Cảm biến sinh học cảnh báo sớm độ độc trong nước

Đi tìm phương án tối ưu

Thành công này gói ghém rất nhiều suy nghĩ của một nhà khoa học mong muốn tìm được những giải pháp tốt hơn cho việc quan trắc trình trạng nguồn nước mặt đang bị ô nhiễm nghiêm trọng do nước thải chưa qua xử lý hoặc xử lý chưa đạt tiêu chuẩn được xả trực tiếp vào nguồn tiếp nhận. Nếu như nguồn nước thải có độc có thể ảnh hưởng không nhỏ tới hệ sinh thái của cả vùng ao hồ, thậm chí, là cả nguồn nước được các gia đình sử dụng trực tiếp trong sinh hoạt hoặc làm nông nghiệp. Do đó, chị và nhóm nghiên cứu đã nghĩ đến việc thiết kế một thiết bị cảnh báo để có thể đo được độ độc của nước ứng dụng trong quan trắc nước thải trực tuyến.

Trên thế giới, đã có nhiều công nghệ phục vụ việc cảnh báo sớm nguồn nước ô nhiễm. TS Phạm Thị Thùy Phương cho biết, có thể chia các phương pháp phân tích chất lượng nước làm ba loại: sử dụng các thiết bị chuyên dụng trong phòng thí nghiệm (lab-based methods) có ưu điểm là kết quả chính xác nhưng lại đòi hỏi thời gian và trình độ người thực hiện; các bộ kit thử nghiệm với từng chỉ tiêu và ngưỡng đo riêng biệt, có ưu điểm là cho kết quả nhanh, dễ thực hiện; cảm biến cũng theo từng chỉ tiêu riêng biệt, ưu điểm là kết quả nhanh và liên tục.

Phương pháp nào cũng có những ưu điểm và nhược điểm riêng nhưng tựu chung lại, một thiết bị quan trắc thường xuyên, liên tục, giá thành rẻ và dễ thực hiện là điều người sử dụng mong muốn. Các tình huống dẫn đến ô nhiễm nguồn nước có thể muôn hình vạn trạng. Nhưng ngay cả khi sự việc xảy ra rồi, như việc cá chết hàng loạt ở Hồ Tây hồi năm 2016, các nhà khoa học cần tới hơn 1 tháng mới xác định được nguyên nhân cá chết có phải do độc tố trong nước hay không.

Có rất nhiều tiêu chí để đánh giá mức độ ô nhiễm nước, tùy thuộc vào loại nước (nước mặt, nước ngầm, nước thải,…), nguồn thải (nước thải chế biến thực phẩm, nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp,…), trong đó, hai thông số chính là BOD (nhu cầu oxy sinh hóa) và COD (nhu cầu oxy hóa học). “Trên thị trường đã có cảm biến COD còn việc đo BOD vẫn phải thực hiện bằng thiết bị phòng thí nghiệm. Việc xác định BOD phải dựa vào hoạt động của vi sinh nên sử dụng cảm biến sinh học là một lựa chọn bắt buộc để hoàn chỉnh quá trình quan trắc chất lượng nước bất kể ở điều kiện nào”, TS Phạm Thị Thùy Phương giải thích.

Ý tưởng là vậy nhưng phải đến năm 2017, khi có được nguồn tài trợ đầu tiên trị giá 30 nghìn yên từ Quỹ KURITA-AIT, TS Phạm Thị Thùy Phương mới có nguồn kinh phí ban đầu để mua sắm hóa chất, thiết bị cơ bản để bắt tay vào quá trình nghiên cứu một thiết bị như mong muốn. Là người cầu toàn trong nghiên cứu, chị tự đặt ra nhiều tiêu chí như thiết bị phải được tối ưu để có khả năng ứng dụng cao trong thực tế nhưng phải có thiết kế khác biệt so với các thiết bị đã có.

Thay vì phát triển một cảm biến sinh học đầy đủ (gồm bộ tiếp nhận sinh học, mạch giao tiếp, bộ khuếch đại, bộ biến năng (transducer), bộ vi xử lý tín và bộ hiển thị) đòi hỏi thiết bị hiện đại và một nhóm nghiên cứu liên ngành (hóa học, vật lý, điện tử…) thì “chúng tôi chọn phương án đơn giản hơn là sử dụng cảm biến DO (một dạng cảm biến điện hóa) để xác định nhanh mức độ thay đổi oxy hòa tan trong mẫu, kết hợp với thiết bị phản ứng sinh học (bioreactor) hoạt động như bioreceptor, sử dụng vi sinh và đánh giá mức độ hoạt động vi sinh thông qua hàm lượng oxy tiêu thụ để từ đó xác định độ độc và/hoặc hàm lượng chất ô nhiễm hữu cơ (BOD)” – TS Phạm Thị Thùy Phương nói.

Một điểm độc đáo trong việc thiết kế cảm biến sinh học này là việc áp dụng nguyên lý đo bán liên tục do KS. Nguyễn Phúc Hoàng Duy đề xuất. Trước đây, các hệ cảm biến đang được nghiên cứu và ứng dụng trên thế giới sử dụng hai kiểu đo: gián đoạn và liên tục. Để ứng dụng đo BOD thì cần xác định chênh lệch giá trị oxy đầu vào (có trong mẫu nước ban đầu) và đầu ra (sau phân hủy vi sinh). Tuy nhiên, nhược điểm của nó là thời gian đo dài và không thể ứng dụng trong việc quan trắc trực tuyến và liên tục. Với giải pháp của kỹ sư Hoàng Duy, bộ phận tiếp nhận sinh học được thiết kế và chế tạo theo kiểu thiết bị phản ứng sinh học dạng ống nhồi (Packed-bed Bioreactor – PBBR). Đầu ra của PBBR được kết nối với buồng đo có gắn cảm biến để xác định hàm lượng oxy hòa tan có trong mẫu đo. Sự linh hoạt này giúp nhóm nghiên cứu đạt được hai mục tiêu: sản xuất được cảm biến sinh học với giá thành thấp nhờ quy trình đơn giản với nguồn vật liệu có sẵn; đo được độ độc trong nước trong thời gian chỉ tính bằng phút.

Rút ngắn thời gian, tiết kiệm chi phí

Từ những thành công bước đầu, nhờ nguồn tài trợ của Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam và quỹ NAFOSTED, việc chế tạo và hoàn thiện cảm biến sinh học ứng dụng trong phân tích nhanh và liên tục nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) tiếp tục được hoàn thiện. Lúc này, thách thức đến từ việc chế tạo giá thể, nuôi cấy và cố định vi sinh. “Phương pháp đo BOD5 truyền thống cần thời gian ủ lên đến 5 ngày để vi sinh phân hủy hoàn toàn hợp chất hữu cơ trong mẫu đo. Trong khi đó, phương pháp cảm biến chỉ khoảng 5-10 phút nên không thể phân hủy toàn bộ hợp chất hữu cơ trong mẫu. Khả năng phân hủy của vi sinh sẽ quyết định độ chính xác của phương pháp. Vì lý do này, chúng tôi chọn quần thể vi sinh tự nhiên có trong nguồn nước cần phân tích sẽ cho kết quả chính xác nhất” – TS Thùy Phương chia sẻ.

Vẫn với mục tiêu “đơn giản và có chi phí thấp nhất”, nhóm nghiên cứ đưa ra hai quy trình nuôi cấy giá thể: Bơm liên tục mẫu nước thải có chứa vi sinh và lượng cơ chất thích hợp để vi sinh tự bám dính lên giá thể (từ biochip bằng nhựa, đá bọt hoặc bất kỳ giá thể vi sinh nào trên thị trường) với thời gian nuôi cấy từ 1-3 ngày tùy điều kiện thực tế; Nhốt vi sinh trong viên nang alginate bằng cách khuấy rồi để vi sinh ổn định trong khoảng 3-6 giờ trước khi tiến hành đo. Do phương pháp này không định danh và định lượng được độc tố mà chỉ xác định độc tính tổng nên nhóm nghiên cứu đã tiến hành giả lập nguồn nước nhiễm kim loại nặng và thuốc trừ sâu rồi tính toán được mức độ ức chế vi sinh dựa trên nồng độ độc chất cụ thể.

“Cùng với nguồn vi sinh thì độ chính xác của phương pháp này còn phụ thuộc vào dung dịch chuẩn. Mỗi nguồn nước thải với đặc trưng về chất cơ chất và độc chất khác nhau sẽ cần dung dịch chuẩn khác nhau” – TS Phương giải thích. Suốt hai năm thử nghiệm gian nan, nhóm đã tìm ra được công thức tạo dung dịch chuẩn cho nước thải sinh hoạt, kênh rạch và nước thải chế biến thủy sản với nồng độ BOD5 là 160 mg/L, rồi tiến hành pha loãng ở các nồng độ 0; 1,25; 2,5; 5 mg/L. Mỗi lần đo, nhóm nghiên cứu chỉ mất vài phút là có kết quả, nếu tính cả thời gian tìm hệ số pha loãng phù hợp ước tính thời gian có thể lên đến 6 giờ tùy mẫu nước. Nếu ứng dụng để quan trắc online, nghĩa là chỉ quan tâm đến sự biến thiên chất lượng nước thì có thể bỏ qua khâu tìm hệ số pha loãng.

Các kết quả thử nghiệm trên mẫu nước thải thủy sản và nước kênh rạch trong nội thành TP HCM với thời gian đo 10 phút có hệ số biến thiên lớn nhất là <10%, chính xác hơn so với phương pháp đo BOD5 truyền thống < 20%. Ứng dụng trong cảnh báo độ độc thì quan sát dựa trên mức độ ức chế vi sinh. Ví dụ như khi nguồn nước không có chất gây độc thì mức độ tiêu thụ oxy là 100%, khi có chất gây độc thì giá trị này giảm xuống 70, 50 hoặc 30% so với giá trị thông thường tùy nồng độ độc chất trong nước. Từ đó có thể phát ra cảnh báo sớm.

“Kết quả thu được cho thấy công nghệ này hoàn toàn có khả năng ứng dụng để đo độc tính tổng của nguồn nước. Cơ quan chức năng có thể phát ra cảnh báo sớm để kịp thời ngăn chặn các thảm họa môi trường mà không cần xác định chính xác độc tố có trong nguồn nước” – TS Phạm Thị Thùy Phương tự hào chia sẻ kết quả.

Theo ước tính của nhóm nghiên cứu, giá để lắp đặt thiết bị này tại các nhà máy xử lý hoặc hệ thống quan trắc là khoảng vài nghìn USD. Hệ thống có thể đắt hơn nếu trang bị tính năng tự động hoàn thì giá có thể cao hơn. Tổng thể hệ thống nhỏ gọn, có khả năng tạo vi sinh tại nguồn, phù hợp với việc quan trắc tại nguồn và cho kết quả gần như ngay lập tức. So sánh với hệ thống này nếu mua của nước ngoài sẽ đắt hơn khoảng 10 lần và cồng kềnh hơn nhiều.

Sau những thành công bước đầu, TS Phạm Thị Thùy Phương và các cộng sự đang tiếp tục nghiên cứu dung dịch chuẩn phục vụ việc đo độ độc trong nước thải từ nhà máy giấy. “Nếu người sử dụng có yêu cầu trên một loại nước thải cụ thể nào đó, chúng sẽ tiến hành nghiên cứu và đưa ra công thức dung dịch chuẩn tốt nhất, vì hiện tại nhóm không có quyền tiếp cận nhiều nguồn thải. Phương pháp nghiên cứu đã có sẵn nên việc tạo ra dung dịch chuẩn phù hợp với nước thải đặc thù cũng không quá khó” – TS Phạm Thị Thùy Phương hào hứng nói.

Bên cạnh đó, chị cũng nghĩ đến một hướng ứng dụng khác là phát triển thành thiết bị quan trắc cho các đơn vị nuôi trồng thủy hải sản trên sông, hồ: “Nhóm cũng hướng tới phát triển một thiết bị có thể giúp cho các hộ nuôi trồng thủy hải sản quan trắc liên tục chất lượng nguồn nước để không còn xảy ra tình trạng người dân trắng tay trước cảnh cá chết sau một đêm vì nước dính chất độc”.