Sự gia tăng dân số thế giới dự kiến đạt mức hơn 9 tỷ người vào năm 2050 đặt ra những thách thức chưa từng có đối với hệ thống lương thực toàn cầu. Để đáp ứng nhu cầu này, sản lượng nông nghiệp thế giới cần tăng trưởng tối thiểu 70% trong bối cảnh các nguồn tài nguyên thiên nhiên bị đe dọa bởi biến đổi khí hậu, sa mạc hóa và suy thoái tài nguyên đất. Thêm vào đó, báo cáo thực trạng an ninh lương thực toàn cầu của FAO cho thấy khoảng 3,1 tỷ người không thể tiếp cận chế độ ăn uống lành mạnh và tỷ lệ suy dinh dưỡng mạn tính vẫn tiếp tục gia tăng, đặc biệt tại khu vực châu Phi và Tây Á. Để giải quyết các thách thức mang tính hệ thống này, các kỹ thuật hạt nhân và đồng vị bền đã được chứng minh là những giải pháp công nghệ chính xác, hiệu quả và có tính cạnh tranh cao. Sự hợp tác chiến lược giữa Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hợp Quốc (FAO) và Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) thông qua Trung tâm Liên hợp FAO/IAEA về Kỹ thuật Hạt nhân trong Lương thực và Nông nghiệp tại Vienna (Áo) đã thúc đẩy việc nghiên cứu ứng dụng thực tiễn các công nghệ này.
Sáng kiến Atoms4Food và lộ trình chuyển đổi hệ thống lương thực thế giới
Nhằm đối phó với cuộc khủng hoảng đói nghèo và suy dinh dưỡng toàn cầu, vào tháng 10/2023, Tổng Giám đốc IAEA Rafael Mariano Grossi và Tổng Giám đốc FAO Qu Dongyu đã chính thức phát động sáng kiến flagship mang tên “Atoms4Food” tại Diễn đàn Lương thực Thế giới ở Rome. Sáng kiến này kế thừa gần 60 năm kinh nghiệm hợp tác giữa hai cơ quan để cung cấp một giải pháp tiếp cận toàn diện theo chuỗi giá trị từ sản xuất, chế biến, phân phối đến tiêu dùng thực phẩm.
Sáng kiến Atoms4Food vận hành dựa trên bốn trụ cột chiến lược bao gồm nâng cao nhận thức, nghiên cứu và phát triển thích ứng, hợp tác kỹ thuật xây dựng năng lực và huy động nguồn lực tài chính. Tại Diễn đàn Khoa học năm 2024 với chủ đề “Atoms4Food: Nông nghiệp tốt hơn cho cuộc sống tốt đẹp hơn”, IAEA đã công bố kế hoạch triển khai toàn diện. Các hoạt động cốt lõi bắt đầu bằng nhiệm vụ đánh giá (Assessment Mission) nhằm lập bản đồ nhu cầu dinh dưỡng và thế mạnh của từng quốc gia để thiết kế gói giải pháp công nghệ hạt nhân tùy chỉnh phù hợp. Tính đến cuối năm 2024, một loạt quốc gia bao gồm Argentina, Benin, Burkina Faso, Eritrea, Eswatini, Ghana, Kenya, Mauritania, Niger, Philippines, Sierra Leone và Tanzania đã chính thức gửi yêu cầu hỗ trợ kỹ thuật. Đặc biệt, sự cam kết mạnh mẽ ở cấp bộ trưởng tại Benin và Burkina Faso đã thiết lập các mô hình kiểu mẫu cho việc ứng dụng công nghệ hạt nhân bảo đảm an toàn thực phẩm và cải thiện năng suất cây trồng thích ứng biến đổi khí hậu.
Khung chương trình hành động của Atoms4Food được phân tách cụ thể thành bảy dịch vụ tích hợp nhằm nâng cao hiệu quả canh tác, bảo tồn tài nguyên thiên nhiên và cải thiện dinh dưỡng sức khỏe công cộng.
| Dịch vụ Sáng kiến Atoms4Food | Kỹ thuật hạt nhân và đồng vị bền áp dụng | Mục tiêu kiểm soát và tác động kỹ thuật |
| Đánh giá nhu cầu thực phẩm và dinh dưỡng | Khảo sát thực địa, phân tích cơ sở dữ liệu chính sách và kỹ thuật. | Lập bản đồ hiện trạng quốc gia để xây dựng chương trình can thiệp cá thể hóa. |
| Cải tiến giống cây trồng | Đột biến phóng xạ bằng tia gamma, tia X hoặc chùm tia ion. | Tăng tốc quá trình chọn tạo các giống cây chịu hạn, chịu mặn, kháng bệnh và giàu vi chất. |
| Quản lý đất, nước và dinh dưỡng | Đo lượng nitơ-15, phốt pho-32 và độ ẩm nơ-tron. | Tối ưu hóa hiệu quả sử dụng phân bón, bảo tồn nguồn nước tưới và chống xói mòn. |
| Sản xuất và sức khỏe vật nuôi | Sử dụng vắc-xin chiếu xạ, kỹ thuật ELISA, sinh học phân tử hạt nhân. | Chẩn đoán nhanh dịch bệnh xuyên biên giới, tối ưu hóa công thức thức ăn và cải thiện sinh sản. |
| Kiểm soát côn trùng dịch hại | Kỹ thuật gây vô sinh côn trùng (Sterile Insect Technique – SIT) bằng tia phóng xạ. | Giảm mật độ quần thể sâu hại nông nghiệp mà không lạm dụng hóa chất độc hại. |
| An toàn và kiểm soát thực phẩm | Chiếu xạ thực phẩm, phân tích dư lượng đa chỉ tiêu bằng đồng vị bền. | Kiểm soát vi sinh vật gây bệnh, loại bỏ gian lận thương mại và tạo thuận lợi cho xuất khẩu. |
| Dinh dưỡng sức khỏe công cộng | Kỹ thuật pha loãng đồng vị bền (Deuterium, Oxy-18, Carbon-13). | Đánh giá chính xác khẩu phần ăn, tỷ lệ bú mẹ hoàn toàn và thành phần cơ thể. |
Kỹ thuật đồng vị bền: “Tiêu chuẩn vàng” trong đánh giá dinh dưỡng và sức khỏe con người
Đồng vị bền là các dạng nguyên tử của cùng một nguyên tố hóa học có khối lượng khác nhau nhưng không có tính phóng xạ, không phân rã theo thời gian và hoàn toàn không phát ra bức xạ ion hóa. Vì độ an toàn tuyệt đối, các kỹ thuật đồng vị bền được ứng dụng rộng rãi trong y sinh và dinh dưỡng học mà không gây ra bất kỳ nguy cơ sức khỏe nào, ngay cả đối với các đối tượng nhạy cảm như trẻ sơ sinh và phụ nữ mang thai.
Tổ chức Y tế Thế giới khuyến nghị nuôi con hoàn toàn bằng sữa mẹ trong 6 tháng đầu đời nhằm tối ưu hóa sự phát triển thể chất và giảm thiểu nguy cơ tử vong ở trẻ sơ sinh. Khảo sát bằng bảng hỏi thường dẫn đến việc phóng đại tỷ lệ bú mẹ thực tế do xu hướng tâm lý của người mẹ. Kỹ thuật pha loãng deuterium liều dùng cho mẹ (deuterium oxide dose-to-mother) cung cấp một phương pháp định lượng khách quan và chuẩn xác để giải quyết sai số này.
Quy trình kỹ thuật được tiến hành theo sơ đồ động học khép kín kéo dài 14 ngày. Vào ngày bắt đầu (Ngày 0), người mẹ được uống một liều deuterium oxit (2H2O) đã cân đo chính xác theo trọng lượng cơ thể. Deuterium nhanh chóng hòa lẫn vào tổng lượng nước cơ thể của mẹ và bài tiết qua sữa. Định kỳ vào các ngày 1, 2, 3, 4, 13 và 14, mẫu nước bọt của cả mẹ và con được thu thập. Mẫu nước bọt được đưa vào phân tích tỷ lệ đồng vị bằng máy quang phổ biến đổi hồng ngoại Fourier (FTIR) hoặc khối phổ tỷ lệ đồng vị (IRMS).
Dựa vào mô hình toán học hai ngăn phản ánh sự chuyển dịch và đào thải của deuterium từ mẹ sang con, các nhà nghiên cứu xác định được hai thông số cốt lõi: tổng lượng sữa mẹ mà trẻ hấp thụ và lượng nước từ các nguồn ngoài sữa mẹ. Phương pháp này có độ chính xác rất cao, giúp phát hiện ngay cả khi trẻ chỉ uống thêm một lượng nhỏ nước hoặc sữa công thức. Tại Việt Nam, Viện Dinh dưỡng Quốc gia đã làm chủ công nghệ này thông qua dự án phối hợp kỹ thuật với IAEA (như dự án RAS/6/073), triển khai nghiên cứu thực địa tại tỉnh Hải Dương trên các cặp mẹ con nhằm đưa ra các đánh giá thực chất phục vụ cho chiến dịch cải thiện sức khỏe trẻ em quốc gia.
Việc đánh giá “chất lượng” tăng trưởng của trẻ em đòi hỏi phải đo lường chính xác tỷ lệ giữa khối mỡ (FM) và khối không mỡ (FFM) thay vì chỉ đo trọng lượng đơn thuần. Kỹ thuật nước dán nhãn kép (Doubly Labelled Water – DLW) sử dụng đồng thời hai đồng vị bền là Deuterium và Oxy-18 được công nhận là phương pháp tiêu chuẩn để thực hiện nhiệm vụ này trong điều kiện thực địa. Nguyên lý của kỹ thuật dựa trên việc đo lường tổng lượng nước cơ thể (Total Body Water – TBW). Sau khi đối tượng uống một liều DLW, các đồng vị sẽ phân bố đều trong cơ thể. Giả định sinh lý học hằng định chỉ ra rằng nước chiếm khoảng 73,2% khối lượng không chứa mỡ ở người trưởng thành. Do đó, khối lượng không mỡ và khối mỡ được xác định trực tiếp qua công thức:
Hơn thế nữa, do nguyên tử oxy trong phân tử nước cơ thể ở trạng thái cân bằng động với oxy trong khí carbonic được đào thải qua phổi, tốc độ đào thải của O-18 sẽ nhanh hơn tốc độ đào thải của 2H. Sự chênh lệch tốc độ đào thải giữa hai đồng vị này trong các mẫu nước tiểu thu thập theo chu kỳ (ngày 1, 2, 3 và ngày 6, 7 hoặc 9, 10 tùy theo độ tuổi của trẻ) cho phép tính toán trực tiếp lượng CO2 sản sinh ra, từ đó suy ra tổng lượng năng lượng tiêu hao hàng ngày (TEE) của đối tượng. Nghiên cứu đột phá của Viện Dinh dưỡng Quốc gia thực hiện tại Vĩnh Phúc đã sử dụng thiết bị IRMS để phân tích cơ cấu thành phần cơ thể và nhu cầu năng lượng của trẻ nhỏ từ 6 đến 23 tháng tuổi, cung cấp dữ liệu nền tảng cho việc điều chỉnh chế độ dinh dưỡng học đường.
Kiểm soát khả năng hấp thu vi chất dinh dưỡng bằng kỹ thuật test hơi thở Carbon-13
Tình trạng thiếu hụt các vi chất dinh dưỡng như sắt, kẽm và vitamin A thường bắt nguồn từ các bệnh lý tổn thương niêm mạc dạ dày do nhiễm vi khuẩn Helicobacter pylori (HP). Vi khuẩn này phá hủy lớp chất nhầy bảo vệ niêm mạc dạ dày, cản trở trực tiếp quá trình hấp thu chất dinh dưỡng và gây viêm loét mạn tính. Kỹ thuật test hơi thở Ure Carbon-13 (C-Urea Breath Test) là giải pháp chẩn đoán không xâm lấn có độ tin cậy vượt trội để kiểm soát tình trạng này.
Cơ chế sinh hóa của xét nghiệm dựa trên việc vi khuẩn HP sản sinh mạnh mẽ enzyme urease nhằm thủy phân urê thành amoniac và khí carbonic để trung hòa môi trường acid dạ dày. Khi thực hiện xét nghiệm, người bệnh uống một viên thuốc hoặc dung dịch chứa urê được dán nhãn đồng vị bền C-13 sau khi đã nhịn ăn ít nhất 4 đến 6 tiếng. Nếu dạ dày có sự hiện diện của HP, phản ứng phân hủy sẽ diễn ra.
Khí 13CO2 dán nhãn nhanh chóng khuếch tán vào máu, di chuyển đến phổi và được thải ra ngoài qua hơi thở. Mẫu hơi thở thu thập trước và sau khi uống thuốc 20 phút được phân tích bằng thiết bị đo nồng độ carbon đánh dấu. Sự gia tăng tỷ lệ khí 13CO2 được đo bằng chỉ số Delta Over Baseline (DOB). Giá trị DOB vượt quá giới hạn từ 2,5 phần nghìn đến 3,5 phần nghìn (hoặc trên 50 đơn vị đếm nhấp nháy cpm đối với hệ thống đo gián tiếp) khẳng định trạng thái dương tính với vi khuẩn HP, giúp các bác sĩ đưa ra phác đồ điều trị kịp thời để phục hồi hệ tiêu hóa và tăng cường khả năng hấp thu dinh dưỡng.
Công nghệ khối phổ tỷ lệ đồng vị (IRMS) trong chống gian lận và truy xuất nguồn gốc thực phẩm
Sự dịch chuyển nhanh chóng của hệ thống thương mại nông sản toàn cầu đòi hỏi các quốc gia phải thiết lập các công cụ kiểm soát chất lượng và xác thực nguồn gốc một cách chặt chẽ. Các phương pháp quản lý chuỗi cung ứng truyền thống dựa trên nhãn mác hoặc chứng từ số hóa thường dễ bị can thiệp và làm giả. Phổ khối tỷ lệ đồng vị (IRMS) mang lại giải pháp tối ưu nhờ việc phân tích “dấu vân tay đồng vị” (isotopic signature) tự nhiên được tích hợp trực tiếp trong cấu trúc phân tử của thực phẩm.
Sự phân bố của các đồng vị nặng và nhẹ của các nguyên tố chính như Carbon, Nitơ, Oxy và Hydro trong tự nhiên không đồng đều. Quá trình này chịu sự chi phối của hiện tượng phân tách đồng vị (isotope fractionation) qua hai cơ chế vật lý và sinh học chính:
- Hiệu ứng đồng vị động học: là quá trình diễn ra một chiều, trong đó các phân tử chứa đồng vị nhẹ phản ứng nhanh hơn do năng lượng liên kết hóa học thấp hơn. Ví dụ tiêu biểu là quá trình quang hợp của thực vật hoặc sự bay hơi của nước.
- Hiệu ứng đồng vị cân bằng: liên quan đến sự trao đổi đồng vị hai chiều giữa các pha ở trạng thái cân bằng hóa học, phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ và độ ẩm của môi trường.
Nhờ các hiệu ứng này, mỗi loại thực phẩm tại một tọa độ địa lý, vùng khí hậu và phương thức canh tác cụ thể sẽ sở hữu một tỷ lệ đồng vị độc bản.
Việc ứng dụng công nghệ IRMS đã mở ra một kỷ nguyên mới cho việc bảo hộ thương hiệu và nâng cao giá trị gia tăng của các sản phẩm xuất khẩu từ Việt Nam:
Xác thực mật ong nguyên chất: Với sản lượng mật ong đạt khoảng 50.000 tấn/năm và 90% được xuất khẩu sang thị trường Hoa Kỳ, việc chứng minh tính nguyên chất của mật ong là yếu tố sống còn. Gian lận mật ong phổ biến nhất là pha thêm siro đường từ ngô, mía (thực vật nhóm C4) hoặc siro gạo, củ cải đường (thực vật nhóm C3). Bằng phương pháp phân tích tỷ lệ đồng vị carbon, phòng thí nghiệm có thể phát hiện hành vi pha tạp một cách chính xác. Theo quy định quốc tế, nếu chỉ số C4 đo được lớn hơn hoặc bằng 7%, sản phẩm bị coi là đã pha tạp đường công nghiệp. Đồng thời, các công nghệ IRMS tiên tiến còn cho phép phát hiện các chất đánh dấu siro gạo đặc trưng như SM-R, TM-R hay siro đường củ cải đường SM-B và hiện tượng bổ sung psicose.
Truy xuất nguồn gốc địa lý và xác thực canh tác hữu cơ: Trị số đồng vị của oxy và hydro trong nước ép trái cây, cà phê hoặc gạo hữu cơ phản ánh trực tiếp nguồn nước tưới và điều kiện khí hậu vĩ độ của vùng trồng. Hoàn Vũ Lab tại Việt Nam đã ứng dụng thiết bị EA-IRMS để kiểm định và xác thực thành công nguồn gốc địa lý cho hàng ngàn lô thanh long xuất khẩu đi EU, cà phê đặc sản Tây Nguyên và gạo hữu cơ, bảo vệ uy tín của nông sản Việt Nam trên thị trường quốc tế.
Phân biệt thủy sản tự nhiên và nuôi công nghiệp: Sự khác biệt về chuỗi thức ăn giữa môi trường tự nhiên và trang trại nuôi công nghiệp dẫn đến sự phân tách rõ rệt của đồng vị nitơ. Phân tích tỷ lệ đồng vị bền nitơ giúp phân biệt chính xác tôm sú đánh bắt tự nhiên với tôm sú nuôi bằng thức ăn nhân tạo.
Công nghệ chiếu xạ thực phẩm: Đảm bảo an toàn sinh học và tiêu chuẩn xuất khẩu
Chiếu xạ thực phẩm là công nghệ bảo quản tiên tiến sử dụng năng lượng từ bức xạ ion hóa phát ra từ các nguồn phóng xạ hoặc thiết bị phát tia bức xạ để xử lý thực phẩm, loại bỏ các tác nhân gây ngộ độc thực phẩm như vi khuẩn E. coli, Salmonella, Listeria và ký sinh trùng, đồng thời kéo dài thời hạn bảo quản và kiểm soát dịch hại sau thu hoạch.
Quá trình chiếu xạ được thực hiện thông qua việc tiếp xúc có kiểm soát giữa thực phẩm với một trong ba nguồn bức xạ được phê chuẩn:
Tia Gamma: Phát ra từ nguồn phóng xạ Cobalt-60, có khả năng xuyên thấu rất mạnh, cho phép xử lý hiệu quả các thùng hàng thực phẩm đã đóng gói sẵn với độ dày lớn mà không làm biến đổi cấu trúc cảm quan hay chất lượng dinh dưỡng của sản phẩm.
Chùm tia điện tử (Electron Beam): Dòng điện tử năng lượng cao được gia tốc bằng thiết bị cơ điện, có độ xuyên thấu hạn chế hơn nhưng tốc độ xử lý cực nhanh và không sử dụng các nguồn phóng xạ đồng vị.
Tia X: Được tạo ra từ máy gia tốc điện tử, kết hợp được tính năng xuyên thấu sâu của tia gamma và khả năng kiểm soát tắt/mở linh hoạt của dòng điện.
Tại Việt Nam, các sản phẩm thực phẩm đã qua chiếu xạ lưu thông trên thị trường phải tuân thủ nghiêm ngặt Luật An toàn thực phẩm và các hướng dẫn kỹ thuật của Bộ Y tế và Bộ Nông nghiệp và Môi trường. Các cơ sở chiếu xạ phải được cấp phép, vận hành theo tiêu chuẩn an toàn bức xạ và có trách nhiệm lưu trữ hồ sơ thông tin về từng lô hàng chiếu xạ trong thời gian tối thiểu 2 năm.
Liều lượng chiếu xạ được đo bằng đơn vị Gray hoặc Kilogray, thể hiện năng lượng hấp thụ trung bình trên một đơn vị khối lượng thực phẩm. Các tiêu chuẩn liều lượng hấp thụ tối đa và tối thiểu được thiết kế chặt chẽ cho từng nhóm sản phẩm nhằm đạt hiệu quả kỹ thuật cao nhất mà không ảnh hưởng đến cấu trúc thực phẩm.
| Nhóm thực phẩm | Mục đích chiếu xạ chính | Liều hấp thụ tối thiểu (kGy) | Liều hấp thụ tối đa cho phép (kGy) |
| Thịt lợn tươi chế biến không xử lý nhiệt | Tiêu diệt ký sinh trùng giun xoắn Trichinella spiralis. | 0,3 | 1,0 |
| Thịt gia cầm và sản phẩm từ gia cầm (tươi/đông lạnh) | Kiểm soát vi sinh vật gây bệnh, loại bỏ ký sinh trùng. | 1,0 (vi sinh) | 3,0 (kiểm soát vi sinh); 2,0 (ký sinh trùng). |
| Thủy sản và sản phẩm thủy sản | Kiểm soát vi khuẩn Vibrio, Salmonella và ký sinh trùng. | 1,0 (vi sinh) | 3,0 (kiểm soát vi sinh); 2,0 (ký sinh trùng). |
| Động vật thân mềm tươi hoặc đông lạnh | Khống chế vi sinh vật gây hại đường ruột. | 1,5 | 5,5 |
| Trứng tươi | Kiểm soát vi khuẩn gây ngộ độc Salmonella. | 1,0 | 3,0 |
| Hạt giống nảy mầm | Tiêu diệt các mầm bệnh vi sinh trên bề mặt hạt. | 2,0 | 8,0 |
| Quả tươi và rau tươi | Ức chế nảy mầm, chậm chín, kiểm soát côn trùng dịch hại. | 0,05 (ức chế nảy mầm); 0,15 (diệt côn trùng). | 0,2 (ức chế nảy mầm); 1,0 (chậm chín/diệt côn trùng). |
| Thảo mộc và gia vị khô | Hạn chế vi sinh vật chịu nhiệt, diệt côn trùng phá hoại. | 2,0 | 10,0 (vi sinh); 1,0 (diệt côn trùng). |
| Thịt đông lạnh đóng gói (chuyên dụng NASA) | Tiệt trùng tuyệt đối cho phi hành gia. | 44,0 | Không áp dụng giới hạn thông thường. |
Để đáp ứng nhu cầu chiếu xạ kiểm dịch hoa quả tươi xuất khẩu đi các thị trường lớn, hạ tầng công nghiệp chiếu xạ của Việt Nam đã hình thành các trung tâm lớn như Công ty Cổ phần Chiếu xạ An Phú (APC) với công suất 250 tấn/ngày, Công ty Thái Sơn (200 tấn/ngày) và Công ty Sơn Sơn (trên 100 tấn/ngày) tập trung chủ yếu tại khu vực phía Nam gần vùng nguyên liệu trái cây và thủy sản. Tại miền Bắc, Trung tâm Chiếu xạ Hà Nội trực thuộc VINATOM đã được nâng cấp cơ sở hạ tầng thiết bị đáp ứng các quy chuẩn khắt khe để cấp “visa” xuất khẩu cho các sản phẩm quả tươi như nhãn, vải, xoài đi Hoa Kỳ và Úc.
Từ khóa: hạt nhân;
– CMD –
