Vi khuẩn biến chất thải thực phẩm thành năng lượng

Khi 115.000 tấn chất thải thực phẩm tấn công cơ sở chế biến của Surrey ở British Columbia mỗi năm, hàng tỷ vi khuẩn sẽ chuyển đổi mọi thứ từ vỏ chuối đến bánh pizza còn sót lại thành khí tự nhiên tái tạo (RNG). Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại Đại học British Columbia (UBC) đã xác định được một loại vi khuẩn chưa được biết đến trước đây trong Họ Natronincolaceae gia đình đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.

Khám phá này được công bố trên Vi sinh tự nhiênđược dẫn dắt bởi Tiến sĩ Ryan Ziels, phó giáo sư tại Khoa Kỹ thuật Xây dựng của UBC, người nghiên cứu cách biến chất thải thành tài nguyên hữu ích bằng cách sử dụng phương pháp xử lý sinh học.

Ziels cho biết: “Chúng tôi đang nghiên cứu quá trình sản xuất năng lượng vi sinh vật tại Cơ sở nhiên liệu sinh học Surrey thì nhận thấy một điều kỳ lạ: các vi khuẩn thường tiêu thụ axit axetic đã biến mất, nhưng khí mê-tan vẫn tiếp tục chảy”. “Các phương pháp truyền thống không thể xác định được các sinh vật thực hiện công việc nặng nhọc.”

Để giải quyết bí ẩn, nhóm nghiên cứu đã cho vi khuẩn ăn các chất dinh dưỡng có chứa dạng carbon nặng hơn. Vi khuẩn sử dụng carbon để tạo ra protein mới – vì vậy bằng cách truy tìm carbon trong protein, các nhà nghiên cứu có thể biết ai đang thực hiện công việc đó.

Tiến sĩ Steven Hallam, giáo sư tại Khoa Vi sinh và Miễn dịch học của UBC và là đồng tác giả của bài báo, giải thích: “Chuyển đổi chất thải thành khí mê-tan là một quá trình hợp tác bao gồm nhiều vi khuẩn tương tác. “Loại vi khuẩn mới được xác định này là một trong những nhân tố chính khiến điều đó xảy ra.”

Chất thải thực phẩm giàu protein tự nhiên tạo ra amoniac khi nó phân hủy, nhưng quá nhiều amoniac có thể ngăn chặn quá trình sản xuất khí mê-tan và khiến axit axetic tích tụ, khiến bể chứa chất thải có tính axit và không hiệu quả. Tuy nhiên, các vi khuẩn mới được phát hiện có khả năng chịu được nồng độ amoniac cao có thể làm ngừng hoạt động các nhà sản xuất khí mê-tan khác, giúp hệ thống tiếp tục hoạt động khi bình thường nó sẽ bị hỏng.

Ziels nói: “Các cơ sở của thành phố mắc nợ những sinh vật này rất nhiều. “Nếu axit axetic tích tụ, các bể chứa phải được đổ đi và khởi động lại – một quá trình tốn kém và lộn xộn.”

Những phát hiện này giúp giải thích tại sao một số máy tiêu hóa lại hoạt động kém trong khi những máy khác, như của Surrey, tiếp tục sản xuất năng lượng trong những điều kiện khó khăn. Phát hiện này cũng cho thấy môi trường có nồng độ amoniac cao thực sự có thể mang lại lợi ích cho những vi khuẩn quan trọng này, mang lại hiểu biết sâu sắc cho các thiết kế hiệu quả hơn.

Phương pháp gắn thẻ phân tử cũng có thể phát hiện các vi khuẩn khó nắm bắt khác. Ziels và các đồng nghiệp của ông hiện đang sử dụng kỹ thuật tương tự để nghiên cứu các cộng đồng vi sinh vật phân hủy các hạt vi nhựa trong đại dương.

Khi các thành phố trên toàn thế giới vật lộn với việc quản lý chất thải và chuyển đổi năng lượng ít carbon, nhóm nghiên cứu tin rằng một số sinh vật nhỏ nhất trong tự nhiên có thể nắm giữ chìa khóa giải quyết những thách thức môi trường lớn nhất của chúng ta.

Ziels nói: “Lần tới khi bạn ném rác thải của mình vào thùng ủ phân, hãy nhớ rằng: bạn không chỉ đang ủ phân. Bạn đang cung cấp năng lượng cực nhỏ giúp tạo ra năng lượng sạch hơn”.

Nghiên cứu được thực hiện với sự cộng tác của FortisBC và Convertus. Các nhà nghiên cứu tại Viện Genome chung của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ và Phòng thí nghiệm Khoa học Phân tử Môi trường cũng đóng góp cho nghiên cứu này.

Jamie King, Giám đốc, Đổi mới và Đo lường tại FortisBC cho biết: “Chúng tôi rất vui được hỗ trợ hệ sinh thái nghiên cứu của British Columbia có tiềm năng tác động đến thế giới thực. Những tiến bộ như thế này – giúp chúng tôi hiểu sâu hơn về quá trình tiêu hóa kỵ khí – có thể có tiềm năng cho phép các cơ sở như Surrey Biofuels sản xuất nhiều khí tự nhiên tái tạo hơn từ cùng một lượng chất thải hữu cơ”. “Sự hợp tác giữa UBC, FortisBC và Cơ sở nhiên liệu sinh học Surrey tiếp tục tăng cường khả năng của chúng tôi trong việc hỗ trợ các giải pháp năng lượng carbon thấp hơn.”

Felizia Crozier, Kỹ sư hỗ trợ quy trình tại Tập đoàn Convertus, cho biết: “Tại cơ sở Surrey, chúng tôi cố gắng duy trì một cộng đồng vi sinh vật ổn định để đạt được những lợi ích của RNG như một loại nhiên liệu sinh học sạch. Nếu sự ổn định bị tổn hại, điều này sẽ có ý nghĩa tài chính đáng kể vì lịch trình sản xuất phải được điều chỉnh và chúng tôi sẽ phải bắt đầu lại từ đầu.”

Chú thích hình ảnh: Cơ sở nhiên liệu sinh học Surrey. Tín dụng hình ảnh: FortisBC.