Nghiên cứu từ Đại học Bang Bắc Carolina về việc sử dụng cây trong sản xuất hóa chất thân thiện với môi trường

Đội ngũ nghiên cứu của NC, dưới sự dẫn dắt của giáo sư sinh lý học vi sinh Robert Kelly, đã xác định rằng hàm lượng lignin methoxy trong cây quyết định khả năng phân hủy của chúng qua quá trình lên men vi sinh. Trước đây, nhóm nghiên cứu đã phát hiện một số vi khuẩn ưa nhiệt, sinh sống ở những môi trường khắc nghiệt như suối nước nóng Công viên quốc gia Yellowstone, có khả năng phân hủy cellulose trong cây. Tuy nhiên, do hiệu quả không đủ lớn, những phát hiện này chưa mang lại giá trị kinh tế hay môi trường đáng kể. Cuối cùng, họ nhận ra rằng không chỉ lignin mà còn nhiều yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến hiệu quả phân hủy.

Để giải quyết vấn đề này, giáo sư Kelly đã dành ra 10 năm làm việc với phó giáo sư Jack Wang chuyên ngành tài nguyên thiên nhiên. Năm 2023, phó giáo sư Wang cùng các đồng nghiệp đã sử dụng công nghệ chỉnh sửa gien CRISPR để tạo ra cây dương với hàm lượng và thành phần lignin được điều chỉnh. Cây dương được chọn vì khả năng phát triển nhanh, ít cần thuốc trừ sâu và có khả năng sinh trưởng tốt trong các khu vực khó khăn về điều kiện trồng trọt.

Một số cây dương đã được chỉnh sửa cho thấy khả năng phân hủy tốt trong quá trình lên men do vi khuẩn thực hiện. Theo nghiên cứu sinh tiến sĩ Ryan Bing, mỗi loại vi khuẩn lại có sở thích khác nhau về loại thực vật mà chúng xử lý. Một số loại vi khuẩn có thể được sử dụng để xử lý thực vật và chuyển hóa chúng thành sản phẩm có giá trị.

Trong các thí nghiệm, giáo sư Kelly và nghiên cứu sinh Bing đã kiểm tra khả năng của vi khuẩn Anaerocellum bescii, được phân lập từ suối nước nóng ở Kamchatka (Nga), trong việc xử lý cây dương biến đổi gien của phó giáo sư Wang. Kết quả cho thấy, cây có hàm lượng methoxy thấp dễ phân hủy hơn, tạo điều kiện cho vi khuẩn tiếp cận cellulose một cách dễ dàng hơn.

“Cây dương đã được chỉnh sửa phát triển tốt trong nhà kính, và hiện tại vẫn chưa có kết quả thử nghiệm ngoài thực địa. Tuy nhiên, chúng được coi là rất lý tưởng cho việc sản xuất hóa chất công nghiệp như acetone và khí hydro, không chỉ mang lại hiệu quả kinh tế lớn mà còn giảm thiểu tác động đến môi trường,” giáo sư Kelly cho biết.

Phương pháp truyền thống để sản xuất hóa chất từ cây bao gồm việc chặt nhỏ cây, sau đó sử dụng hóa chất và enzyme để xử lý, rồi chế biến sâu. Nhưng giáo sư Kelly nhấn mạnh rằng vi khuẩn ưa nhiệt có hiệu quả hơn so với hóa chất và enzyme, vì chúng có thể phân hủy và lên men cellulose thành sản phẩm chỉ trong một bước. Hơn nữa, môi trường nhiệt độ cao nơi vi khuẩn sống cũng giúp quy trình sản xuất không cần đảm bảo điều kiện vô trùng.

Nghiên cứu của đội ngũ NC đã mở ra hướng đi mới trong việc sử dụng cây cối như một nguồn nguyên liệu bền vững cho ngành sản xuất hóa chất. Việc ứng dụng công nghệ chỉnh sửa gien và vi khuẩn ưa nhiệt không chỉ giúp cải thiện khả năng phân hủy của thực vật mà còn tạo ra những sản phẩm hóa học có giá trị với ít tác động đến môi trường. Nếu những nghiên cứu này được triển khai rộng rãi, chúng có thể tạo ra một cuộc cách mạng trong ngành công nghiệp hóa chất, đóng góp vào việc bảo vệ môi trường và phát triển bền vững cho tương lai.