Lộ trình hướng tới một nền kinh tế xanh có thể được thúc đẩy bằng việc tăng năng suất các loại cây trồng để cung cấp nguồn cellulose nhằm tạo ra nhựa sinh học, thân thiện với môi trường.
Nằm ở rìa Biển Nhật Bản, thành phố Kanazawa nổi tiếng với hải sản và món sushi. Tuy nhiên, những sinh vật biển tại Kanazawa và nhiều khu vực khác trên khắp hành tinh, đang phải đối mặt với mối đe dọa nghiêm trọng từ ô nhiễm nhựa.
Theo ước tính, có khoảng 14 triệu tấn nhựa bị thải ra đại dương mỗi năm. Động vật hoang dã bao gồm cá và chim có thể tiêu thụ hoặc mắc kẹt trong rác nhựa đại dương.
Kenji Takahashi, kỹ sư hóa học tại Đại học Kanazawa, cảnh báo vấn đề rác thải đại dương đang trở nên trầm trọng hơn bởi thời gian phân hủy thực tế của các loại nhựa có thể lên tới hàng thập kỷ hoặc thậm chí hàng thế kỷ.
Trước thực tế này, một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học Kanazawa đang nghiên cứu phát triển một loại nhựa thế hệ mới, có nguồn gốc thực vật, thay vì dầu mỏ. Và để đảm bảo vật liệu này có tính khả thi về mặt thương mại, nhóm nghiên cứu hiện đang hợp tác với nhóm tài chính công nghệ của Sumitomo Mitsui Trust Bank.
Nhựa sinh học, được tổng hợp từ đường thực vật hoặc được vi sinh vật, có nhiều lợi ích hơn so với nhựa truyền thống. Theo đó, loại nhựa này có khả năng giảm lượng khí thải carbon, phân hủy sinh học và giúp giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Cellulose, thành phần chính của chất xơ thực vật và là một trong những hợp chất hữu cơ phong phú nhất trên trái đất, là nguyên liệu chính và các nhà khoa học đang tìm cách sử dụng nó để tạo ra nhựa sinh học.
Cellulose bao gồm các chuỗi đơn vị glucose dài được nối với nhau bằng các liên kết vững bền. Takahashi cho biết: “Việc hòa tan hoàn toàn cellulose là điều không hề dễ dàng do liên kết hydro giữa các phân tử và trong phân tử của nó”.
Romain Milotskyi, trợ lý giáo sư tại phòng thí nghiệm của Takahashi, cho biết trong một thời gian dài, không có phương pháp tối ưu để hòa tan cellulose. Các nhà hóa học phải dựa vào các phản ứng dị thể để tạo ra chất dẻo dựa trên cellulose và những hóa chất ăn mòn này cần có nhiệt độ cao, chất xúc tác bổ sung và thời gian phản ứng dài.
Mọi thứ đã thay đổi với sự ra đời của một loại vật liệu mới gọi là chất lỏng ion cách đây 20 năm để giải quyết những vấn đề này, đồng thời trở thành chất xúc tác, không gây độc hại và không bắt lửa.
Năm 2015, phòng thí nghiệm của Takahashi đã chứng minh về cách thức một chất lỏng ion – 1-ethyl-3-methylimidazolium axetat (EmimOAc) – giúp hòa tan cellulose. Cuối năm 2021, họ đã thông báo về việc kết hợp chất lỏng ion với quá trình trộn và các phản ứng trong máy đùn có thể phân hủy cellulose trong vòng vài phút, tạo ra một loại nhựa phân hủy sinh học với hiệu suất phản ứng cao hơn 90%.
Milotskyi cho biết: “Chất lỏng ion thực sự cho phép chúng tôi thu được nhiều cellulose hòa tan hơn”. Việc trực tiếp điều chỉnh các nguồn nguyên liệu từ nông nghiệp để sản xuất nhựa sinh học sẽ giúp tận dụng phụ phẩm nông nghiệp, hướng tới một nền kinh tế tuần hoàn.
Để có thể giải quyết vấn đề rác thải, thì nhựa sinh học sẽ phải được sản xuất hiệu quả trên quy mô lớn. Và để thực hiện điều này, chúng ta phải đảm bảo nguồn nguyên liệu đủ lớn, thông qua việc tăng cường phát triển và sản xuất cây trồng.
Theo Masaki Ito, nhà sinh học phân tử thực vật tại Đại học Kanazawa, lời giải cho vấn đề này nằm ở một cơ chế gọi là tái tạo DNA. Quá trình xảy ra tự nhiên ở hầu hết các loài thực vật có hoa, tạo ra các bản sao bổ sung của DNA trong một tế bào, làm tăng kích thước của tế bào.
Vào năm 2011, phòng thí nghiệm của Ito đã nghiên cứu cách tế bào phân chia và sinh sôi nảy nở ở cây Arabidopsis thì họ tình cờ phát hiện ra những cây đột biến có tế bào lớn đặc biệt do sao chép bộ gen.
Ông giải thích: “Đó là khi chúng tôi nảy ra ý tưởng rằng quá trình nhân đôi của DNA có thể có lợi cho quá trình nhân giống cây trồng,” cung cấp thêm nguyên liệu thô cho quá trình sản xuất nhựa sinh học.
Trong số các loại cây trồng, củ cải đường là nguyên liệu đặc biệt quan trọng để sản xuất nhựa sinh học, bởi vì phụ phẩm nông nghiệp của nó là nguyên liệu đầu vào lý tưởng. Mục tiêu cuối cùng của nhóm Ito là kích thích sự tăng trưởng củ cải đường bằng cách điều chỉnh kích thước và số lượng tế bào, từ đó gia tăng sản xuất nguồn nguyên liệu để sản xuất nhựa sinh học mà không cần mở rộng diện tích canh tác.
Hiện nhóm của Takahashi đang nghiên cứu phương pháp tạo ra nhựa sinh học từ chất thải nông nghiệp, chẳng hạn như thân chuối và bột củ cải đường. Hiện nhóm này đang trong giai đoạn hợp tác ban đầu với một nhà bán lẻ xa xỉ đa quốc gia và một công ty về sản phẩm tắm để tạo ra các sản phẩm bền vững thế hệ mới, chẳng hạn như chai polyetylen làm từ bột thân chuối. Đối với Takahashi, những sự hợp tác này là một dấu hiệu tích cực, báo hiệu sự khởi đầu của việc “tạo ra một xã hội xanh, bền vững”.
(Nguồn Nature: https://www.nature.com/articles/d42473-023-00006-x)
