Các nhà giả kim thuật cổ đại đã mơ ước biến các vật liệu cơ bản như chì thành vàng và các mặt hàng có giá trị khác. Mặc dù những nỗ lực như vậy nhìn chung là không có hiệu quả, các nhà nghiên cứu ngày nay đang gặt hái được một số thành công trong việc chiết xuất nhiều loại sản phẩm hữu ích như nhiên liệu hàng không, chất bôi trơn, dung môi, phụ gia thực phẩm và nhựa từ chất thải hữu cơ.

Bí quyết được thực hiện với sự hỗ trợ của các vi khuẩn chuyên biệt, chúng có các hoạt động trao đổi chất có thể chuyển hóa các chất hóa học đơn giản hơn thành các sản phẩm hữu ích thông qua quá trình phát triển của vi sinh vật được gọi là kéo dài chuỗi.

Anca Delgado, một nhà nghiên cứu tại Trung tâm Công nghệ Sinh học Môi trường Biodesign Swette tại Đại học Bang Arizona, đã khám phá hiện tượng này. Trong một nghiên cứu mới, lần đầu tiên bà mô tả quá trình kéo dài chuỗi được thực hiện bởi vi sinh vật trong điều kiện bình thường trong đất như thế nào.
 
Công trình này hứa hẹn sẽ làm sáng tỏ những quy trình chưa được hiểu rõ trong tự nhiên này, cho phép các nhà nghiên cứu tận dụng chúng tốt hơn để chuyển đổi các nguồn hữu cơ như chất thải thực phẩm thành các sản phẩm có giá trị. Những kỹ thuật như vậy mang lại lợi ích kép cho xã hội, giúp giảm thiểu hoặc loại bỏ chất thải / chất gây ô nhiễm môi trường trong khi sản xuất chất hóa sinh hoặc nhiên liệu sinh học và các nguồn tài nguyên quan trọng khác, thông qua Hóa học xanh. Công trình này cũng sẽ giúp các nhà nghiên cứu mở rộng kiến ​​thức về sinh thái vi sinh vật.
 
Delgado cho biết: “Chúng tôi quan sát thấy rằng các loại đất khác nhau được lấy mẫu từ 1,5 m trở xuống dưới bề mặt đất có khả năng hoạt động dễ dàng cho sự kéo dài chuỗi của axetat và etanol. Khi được cho ăn axetat và etanol, các vi sinh vật trong đất tạo ra butyrat và hexanoat chỉ trong vài ngày và sự kéo dài chuỗi trở thành quá trình chuyển hóa chính xảy ra trong các mẫu này."
 
Delgado có sự tham gia của các đồng nghiệp ASU Sayalee Joshi, Aide Robles và Samuel Aguiar. Kết quả nghiên cứu của họ xuất hiện trên tạp chí của Hiệp hội Sinh thái Vi sinh vật Quốc tế (ISME).
 
Năng lượng từ chất thải
 
Ý tưởng chuyển đổi các dòng cặn hữu cơ như chất thải thực phẩm thành nhiên liệu và các hợp chất hữu ích đã và đang ngày càng có cơ sở, được thúc đẩy bởi các công nghệ tiên tiến cũng như nhu cầu ngày càng tăng nhanh trên toàn cầu về các nguồn năng lượng sạch và giảm ô nhiễm. Các quá trình như vậy có thể giúp xã hội hình thành cái gọi là nền kinh tế vòng tròn, trong đó các dòng chất thải không mong muốn liên tục được chuyển đổi thành các nguồn năng lượng và hàng hóa hữu ích khác. Nguồn chất thải hữu cơ có tiềm năng to lớn như một nguồn tài nguyên thay thế để sản xuất nhiên liệu và hóa chất có giá trị cao vì chúng có thể tái tạo và vì chúng không cạnh tranh với chuỗi thức ăn của con người (như một số nhiên liệu sinh học hiện có như ethanol ngô).

Chất thải thực phẩm được thải ra từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm các ngành công nghiệp chế biến thực phẩm, hộ gia đình và lĩnh vực khách sạn. Theo tổ chức Lương thực và Nông nghiệp của Liên hợp quốc, 1,3 tỷ tấn lương thực bị thất thoát vào chuỗi thức ăn và số lượng này đang tăng lên nhanh chóng.
 
Từ mối đe dọa môi trường đến cơ hội tiềm năng
 
Bên cạnh việc lãng phí lương thực và tài nguyên đất, rác thải thực phẩm góp phần vào việc tạo ra gánh nặng lớn cho môi trường về lượng khí thải carbon, làm tăng lượng khí thải nhà kính và giải phóng khoảng 3,3 tỷ tấn CO₂ vào khí quyển mỗi năm. Các nhà nghiên cứu hy vọng sẽ chuyển đổi những chất cặn bã thải này thành các sản phẩm hữu ích và thanh lọc chúng một cách hiệu quả.
 
Một trong những phương tiện sáng tạo và thân thiện với môi trường nhất để xử lý tất cả chất thải hữu cơ này là thông qua quá trình phân hủy kỵ khí, phương pháp này cũng hứa hẹn mở rộng nguồn cung cấp năng lượng cho thế giới. Một công nghệ mới nổi đầy hứa hẹn sử dụng quá trình phân hủy kỵ khí được gọi là kéo dài chuỗi vi sinh vật, một quá trình trao đổi chất được sử dụng bởi các vi sinh vật kỵ khí để phát triển và thu nhận năng lượng. Họ làm điều này bằng cách kết hợp các hóa chất cacboxylat như axetat (C2), với các hợp chất khử nhiều hơn, chẳng hạn như etanol (C2), để tạo ra cacboxylat chuỗi dài hơn (thường là C4-C8).
 
Quá trình công nghệ sinh học này chuyển đổi các axit béo dễ bay hơi (VFA) và chất cho điện tử, điển hình là etanol, thành các axit béo chuỗi trung bình có giá trị hơn (MCFAs), là tiền chất cần thiết để sản xuất nhiên liệu sinh học và các hóa chất hữu ích khác. Nguồn chất thải ban đầu được xử lý thông qua kéo dài chuỗi, bao gồm việc bổ sung theo chu kỳ các đơn vị cacbon, do đó chuyển đổi chất thải rắn đô thị, chất thải nông nghiệp, khí tổng hợp, v.v., thành các cacboxylat chuỗi trung bình, có giá trị cao như hexanoat (C6) và octanoat (C8).
 
Kết quả cho thấy tiềm năng cho các hoạt động kéo dài chuỗi liên quan đến axetat và etanol, là những chất chuyển hóa điển hình được tìm thấy trong đất do kết quả của quá trình lên men hợp chất hữu cơ. Nghiên cứu đo tỷ lệ làm giàu cao ở các vi sinh vật tương tự như C. kluyveri trong các điều kiện kéo dài chuỗi, chúng thay đổi theo loại đất.
 
Như Delgado lưu ý, "Về mặt cơ bản, kết quả từ nghiên cứu này đang mở đường cho các cuộc điều tra về hoạt động kéo dài chuỗi tại chỗ. Về mặt công nghệ sinh học, công trình này cho thấy rằng đất có thể là nguồn vi sinh vật kéo dài chuỗi tuyệt vời cho các lò phản ứng sinh học tập trung vào sản xuất các hóa chất đặc biệt, như hexanoat và octanoat. "

Link: https://phys.org/news/2021-02-wealth-harvesting-products-microbial-growth.html