Một bước đột phá trong công nghệ sinh học đã xuất hiện từ một nguồn bất ngờ: chất thải của con người. Các nhà nghiên cứu đã thành công trong việc cải tạo gen nấm men để biến đổi nước tiểu thành hydroxyapatite, một khoáng chất có giá trị được sử dụng để tạo ra xương và răng nhân tạo. Sáng kiến này giải quyết đồng thời nhiều thách thức toàn cầu, từ chi phí quản lý chất thải đến sản xuất vật liệu bền vững.
Khám phá này dựa trên lĩnh vực đang phát triển của tái chế nước tiểu - một phong trào nhằm khai thác các nguồn tài nguyên có giá trị từ chất thải con người trước khi chúng đi vào hệ thống thoát nước thải. Các cuộc thảo luận cộng đồng cho thấy phương pháp này có thể có tác động sâu rộng vượt ra ngoài việc sản xuất vật liệu, đặc biệt trong việc giải quyết các thách thức môi trường hiện đang cản trở các dự án phát triển.
Thông số kỹ thuật
- Sinh vật gốc: Saccharomyces boulardii (chủng nấm men được biến đổi gen)
- Sản phẩm: Hydroxyapatite (khoáng chất dựa trên canxi và phốt pho)
- Sản phẩm phụ: Muối amoniac để sản xuất phân bón
- Ứng dụng: Phẫu thuật xương/răng, vật liệu nhựa nhẹ
Chất thải nông nghiệp tạo ra khủng hoảng nhà ở
Tác động môi trường của chất thải giàu nitơ đã tạo ra những hậu quả bất ngờ ở một số quốc gia. Tại Hà Lan, chất thải gia súc chứa amoniac đã trở thành vấn đề nghiêm trọng đến mức ngăn cản việc xây dựng nhà ở mới - một vấn đề quan trọng khi nhà ở giá rẻ đang rất cần thiết. Các mô hình tương tự đang xuất hiện ở các khu vực khác nơi dòng chảy nông nghiệp đã làm ô nhiễm hệ thống nước, dẫn đến lệnh cấm xây dựng.
Điều này tạo ra một chu kỳ bực bội: các cộng đồng cần thêm nhà ở, nhưng các quy định môi trường được thiết kế để bảo vệ chất lượng nước lại đang cản trở sự phát triển. Công nghệ nấm men mới có thể giúp phá vỡ tình trạng bế tắc này bằng cách thu giữ các hợp chất nitơ có hại trước khi chúng đi vào môi trường.
Tiềm năng tác động toàn cầu
- Sản xuất phân bón hiện tại: ~1% tổng mức tiêu thụ năng lượng của thế giới
- Mục tiêu: Thay thế một phần đáng kể nhu cầu phân bón nitơ
- Lợi ích bổ sung: Giảm chi phí xử lý nước thải
- Tác động môi trường: Thu giữ nitơ có hại trước khi xâm nhập vào hệ sinh thái
Tiềm năng kinh tế vượt ra ngoài xử lý chất thải
Các con số tài chính đằng sau công nghệ này rất hấp dẫn. Các nhà nghiên cứu ước tính rằng việc sản xuất hydroxyapatite từ nước tiểu sẽ có chi phí khoảng 19 đô la Mỹ mỗi kilogram, trong khi vật liệu này được bán với giá 90-200 đô la Mỹ trên thị trường Mỹ. Một hệ thống phục vụ một thành phố có quy mô như San Francisco có thể tạo ra khoảng 1,4 triệu đô la Mỹ lợi nhuận hàng năm.
Nhưng giá trị thực sự có thể nằm ở những lợi ích kép. Cùng một quy trình tạo ra vật liệu xương có giá trị cũng thu giữ amoniac, có thể được chuyển đổi thành phân bón. Hiện tại, khoảng 1% lượng tiêu thụ năng lượng toàn cầu được sử dụng để sản xuất phân bón dựa trên nitơ từ khí nitơ trong khí quyển. Việc thu hồi nitơ này từ chất thải có thể giảm đáng kể cả tiêu thụ năng lượng và chi phí phân bón.
Kinh tế Sản xuất
- Chi phí sản xuất: ~19 USD cho mỗi kilogram hydroxyapatite
- Giá thị trường: 90-200 USD cho mỗi kilogram tại thị trường Mỹ
- Lợi nhuận tiềm năng hàng năm: 1,4 triệu USD cho một thành phố có quy mô như San Francisco
- Hiệu suất: 1 gram hydroxyapatite trên mỗi kilogram nước tiểu
 |
|---|
| Một cảnh tượng sống động thể hiện sự đổi mới công nghiệp phản ánh tiềm năng kinh tế của việc sử dụng nấm men được thiết kế để sản xuất vật liệu bền vững từ chất thải |
Bối cảnh lịch sử của tái chế nước tiểu
Khái niệm khai thác giá trị từ nước tiểu không hoàn toàn mới. Các ví dụ lịch sử cho thấy người La Mã đã sử dụng nước tiểu làm chất tẩy rửa quần áo, tận dụng amoniac mà nó tạo ra khi phân hủy. Nước tiểu cũng đã được sử dụng trong sản xuất thuốc súng trong suốt lịch sử.
Nghiên cứu hiện đại thậm chí đã tìm ra cách để đẩy nhanh những quy trình truyền thống này. Hạt dưa hấu chứa một enzyme gọi là urease có thể đẩy nhanh quá trình chuyển đổi nước tiểu thành amoniac từ hàng tuần xuống chỉ qua đêm - mặc dù kiến thức này đã đến quá muộn đối với các tiệm giặt La Mã, vốn phải lưu trữ nước tiểu trong hàng tuần trong khi chờ đợi quá trình phân hủy tự nhiên.
Đổi mới kỹ thuật và nhu cầu thị trường
Nấm men được cải tạo gen, có biệt danh osteoyeast, bắt chước hành vi của tế bào tạo xương - những tế bào chuyên biệt tự nhiên sản xuất vật liệu xương ở động vật. Tuy nhiên, không giống như tế bào tạo xương, vốn cực kỳ khó khăn và tốn kém để nuôi cấy bên ngoài cơ thể, nấm men này duy trì các đặc tính bảo trì thấp khiến nấm men trở nên thực tế cho việc sử dụng công nghiệp.
Vẫn còn những câu hỏi về nhu cầu thị trường đối với hydroxyapatite được sản xuất. Mặc dù vật liệu này có ứng dụng rõ ràng trong các thủ thuật y tế và nha khoa, chi phí vật liệu thực tế thường chỉ chiếm một phần nhỏ trong tổng chi phí phẫu thuật. Sự thành công của công nghệ này có thể phụ thuộc nhiều hơn vào lợi ích xử lý chất thải của nó hơn là thuần túy vào giá trị của vật liệu xương được sản xuất.
Nhóm nghiên cứu đã cung cấp osteoyeast được cấp bằng sáng chế của họ để cấp phép và tiếp tục phát triển các chủng mới có thể khai thác các vật liệu có giá trị khác từ dòng chất thải. Phương pháp này cuối cùng có thể cho phép các hoạt động khai thác sinh học thân thiện với môi trường biến các sản phẩm chất thải khác nhau thành tài nguyên hữu ích.
Tham khảo: New Process Uses Microbes to Create Valuable Materials from Urine