Hệ phản ứng quang sinh minh họa cho công nghệ nuôi sinh khối quang hợp. Ảnh không phải thiết bị trong nghiên cứu của Nguyễn Thị Phương Dung. Ảnh: Arctic-Algae/Wikimedia Commons, CC BY 4.0.

 Nước thải sinh hoạt thường được nhìn như một dòng chất thải phải xử lý trước khi trả về môi trường. Trong nghiên cứu của NCS Nguyễn Thị Phương Dung, giảng viên Khoa Khoa học ứng dụng, Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải, chính dòng nước này được sử dụng làm môi trường nuôi vi khuẩn lam Synechocystis salina M8. Vi sinh vật vừa hấp thu một phần chất hữu cơ và dinh dưỡng trong nước, vừa tích lũy polyhydroxybutyrate, gọi tắt là PHB, bên trong tế bào.

PHB thuộc nhóm polymer sinh học có khả năng phân hủy sinh học. Điểm đáng quan tâm ở hướng nghiên cứu này nằm ở việc ghép hai công đoạn vốn thường tách rời: xử lý nước thải và tạo nguyên liệu cho vật liệu sinh học. Tuy nhiên, kết quả hiện mới được kiểm chứng ở mô hình quang sinh 30 lít và chưa phải một quy trình sản xuất nhựa ở quy mô công nghiệp.

Cho vi khuẩn lam làm hai việc cùng lúc

Luận án của Nguyễn Thị Phương Dung tập trung vào việc lựa chọn điều kiện nuôi để S. salina M8 vừa phát triển sinh khối, vừa tăng lượng PHB tích lũy. Ở giai đoạn tối ưu các yếu tố như ánh sáng, pH và nhiệt độ, nhóm ghi nhận sinh khối khô đạt 2,73 g/lít và PHB chiếm 21,41% khối lượng sinh khối khô. Những kết quả này được công bố năm 2026 trên Biochemical Engineering Journal, với Nguyễn Thị Phương Dung đứng tên tác giả đầu, DOI 10.1016/j.bej.2026.110073.

Khi chuyển sang nước thải sinh hoạt, bài toán phức tạp hơn do thành phần nước không ổn định và vi sinh vật phải cạnh tranh trong môi trường không tiệt trùng. Nhóm điều chỉnh tỷ lệ dinh dưỡng, pH và cường độ ánh sáng trước khi đưa hệ nuôi ra điều kiện ngoài trời. Nước thải cung cấp carbon, nitơ và phospho; vi khuẩn lam sử dụng các nguồn này cho quá trình sinh trưởng, quang hợp và tích lũy PHB.

Một hệ phản ứng quang sinh dùng nuôi vi sinh vật quang hợp. Ảnh minh họa, không phải hệ thống của nhóm nghiên cứu. Ảnh: Liilou18/Wikimedia Commons, CC BY 4.0.

 Đây là hướng khác với công nghệ màng nhựa phân hủy sinh học từ tinh bột sắn, nơi nguyên liệu thực vật được phối trộn với các polymer để tạo hạt và thổi màng. Với nghiên cứu của Nguyễn Thị Phương Dung, vi khuẩn lam đóng vai trò một “nhà máy tế bào”, còn nước thải trở thành nguồn dinh dưỡng cho quá trình tạo sinh khối chứa PHB.

Một công bố khác trên Bioresource Technology Reports năm 2026 cho thấy Nguyễn Thị Phương Dung và Đỗ Thị Cẩm Vân được xác nhận đóng góp ngang nhau với tư cách đồng tác giả đầu. Công trình mang DOI 10.1016/j.biteb.2025.102521. Tháng 6/2026, Nguyễn Thị Phương Dung tiếp tục đứng tên đầu một bài về tích hợp xử lý nước thải đô thị và sinh tổng hợp PHB trên Tạp chí điện tử Khoa học và Công nghệ Giao thông.

Mô hình 30 lít cho thấy gì

Bước thử nghiệm gần thực tế hơn được thực hiện với hai hệ phản ứng quang sinh dạng ống, dung tích 30 lít, đặt ngoài trời. Nước thải sinh hoạt thô được sử dụng nhưng tải lượng hữu cơ và tỷ lệ dinh dưỡng đã được điều chỉnh trước khi đưa vào hệ nuôi. Chi tiết này quan trọng vì các con số thu được chưa thể mặc nhiên áp dụng cho mọi loại nước thải đô thị có thành phần khác nhau.

Trong mô hình này, sinh khối khô của S. salina M8 đạt khoảng 3,4 g/lít. Hàm lượng PHB cao nhất đạt 50,2% khối lượng tế bào khô. Cùng thời gian nuôi, COD giảm 99,6%, BOD5 giảm 99,6%, tổng nitơ giảm 90,3% và tổng phospho giảm 95,9%. Các phép thử ở hệ 30 lít được thực hiện với hai lần lặp, vì vậy đây là dữ liệu thử nghiệm đáng quan tâm nhưng chưa đủ để thay cho đánh giá vận hành dài hạn ở quy mô nhà máy.

Hình minh họa Synechocystis sp. PCC 6803, cùng chi với S. salina M8 nhưng không phải chủng vi khuẩn lam được sử dụng trong nghiên cứu. Nguồn: DBCLS/Wikimedia Commons, CC BY 4.0.

 Cách tiếp cận này bổ sung một hướng khác cho bài toán xử lý ô nhiễm nước. Chẳng hạn, hệ xúc tác quang xử lý kháng sinh trong môi trường nước tập trung phân hủy chất ô nhiễm. Hệ vi khuẩn lam của Nguyễn Thị Phương Dung hướng thêm tới việc thu hồi sinh khối để tạo một sản phẩm vật liệu, tức tìm cách đưa một phần carbon và dinh dưỡng của dòng thải trở lại chu trình sử dụng.

PHB sau khi tách và tinh sạch được phân tích bằng FT-IR và cộng hưởng từ hạt nhân NMR để kiểm tra cấu trúc polymer. Công bố trên Bioresource Technology Reports ghi nhận khối lượng phân tử Mw cao nhất khoảng 856,9 kg/mol. Kết quả này xác nhận nhóm đã thu được PHB có cấu trúc đặc trưng, nhưng không đồng nghĩa vật liệu đã sẵn sàng cho sản xuất bao bì hay các sản phẩm thương mại cụ thể.

Khoảng cách từ 30 lít tới nhà máy

Chính luận án cũng chỉ ra những điểm chưa thể bỏ qua khi nâng quy mô. Ở thể tích lớn hơn, ánh sáng khó phân bố đồng đều, việc truyền khí và khuấy trộn phức tạp hơn; pH, CO₂ và dinh dưỡng có thể tạo chênh lệch giữa các vùng trong bể. Nuôi ngoài trời còn chịu biến động nhiệt độ, cường độ ánh sáng và nguy cơ nhiễm tạp. Luận án xác định mô hình 30 lít là quy mô nhỏ, còn việc phát triển lên pilot và công nghiệp thuộc giai đoạn tiếp theo.

Một nút thắt khác nằm ở công đoạn lấy PHB ra khỏi tế bào. Quy trình nghiên cứu hiện sử dụng chloroform, dung môi cho hiệu suất thu hồi tốt nhưng có độc tính và rủi ro môi trường. Nguyễn Thị Phương Dung nêu rõ chloroform phù hợp cho thí nghiệm với lượng nhỏ; nếu muốn đi tới quy mô lớn cần thay bằng dung môi hoặc công nghệ tách an toàn hơn. Ở điều kiện khảo sát, 5 ml chloroform cho khoảng 0,5 g sinh khối đạt hiệu suất thu hồi PHB 92%.

Vì thế, giá trị hiện tại của nghiên cứu không nằm ở một sản phẩm nhựa đã có thể bán ra thị trường. Nó nằm ở bằng chứng thực nghiệm rằng S. salina M8 có thể sinh trưởng bằng nước thải sinh hoạt không tiệt trùng, tạo sinh khối chứa tỷ lệ PHB khá cao và đồng thời hạ nhiều chỉ tiêu ô nhiễm trong hệ 30 lít. Từ bằng chứng đó tới công nghệ thương mại còn phải giải bài toán độ ổn định, năng lượng, thu hoạch sinh khối, dung môi, chi phí và vận hành liên tục.

Ở một hướng nghiên cứu ứng dụng khác, các nhóm trong nước đã đi xa hơn tới thử nghiệm và chuyển giao những sản phẩm sinh học từ nguyên liệu bản địa. So sánh này cũng cho thấy vị trí hiện tại của công trình Nguyễn Thị Phương Dung: đã vượt khỏi ý tưởng và thí nghiệm ban đầu, nhưng vẫn cần một chặng phát triển công nghệ nữa trước khi có thể nói đến sản xuất thực tế.