Ô nhiễm rác thải nhựa hiện là một trong những thách thức môi trường dai dẳng nhất toàn cầu. Lượng lớn rác thải nhựa tích tụ ngoài đại dương, tạo thành các bãi rác khổng lồ đe dọa sinh vật biển. Đa số các loại nhựa thông thường phân hủy rất chậm do vi sinh vật khó tiêu hóa các polymer tổng hợp cấu tạo nên chúng. Thay vì biến mất hoàn toàn, các vật liệu này dần vỡ vụn thành các hạt vi nhựa và nhựa nano.
Dù vậy, rác thải nhựa không nằm ngoài tầm tác động của tự nhiên. Vi khuẩn và các vi sinh vật khác có thể cư trú trên bề mặt rác thải, tạo thành các màng sinh học (biofilm) và hình thành nên một hệ sinh thái vi sinh vật đặc thù được giới khoa học gọi là "plastisphere".
Nghiên cứu mới đây của các nhà sinh học tại Đại học Konstanz, công bố trên tạp chí The ISME Journal, đã xác định được một enzym khác thường cho thấy khả năng thích nghi của vi khuẩn trong việc xử lý rác thải nhựa, cùng mối liên hệ bất ngờ về mặt cấu trúc với enzym kháng kháng sinh.
Nhựa sinh học phân hủy hoàn toàn trong khoảng một năm
Để tìm hiểu cơ chế vi sinh vật phân giải nhựa tự hủy, nhóm nghiên cứu do hai nhà sinh học Harry Lerner và David Schleheck dẫn đầu đã theo dõi toàn bộ chu trình phân hủy sinh học, kết hợp phân tích metagenome (hệ gen tổng số của quần xã vi sinh vật) để tìm kiếm các gen mã hóa enzym phân cắt polymer.
Đối tượng thử nghiệm là polyester béo mạch dài (LCAP) – một loại nhựa sinh học do nhóm nghiên cứu của nhà hóa học Stefan Mecking phát triển. Khác với cấu trúc khó bị phá vỡ của nhựa thông thường, LCAP chứa các liên kết hóa học mà vi sinh vật có thể bẻ gãy.
Nhóm nghiên cứu đã chôn các màng nhựa LCAP ở độ sâu khoảng 10 cm trong lớp mùn rừng tại vườn thực vật của trường. Đây là khu vực vi sinh vật thường xuyên phân hủy cellulose và các polyester tự nhiên như cutin (lớp phủ bảo vệ bề mặt thực vật). Song song đó, các thí nghiệm kiểm soát trong phòng thí nghiệm cũng được thực hiện trên mẫu đất tương tự, theo dõi lượng khí carbon dioxide ($CO_2$) thoát ra từ quá trình hô hấp của vi sinh vật để đo lường mức độ phân hủy.
Các mẫu đối chứng bao gồm cellulose, các loại nhựa sinh học khác (PHBV, PCL), nhựa thông thường polyethylene mật độ cao (HDPE) và đất tự nhiên không pha trộn. Kết quả ghi nhận:
- Cellulose: Phân hủy sau khoảng 80 ngày.
- Các loại nhựa sinh học (gồm LCAP, PHBV, PCL): Phân hủy hoàn toàn trong khoảng 250 đến 330 ngày (tương đương 9 đến 11 tháng).
- Nhựa thông thường (HDPE): Hầu như không có dấu hiệu phân hủy sau một năm.
Dấu vết kính hiển vi và cơ chế của enzym “Pac-Man”
Khi thu hồi các tấm màng nhựa sinh học từ đất rừng, nhóm nghiên cứu quan sát bề mặt vật liệu dưới kính hiển vi điện tử và phát hiện nhiều lỗ rỗng siêu nhỏ, kích thước và hình dáng tương đồng với kích thước của một tế bào vi khuẩn.
Nhà nghiên cứu Harry Lerner giải thích rằng các vi khuẩn có thể được bao phủ bởi các enzym phân giải polymer (plastic-depolymerases) neo chặt ngay trên bề mặt màng tế bào. Cơ chế này cho phép vi khuẩn tự mở đường và ăn sâu vào trong lòng vật liệu thay vì chỉ tiết enzym ra môi trường xung quanh, để lại các hốc vi mô tương ứng.
Phân tích dữ liệu giải trình tự DNA từ quần xã vi sinh vật đất, nhóm nghiên cứu tìm thấy một gen làm giàu mạnh mẽ tại các mẫu đất chứa LCAP. Gen này mã hóa một esterase (enzym có khả năng cắt đứt các liên kết este).
Enzym này có tín hiệu tiết định hướng ra ngoài màng tế bào cùng một mỏ neo lipid bám chặt vào màng. Đặc biệt, trung tâm hoạt động (active site) của enzym mở rộng khác thường, tạo khoảng trống lớn để tiếp xúc và xử lý các chuỗi polymer. Do đặc điểm cấu trúc phân tử này, nhóm nghiên cứu đặt biệt danh cho nó là enzym “Pac-Man”.
Khả năng kép: Cắt chuỗi polyester và phân giải penicillin
Bên cạnh khả năng phân giải este, cấu trúc phân tử của enzym “Pac-Man” còn có điểm tương đồng với beta-lactamase là họ enzym phổ biến ở vi khuẩn kháng thuốc nhờ khả năng phá vỡ vòng beta-lactam của kháng sinh.
Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm xác nhận enzym này sở hữu hoạt tính xúc tác kép: Phân cắt các chuỗi polyester thành các monomer riêng lẻ; và cắt mở cấu trúc của kháng sinh penicillin.
Sự trùng hợp này cho thấy một số enzym tham gia vào quá trình phân hủy nhựa trong tự nhiên có thể mang đặc điểm liên quan đến cơ chế kháng kháng sinh. Tuy nhiên, các nhà khoa học lưu ý rằng việc enzym phân giải được penicillin trong điều kiện phòng thí nghiệm chưa đồng nghĩa với việc nó trực tiếp mang lại khả năng kháng thuốc cho vi khuẩn sống.
Định hướng tương lai: Nhựa cần có "điểm yếu" sinh hóa
Sự xuất hiện của enzym “Pac-Man” chứng minh vi sinh vật có thể thích nghi với các nguồn carbon mới nhanh hơn so với nhận định trước đây. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu nhấn mạnh rằng vi khuẩn không thể tự giải quyết lượng rác thải nhựa truyền thống khổng lồ ngoài môi trường nếu các vật liệu này không có liên kết hóa học mà enzym có thể tấn công (như trường hợp của HDPE).
Nhà nghiên cứu David Schleheck cho biết, để tận dụng năng lực của hệ vi sinh vật trong việc giảm thiểu ô nhiễm nhựa, giải pháp cốt lõi là con người cần chủ động thiết kế các loại vật liệu có các "điểm bẻ gãy" sinh hóa, chẳng hạn như các liên kết este có thể thủy phân, giúp vi sinh vật có thể chuyển hóa và phân hủy trong tự nhiên.
