Ô nhiễm rác thải nhựa vẫn là một trong những vấn đề môi trường đáng chú ý trên toàn cầu. Trong giai đoạn đại dịch COVID-19, nhu cầu đối với một số sản phẩm nhựa dùng một lần và thiết bị bảo hộ tăng lên, nhưng không nên hiểu rằng tổng lượng nhựa sử dụng toàn cầu đã tăng 25%. Theo OECD, mức sử dụng nhựa toàn cầu trong năm 2020 thực tế giảm khoảng 2,2% so với năm 2019 do hoạt động kinh tế suy giảm, trong khi rác thải từ một số sản phẩm nhựa dùng một lần lại gia tăng.
Trong dài hạn, áp lực từ rác thải nhựa vẫn rất lớn. Năm 2019, thế giới phát sinh khoảng 353 triệu tấn chất thải nhựa, nhưng sau khi tính đến hao hụt trong quá trình xử lý, chỉ khoảng 9% thực sự được tái chế. Nếu các chính sách và mô hình sử dụng không thay đổi đáng kể, OECD dự báo lượng chất thải nhựa toàn cầu có thể tăng lên khoảng 1,014 tỷ tấn vào năm 2060.
Bên cạnh các phương pháp tái chế cơ học và hóa học, công nghệ sinh học sử dụng vi khuẩn và enzyme có khả năng phân giải một số loại polymer đang được nghiên cứu như một hướng xử lý bổ sung. Đặc biệt, những phát hiện liên quan đến vi khuẩn Ideonella sakaiensis và các enzyme PETase, MHETase đã mở ra tiềm năng mới cho việc tái chế nhựa PET bằng phương pháp sinh học.
Thế giới chìm trong biển rác thải nhựa
Sản lượng và mức tiêu thụ nhựa toàn cầu đã tăng mạnh trong nhiều thập kỷ. Theo OECD, sản lượng nhựa hàng năm tăng từ khoảng 234 triệu tấn năm 2000 lên 460 triệu tấn năm 2019. Trong cùng giai đoạn, lượng chất thải nhựa tăng hơn gấp đôi, từ khoảng 156 triệu tấn lên 353 triệu tấn.
Các sản phẩm có vòng đời ngắn như bao bì, hàng tiêu dùng và hàng dệt may đóng góp đáng kể vào dòng chất thải nhựa. Theo kịch bản cơ sở của OECD, đến năm 2060, những nhóm sản phẩm có vòng đời ngắn này vẫn có thể chiếm khoảng hai phần ba tổng lượng chất thải nhựa toàn cầu.
Bao bì và các sản phẩm có vòng đời sử dụng ngắn là một trong những nguồn phát sinh rác thải nhựa đáng chú ý.
Tại Việt Nam, rác thải nhựa cũng là một thách thức đối với hệ thống thu gom và xử lý chất thải. Theo nghiên cứu của Ngân hàng Thế giới công bố năm 2022, ước tính khoảng 3,1 triệu tấn chất thải nhựa phát sinh trên đất liền mỗi năm, trong đó ít nhất 10% có nguy cơ rò rỉ ra đại dương. Khảo sát tại các khu vực ven sông và ven biển cũng cho thấy đồ nhựa dùng một lần, giá trị thấp như túi nhựa, hộp đựng thực phẩm và ống hút là những thành phần phổ biến của rác thải bị thất thoát ra môi trường.
Những con số trên cho thấy việc giải quyết ô nhiễm nhựa không thể phụ thuộc vào một biện pháp duy nhất. Ngoài giảm sử dụng những sản phẩm không cần thiết, thiết kế bao bì để tái chế và cải thiện hệ thống thu gom, ngành công nghiệp cũng đang nghiên cứu những công nghệ mới nhằm thu hồi giá trị từ chất thải nhựa khó xử lý.
Phương pháp xử lý rác thải nhựa hiện tại
Các phương pháp xử lý rác thải nhựa hiện nay chủ yếu bao gồm tái sử dụng, tái chế cơ học, tái chế hóa học, đốt có kiểm soát và chôn lấp. Hiệu quả của từng phương pháp phụ thuộc vào loại polymer, mức độ nhiễm bẩn, hệ thống phân loại và cơ sở hạ tầng của từng quốc gia.
Theo OECD, trong lượng chất thải nhựa toàn cầu của năm 2019:
- Khoảng 9% được tái chế sau khi tính đến hao hụt trong quá trình tái chế.
- Khoảng 19% được đốt.
- Gần 50% được đưa đến các bãi chôn lấp có kiểm soát.
- Khoảng 22% còn lại bị xử lý không phù hợp, chẳng hạn tại các bãi rác không kiểm soát, đốt ngoài trời hoặc thất thoát ra môi trường.
Vì vậy, số liệu cũ cho rằng “97% rác thải nhựa bị chôn lấp” không còn phù hợp.
Tại Việt Nam, nghiên cứu của World Bank về bốn loại nhựa phổ biến gồm PET, HDPE, LDPE và PP cho thấy khoảng 33% lượng vật liệu thuộc các nhóm này được thu hồi và tái chế trong năm 2019. Báo cáo đồng thời chỉ ra nhiều hạn chế như hệ thống thu gom chưa đồng bộ, chất lượng nguyên liệu tái chế không ổn định, thiếu tiêu chuẩn thiết kế để tái chế và năng lực xử lý khác nhau giữa từng loại nhựa.
Phân loại và thu gom đúng cách là điều kiện quan trọng để nâng cao hiệu quả tái chế chất thải nhựa.
Tái chế cơ học hiện phù hợp với nhiều dòng nhựa có khả năng được thu gom và phân loại tương đối sạch. Tuy nhiên, chất lượng polymer có thể suy giảm qua các chu kỳ gia công và một số dạng bao bì đa lớp hoặc bị nhiễm bẩn khó xử lý bằng phương pháp này.
Trong bối cảnh đó, tái chế sinh học bằng enzyme đang được nghiên cứu như một phương pháp bổ sung. Khác với việc để vi khuẩn trực tiếp “ăn” toàn bộ rác nhựa ngoài môi trường, hướng nghiên cứu có triển vọng hơn hiện nay là khai thác hoặc cải tiến các enzyme có khả năng cắt các liên kết hóa học trong một số polymer nhất định để thu hồi các thành phần ban đầu.
Tuy nhiên, công nghệ này không thể xử lý tất cả các loại nhựa. Những thành tựu rõ ràng nhất hiện nay chủ yếu tập trung vào PET và một số polyester, trong khi các polymer phổ biến như PE và PP có cấu trúc khó bị enzyme phân giải hơn nhiều. Một tổng quan khoa học gần đây cho thấy việc phân hủy PET bằng enzyme đã được nghiên cứu khá sâu, nhưng công nghệ sinh học đối với nhiều polymer ổn định khác vẫn còn những rào cản lớn trước khi có thể triển khai ở quy mô công nghiệp.
Vi khuẩn phân hủy nhựa là giải pháp xử lý rác thải cho tương lai
Một trong những bước ngoặt quan trọng của lĩnh vực này diễn ra vào năm 2016, khi các nhà nghiên cứu Nhật Bản phát hiện vi khuẩn Ideonella sakaiensis tại một khu vực xử lý chai PET.
Vi khuẩn này sử dụng hai enzyme chính là PETase và MHETase trong quá trình phân giải PET. PETase trước tiên thủy phân PET thành các sản phẩm trung gian, trong đó có MHET. Sau đó, MHETase tiếp tục chuyển MHET thành terephthalic acid (TPA) và ethylene glycol (EG) – hai thành phần có thể được sử dụng làm nguyên liệu cho quá trình tổng hợp PET.
Đây là lý do Ideonella sakaiensis thu hút sự chú ý lớn của giới khoa học: thay vì chỉ làm nhựa vỡ thành các mảnh nhỏ hơn, hệ enzyme của vi khuẩn có khả năng depolymer hóa PET về các thành phần hóa học cơ bản.
Tuy nhiên, khả năng tự nhiên của vi khuẩn vẫn chưa đủ nhanh và hiệu quả để trực tiếp xử lý lượng lớn rác PET trong điều kiện công nghiệp. Vì vậy, nhiều nghiên cứu sau đó tập trung vào việc cải tiến enzyme thay vì sử dụng nguyên trạng vi khuẩn.
Một bước tiến đáng chú ý được công bố trên Nature năm 2022 là FAST-PETase – một enzyme PET hydrolase được cải tiến bằng phương pháp hỗ trợ bởi machine learning. Trong điều kiện thí nghiệm từ khoảng 30–50°C, enzyme này có thể phân giải gần như hoàn toàn PET từ 51 sản phẩm PET định hình sau tiêu dùng trong vòng khoảng một tuần. Nghiên cứu cũng chứng minh khả năng thu hồi monomer và tổng hợp trở lại PET, qua đó cho thấy tiềm năng của mô hình tái chế vòng kín bằng enzyme.
Điều cần lưu ý là kết quả trên không có nghĩa mọi chai hoặc sản phẩm PET có thể đơn giản được bỏ vào một bể enzyme và biến mất sau vài ngày. PET có độ kết tinh cao khó bị enzyme tiếp cận hơn và có thể cần tiền xử lý bằng nhiệt hoặc các phương pháp khác trước khi depolymer hóa hiệu quả.
Một đánh giá khoa học năm 2024 về phát triển phương pháp enzyme ở quy mô công nghiệp cũng cho thấy tái chế sinh học PET đã tiến từ nghiên cứu phòng thí nghiệm đến các hệ thống thí điểm và quy mô lớn hơn. Tuy nhiên, công nghệ vẫn phải giải quyết nhiều vấn đề như hoạt tính enzyme, chi phí tiền xử lý PET kết tinh cao, lượng enzyme cần sử dụng, điều kiện phản ứng và hiệu quả kinh tế của toàn bộ quy trình.
Enzyme từ vi sinh vật đang mở ra hướng mới cho việc depolymer hóa và tái chế PET.
Bên cạnh Ideonella sakaiensis, các nhà khoa học cũng đang tìm kiếm enzyme có khả năng phân giải polyester từ nhiều hệ vi sinh vật khác.
Năm 2021, nhóm nghiên cứu tại Áo công bố kết quả khảo sát hệ vi sinh vật trong dịch dạ cỏ của gia súc. Trong điều kiện phòng thí nghiệm, cộng đồng vi sinh vật này cho thấy khả năng thủy phân ba loại polyester gồm PET, PBAT và PEF. Phân tích hệ vi sinh cho thấy vi khuẩn chi Pseudomonas nằm trong số các nhóm đáng chú ý có liên quan đến hoạt tính thủy phân polyester.
Các nghiên cứu về hệ vi sinh vật dạ cỏ đã phát hiện hoạt tính thủy phân đối với một số loại polyester trong điều kiện thí nghiệm.
Tuy nhiên, phát hiện này cũng không đồng nghĩa có thể sử dụng trực tiếp vi khuẩn trong dạ dày bò để xử lý rác nhựa ở quy mô lớn. Giá trị chính của nghiên cứu nằm ở việc giúp các nhà khoa học tìm kiếm enzyme, gene và cơ chế sinh học mới có thể được phát triển thành công nghệ xử lý trong tương lai.
Đến nay, các nghiên cứu về vi khuẩn và enzyme phân hủy nhựa đã tạo ra nhiều tiến bộ đáng chú ý, đặc biệt với PET. Nhưng theo các tổng quan khoa học gần đây, chưa có quy trình tái chế PET thương mại quy mô công nghiệp sử dụng trực tiếp vi sinh vật sống. Hướng ứng dụng thực tế hiện tiến xa hơn với enzyme được tách chiết hoặc cải tiến, kết hợp với các quy trình tiền xử lý và thu hồi monomer.
Do đó, vi khuẩn phân hủy nhựa nên được xem là nguồn cung cấp công cụ sinh học đầy tiềm năng chứ chưa phải giải pháp có thể thay thế toàn bộ hệ thống thu gom và tái chế hiện nay.
Kết luận:
Nghiên cứu về vi khuẩn phân hủy nhựa đã tiến một bước dài kể từ khi Ideonella sakaiensis được phát hiện. Các enzyme như PETase, MHETase và những phiên bản được cải tiến như FAST-PETase cho thấy PET có thể được depolymer hóa thành các thành phần hóa học để phục vụ quá trình tái chế vòng kín.
Tuy nhiên, không có một loại vi khuẩn hay enzyme nào hiện nay có thể nhanh chóng phân hủy mọi loại rác thải nhựa. Công nghệ sinh học đang có triển vọng rõ ràng nhất đối với PET và một số polyester, trong khi PE, PP và nhiều polymer khác vẫn khó xử lý bằng phương pháp này. Các yếu tố như độ kết tinh của nhựa, tiền xử lý, chi phí enzyme, tốc độ phản ứng và khả năng mở rộng quy mô vẫn cần tiếp tục được cải thiện.
Vì vậy, trong tương lai, công nghệ enzyme và vi sinh vật nhiều khả năng sẽ đóng vai trò bổ sung cho hệ thống quản lý chất thải, thay vì thay thế hoàn toàn các giải pháp hiện có. Giảm vật liệu không cần thiết, thiết kế để tái chế, phân loại tại nguồn, thu gom hiệu quả và phát triển nhiều công nghệ tái chế khác nhau vẫn cần được triển khai đồng thời.
Đối với lĩnh vực bao bì, việc hạn chế rác thải cũng cần bắt đầu ngay từ giai đoạn thiết kế: lựa chọn cấu trúc vừa đủ để bảo vệ sản phẩm, tối ưu lượng vật liệu và xem xét khả năng thu gom – tái chế tại thị trường sử dụng.
Hiện tại, BMP Group tập trung sản xuất bao bì màng mềm phức hợp. Tùy đặc tính sản phẩm và yêu cầu bảo quản, doanh nghiệp có thể nghiên cứu cấu trúc phù hợp về khả năng cản, độ bền cơ học, hàn dán và lượng vật liệu sử dụng.
Email: cdd.bmp@bmppack.com
Hotline: (028)66.756.588
