Ảnh minh họa: AI

Tình trạng ô nhiễm nhựa ngày càng trở thành vấn đề đáng lo ngại khi các vật liệu này tồn tại lâu trong môi trường và dần phân rã thành vi nhựa, nhựa nano. Ngoài gây ô nhiễm vật lý, các mảnh nhựa còn có thể mang theo chất ô nhiễm hóa học và tạo nơi cư trú cho nhiều cộng đồng vi sinh vật.

Một trong những môi trường đặc biệt là “plastisphere”, thuật ngữ chỉ cộng đồng vi sinh vật hình thành trên bề mặt nhựa. Các nghiên cứu trước đây cho thấy những cộng đồng này có thể chứa lượng gene kháng kháng sinh cao bất thường, làm dấy lên lo ngại rằng nhựa có thể góp phần phát tán gene kháng thuốc trong hệ sinh thái.

Trong nghiên cứu được công bố tháng 9 trên tạp chí The ISME Journal, các nhà nghiên cứu thuộc Đại học Konstanz (Đức) đã chôn các dải nhựa sinh học LCAP, một loại polyester aliphatic chuỗi dài có nguồn gốc từ dầu thực vật, trong lớp mùn của đất rừng tại vườn bách thảo thuộc Đại học Konstanz. Các mẫu được chôn trong đất ở độ sâu khoảng 10 cm trong vòng hơn một năm.

Hình ảnh kính hiển vi sau đó cho thấy bề mặt nhựa xuất hiện dày đặc những vết lõm nhỏ có hình dạng giống tế bào vi khuẩn. Đây là dấu hiệu cho thấy vi sinh vật đã bám vào và phân hủy vật liệu.

Theo tiến sĩ Harry Lerner, lớp đất được lựa chọn là nơi thường diễn ra quá trình phân hủy cellulose và nhiều polymer tự nhiên khác, trong đó có cutin - một loại polyester có nguồn gốc thực vật.

Nhóm tiếp tục giải trình tự DNA của các vi sinh vật phát triển trên bề mặt nhựa. Kết quả cho thấy chúng sở hữu một enzyme chưa được chú ý trước đây, được đặt tên là LCPH1.

Enzyme với cấu trúc đặc biệt

Điều khiến LCPH1 trở nên đáng chú ý là enzyme này có cấu trúc tương đồng với một nhóm protein mà vi khuẩn sử dụng để vô hiệu hóa kháng sinh thuộc nhóm penicillin.

Mô hình cấu trúc cho thấy enzyme LCPH1 sở hữu vùng hoạt động rộng và mở bất thường, được các nhà nghiên cứu ví với hình dạng “Pac-Man”. Đặc điểm này dường như cho phép enzyme có thể tương tác đồng thời với các chuỗi polymer của nhựa và phân tử kháng sinh.

Trong thí nghiệm, enzyme LCPH1 cho thấy khả năng phân hủy nhựa LCAP thành các thành phần cấu tạo ban đầu. Đồng thời, enzyme này cũng phá hủy penicillin và ampicillin, khiến các thuốc mất khả năng tiêu diệt vi khuẩn.

Tiến sĩ Lerner cho biết cấu trúc enzyme LCPH1 vừa có đặc điểm của esterase, nhóm enzyme có khả năng phân cắt liên kết ester, vừa tương đồng với beta-lactamase. Đây là những enzyme do một số vi khuẩn tạo ra để phá vỡ vòng beta-lactam của các kháng sinh như penicillin, qua đó giúp vi khuẩn kháng lại kháng sinh.

Theo tiến sĩ David Schleheck, tác giả cấp cao của nghiên cứu, “plastisphere” là một sinh cảnh tương đối mới. Con người chỉ đưa nhựa vào môi trường với số lượng lớn trong khoảng 50-75 năm qua.

Trong khoảng thời gian này, nhựa trở thành một nguồn vật chất mới mà vi khuẩn, nấm men và nấm có thể tiếp xúc. Về lý thuyết, các vi sinh vật có thể sử dụng polymer làm nguồn carbon và năng lượng, nhưng phần lớn nhựa hiện nay rất khó bị hệ thống trao đổi chất của chúng phân giải.

Việc phát hiện enzyme LCPH1 cho thấy vi khuẩn có thể thích nghi với khả năng phân hủy polyester nhanh hơn dự kiến. Theo nhóm nghiên cứu, đây là tín hiệu đáng khích lệ trong nỗ lực tìm kiếm giải pháp sinh học cho vấn đề ô nhiễm nhựa.

Các nhà khoa học cho rằng, con người nên tận dụng khả năng phân giải vật liệu của vi sinh vật, đồng thời phát triển những loại polymer có các “điểm gãy” về mặt sinh hóa, chẳng hạn như các liên kết ester có thể thủy phân trong polyester như nhựa LCAP hay nhiều loại nhựa sinh học khác.