan của chi Ideonella bởi các đặc tính sinh lý, sinh hóa, cũng như vị trí phát sinh loài của nó và liên Tài liệu tham khảo quan ADN. Do đó, chủng này đại diện cho một loài mới 1. Coghlan, Andy, “Bacteria found to eat PET của chi Ideonella, và tên Ideonella sakaiensis 201-F6T plastics could help do the recycling”, New Scientist. được đề xuất [9]. Ideonella sakaiensis 201-F6T sinh Retrieved 2016/03/18. trưởng, phát triển trong môi trường có pH 5.5-9.0 (tối 2. Folarin Okunola, 11/03/2016, Scientists have ưu ở pH 7,0-7.5) và ở nhiệt độ 15-420C (tối ưu ở 30- discovered new plastic-eating bacteria. 370C) [8][5]. Theo tính toán của các nhà nghiên cứu nếu 3. Hayden K. Webb, Jaimys Arnott, Russell J. Crawford and Elena P. Ivanova, 2013, Plastic Degra- bình thường, thời gian để phân hủy hoàn toàn chai nhựa dation and Its Environmental Implications with Special PET phải mất khoảng 450 năm nhưng khi sử dụng Reference to Poly (ethylene terephthalate). chủng vi khuẩn Ideonella sakaiensis 201-F6 thì chỉ 4. Ideonella sakaiensis sp. nov., isolated from a mi- trong 6 tuần, các vật liệu bằng nhựa PET bị phân hủy crobial consortium that degrades poly(ethylene hết ở nhiệt độ bình thường [10][2], mà không cần phải terephthalate). 5. IANS (Mar 12, 2016), Bacteria that eats plastic cung cấp nhiệt độ áp suất cao, đó quả là điều hết sức discovered. diệu kỳ. Nghiên cứu về cơ chế phản ứng phân giải PET 6. Michelle Hampson 9 March 2016, Science: của vi khuẩn Ideonella sakaiensis 201-F6 cho thấy, nó Newly Identified Bacteria Break Down Tough Plastic. chỉ sử dụng hai enzyme để “ăn” PET và phá vỡ nhựa 7. SEAN MARTIN PUBLISHED (Mar 11, 2016), này thành các thành phần đơn giản hơn, thân thiện với Bacteria discovered which biodegrades plastic bottles in just 6 WEEKS. môi trường hơn. Một enzyme được gọi là PETase, nó 8. Somboon Tanasupawat; Toshihiko Takehana; phân giải PET, tạo ra monomer MHET, tiếp đó, enzym Shosuke Yoshida; Kazumi Hiraga; Kohei Oda (1 Au- thứ hai - MHETase phân giải MHET cho sản phẩm cuối gust 2016), “Ideonella sakaiensis sp. nov., isolated cùng là axit terephthalic và ethylene glycol và sản phẩm from a microbial consortium that degrades poly (eth- này vô hại với môi trường[10]. lyene terephthalate)”. 9. Tanasupawat S, Takehana T, Yoshida S, Hiraga Như vậy, sau nhiều năm làm việc với các vi khuẩn K, Oda K. (2016 Apr). và chất dẻo, các nhà khoa học xác định được một chủng 10. Yoshida S, Hiraga K, Takehana et al. (10-3- vi khuẩn mới - vi khuẩn Ideonella sakaiensis 201-F6, 2016), A bacterium that degrades and assimilates có khả năng phân hủy polyethylene terephthalate, loại poly(ethylene terephthalate. thường được sử dụng rất nhiều trong sản xuất chai lọ, 11. Wyeth, Nathaniel C. “Biaxially Oriented Poly(ethylene terephthalate) Bottle” US patent bao bì và quần áo và vô số các vật dụng khác nhưng 3733309, Issued May 1973. thuộc loại ”cứng đầu” khiến nhiều người lâu nay mất SỐ 4/2017 Tạp chí [35] Kh-cn nghệ An