Mới đây Viện Hàn lâm KHCNVN được Cục Sở hữu trí tuệ  cấp 3 Bằng Độc quyền sáng chế về các chế phẩm sinh học phân hủy màng polymer, plastic (chất dẻo) có nguồn gốc khác nhau. Kết quả này đã cho thấy được tâm huyết và nỗ lực không ngừng của các nhà khoa học Viện Hàn lâm KHCNVN trong hoạt động giải quyết các vấn đề nóng bỏng của xã hội hiện nay, đặc biệt là ô nhiễm môi trường. Kết quả là sự phối hợp nghiên cứu của các nhà khoa học đến từ ba đơn vị trực thuộc Viện Hàn lâm KHCNVN (gồm Viện Công nghệ sinh học, Viện Kỹ thuật nhiệt đới và Trung tâm nghiên cứu và chuyển giao công nghệ) cùng thực hiện đề tài: “Đánh giá khả năng phân hủy của các polymer phân hủy sinh học hiện có ở Việt Nam trong các điều kiện môi trường xử lý khác nhau”. Đề tài do PGS.TS. Đặng Thị Cẩm Hà, Viện Công nghệ sinh học làm chủ nhiệm và được thực hiện từ năm 2016-2017.

Ô nhiễm rác thải polymer, plastic (chất dẻo) có liên quan đến nhu cầu tiêu thụ, sử dụng chúng ở các quốc gia, châu lục và trên toàn thế giới. Dầu thô, than đá, khí tự nhiên đã là nguồn nguyên liệu cơ bản để chế tạo polyme, chất dẻo. Chất dẻo do con người tạo ra có thành phần bao gồm carbon, hydro, silicon, oxy, clorua và nitơ. Theo các số liệu thống kê năm 2015, mức tiêu thụ polymer, chất dẻo trung bình trên đầu người của thế giới là gần 79 kg/năm và polyetylen được tiêu thụ nhiều nhất, chiếm tới 38%,tương đương với 76 triệu tấn/năm. Ở Việt Nam, mức tiêu thụ polymer, chất dẻo trung bình khoảng 40 kg/người và lĩnh vực tiêu thụ polymer, chất dẻo lớn nhất là bao bì với 37,4%. Chất dẻo có nguồn gốc dầu mỏ rất bền vững theo thời gian. Đó là polyetylen (LDPE, MDPE, HDPE và LLDPE), polypropylen (PP), polystyren (PS), polyvinyl clorit (PVC), polyuretan (PU), polyetylen terephthalat (PET), polybutylen terephthalat (PBT), nilon v.v. Gần đây, một số polymer, chất dẻo đã được sản xuất từ sinh khối và là vật liệu có khả năng phân hủy sinh học.

Nhiều năm qua, GS.VS. Nguyễn Văn Hiệu, Chủ tịch Hội đồng Khoa học ngành Khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm KHCNVN luôn đau đáu và trăn trở về vấn đề xử lý rác thải sinh họạt nói chung và rác thải nhựa nói riêng. GS mong muốn các cán bộ với các chuyên ngành khác nhau có kiến thức chuyên môn sâu, nhiều kinh nghiệm, nhiệt tình thuộc các đơn vị nghiên cứu – triển khai thuộcViện Hàn lâm KHCNVN phối hợp cùng giải quyết vấn đề ô nhiễm rác thải nhựa, một bài toán rất khó hiện nay. 

Năm 2016, Chủ tịch Viện Hàn lâm KHCN Việt Nam đã giao nhiệm vụ “Đánh giá khả năng phân hủy của các polymer phân hủy sinh học hiện có ở Việt Nam trong các điều kiện môi trường xử lý khác nhau” cho Viện Công nghệ Sinh học chủ trì và PGS TS Đặng Thị Cẩm Hà làm Chủ nhiệm đề tài.  Đề tài còn có sự phối hợp thực hiện của các nhà khoa học của Viện Kỹ thuật nhiệt đới và Trung tâm nghiên cứu và chuyển giao công nghệ. Với các trang thiết bị nghiên cứu hiện đại thuộc các lĩnh vực sinh học, công nghệ sinh học, công nghệ hóa học, hóa học polymer, hóa học môi trường v.v. của ba đơn vị nghiên cứu trên, cộng với sự nỗ lực không ngừng của tập thể các nhà khoa học, sau hai năm khẩn trương thực hiện, đề tài đã hoàn thành và được Hội đồng nghiệm thu cấp Viện Hàn lâm KHCNVN nghiệm thu và đánh giá xếp loại “Xuất sắc”. Vào đầu tháng 6 năm 2019, đề tài được nhận ba Bằng Độc quyền sáng chế do Cục Sở hữu trí tuệ cấp.

Đề tài được thực hiện với mục tiêu chính là nhằm đánh giá được khả năng phân hủy sinh học của các polymer, chất dẻo do Viện Hóa học - Viện Hàn lâm KHCN Việt Nam cung cấp và các loại túi polymer, chất dẻo đang được sử dụng ở Việt Nam và được quảng cáo là tự phân hủy sinh học trong các điều kiện và các tác nhân khác nhau (tác nhân vật lý, tác nhân sinh học, điều kiện tự nhiên, các quy trình ủ compost và chuyển hóa bằng các công nghệ kỵ khí hay hỗn hợp của hiếu khí và kỵ khí).

Các nguyên liệu được sử dụng trong nghiên cứu là các túi polymer, chất dẻo của Hà Lan (HL) và CHLB Đức được cấp chứng chỉ phân hủy sinh học và có khả năng ủ compost; túi polymer, chất dẻo từ đề tài nghiên cứu của Viện Hóa học - Viện Hàn lâm KHCN Việt Nam (VHL); túi từ siêu thị được cấp chứng chỉ thân thiện môi trường được sản xuất bằng công nghệ nhập khẩu (VN1, VN2,VN3, VN5) và túi polymer có nguồn gốc dầu mỏ được dùng hàng ngày tại Việt Nam (VN4).

Ảnh: Các loại túi polymer, chất dẻo sử dụng trong nghiên cứu

Để đưa ra được các kết quả chính xác trong việc đánh giá khả năng phân hủy của các polymer phân hủy sinh học trong điều kiện môi trường xử lý khác nhau, cụ thể là ở Việt Nam, các nhà khoa học đã phải sử dụng nhiều phương pháp và kỹ thuật nghiên cứu khác nhau trong đó nổi bật gồm: Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) cho phép xác định các nhóm chức, sự tương tác giữa các thành phần có trong túi polymer, chất dẻo, các nhóm chức mới xuất hiện khi túi polymer, chất dẻo bị phân hủy bởi các tác nhân khác nhau; Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) đánh giá hình thái cấu trúc bề mặt của một số túi polymer, chất dẻo. Phương pháp xác định thay đổi màu sắc bề mặt mẫu; Phương pháp xác định các tính chất cơ học như độ bền kéo đứt, độ dãn dài khi đứt; Phương pháp xác định mức độ giảm khối lượng mẫu thử nghiệm; Phương pháp thử nghiệm bức xạ tử ngoại – nhiệt ẩm. Các phương pháp, kỹ thuật đánh giá sinh học truyền thống và hiện đại. Trong đó xác định hoạt tính các enzyme ngoại bào theo thời gian tham gia vào quá trình phân hủy và các chất trao đổi chất tạo thành sau phân hủy; Phương pháp đánh giá khả năng ủ compost (compostable) của các mẫu khảo sát. Xác định các chất trao đổi chất tạo thành sau phân hủy bằng phương pháp sắc ký khí – khối phổ (GC/MS). Xác định khối lượng phân tử trung bình của đại phân tử polymer trong quá trình thử nghiệm polymer, chất dẻo bằng phương pháp đo độ nhớt trên thiết bị nhớt kế mao quản Ubbelohde v.v.

Nhờ vào việc sử dụng đa dạng các phương pháp kỹ thuật hiện đại ở trên, các nhà khoa học đã xác định khả năng phân hủy sinh học polymer, chất dẻo bằng enzyme ngoại bào laccase; khả năng phân hủy sinh học polymer, chất dẻo bằng vi sinh vật ưa nhiệt (vi khuẩn, xạ khuẩn); đánh giá khả năng phân hủy sinh học của polymer, chất dẻo trong điều kiện tự nhiên để làm đối chứng; xác định khả năng phân hủy sinh học của polymer, chất dẻo sau khi có tác động của các tác nhân vật lý; đánh giá khả năng phân hủy sinh học của polymer, chất dẻo trong đống ủ compost; đánh giá khả năng phân hủy sinh học của polymer, chất dẻo trong điều kiện hiếu khí, kỵ khí hay kết hợp cả kỵ khí và hiếu khí.

Các kết quả chính của đề tài sau khi xử lý màng polymer và chất dẻo bằng 7 tác nhân trong đó có 6 tác nhân sinh học là enzyme ngoại bào laccase, các vi sinh vật ưa nhiệt (vi khuẩn, xạ khuẩn) và 1 tác nhân vật lý như sau: 

Trong việc sử dụng nguồn tài nguyên di truyền của thiên nhiên Việt Nam như nấm đảm đã có khả năng sinh tổng hợp các nhóm enzyme ngoại bào khác nhau như laccase với hoạt tính khá cao và các enzyme thủy phân ngoại bào đồng hành khác CMCase, chitinase, xylanase, protease, amylase, lipase v.v. sau 30 ngày thử nghiệm, các enzyme này đã phân hủy được các loại túi polymer, chất dẻo có cấu trúc hóa học khác nhau với hiệu suất phân hủy theo thứ tự lần lượt là túi của Hà Lan (HL)>Viện Hóa học - Viện Hàn lâm KHCN Việt Nam (VHL)> nhập khẩu công nghệ (VN1). Khả năng phân hủy sinh học các loại polymer, chất dẻo này thể hiện ở mức độ khối lượng suy giảm, sự thay đổi hình thái cấu trúc bề mặt, sự xuất hiện các nhóm chức mới và liên kết mới v.v.

Ảnh SEM của túi plastic HL trước (A) và sau 30 ngày xử lý (B) phân hủy sinh học bằng laccase và các enzyme đồng hành khác

Đối với việc sử dụng các chủng vi khuẩn và xạ khuẩn ưa nhiệt phân lập từ nguồn tài nguyên thiên nhiên Việt Nam: có khả năng sinh hàng loạt enzyme ngoại bào khác nhau ở nhiệt độ cao (55oC). Sau 30 ngày xử lý các loại polymer, chất dẻo, các enzyme ngoại bào đều có khả năng phân hủy túi polymer, chất dẻo với mức độ, kiểu phân hủy với cơ chế chuyển hóa không giống nhau. Hiệu suất phân hủy các loại polymer, chất dẻo cũng theo thứ tự như đối nấm đảm. Sản phẩm trao đổi chất xử lý túi nghiên cứu bằng xạ khuẩn Streptomyces sp.XKBD21 khác với vi khuẩn ưa nhiệt Bacillus sp. BCBT21 trên đối tượng túi VHL; khối lượng phân tử trung bình của túi VHL đã giảm tới 91%.

Ba chủng vi khuẩn ưa nhiệt phân lập từ đống ủ compost phụ phế liệu nông nghiệp đã được sử dụng để nghiên cứu khả năng phân hủy sinh học của các loại túi khác nhau. Các chủng vi khuẩn Bacillus sp. BCBT21, Ureibacillus sp. BCBT27, Bacillus sp. BCB30 đều phân hủy các loại túi được khảo sát với hiệu suất cao hơn so với nấm đảm. Vi khuẩn ưa nhiệt phân hủy polymer, chất dẻo mạnh hơn xạ khuẩn ưa nhiệt và xảy ra ở tất cả các loại túi polymer, chất dẻo có cấu trúc hóa học khác nhau. Quần xã vi sinh vật tự nhiên trong môi trường dịch thể, cũng phân hủy polymer, chất dẻo. Cụ thể, sau 14 tháng thử nghiệm , tổn hao khối lượng của túi polymer, chất dẻo Hà Lan (HL) là 45-46%, túi VHL 9,65-14% và túi VN1 là 1,41-4,44%. Ở điều kiện tự nhiên, các loại túi polymer, chất dẻo bị phân hủy nhưng yếu hơn rất nhiều so với các tác nhân khác. Các chất trao đổi chất khác nhau đã được hình thành ở các loại túi polymer, chất dẻo HL, VHL, VN1, VN2 và VN3 và hoàn toàn khác so với tác nhân là xạ khuẩn ưa nhiệt sau khi xử lý. Thậm chí, khối lượng phân tử trung bình của loại túi polymer, chất dẻo này (xác định bằng phương pháp đo độ nhớt trong dung môi thích hợp) cũng đã giảm tới 44%.

Túi polymer, chất dẻo từ Hà Lan có mức độ phân hủy lớn hơn so với các loại túi có nguồn gốc từ dầu mỏ được sản xuất khi bổ sung các chất phụ gia phân hủy oxy hóa như các mẫu VHL và VN1, VN2 và VN3 ở điều kiện xử lý polymer, chất dẻo bằng phương pháp gia tốc phân hủy. Các loại túi polymer, chất dẻo cũng bị phân hủy với mức độ khác nhau và túi HL bị phân hủy mạnh nhất, sau đó đến các túi VHL và kém nhất là VN1, VN2,VN3 (túi nhập công nghệ, thân thiện môi trường) và loại túi sử dụng nhiều nhất ở Việt Nam là VN4. Sự thay đổi bản chất hóa học của các loại túi polymer, chất dẻo có thể thấy rõ ở hầu hết các tiêu chí đã khảo sát.

Trong quá trình xử lý, phân hủy polymer, chất dẻo bằng phương pháp gia tốc thời tiết (chịu tác động của tia tử ngoại – nhiệt ẩm), các loại túi polymer, chất dẻo bị phân hủy mạnh nhất là túi HL, túi của CHLB Đức, xếp ở hàng đầu tiên. Túi polymer, chất dẻo VHL có mức độ phân hủy được xếp ở hàng thứ hai và thứ đứng thứ ba là các loại túi VN1, VN2, VN3. Các thay đổi về đặc trưng, tính chất, hình thái cấu trúc của các loại túi polymer, chất dẻo cũng gần giống như sử dụng các tác nhân khác, tuy nhiên mức độ phân hủy và kiểu phân hủy polymer, chất dẻo (một cách chi tiết) vẫn có sự khác biệt khá rõ ràng.

Trong điều kiện ủ compost nhiệt độ cao kéo dài ở các công thức ủ compost ở hai điều kiện và hai địa phương ở phía Bắc với khối lượng ủ khác nhau, các loại túi polymer, chất dẻo được khảo sát đã thể hiện mức độ phân hủy sinh học khác nhau. Các loại túi polymer, chất dẻo từ Hà Lan và CHLB Đức bị phân hủy sinh học mạnh nhất. Trong khi, các loại túi polymer, chất dẻo sản xuất ở Việt Nam theo dây chuyền nhập khẩu đều có mức độ phân hủy sinh học thấp hơn nhiều.

Khả năng phân hủy sinh học của túi polymer, chất dẻo ở điều kiện hiếu khí, kỵ khí hay kết hợp cả kỵ khí và hiếu khí sau 14 tháng thử nghiệm cũng cho kết quả tương tự như sử dụng các tác nhân khác và không có sự chênh lệch lớn giữa 3 loại túi được sử dụng để đánh giá khả năng phân hủy bởi tác động của cả 7 tác nhân chính. Túi HL vẫn bị phân hủy mạnh nhất (tổn hao khối lượng của túi khoảng 45-46%, túi VHL 12-15%, túi VN1 khoảng 6%, đặc biệt túi VN4 là loại túi thương mại phổ thông nhất và khó phân hủy nhất cũng bị phân hủy với tổn hao khối lượng từ 4,7% đến 5,6%. Các thay đổi về đặc trưng, tính chất, hình thái cấu trúc của các loại túi polymer, chất dẻo được khảo sát cũng gần giống như sử dụng các tác nhân khác nhưng với mức độ thấp hơn.

Ảnh: Phổ FTIR của túi plastic 
A: HL đối chứng (HL-C) sau 30 ngày xử lý (HL-BCBT27) bằng chủng VK Bacillus sp. BCBT27;
B: VHL đối chứng (VHL-C) sau 30 ngày xử lý (BCBT27) bằng chủng VK Bacillus sp. BCBT27 ;
C: VN đối chứng (VN1-C) sau 30 ngày xử lý (VN1-BCBT21) bằng chủng VK Bacillus sp. BCBT27.

Với các kết quả nhận được ở trên, các nhà khoa học Viện Hàn lâm KHCNVN đi đến kết luận:

• Các túi polymer, chất dẻo của Hà Lan, CHLB Đức (được cấp chứng chỉ phân hủy sinh học và ủ compost được) đã bị phân hủy mạnh nhất với tác động của tất cả các tác nhân nêu trên. 
• Túi VHL là sản phẩm nghiên cứu của Viện Hóa học - Viện Hàn lâm KHCN Việt Nam có khả năng bị phân hủy sinh học ở vị trí thứ hai. Tuy nhiên, mức độ tổn hao khối lượng mẫu và giảm khối lượng phân tử trung bình của polymer không nhiều khi so với sự thay đổi ở một số đặc trưng, tính chất hóa lý quan trọng khác của polymer. Rất thú vị là 2 tác nhân là chủng xạ khuẩn ưa nhiệt Streptomyces sp. XKBD2.1 và vi khuẩn ưa nhiệt Bacillus sp. BCBT 21 đã làm túi polymer, chất dẻo HL và CHLB Đức bị tổn hao khối lượng phân tử trung bình đến 44% (với vi khuẩn) và 91% (với xạ khuẩn). Các chất trao đổi chất hình thành sau phân hủy các túi hầu như khác nhau nhưng vẫn có sự tương đồng nhất định ở 3 loại túi được nghiên cứu kỹ nhất là HL, VHL và VN1 bởi tác động của vi khuẩn.

• Túi nhập công nghệ và được chứng nhận “thân thiện môi trường” VN1, VN2,VN3 và VN5 có khả năng bị phân hủy sinh học xếp ở vị trí thứ ba. Do đó, xếp thứ tự khả năng phân hủy sinh học của các túi đã được khảo sát như sau: HL>CHLB Đức>VHL> VN1, VN2,VN3 và VN5>VN4.

Trong quá trình tiến hành đề tài, các nhà khoa học đã công bố 1 bài báo trên tạp chí quốc tế Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, 1 bài báo trên tạp chí quốc gia, 1 báo cáo trình bày ở Hội nghị quốc tế về vật liệu tiên tiến Châu Á (ASAM 6) tại Hà Nội tháng 10 năm 2017, đào tạo một Thạc sỹ (đã được cấp bằng).

Từ kết quả thực hiện đề tài, các nhà khoa học đưa ra các kiến nghị: Viện Hàn lâm KHCN Việt Nam và Bộ KHCN cho phép tiếp tục nghiên cứu tìm kiếm mới vật liệu di truyền từ Việt Nam (là vi sinh vật) và sử dụng các tác nhân mà đề tài đã chứng minh có khả năng cao để tạo công nghệ hướng tới xử lý rác thải polymer, chất dẻo có khả năng phân hủy sinh học; Các chế phẩm mà đề tài đã tạo ra được mô tả trong 3 sáng chế đã được Cục Sở hữu trí tuệ Việt Nam cấp Bằng Độc quyền sáng chế cho phép thử nghiệm xử lý rác thải polymer, chất dẻo ở qui mô lớn dần. Các đơn vị có thẩm quyền quản lý lĩnh vực rác thải, trong đó có rác thải sinh hoạt cần chủ động đề nghị Nhà nước đầu tư phòng thí nghiệm đủ tiêu chuẩn để đánh giá và cho phép các loại polymer, chất dẻo nào được sử dụng làm vật liệu phân hủy sinh học với các đặc tính rõ ràng, minh bạch để tránh thiệt hại cho doanh nghiệp thực sự sản xuất vật liệu phân hủy sinh học cung cấp cho người tiêu dùng, góp phần giảm tác động xấu đến môi trường sống và phát triển kinh tế bền vững tại Việt Nam, trong đó có vấn đề ô nhiễm trên biển và đại dương hiện nay.

Các sáng chế đã được cấp bằng gồm:

Chế phẩm sinh học phân hủy màng polymer và plastic có nguồn gốc từ dầu mỏ;
Chủng xạ khuẩn ưa nhiệt Streptomyces sp. XKBD2.1 và chế phẩm xử lý rác thải màng polymer có nguồn gốc từ dầu mỏ có khả năng phân hủy sinh học hay thân thiện môi trường chứa chủng xạ khuẩn ưa nhiệt này;
Chủng xạ khuẩn ưa nhiệt Streptomyces sp. XKBD2.4 và chế phẩm xử lý rác thải màng polymer có nguồn gốc từ dầu mỏ có khả năng phân hủy sinh học hay thân thiện môi trường chứa chủng xạ khuẩn ưa nhiệt này.