Lớp phủ sinh học chứa vi khuẩn, phát minh có thể cách mạng hóa quy trình xử lý nước thải

Nghe có vẻ lạ, nhưng đây chính là nội dung của một nghiên cứu mới được đăng tải trên tạp chí Biomacromolecules của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ. Những cải tiến đối với một loại lớp phủ sinh học mới có chứa vi khuẩn có thể mở đường cho những tiến bộ lớn đối với hoạt động xử lý chất thải, sản xuất sinh khối hoặc khí nhiên liệu sinh học trong tương lai.

Cụ thể, các chuyên gia đến từ Đại học Surrey (Anh Quốc) đã nghiên cứu và cải thiện một số đặc tính của lớp phủ sinh học biocoating, bao gồm một lớp cao phân tử bao bọc vi khuẩn. Khi ở bên trong lớp phủ, vi khuẩn sẽ không phát triển hoặc tự phân chia, nhưng chúng vẫn có thể thực hiện một số chức năng hữu ích, chẳng hạn như hấp thụ chất độc hại hoặc carbon dioxide. Trên thực tế, đã từng có không ít nghiên cứu trước đây tập trung vào việc sản xuất lớp phủ sinh học sở hữu các đặc tính diệt khuẩn như đã nêu, nhưng trong hầu hết các trường hợp, vi khuẩn không sống được lâu, khiến việc sử dụng chúng trong thực tế bị hạn chế đáng kể.

Vi khuẩn có thể đóng vai trò quan trọng trong hoạt động xử lý nước thải.

Ngoài ra, lớp phủ sinh học cũng cần phải có cấu trúc thấm để cho phép nước cũng như chất dinh dưỡng có thể xâm nhập và duy trì sự sống cho vi khuẩn, đồng thời cho phép các sản phẩm phụ của quá trình thoát ra ngoài.

Để cải thiện hiệu quả của việc sử dụng vi khuẩn trong lĩnh vực xử lý chất thải và sản xuất sinh khối, khí nhiên liệu sinh học, các nhà nghiên cứu của Đại học Surrey đã tập trung tìm cách giải quyết vấn đề cấu trúc thấm lớp phủ sinh học, chìa khóa cho sự tồn tại của vi khuẩn bên trong. Các nhà khoa học đã sử dụng hệ thống ống siêu nhỏ làm từ Halloysite, một khoáng sét aluminosilicate với công thức thực nghiệm Al₂Si₂O₅ (OH).

Thành phần chính của loại vật liệu này là oxy, silicon, nhôm và hydro, với ưu điểm là dễ kiếm, chi phí thấp, từng được sử dụng làm chất gia cường cho vật liệu nhựa. Các ống Halloysite nhỏ này sẽ tạo ra các kênh trong lớp phủ sinh học để nâng cao độ thẩm thấu.

Thông qua một thí nghiệm khử resazurin được điều chỉnh đặc biệt, nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng vi khuẩn được bao bọc trong lớp phủ sinh học Halloysite có khả năng tồn tại lâu hơn so với vi khuẩn trong lớp phủ sinh học thông thường. Họ xác định rằng một lớp phủ được tạo thành từ 29% halloysite có sự kết hợp tốt nhất giữa độ bền cơ học tốt và độ thấm cao. Quan sát dưới kính hiển vi huỳnh quang, có thể thấy rõ vi khuẩn vẫn tồn tại và hoạt động về mặt trao đổi chất trong một thời gian dài. Nhờ vào điều này, khuẩn sống có thể được sử dụng để làm sạch nước ô nhiễm nhờ vào khả năng loại bỏ các hóa chất độc hại của chúng.

"Đây là một nghiên cứu mang tính liên ngành, với sự liên quan mật thiết giữa hai lĩnh vực vật lý và vi sinh vật học. Chỉ khi làm việc cùng nhau, chúng ta mới có thể tạo ra một bước đột phá trong lớp phủ sinh học”, Joe Keddie, giáo sư vật lý vật chất mềm tại Đại học Surrey, thành viên nhóm nghiên cứu, cho biết.

Phần lớn vi khuẩn đều có lợi, và nếu không có chúng thì nhiều quá trình quan trọng trong cuộc sống hàng ngày như chúng ta đã biết sẽ không thể diễn ra bình thường. Duy trì khả năng tồn tại của vi khuẩn trong lớp phủ sinh học đóng vai trò rất quan trọng để khai thác hiệu quả của chúng trong nhiều nhiệm vụ khác nhau, trong đó có xử lý chất thải.