Khám phá nguồn nhiên liệu sinh học mới

Một loại vi khuẩn mới được chế tạo sản xuất cellulose có thể được dùng để chế biến ethanol và các loại nhiên liệu sinh học khác. Các nhà khoa học thuộc đại học Texas tại Austin nói rằng loại vi khuẩn này có thể cung cấp một lượng đáng kể nhiên liệu vận chuyển cho cả quốc gia nếu phương thức sản xuất này được thúc đẩy.

Ngoài cellulose, vi khuẩn cyanobacteria do giáo sư R. Malcolm Brown Jr. và tiến sĩ David Nobles Jr. còn sản xuất cả glucose và sucrose. Hai loại đường đơn này là nguồn cung cấp chính để sản xuất ethanol.

Nobles – thành viên nghiên cứu thuộc cơ quan Di truyền học phân tử và vi trùng học, cho biết: “Vi khuẩn cyanobacteria là một nguồn cung cấp đường tiềm năng rất rẻ để sản xuất ethanol và các loại nhiên liệu khác”.

Theo Brown và Nobles, vi khuẩn cyanobacteria của họ có thể phát triển trong các điều kiện sản xuất trên diện tích đất không dùng để trồng cấy sử dụng nước mặn không thích hợp với con người và cả mùa màng.

Những phát hiện quan trọng khác bao gồm:

- Dòng vi khuẩn cyanobacteria mới sử dụng ánh sáng mặt trời làm nguồn cung cấp năng lượng để sản xuất và bài tiết đường và cellulose.

- Glucose, cellulose và sucrose có thể được thu hoạch liên tục mà không làm hại hoặc làm chết vi khuẩn cyanobacteria (thu hoạch cellulose và đường từ tảo hoặc cây trồng như ngô hay mía buộc phải tiêu diệt vi khuẩn cũng như phải sử dụng enzim và các phương pháp cơ học để tách chiết đường).

- Vi khuẩn cyanobacteria có thể cố định phân tử nitơ trong khí quyển phát triển được mà không cần phân bón gốc dầu.

Nghiên cứu của hai nhà khoa học được đăng tải mới đây trên tờ Cellulose.

Ảnh trái: Hai tế bào vi khuẩn cyanobacteria hình que dạng hoang dại không chứa cellulose hoặc đường trên bề mặt. Ảnh phải: Một vi khuẩn cyanobacteria đã được biến đổi gen sản xuất cellulose quan sát được (cellulase kết hợp với nhân tố chỉ thị màu vàng dày đặc electron). Ảnh: Brown và Nobles, đại học Texas tại Austin

Nobles tạo ra dòng vi khuẩn cyanobacteria mới (còn có tên gọi tảo lam xanh) bằng cách cấy ghép cho chúng một nhóm gen sản xuất cellulose từ một loại vi khuẩm “dấm” không quang hợp có tên Acetobacter xylinum nổi tiếng với biệt hiệu vi khuẩn sản xuất cellulose năng suất.

Vi khuẩn cyanobacteria mới tạo ra cellulose ở dạng gel khá trong và có thể bị bẻ gãy dễ dàng thành phân tử glucose.

Theo Nobles, “vấn đề với cellulose trong thực vật chính là việc phân tử này rất khó bị bẻ gãy do có cấu trúc tinh thể cao pha trộn cả linhin cùng các hợp chất khác”.

Ông rất ngạc nhiên khi phát hiện thấy vi khuẩn cyanobacteria đồng thời tiết ra một lượng lớn glucose hoặc sucrose, phân tử đường có thể được thu hoạch trực tiếp từ vi khuẩn.

Nobles phát biểu: “Sản xuất ethanol và nhiên liệu sinh học từ cellulose bằng cách sử dụng enzim và các phương pháp cơ học nhằm bẻ gãy cellulose đòi hỏi phải có nguồn chi phí lớn. Trong khi sử dụng vi khuẩn cyanobacteria sẽ giải quyết được vấn đề kinh tế này”.

Các nguồn đang được sử dụng hoặc đang được nghiên cứu để sản xuất ethanol tại Hoa Kì bao gồm cỏ và gỗ (cellulose), ngô (glucose) và mía (sucrose). Tảo hiện cũng đang được nghiên cứu để sản xuất dầu diezel sinh học.

Brown nhận thấy việc sử dụng cyanobacteria trong sản xuất có một lợi ích lớn đó là giảm được diện tích đất trồng bị chuyển đổi để sản xuất nhiên liệu, đồng thời giảm áp lực trên những cánh rừng.

Brown – Johnson & Johnson Centennial Chair thuộc cơ quan Sinh học tế bào thực vật – cho biết: “Áp lực sẽ đè nặng lên tất cả những người trồng ngô nhằm sản xuất ra ngô nhưng không vì mục đích làm thực phẩm. Yêu cầu tương tự như thế đối với sucrose đang diễn ra ở Brazil khi hiện có thêm nhiều rừng mưa Amazon bị thay thế bằng cánh đồng mía do nhu cầu năng lượng đang tăng lên. Chúng ta không hề muốn như thế bởi chúng ta sẽ không bao giờ lấy lại được những cánh rừng đó”.

Brown và Nobles ước tính rằng diện tích xấp xỉ cần thiết để sản xuất ethanol từ ngô nhằm cung cấp nhiên liệu cho tất cả các nhu cầu vận chuyển của Hoa Kì vào khoảng 820.000 dặm vuông – tương đương với diện tích của cả vùng trung tâm phía bắc Hoa Kì.

Hai ông đưa ra giả thuyết rằng họ có thể sản xuất một lượng ethanol tương đương nhờ sử dụng một diện tích chỉ bằng nửa như thế với vi khuẩn cyanobacteria với mức độ hiệu quả hiện tại đạt được trong phòng phí nghiệm. Nhưng họ cũng nói trước rằng cũng còn rất nhiều việc cần làm để cyanobacteria có thể sản xuất được nhiên liệu thực tế. Nhờ sử dụng lò phản ứng sinh học quang điện mà chúng ta có thể biết được rằng năng suất của vi khuẩn trong phòng thí nghiệm có khả năng tăng gấp 17 lần. Nếu con số này có thể đạt được ngoài thực tế với quy mô lớn thì chỉ cần 3,5% diện tích trồng ngô nói trên có thể được sử dụng để sản xuất nhiên liệu sinh học từ cyanobacteria.

Brown cho biết cyanobacteria chỉ là một trong rất nhiều giải pháp tiềm năng cho các nguồn nhiên liệu tự hồi phục.

Brown cho biết: “Có rất nhiều cách giúp chúng ta có thể tự tạo ra năng lượng, và chúng tôi muốn góp sức trong nỗ lực chung đó. Dầu mỏ là một mặt hàng quý giá. Chúng ta nên sử dụng nó để tạo các sản phẩm hữu ích chứ không phải chỉ để đốt cháy rồi biến nó thành khí CO2”.

Brown và Nobles hiện đang nghiên cứu những phương pháp hiệu quả nhất để tăng năng suất cũng như hiệu quả sản xuất của cyanobacteria. Hai ứng dụng đã được cấp giấy độc quyền 20080085520 và 20080085536 mới đây đã được đăng tải trên tờ United States Patent and Trade Office.