Ô nhiễm kim loại nặng trong không khí: Khi rêu trở thành “chứng nhân”

Nguồn: baotainguyenmoitruong.vn

Tình trạng chất lượng không khí đô thị tại Hà Nội hay TPHCM khiến người ta luôn đặt câu hỏi “rút cục thì những ô nhiễm đó gồm những chất gì ngoài bụi mịn”, “có thể xác định được các thời điểm ô nhiễm và điểm nóng ô nhiễm ở từng nơi được không”? Những câu hỏi từ thực tế đó luôn khiến các nhà nghiên cứu phải suy ngẫm và dành thời gian tìm hiểu để gắng có được câu trả lời xác thực nhất. Phần lớn các nghiên cứu về chất lượng không khí hiện nay đều tập trung vào kích cỡ, sự phân bố các hạt bụi mịn PM2.5, PM10 hoặc các khí thải NOx, SO2 – những chỉ tiêu quan trọng về chất lượng không khí phổ biến. Bức tranh phức tạp về chất lượng không khí vẫn còn rất nhiều khoảng trống cho những “tay chơi mới” bước vào và bổ sung một vài mảnh ghép không kém phần quan trọng – ô nhiễm kim loại nặng trong không khí và áp dụng phương pháp mới là dùng rêu làm chỉ thị sinh học, thay vì sử dụng cảm biến trong các trạm quan trắc hoặc các phương pháp lấy mẫu thụ động và chủ động thông thường. 

Đó là cách làm mà giáo sư Lê Hồng Khiêm (Viện Vật lý, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam) và cộng sự ở rất nhiều trường đại học và viện nghiên cứu ở Việt Nam như ĐH Khoa học Tự nhiên (ĐHQGHN), Viện KH&KT hạt nhân, Viện nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt (Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam), trường Đại học Nha Trang… tiến hành từ vài năm nay  thông qua đề tài Nghị định thư Việt Nam - Nga “Nghiên cứu ô nhiễm kim loại nặng trong không khí thông qua chỉ thị rêu Barbula indica” đem lại gần 10 công bố quốc tế về ô nhiễm không khí ở các thành phố Hà Nội, Hải Phòng, Lâm Đồng, TP HCM... Những kết quả này không chỉ đóng góp số liệu về ô nhiễm kim loại nặng trong không khí ở Việt Nam mà còn gợi mở những vấn đề cần được nghiên cứu sâu trong tương lai. 

Bầu không khí “nặng” kim loại ở Hà Nội

Không làm “choáng váng” mọi người như những thông số về hạt bụi mịn hoặc các chất khí độc hại từ khói thải giao thông hay hoạt động công nghiệp nhưng kết quả từ nghiên cứu ô nhiễm kim loại nặng ở Hà Nội cũng đủ khiến người ta bất ngờ. “Không khí ở Hà Nội chứa nhiều nguyên tố kim loại nặng, trong đó hàm lượng zirconi và niken ở mức rất cao”, kết quả công bố “Assessment of atmospheric deposition of metals in Hanoi using the moss bio-monitoring technique anh proton induced x-ray emission” của giáo sư Lê Hồng Khiêm và cộng sự trên tạp chí Journal radioanalytical and nuclear chemistry (thuộc danh mục ISI) đã cho thấy một cái nhìn bi quan về chất lượng không khí Hà Nội. 

Giáo sư Lê Hồng Khiêm giới thiệu loại rêu lấy từ xã Tả Củ Tỷ (Lào Cai) để làm moss bag.

Những nguyến tố vô cơ này không tồn tại một cách đơn lẻ trong không khí mà dưới dạng một phần trong các bụi lơ lửng như bụi mịn PM2.5, PM10. Để nhận diện được chúng, giáo sư Lê Hồng Khiêm và cộng sự đã tiến hành đặt các mẫu rêu tại nhiều “điểm nóng” ô nhiễm như các khu công nghiệp, ven các con đường có lưu lượng giao thông lớn, làng nghề truyền thống cũng như tại các điểm mà họ cho là xa nguồn ô nhiễm hơn như khu dân cư, trồng trọt canh tác… tại Hà Nội và một số thành phố như Lâm Đồng, Huế, TPHCM… Công việc được họ tiến hành định kỳ từ năm 2013 với mục tiêu có được bộ chỉ số chính xác và ổn định trong thời gian dài về lượng nguyên tố kim loại của các thành phố lớn, đặc biệt là Hà Nội, trong bối cảnh tốc độ đô thị hóa ngày một gia tăng. 

Trong quá trình nghiên cứu, sau mỗi phần phân tích mẫu rêu thu thập được, lo ngại về chất lượng không khí đô thị của giáo sư Lê Hồng Khiêm và cộng sự ngày một lớn dần. Với những nguồn phát thải ngày một gia tăng từ lưu lượng giao thông, khí thải xe cộ, hoạt động xây dựng và chất thải từ các khu công nghiệp quanh những thành phố như Hà Nội và TPHCM, rất có thể bầu không khí nơi này đang lâm vào sự ô nhiễm kim loại đáng kể. “Những nghiên cứu đã được xuất bản trên nhiều tạp chí quốc tế chuyên ngành đã cho thấy chất lượng không khí ở nhiều đô thị trên thế giới gia tăng tương đồng về ô nhiễm không khí với tốc độ đô thị hóa”, giáo sư Lê Hồng Khiêm nói. 

Rút cục sau nhiều chờ đợi, việc phân tích các mẫu rêu được thu thập bằng kỹ thuật hạt nhân PIXE (Proton-induced X-ray emission PIXE) - một kỹ thuật phân tích rất chuẩn xác được sử dụng để xác định thành phần nguyên tố của mẫu bằng việc phơi lộ chúng trước chùm tia ion nhưng không làm phá hủy chúng - đã cho thấy các hạt bụi mịn trong không khí Hà Nội có chứa 22 nguyên tố kim loại như natri, mangan, nhôm, silic, chì, kali, sắt, đồng, kẽm, thủy ngân… với nồng độ lớn nhất là tám chất silic, canxi, kali, nhôm, sắt và magie. “Như vậy mật độ bụi trong không khí ở Hà Nội rất cao và ô nhiễm không khí ở Hà Nội có thể chủ yếu do các hạt bụi lơ lửng trong không khí gây ra. Tình trạng ô nhiễm kim loại này đều có ở mọi điểm của thành phố”, giáo sư Lê Hồng Khiêm nói. Vậy những nguồn phát thải kim loại này là gì? “Nguyên nhân là do ở Hà Nội có rất nhiều công trình cao tầng và hệ thống giao thông đang được triển khai xây dựng trong thành phố. Tuy nhiên nếu căn cứ vào phạm vi biến động rất cao của các nguyên tố này trong rêu, có thể thấy nguồn gốc ô nhiễm hết sức đa dạng”, ông giải thích. 

Để đi đến kết luận này về nguồn gốc ô nhiễm kim loại nặng trong không khí ở Hà Nội, các nhà nghiên cứu đã dùng phương pháp phân tích đa biến, một phương pháp phân tích thống kê phổ biến được sử dụng rộng rãi trong ngành khoa học môi trường. Họ đã tìm hiểu năm nhân tố quan trọng thể hiện nồng độ của các nguyên tố mà mình quan tâm. “Kết quả đạt được ngoài mong đợi. Ví dụ khi tìm hiểu về nồng độ của các nguyên tố brom, zirconi và stronti thì chúng tôi thấy nồng độ lớn nhất thu được từ mẫu rêu đặt ở huyện Đông Anh, nguồn chính có thể là từ khu công nghiệp Thăng Long ở đó”, giáo sư Lê Hồng Khiêm nói. 

Những kết quả khác thu được cũng cho các nhà nghiên cứu thấy mối liên hệ giữa ô nhiễm kim loại với những hoạt động của con người: sự tương quan giữa asen và chì trong mẫu rêu đặt ở Bát Tràng cho thấy chúng có cùng nguồn gốc, có thể là từ việc đốt than để sản xuất gốm sứ, và sử dụng thuốc trừ sâu chứa asen trong trồng lúa và hoa màu ở khu vực này; hệ số cao của kẽm và bari trong các mẫu đặt ven đường giao thông ở nội thành cho thấy giao thông và mật độ dân số đông dẫn đến sự gia tăng nồng độ kẽm và bari; nồng độ niken và đồng từ các đường quốc lộ, nơi có lưu lượng xe tải và gần nhiều xưởng cơ khí, nhà máy sản xuất pin cho thấy ảnh hưởng của hoạt động đốt than, công nghiệp luyện kim, nhà máy than, giao thông và thậm chí cả đất. “Nồng độ các nguyên tố kim loại trong các mẫu rêu được lấy và phân tích vào mùa hè năm 2018 thể hiện sự khác biệt rất lớn trong tỉ lệ các kim loại. Nó cho thấy sự phân bố các nguyên tố kim loại nặng trong khí quyển Hà Nội không đồng đều”, giáo sư Lê Hồng Khiêm nhận xét.
 

Rêu Barbula indica. Nguồn: ResearchGate.

Về tổng thể, một cái nhìn trực diện hơn về ô nhiễm kim loại trong không khí Hà Nội và các đô thị khác đã được các nhà nghiên cứu định hình. “Chúng tôi bất ngờ phát hiện ra, phần lớn các nguyên tố kim loại trong không khí Hà Nội có nồng độ cao hơn ở Huế, Hội An, TP HCM. Đặc biệt nồng độ bari ở Hà Nội cao gấp 15,5 lần so với TP HCM”, giáo sư Lê Hồng Khiêm lo ngại chỉ ra một hiện trạng đang tồn tại. Tuy nhiên khi được hỏi kết quả đó nói lên điều gì, ông chỉ có thể nói ngắn gọn, “với nghiên cứu ban đầu này thì chúng tôi chưa thể giải thích được nhiều bởi xét về thực tế, TP HCM là trung tâm công nghiệp lớn nhất Việt Nam và trước đó chúng tôi đã dự đoán ô nhiễm không khí ở TP HCM cao hơn Hà Nội. Có thể đi đến một kết luận chính xác hơn, chúng tôi sẽ phải thực hiện thêm một vài nghiên cứu nữa, hoặc đặt thêm mẫu ở TPHCM”. 

Việc đặt các kết quả phân tích của các thành phố Việt Nam lại với nhau và đặt cạnh dữ liệu của một số thành phố châu Âu khác đã đưa các nhà nghiên cứu đến một nhận định mà các nhà quản lý môi trường không thể bỏ qua: nồng độ nhôm, clo, kali, crom, mangan, sắt, đồng và sắt của Hà Nội cao hơn một chút so với Thái Nguyên nhưng nồng độ kẽm, rubidi, stronti và bari cao hơn rất nhiều, đặc biệt là bari cao gấp 14 lần so với Thái Nguyên; nồng độ crom cao gấp ba lần, valdanium cao gấp hai lần so với Lâm Đồng. Không chỉ cao hơn so với các thành phố khác ở Việt Nam, nồng độ kim loại của không khí Hà Nội “cao hơn rất nhiều lần so với các thành phố này, đặc biệt là chì, rubidi, asen và kẽm. Điều này chứng tỏ là tình trạng ô nhiễm môi trường ở các khu vực của Hà Nội đều khá nghiêm trọng so với những địa phương khác”, giáo sư Lê Hồng Khiêm và cộng sự viết trong công bố của mình. 

Độ tin cậy của kỹ thuật phân tích trên lò xung mạnh nhất thế giới 

Giữa một cộng đồng nghiên cứu về chất lượng ô nhiễm không khí mới được hình thành ở Việt Nam, nhóm nghiên cứu của giáo sư Lê Hồng Khiêm là nơi hiếm hoi sử dụng rêu làm chỉ thị sinh học. Đây gần như là một “lãnh địa” ít dấu chân người, nếu không kể đến một nghiên cứu ban đầu về chất lượng không khí bằng rêu ở Hà Nội và Thái Nguyên của TS. Nguyễn Việt Hùng (ĐH Y tế Công cộng). “Tuy nhiên nghiên cứu này mới chỉ dừng ở mức thăm dò khả năng dùng kỹ thuật này ở Việt Nam và số lượng mẫu phân tích còn ở mức khiêm tốn. Sau này khi tôi liên hệ thì được biết là anh Hùng cũng không còn tập trung vào hướng này nữa”, giáo sư Lê Hồng Khiêm nói về xu hướng nghiên cứu bằng chỉ thị sinh học rêu ở Việt Nam. 

Thực chất, việc sử dụng rêu làm chỉ thị sinh học để nghiên cứu ô nhiễm không khí đã phổ biến trên thế giới từ những năm 1960 và cho đến nay, “hướng nghiên cứu này vẫn đang được triển khai rất mạnh ở các nước phát triển, đặc biệt là các nước châu Âu. Hàng nghìn công bố của các nhà khoa học trên thế giới về lĩnh vực này trong những năm gần đây đã cho thấy sự quan tâm của cộng đồng khoa học trong việc sử dụng rêu để nghiên cứu về ô nhiễm kim loại trong không khí”, giáo sư Lê Hồng Khiêm nhận xét. 

Các phép phân tích PIXE được thực hiện trên lò phản ứng IBR-2 ở Dubna. Nguồn: atomic-energy.ru.

Mặc dù phương pháp lấy mẫu không khí bằng bơm khí và phin lọc đang được sử dụng phổ biến ở Việt Nam được đánh giá là khá linh động, cho phép nhà nghiên cứu có thể tự do di chuyển để lấy mẫu ở nhiều nơi khác nhau song lại có nhược điểm là “không thể quan trắc trên một khu vực rộng tại cùng một thời điểm, thời gian hút mẫu không đủ dài nên kết quả phân tích thường chỉ được xem là phản ánh mức độ ô nhiễm trong một khoảng thời gian ngắn”, giáo sư Lê Hồng Khiêm nhận xét. “Muốn vượt qua được nhược điểm này, anh chỉ còn cách là kiên trì lấy mẫu trong nhiều thời điểm”. Ngoài ra, hạn chế là các thiết bị lấy mẫu khí cũng có giá thành không hề rẻ, thường dao động ở mức vài chục triệu đồng và thậm chí còn cao hơn vài chục lần với thiết bị lấy mẫu chủ động. 

Do đó, từ năm 2013, ông đã bắt đầu theo đuổi hướng nghiên cứu sử dụng rêu làm chỉ thị sinh học để nghiên cứu ô nhiễm không khí với mục tiêu du nhập được kỹ thuật này về Việt Nam để nhiều nhà nghiên cứu có thể sử dụng rộng rãi. Tại sao một chuyên gia lâu năm về vật lý hạt nhân thực nghiệm như ông lại đột ngột chuyển hướng sang một vấn đề mới có vẻ chẳng mấy liên quan đến chuyên môn của mình? Điều này bắt nguồn từ một “cơ duyên” vào năm 2013: “Khi đó, nhận nhiệm vụ làm đại diện toàn quyền của Việt Nam tại Viện liên hiệp hạt nhân Dubna (Nga), tôi nhận thấy các nhà nghiên cứu ở đây triển khai rất nhiều hướng nghiên cứu, ô nhiễm không khí trong đó có sử dụng rêu làm chỉ thị sinh học. Tôi thấy phương pháp này rất hay và quan trọng là phù hợp với điều kiện của Việt Nam. Quá trình thu thập rêu, bảo quản và xử lý để phân tích cũng rất đơn giản, rêu lại có khả năng chịu được ô nhiễm ở mức độ cao nên ở những khu vực bị ô nhiễm nặng vẫn có thể thu thập được mẫu”, ông giải thích.

Để có được những kết quả phân tích chính xác về thành phần kim loại trong các hạt bụi, giáo sư Lê Hồng Khiêm đã thực hiện các phân tích quan trọng tại Dubna. “Các nhà khoa học ở đây đã tích lũy được rất nhiều kinh nghiệm trong lĩnh vực này và rất nhiệt tình giúp đỡ chúng tôi với mong muốn phát triển phương pháp này ở Việt Nam. Một thuận lợi khác là Dubna cũng có lò phản ứng IBR-2 với những luồng neutron xung mạnh nhất thế giới, cho phép chúng tôi thực hiện các phép phân tích bằng kỹ thuật PIXE và phương pháp phân tích kích hoạt neutron (NAA) với độ nhạy và chính xác rất cao”, giáo sư Lê Hồng Khiêm cho biết. Có thể kết quả nghiên cứu của ông là bước kế tiếp và bổ sung vào những kết quả đã có, mặt khác cũng cho thấy mức biến động theo thời gian của nồng độ kim loại trong không khí Hà Nội. 

Mong lập bản đồ ô nhiễm ở Việt Nam

Dù mới bắt đầu, những nghiên cứu về ô nhiễm kim loại trong không khí ở Việt Nam của giáo sư Lê Hồng Khiêm và cộng sự đã được cộng đồng quốc tế ghi nhận, ví dụ ICP Vegetation – một chương trình nghiên cứu quốc tế về những tác động của các chất ô nhiễm trong không khí lên cây trồng, đánh giá: “Việt Nam là một trong những quốc gia phát triển mạnh nhất khu vực Đông Nam Á về nghiên cứu ô nhiễm không khí sử dụng chỉ thị rêu”. Tuy vậy, giáo sư Lê Hồng Khiêm vẫn còn cảm thấy chưa thực sự hài lòng bởi ông thấy, mình mới chỉ thực hiện được nghiên cứu ban đầu với việc nhận diện các chất kim loại trong không khí: “Chúng tôi nhận thấy vẫn còn quá nhiều nghiên cứu tiếp theo cần thực hiện, số liệu chúng tôi mà thu được hiện nay chưa nhiều, chỉ có Hà Nội làm kĩ lưỡng nhất còn các thành phố khác vẫn còn sơ sài. Chúng tôi muốn thu thập thật nhiều số liệu và áp dụng nhiều phép phân tích theo nhiều hướng khác nhau để đạt tới mục tiêu là lập được một bản đồ ô nhiễm ở Việt Nam”. 

Việc lập bản đồ ô nhiễm là điều mơ ước của nhiều nhà nghiên cứu về môi trường. “Đây là công cụ hỗ trợ rất mạnh cho các nhà quản lý môi trường trong việc theo dõi, giám sát ô nhiễm ở  cả một khu vực, một quốc gia cũng như gợi mở rất nhiều ý tưởng về chính sách ngăn ngừa rủi ro phơi nhiễm”, theo nhận định của giáo sư Phạm Hùng Việt, giám đốc Phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ phân tích và kiểm định môi trường, thực phẩm (ĐHQGHN), người từng tham gia thực hiện nghiên cứu “Arsenic pollution of groundwater in Vietnam exacerbated by deep aquifer exploitation for more than a century” (Nguy cơ tăng cao ô nhiễm asen trong nước ngầm ở Việt Nam do việc khai thác nước tầng sâu trong hơn một thế kỷ) trên PNAS năm 2011.

Tuy nhiên, để có được bản đồ ô nhiễm không phải đơn giản. “Muốn làm được như vậy thì các điểm ô nhiễm phải được xác định ở nhiều vị trí khác nhau với những nồng độ cao thấp và những nguồn phát tán ô nhiễm khác nhau, tức thời và theo mùa. Có như vậy thì khi nhìn vào bản đồ ô nhiễm, người ta mới có thể đánh giá được mức ô nhiễm của từng điểm và của cả bức tranh chung”, PGS. TS Trần Mạnh Trí (Khoa Hóa học, trường ĐH Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN), một nhà nghiên cứu đang mơ ước lập được bản đồ của các nhóm chất hữu cơ mới nổi trong không khí trên nhiều địa phương ở miền Bắc, cho biết.

Việt Nam đã có bản đồ ô nhiễm không khí đầu tiên với nỗ lực của giáo sư Phạm Duy Hiển (Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam) và cộng sự: bản đồ ô nhiễm khí NO2 và SO2 của Hà Nội dựa trên dữ liệu thu thập được ở 9 khu nội đô và 5 vùng ven đô trong những năm 1980 và những năm 1990 được công bố trên Science of The Total Environment, một phần của công bố “Impact of urban expansion on the air pollution landscape: A case study of Hanoi, Vietnam” (Tác động của mở rộng đô thị với ô nhiễm không khí: Một trường hợp nghiên cứu về Hà Nội, Việt Nam). Với mong muốn nhóm sẽ có bản đồ tiếp theo như thế với ô nhiễm kim loại, giáo sư Lê Hồng Khiêm cho rằng, nhóm nghiên cứu của mình cần phải thực hiện thêm nhiều nghiên cứu khác. “Trong tương lai, chúng tôi phải đặt thêm nhiều mẫu rêu ở nhiều nơi và sử dụng thêm nhiều phương pháp phân tích khác như phân tích khối phổ plasma cảm ứng (ICP MS) để có thể phân tích các hợp chất hóa học khác ngoài kim loại nặng. Chúng tôi cũng mong muốn hợp tác với các nhà nghiên cứu về ô nhiễm không khí khác ở Việt Nam để thiết lập được các mô hình tính toán tối ưu, qua đó có thể xác định nguồn phát thải các chất ô nhiễm”, ông cho biết.

Để đạt được mục tiêu này, khó khăn lớn nhất mà nhóm nghiên cứu của ông phải đối mặt là thiếu nhân lực có chuyên môn. “Phần lớn các thành viên trong nhóm nghiên cứu là các bạn trẻ, chủ yếu thực hiện lấy mẫu chứ chưa làm chủ được các phương pháp phân tích. Tôi đang muốn gửi một số bạn sang các phòng thí nghiệm bên nước ngoài để đào tạo thêm, nhưng muốn thành thạo thì cũng phải mất 5-7 năm”. Tuy nhiên, việc triển khai những nghiên cứu mới cũng rất khả quan bởi “việc đặt các mẫu rêu đã được thuần thục và việc phân tích được thực hiện tại lò xung số một thế giới”, ông tự tin cho biết.