Polystyrene, thường được gọi là xốp, là một loại vật liệu nhựa được sử dụng rộng rãi trong thực phẩm, đồ điện tử và bao bì công nghiệp. Nó khó phân hủy và do đó bền. Các phương pháp tái chế truyền thống - như xử lý hóa học và nhiệt - rất tốn kém và có thể tạo ra chất gây ô nhiễm. Đây là một trong những lý do nhóm của nhà khoa học cao cấp Fathiya Khamis thuộc Trung tâm Sinh lý và Sinh thái Côn trùng Quốc tế muốn khám phá các phương pháp sinh học để xử lý loại chất thải dai dẳng này.

Nhóm đã phát hiện ra rằng ấu trùng của sâu bột nhỏ Kenya có thể nhai polystyrene và chứa vi khuẩn trong ruột giúp phân hủy vật liệu này. Sâu bột nhỏ là dạng ấu trùng của bọ cánh cứng Alphitobius darkling. Giai đoạn ấu trùng kéo dài từ 8 đến 10 tuần. Sâu bột nhỏ thường được tìm thấy trong các chuồng nuôi gia cầm ấm áp và có thể cung cấp nguồn thức ăn liên tục - điều kiện lý tưởng để chúng phát triển và sinh sản.

Mặc dù sâu bột nhỏ được cho là có nguồn gốc từ châu Phi, ta vẫn có thể được tìm thấy ở nhiều quốc gia trên thế giới. Tuy nhiên, loài mà nhóm của Khamis xác định trong nghiên cứu của mình có thể là một phân loài của chi Alphitobius. Họ đang tiến hành điều tra thêm để xác nhận khả năng này. Nghiên cứu của nhóm cũng kiểm tra vi khuẩn đường ruột của côn trùng để xác định các cộng đồng vi khuẩn có thể hỗ trợ quá trình phân hủy nhựa hay không.

Mức độ ô nhiễm nhựa đang ở mức cực kỳ cao ở một số quốc gia châu Phi. Mặc dù rác thải nhựa là vấn đề môi trường lớn trên toàn cầu, châu Phi vẫn phải đối mặt với một thách thức đặc biệt do lượng nhập khẩu các sản phẩm nhựa cao, tỷ lệ tái sử dụng thấp và thiếu tái chế các sản phẩm này.

Bằng cách nghiên cứu những "kẻ ăn nhựa" tự nhiên này, nhóm hy vọng sẽ tạo ra các công cụ mới giúp loại bỏ rác thải nhựa nhanh hơn và hiệu quả hơn. Thay vì thả một số lượng lớn các loài côn trùng này vào bãi rác (điều không thực tế), chúng ta có thể sử dụng các vi khuẩn và enzyme mà chúng tạo ra trong các nhà máy, bãi chôn lấp và bãi dọn dẹp. Điều này giúp rác thải nhựa có thể được xử lý theo cách dễ dàng hơn ở quy mô lớn.

Những phát hiện quan trọng

Nhóm của Khamis đã tiến hành một thử nghiệm kéo dài hơn một tháng. Ấu trùng được cho ăn riêng polystyrene, riêng cám (một loại thực phẩm giàu dinh dưỡng) hoặc kết hợp polystyrene và cám.

Họ thấy rằng sâu bột ăn chế độ ăn có polystyrene-cám sống sót với tỷ lệ cao hơn so với những con chỉ ăn polystyrene. Họ cũng thấy rằng sâu bột được ăn hỗn hợp hóa ra lại tiêu thụ polystyrene hiệu quả hơn so với những con chỉ ăn chế độ ăn mỗi polystyrene. Sâu bột ăn chế độ ăn polystyrene-cám có thể phân hủy khoảng 11,7% tổng lượng polystyrene trong thời gian thử nghiệm.

Mặc dù chế độ ăn chỉ có polystyrene giúp sâu bột sống sót, nhưng chúng không có đủ dinh dưỡng để phân hủy polystyrene hiệu quả. Phát hiện này củng cố tầm quan trọng của chế độ ăn cân bằng để côn trùng tiêu thụ và phân hủy nhựa một cách tối ưu. Côn trùng có thể ăn polystyrene vì nó chủ yếu bao gồm carbon và hydro, có thể cung cấp cho chúng nguồn năng lượng.

Tìm hiểu về vi khuẩn đường ruột trong sâu

Phân tích ruột sâu bột cho thấy sự thay đổi đáng kể trong thành phần vi khuẩn tùy thuộc vào chế độ ăn. Việc hiểu những thay đổi này trong thành phần vi khuẩn là rất quan trọng vì nó cho thấy vi khuẩn nào tham gia tích cực vào quá trình phân hủy nhựa. Điều này sẽ giúp chúng ta phân lập được vi khuẩn và enzyme cụ thể có thể được sử dụng cho các nỗ lực phân hủy nhựa.

Ruột của ấu trùng ăn polystyrene được phát hiện có chứa hàm lượng Proteobacteria và Firmicutes cao hơn, đây là loại vi khuẩn có thể thích nghi với nhiều môi trường khác nhau và phân hủy nhiều loại chất phức tạp. Các loại vi khuẩn như Kluyvera, Lactococcus, Citrobacter và Klebsiella cũng đặc biệt phong phú và được biết là sản xuất ra các enzyme có khả năng tiêu hóa nhựa tổng hợp. Các loại vi khuẩn này sẽ không gây hại cho côn trùng hoặc môi trường khi sử dụng ở quy mô lớn.

Sự phong phú của vi khuẩn cho thấy chúng đóng vai trò quan trọng trong việc phân hủy nhựa. Điều này có thể có nghĩa là sâu bột không có khả năng ăn nhựa một cách tự nhiên. Thay vào đó, khi chúng bắt đầu ăn nhựa, vi khuẩn trong ruột của chúng có thể tác động để giúp phân hủy nhựa. Do đó, các vi khuẩn trong dạ dày của sâu bột có thể thích nghi với chế độ ăn bất thường, như nhựa.

Những phát hiện này ủng hộ giả thuyết của Khamis và đồng nghiệp rằng ruột của một số loài côn trùng có thể cho phép phân hủy nhựa. Nói cách khác, có thể là do vi khuẩn trong ruột của chúng có thể sản xuất ra các enzyme phân hủy polyme nhựa.

Phát hiện này làm tăng khả năng phân lập các loại vi khuẩn này và các enzyme được tạo ra để tạo ra các giải pháp vi sinh giúp xử lý rác thải nhựa trên quy mô lớn hơn.

Bước tiếp theo là gì?

Một số loài côn trùng, chẳng hạn như sâu bột vàng (Tenebrio molitor) và sâu siêu nhỏ (Zophobas morio), đã chứng minh được khả năng tiêu thụ nhựa. Chúng có thể phân hủy các vật liệu như polystyrene với sự trợ giúp của vi khuẩn trong ruột.

Nghiên cứu của nhóm Khamis tập trung vào các loài côn trùng bản địa ở châu Phi, chưa được nghiên cứu sâu rộng trong bối cảnh phân hủy nhựa. Trọng tâm khu vực này rất quan trọng vì côn trùng và điều kiện môi trường ở châu Phi có thể khác với các khu vực khác trên thế giới, có khả năng cung cấp những hiểu biết mới và các giải pháp thực tế cho tình trạng ô nhiễm nhựa ở các khu vực châu Phi.

Khả năng tiêu thụ polystyrene của sâu bột nhỏ Kenya cho thấy rằng chúng có thể đóng vai trò trong việc giảm thiểu chất thải tự nhiên, đặc biệt là đối với các loại nhựa không thể tái chế theo phương pháp thông thường.

Các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc phân lập và xác định các chủng vi khuẩn cụ thể liên quan đến quá trình phân hủy polystyrene và kiểm tra các enzyme của chúng.

Nhóm của Khamis hy vọng tìm ra được đáp án cho câu hỏi liệu các enzyme có thể được sản xuất ở quy mô lớn để tái chế chất thải hay không. Ngoài ra, nhóm có thể kiểm tra tính linh hoạt của loài côn trùng này cho các ứng dụng xử lý chất thải rộng hơn, tức là kiểm tra xem chúng có tác dụng với các loại nhựa khác hay không.

Việc mở rộng quy mô sử dụng sâu bột nhỏ hơn để phân hủy nhựa cũng sẽ đòi hỏi các chiến lược đảm bảo sức khỏe của côn trùng trong quá trình tiêu thụ nhựa kéo dài, cũng như đánh giá tính an toàn của sinh khối côn trùng thu được để làm thức ăn cho động vật.

Anh Tú