Một nhóm từ Đại học Trung Quốc Hồng Kông gần đây đã trình diễn một loại vật liệu nhựa mới có đặc tính "sống": trong những điều kiện nhất định, nó có thể tự phân hủy trong vòng vài ngày đến hai tuần mà không để lại bất kỳ dư lượng vi nhựa nào. Bằng cách nhúng trực tiếp các vi sinh vật "ăn nhựa" vào nhựa, các nhà nghiên cứu có thể cho phép các vật liệu gần như khó phân hủy được "kích hoạt" chính xác vào cuối vòng đời của chúng để đạt được sự phân hủy nhanh chóng và hoàn toàn.
Theo truyền thống, một khi nhựa đi vào môi trường, có thể mất tới hàng nghìn năm để phân hủy. Ngay cả những vật liệu đóng gói được sử dụng trong thời gian ngắn cũng sẽ tồn tại dưới dạng vi nhựa trong một thời gian dài, gây ra những rủi ro tích lũy cho hệ sinh thái và sức khỏe con người. Ngược lại, các vật liệu dựa trên sinh học và các mô sinh học cuối cùng sẽ phân hủy và phân hủy. “Tính tất yếu” này đã trở thành nguồn cảm hứng cho nghiên cứu này: Nếu nhựa được thiết kế theo “cơ chế chết” giống như sinh vật sống, liệu quy mô thời gian ô nhiễm nhựa có thể thay đổi từ nguồn không?
Dự án được dẫn dắt bởi các nhà khoa học đến từ Đại học Trung Hoa Hồng Kông. Họ đã phát triển một loại "nhựa sống". Phương pháp cốt lõi là nhúng các bào tử vi khuẩn được thiết kế vào một nền nhựa. Những vi sinh vật này không hoạt động trong quá trình sử dụng hàng ngày và sẽ không ảnh hưởng đến hiệu suất của vật liệu; Khi các nhà nghiên cứu thêm dung dịch dinh dưỡng ở nhiệt độ cụ thể, vi khuẩn được đánh thức và bắt đầu tiết ra enzyme phân hủy nhựa, “tự hủy” cấu trúc vật liệu từ bên trong.
Vật liệu cơ bản được nhóm nghiên cứu lựa chọn là polycaprolactone (PCL), đây là một loại nhựa vốn có khả năng phân hủy. Trước đây, đã có những nghiên cứu liên quan đến việc sử dụng enzym vi sinh vật để phân hủy nó. Điểm khác biệt là công việc này không tách các vi sinh vật ra khỏi nhựa mà tích hợp cả hai thành một tổng thể, để vật liệu này được “lắp sẵn” hệ thống phân hủy của chính nó khi bắt đầu sản xuất.
Trong lộ trình kỹ thuật cụ thể, các nhà khoa học đã chọn Bacillus subtilis (Bacillus subtilis) và thiết kế nó để nó có thể sản xuất enzyme phân hủy polyme trong điều kiện thích hợp một cách hiệu quả. Không giống như các nghiên cứu trước đây dựa vào hệ thống enzyme duy nhất, công trình này đã thiết kế hai enzyme hợp tác với nhau: một loại enzyme chịu trách nhiệm “cắt” các polyme chuỗi dài ở nhiều nơi, nhanh chóng làm suy yếu bộ xương nhựa; loại enzyme còn lại tiếp tục phân hủy các mảnh này thành các phân tử nhỏ hơn để vi sinh vật sử dụng và xử lý tiếp.
Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống enzyme kép này hiệu quả hơn giải pháp enzyme đơn truyền thống và có thể phân hủy gần như hoàn toàn ma trận PCL trong vòng sáu ngày. Đồng thời, do vi sinh vật được bao bọc trong màng nhựa dưới dạng bào tử nên tính chất cơ học của vật liệu này gần giống với màng PCL thông thường mà vẫn có thể đáp ứng được nhu cầu về độ dẻo và độ bền trong quá trình sử dụng.
Cần nhấn mạnh rằng loại "nhựa sống" này sẽ không tự hủy đột ngột mà không có lý do, và sự phân hủy của nó đòi hỏi các điều kiện kích hoạt cụ thể. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng dung dịch nuôi cấy dinh dưỡng được đun nóng đến khoảng 50 độ C làm môi trường kích hoạt. Khi dung dịch nuôi cấy tiếp xúc với vật liệu, các bào tử không hoạt động sẽ được kích hoạt, ngay lập tức bắt đầu tiết ra enzyme và quá trình phân hủy nhựa.
Để xác minh tính khả thi của ứng dụng thực tế, nhóm đã sử dụng vật liệu này để chế tạo một thiết bị điện cực có thể đeo được và thêm môi trường nuôi cấy kích hoạt vào thí nghiệm để quan sát quá trình phân hủy hoàn toàn của nó. Kết quả cho thấy, “điện cực sống” về cơ bản bị phân hủy hoàn toàn trong vòng hai tuần, trong khi điện cực làm bằng nhựa thương mại ở nhóm đối chứng vẫn gần như nguyên vẹn trong cùng điều kiện, làm nổi bật ưu điểm của vật liệu mới về tốc độ phân hủy và độ kỹ lưỡng.
Các nhà nghiên cứu cũng thừa nhận công nghệ này vẫn còn những hạn chế. Trước hết, nó chỉ được xác minh trong các hệ thống PCL vốn có khả năng phân hủy. Trong tương lai, sẽ cần phải điều chỉnh vật liệu và phát triển quy trình hơn nữa để quảng bá vật liệu này sang các loại nhựa phổ biến hơn (đặc biệt là nhựa dùng một lần). Thứ hai, giống như hầu hết các loại nhựa “phân hủy sinh học”, hiệu ứng phân hủy phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện môi trường. Trong trường hợp không có môi trường kích hoạt cụ thể hoặc cộng đồng vi sinh vật phù hợp, vật liệu này vẫn có thể hoạt động gần giống với nhựa thông thường trong môi trường tự nhiên.
Tuy nhiên, chất nền PCL được biết là có khả năng phân hủy sinh học trong môi trường đất hoặc phân trộn có chứa các vi sinh vật phân hủy nhựa tự nhiên, điều này làm giảm bớt lo ngại rằng "điều kiện kích hoạt quá khắc nghiệt" ở một mức độ nhất định. Mặc dù vậy, nhóm nghiên cứu vẫn hy vọng sẽ phát triển hơn nữa các phương pháp kích hoạt phổ quát hơn, chẳng hạn như sử dụng các điều kiện trong môi trường nước để kích hoạt vật liệu, vì cuối cùng một lượng lớn nhựa sẽ chảy ra sông và đại dương. Chỉ khi chúng có thể được kích hoạt và phân hủy một cách hiệu quả trong các vùng nước thì tình trạng ô nhiễm nhựa ở biển mới có thể giảm bớt đáng kể.
Trong tương lai, các nhà khoa học có kế hoạch mở rộng loại chiến lược "vi sinh vật cấy ghép + hệ thống enzyme kép" này sang nhiều loại nhựa hơn, đặc biệt là những loại nhựa thông thường được sử dụng rộng rãi trong bao bì và đồ dùng một lần. Nếu ý tưởng này trưởng thành và được áp dụng trên quy mô lớn, logic thiết kế của các sản phẩm nhựa dự kiến sẽ chuyển từ "chỉ xem xét hiệu suất" sang "xây dựng vào cuối vòng đời ngay từ đầu", mang đến điểm khởi đầu công nghệ mới cho việc kiểm soát ô nhiễm nhựa toàn cầu ở cấp độ vật chất.
Hiện tại, nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí "Vật liệu polymer ứng dụng", đồng thời nhiều chi tiết và dữ liệu thử nghiệm khác được Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ công bố công khai. Khi cộng đồng quốc tế tiếp tục tìm kiếm con đường "giảm thiểu nhựa" và "không có nhựa", loại "nhựa sống" có thể tự hủy theo yêu cầu này mang đến một hướng đi mới đầy sáng tạo và khả thi về mặt kỹ thuật để rút ngắn tuổi thọ sinh thái của nhựa mà không phải hy sinh sự tiện lợi.