Trong bối cảnh ô nhiễm nhựa đại dương đang trở thành một cuộc khủng hoảng sinh thái toàn cầu, các phương pháp quan trắc truyền thống dựa trên quang học và đếm thủ công đang bộc lộ những hạn chế nghiêm trọng, đặc biệt là đối với các hạt vi nhựa (microplastics – MPs) có kích thước dưới 300 micromet và nhựa nano (nanoplastics). Phân tích cho thấy công nghệ hạt nhân cung cấp độ nhạy và độ chính xác vượt trội, cho phép phát hiện các nguyên tố vết ở cấp độ phần tỷ (ppb) và theo dõi động học của hạt nhựa trong cơ thể sinh vật theo thời gian thực mà không cần phá hủy mẫu. Đánh giá cũng đi sâu vào các trường hợp nghiên cứu điển hình tại Nam Cực, quần đảo Galapagos và vai trò của Việt Nam trong mạng lưới NUTEC Plastics toàn cầu.
Bản chất bất đối xứng của ô nhiễm nhựa đại dương
Ô nhiễm nhựa không chỉ đơn thuần là vấn đề quản lý chất thải rắn mà đã biến đổi thành một thách thức địa hóa học và sinh học phức tạp. Hàng năm, ước tính có khoảng 8 đến 20 triệu tấn nhựa xâm nhập vào các hệ sinh thái đại dương. Tuy nhiên, sự nguy hiểm thực sự không nằm ở những mảng rác nổi có thể nhìn thấy bằng mắt thường, mà nằm ở quá trình phân mảnh liên tục dưới tác động của tia cực tím (UV), sóng biển và quá trình oxy hóa. Quá trình này biến nhựa vĩ mô (macroplastics) thành vi nhựa (microplastics – kích thước < 5mm) và cuối cùng là nhựa nano (nanoplastics – kích thước < 1µm hoặc < 100nm).
Sự hiện diện của vi nhựa đã được xác nhận ở mọi ngóc ngách của hành tinh, từ trầm tích đáy biển sâu cho đến băng tuyết tại Nam Cực. Điều đáng lo ngại là diện tích bề mặt riêng lớn của các hạt vi nhựa biến chúng thành các “vector” hấp thụ và vận chuyển các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy (POPs) và kim loại nặng. Khi đi vào chuỗi thức ăn, chúng tạo ra hiệu ứng tích lũy sinh học (bioaccumulation) và khuếch đại sinh học (biomagnification), đe dọa trực tiếp đến an ninh lương thực và sức khỏe con người.
Hạn chế của các phương pháp quan trắc truyền thống
Hiện nay, phần lớn dữ liệu về vi nhựa đại dương được thu thập thông qua các phương pháp truyền thống như lưới kéo Manta (Manta trawls) kết hợp với phân tích quang phổ (FTIR hoặc Raman). Tuy nhiên, phân tích chuyên sâu cho thấy các phương pháp này đang gặp phải “bức tường kỹ thuật”:
- Giới hạn về kích thước: lưới kéo sinh vật phù du tiêu chuẩn thường có mắt lưới 333 µm hoặc 200 µm. Điều này đồng nghĩa với việc phần lớn các hạt vi nhựa nhỏ và toàn bộ nhựa nano—những thành phần có khả năng xâm nhập màng tế bào cao nhất—đều lọt qua lưới và không được ghi nhận. Các nghiên cứu so sánh tại Galapagos đã chỉ ra rằng phương pháp lưới kéo bỏ sót tới 44% lượng hạt so với phương pháp lấy mẫu nước toàn phần (grab sampling).
- Khó khăn trong nền mẫu phức tạp: việc xác định vi nhựa trong các mẫu sinh học (như mô cá, tiêu hóa của động vật) hoặc trầm tích giàu hữu cơ bằng FTIR thường đòi hỏi quá trình xử lý mẫu hóa học (tiêu hóa bằng axit/kiềm) tốn thời gian và có nguy cơ làm biến đổi tính chất hóa học của hạt nhựa.
- Thiếu dữ liệu động học: các phương pháp quang học chỉ cung cấp hình ảnh tĩnh (snapshot) tại thời điểm lấy mẫu. Chúng không thể cho biết hạt nhựa đã di chuyển như thế nào trong cơ thể sinh vật, tốc độ hấp thụ là bao nhiêu, hay thời gian lưu trú (residence time) là bao lâu.
Sáng kiến NUTEC Plastics
Để khắc phục những hạn chế này, Cơ quan Năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA) đã thiết lập sáng kiến NUTEC Plastics (NUclear TEChnology for Controlling Plastic Pollution). Đây là một cách tiếp cận đa ngành, tận dụng các đặc tính vật lý hạt nhân độc nhất để giải quyết vấn đề nhựa từ hai hướng:
- Thượng nguồn (Upstream): sử dụng công nghệ bức xạ (chiếu xạ electron beam hoặc gamma) để biến đổi cấu trúc polymer, nâng cao khả năng tái chế hoặc tạo ra nhựa sinh học.
- Hạ nguồn (Downstream): ứng dụng các kỹ thuật đồng vị và hạt nhân để giám sát chính xác và đánh giá tác động môi trường biển.
Phân tích Kích hoạt Neutron (Neutron Activation Analysis – NAA) – “Dấu vân tay” nguyên tố:
NAA là một kỹ thuật phân tích không phá hủy mẫu, dựa trên việc đo bức xạ gamma phát ra từ các đồng vị phóng xạ được tạo thành khi chiếu xạ mẫu bằng neutron. Trong nghiên cứu vi nhựa, NAA không trực tiếp định danh polymer (như C, H, O là các nguyên tố nền khó kích hoạt), mà tập trung vào việc định lượng các nguyên tố vi lượng, phụ gia và kim loại nặng hấp thụ trên bề mặt nhựa. Quá trình cơ bản của NAA có thể được mô tả qua phản ứng (n, gamma). Khi một hạt nhân nguyên tử bền trong mẫu vi nhựa bắt giữ một neutron nhiệt từ lò phản ứng hạt nhân, nó chuyển thành đồng vị phóng xạ (ở trạng thái kích thích cao. Đồng vị này sau đó phân rã, phát ra tia gamma trễ (delayed gamma rays) với năng lượng đặc trưng cho từng nguyên tố.
NAA cho phép giải quyết hai vấn đề lớn:
- Xác định nguồn gốc thông qua phụ gia: các loại nhựa khác nhau chứa các phụ gia vô cơ đặc thù (ví dụ: antimon trong PET, Titan/Kẽm trong PVC, cadmium trong nhựa màu). NAA có thể phát hiện các nguyên tố này ở nồng độ phần tỷ (ppb), giúp truy nguyên nguồn gốc loại nhựa ngay cả khi hạt nhựa đã bị biến đổi hình thái hoặc quá nhỏ để phân tích quang học.
- Đánh giá độ độc hại: vi nhựa hoạt động như một nam châm hút kim loại nặng từ nước biển. NAA cho phép đo chính xác tải lượng các kim loại độc hại (As, Hg, Cr, Zn) bám trên vi nhựa mà không cần tách chiết hóa học phức tạp, tránh nguy cơ nhiễm bẩn mẫu.
Ưu điểm và giới hạn của NAA:
- Ưu điểm: độ nhạy cực cao (0.03 ng – 4 µg), không phá hủy mẫu (non-destructive), không chịu ảnh hưởng bởi trạng thái hóa học của nguyên tố, phân tích đồng thời 60-70 nguyên tố.
- Giới hạn: cần tiếp cận lò phản ứng hạt nhân (nguồn neutron), thời gian phân tích có thể lâu (đối với các đồng vị sống dài) và chi phí cao hơn so với phân tích thông thường.
Kỹ thuật đánh dấu phóng xạ (Radiotracers): theo dõi động học thời gian thực khác với NAA là phân tích mẫu tĩnh, kỹ thuật Radiotracers là công cụ động học mạnh mẽ nhất để nghiên cứu hành vi của vi nhựa. Thách thức lớn nhất của việc đánh dấu vi nhựa là làm sao đưa đồng vị phóng xạ vào hạt nhựa mà không làm thay đổi tính chất bề mặt của nó (tránh ảnh hưởng đến tương tác sinh học). Các nghiên cứu mới nhất đã phát triển quy trình “Trương nở và Khuếch tán” (Swelling and In-diffusion) dựa trên Thông số Độ tan Hansen (Hansen Solubility Parameters – HSP).
Kỹ thuật đánh dấu phóng xạ sử dụng hỗn hợp dung môi đặc hiệu để làm trương nở mạng lưới polymer tạm thời. Đồng vị phóng xạ (thường ở dạng phức chất kỵ nước) sẽ khuếch tán vào trong cấu trúc polymer. Sau khi loại bỏ dung môi, polymer co lại, “khóa” đồng vị phóng xạ bên trong. Đồng vị sử dụng:
- Kẽm-65: chu kỳ bán rã 244 ngày, phát tia gamma mạnh. Lý tưởng cho các nghiên cứu dài hạn về tích tụ sinh học và chuyển giao trong chuỗi thức ăn.
- Đồng-64: chu kỳ bán rã 12.7 giờ, dùng cho các nghiên cứu ngắn hạn hoặc chụp ảnh PET.
- Carbon-14: dùng để tổng hợp hạt nhựa ngay từ giai đoạn monomer, tạo ra hạt nhựa có tính đồng nhất cao nhất.
Kỹ thuật này cho phép các nhà khoa học trả lời các câu hỏi về số phận của vi nhựa:
- Tỷ lệ hấp thụ (Uptake rate): đo chính xác bao nhiêu % lượng nhựa ăn vào được hấp thụ qua thành ruột.
- Phân bố mô (Tissue distribution): xác định vi nhựa tích tụ ở đâu (gan, cơ, não) thông qua việc đo hoạt độ phóng xạ của từng cơ quan hoặc chụp ảnh tự ghi (autoradiography).
- Đào thải (Depuration): xác định thời gian bán thải sinh học của vi nhựa. Ví dụ, nghiên cứu trên cua xanh (Portunus pelagicus) cho thấy khả năng đào thải 34-78% lượng 65Zn sau 7 ngày.
Định tuổi trầm tích (Geochronology): tái hiện lịch sử ô nhiễm
Trầm tích đáy biển đóng vai trò là “bộ nhớ” của đại dương, lưu giữ lịch sử lắng đọng của các chất ô nhiễm. Để xác định tốc độ tích tụ vi nhựa theo thời gian, các nhà khoa học sử dụng đồng hồ hạt nhân tự nhiên và nhân tạo.
- Chì-210: đồng vị tự nhiên thuộc chuỗi phân rã Uranium-238, có chu kỳ bán rã 22.3 năm. Sự suy giảm hoạt độ 210Pb theo độ sâu trầm tích cho phép tính toán tuổi của các lớp trầm tích trong vòng 100-150 năm qua.
- Cesium-137: đồng vị nhân tạo sinh ra từ các vụ thử hạt nhân trong khí quyển. Đỉnh hoạt độ 137Cs trong trầm tích toàn cầu tương ứng chính xác với năm 1963 (năm hiệp ước cấm thử hạt nhân có hiệu lực). Đây là mốc thời gian chuẩn (marker) để kiểm chứng mô hình tuổi từ 210Pb.
Kết hợp định tuổi hạt nhân với việc đếm vi nhựa trong từng lát cắt lõi trầm tích (sediment core slicing) cho phép dựng lại biểu đồ lịch sử ô nhiễm, so sánh trực tiếp với lịch sử sản xuất nhựa toàn cầu.
Để làm rõ ưu thế của giải pháp hạt nhân, cần đặt nó lên bàn cân so sánh với các phương pháp quang phổ phổ biến hiện nay (FTIR và Raman).
So sánh đặc tính kỹ thuật và hiệu quả kinh tế
| Tiêu chí | Phân tích kích hoạt Neutron (NAA) | Quang phổ hồng ngoại (FTIR) | Quang phổ Raman |
| Cơ chế phát hiện | Phản ứng hạt nhân, đo bức xạ Gamma | Hấp thụ ánh sáng hồng ngoại (dao động phân tử) | Tán xạ ánh sáng không đàn hồi |
| Đối tượng phân tích | Nguyên tố (Kim loại, phụ gia) trong/trên nhựa | Loại Polymer (PE, PP, PET…) | Loại Polymer, đặc biệt hạt kích thước nhỏ |
| Kích thước mẫu tối ưu | Không phụ thuộc kích thước hạt (phân tích khối) | > 10-20 μg (giới hạn nhiễu xạ) | 1-5 μg (độ phân giải cao hơn) |
| Độ nhạy (Detection Limit) | 0.03 ng – 4 μg (phần tỷ – ppb) | Phụ thuộc kích thước, khó phát hiện hạt nano | Cao, nhưng dễ bị nhiễu huỳnh quang từ mẫu sinh học |
| Xử lý mẫu | Tối thiểu, không phá hủy mẫu | Phức tạp (tiêu hóa, lọc, tách tỷ trọng) | Phức tạp, cần bề mặt sạch |
| Chi phí phân tích | Cao: $125 – $150/mẫu | Thấp đến trung bình | Trung bình đến cao (thời gian quét lâu) |
| Khả năng định lượng | Định lượng chính xác nồng độ nguyên tố | Bán định lượng (đếm hạt) | Bán định lượng (đếm hạt) |
| Ứng dụng đặc thù | Đánh giá độc tính kim loại, truy xuất nguồn gốc | Định danh loại nhựa phổ biến | Định danh nanoplastics, nhựa bị lão hóa |
Dữ liệu từ bảng trên cho thấy NAA không thay thế cho FTIR/Raman trong việc định danh tên gọi của nhựa (ví dụ: xác định hạt đó là Polyethylene hay Polystyrene). Tuy nhiên, NAA vượt trội hoàn toàn trong việc đánh giá rủi ro độc học và phân tích mẫu khối lượng lớn. Trong khi FTIR có thể mất hàng giờ để quét một bộ lọc (filter) để đếm từng hạt, NAA có thể chiếu xạ toàn bộ mẫu và cho biết tổng lượng các nguyên tố chỉ thị liên quan đến nhựa, giúp sàng lọc nhanh chóng các điểm nóng ô nhiễm. Đối với các nghiên cứu động học trong sinh vật, Radiotracers là phương pháp duy nhất có khả năng cung cấp dữ liệu định lượng chính xác về sự hấp thụ và chuyển hóa mà không bị sai lệch do quá trình tách chiết mẫu như các phương pháp quang học.
Một số nghiên cứu điển hình
– Nam Cực: dấu vết nhựa tại “cực sạch” của Trái Đất.
Chuyến thám hiểm khoa học đầu tiên của IAEA tới Nam Cực vào năm 2024 đã đánh dấu một bước ngoặt trong nghiên cứu vi nhựa toàn cầu. Các chuyên gia đã sử dụng đồng thời việc lấy mẫu truyền thống và các kỹ thuật hạt nhân để phân tích mẫu cát bãi biển, nước biển và trầm tích tại các khu vực ven biển Nam Cực. Kết quả phân tích sơ bộ đã xác nhận sự hiện diện của vi nhựa trong tất cả mẫu được thu thập. Các loại polymer được tìm thấy bao gồm: Polytetrafluoroethylene (PTFE), Polyvinyl chloride (PVC), Polypropylene (PP) và Polyethylene terephthalate (PET).
Sự hiện diện của PTFE (thường dùng trong lớp phủ chống dính, thiết bị kỹ thuật) và PET (chai lọ, sợi vải) tại một nơi biệt lập như Nam Cực chứng minh khả năng di chuyển xa của vi nhựa qua các dòng hải lưu và khí quyển. Hơn nữa, vi nhựa tại đây còn đóng vai trò là tác nhân làm tối bề mặt băng (giảm albedo), hấp thụ nhiệt và thúc đẩy quá trình tan băng, tạo ra một vòng lặp phản hồi tích cực cho biến đổi khí hậu.
– Quần đảo Galapagos: đối mặt với “dòng chảy nhựa”
Tại Galapagos, nơi được coi là phòng thí nghiệm tiến hóa của thế giới, vấn đề không phải là rác thải nội tại mà là sự xâm nhập từ bên ngoài. Ước tính 6 tấn rác nhựa trôi dạt vào bờ biển Galapagos mỗi năm, mang theo vi nhựa xâm nhập vào khu bảo tồn biển. Các phương pháp giám sát cũ sử dụng lưới 200 µm đã thất bại trong việc đánh giá đúng mức độ ô nhiễm do bỏ sót các hạt nhỏ. IAEA đã hỗ trợ thiết lập “Phòng thí nghiệm Hải dương học và Vi nhựa” tại INOCAR (Ecuador) với trang thiết bị hạt nhân tiên tiến. Nghiên cứu so sánh tại đây đã chỉ ra rằng phương pháp lấy mẫu nước toàn phần (grab sampling) kết hợp phân tích phòng thí nghiệm phát hiện lượng vi nhựa cao hơn gấp 4 bậc (four orders of magnitude) so với lưới kéo, đặc biệt là các sợi cellulose nhân tạo. Dữ liệu từ phòng thí nghiệm này cũng giúp xác định nguồn gốc rác thải (từ các hoạt động đánh bắt cá quốc tế hay dòng hải lưu Humboldt) để chính quyền Ecuador đưa ra các biện pháp ngoại giao và quản lý vùng biển hiệu quả hơn.
Việt Nam, với bờ biển dài và vị trí cuối nguồn sông Mekong, đóng vai trò quan trọng trong bản đồ ô nhiễm nhựa khu vực. Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam (VINATOM) là đầu mối kỹ thuật chính tham gia vào mạng lưới NUTEC Plastics. Thông qua dự án hợp tác RAS1031 và các chương trình của IAEA, Việt Nam đã được trang bị phòng thí nghiệm cấp độ nâng cao (Level III) để phân tích vi nhựa. Các nhà khoa học Việt Nam đã sử dụng kỹ thuật hạt nhân để thiết lập cơ sở dữ liệu nền (baseline data) về vi nhựa trong trầm tích và nước biển ven bờ. Các kết quả này đã được trình bày và đánh giá cao tại các diễn đàn quốc tế của IAEA, khẳng định năng lực nội sinh của Việt Nam trong việc áp dụng công nghệ cao vào giám sát môi trường. Bên cạnh giám sát, Việt Nam cũng đang nghiên cứu ứng dụng công nghệ bức xạ để tái chế rác thải nhựa, chuyển hóa chúng thành vật liệu gia cố bê tông hoặc nhiên liệu, thể hiện cam kết mạnh mẽ trong việc giải quyết vấn đề từ cả hai phía “nguồn và đích”.
Từ khóa: hạt nhân;
– DND & CMD –
