Mới: Cảm biến sinh học giúp phát hiện độ độc trong nước chỉ trong 10 phút

Nỗ lực trong gần năm năm của TS. Phạm Thị Thùy Phương, một nhà khoa học trẻ ở Viện Công nghệ hóa học (Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam) và cộng sự đã đem lại một giải pháp hội tụ rất nhiều ưu điểm về cảnh báo sớm nguy cơ ô nhiễm nguồn nước: nhỏ gọn, nhanh, chính xác và đáng quý hơn là giá thành chỉ bằng phần mười thiết bị ngoại nhập.

độ độc trong nước
Đánh giá chất lượng nước trong ao nuôi thủy sản là việc làm cần thiết và quan trọng. Ảnh Bio-chem

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.

nhóm nghiên cứu
Nhóm nghiên cứu tại Viện Công nghệ hóa học. Ảnh bên phải: TS. Phạm Thị Thùy Phương (thứ ba từ phải sang). Ảnh NVCC

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.

máy cảm biến
Giao diện hiển thị quá trình do độ độc trong nước. Ảnh NVCC

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.

thí nghiệm
TS Thùy hướng dẫn sinh viên trong phòng thí nghiệm. Ảnh VNN

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”.

Khoa học & Phát triển
Đăng ngày 28/02/2022
Bích Ngọc
Môi trường

Sử dụng men vi sinh trong nuôi trồng thủy sản

Men vi sinh (probiotic) là các vi sinh vật có lợi, khi được bổ sung vào môi trường nuôi trồng thủy sản, giúp cải thiện chất lượng nước, nâng cao sức khỏe của động vật thủy sản và hạn chế sự phát triển của vi khuẩn gây bệnh.

Ao nuôi tôm
• 10:55 20/11/2024

Tổng hợp các phương pháp kiểm soát nguồn gốc chất thải

Kiểm soát nguồn gốc chất thải thủy sản đặc biệt là nuôi tôm là một khâu quan trọng trong quản lý chất thải, nhằm xác định nguồn phát sinh, loại chất thải, lượng chất thải và các thông tin liên quan khác. Các phương pháp này giúp chúng ta có những biện pháp xử lý và giảm thiểu chất thải hiệu quả hơn.

Nguồn gốc chất thải
• 09:42 14/11/2024

Tìm hiểu các loại vi sinh vật trong nước thải

Vi sinh vật trong nước thải đóng vai trò quan trọng trong việc phân hủy các chất hữu cơ và làm sạch nước. Hiểu biết về các loại vi sinh vật này sẽ giúp chúng ta tối ưu hóa quá trình xử lý nước thải, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và bảo vệ nguồn nước.

Nước thải ao nuôi
• 09:38 12/11/2024

Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến năng suất nuôi thủy sản tại vùng ven biển Việt Nam

Biến đổi khí hậu đang ngày càng ảnh hưởng mạnh đến ngành nuôi trồng thủy sản ven biển Việt Nam, gây ra các hiện tượng thời tiết cực đoan như bão lớn, hạn hán kéo dài, xâm nhập mặn và nhiệt độ nước biển tăng cao trong năm 2023-2024. Những tác động này không chỉ làm suy giảm năng suất và sản lượng thủy sản, mà còn đe dọa sinh kế và an ninh kinh tế của người dân ven biển.

Nuôi trồng thủy sản
• 09:53 05/11/2024

Tăng cường sức đề kháng cho tôm bằng các chế phẩm sinh học

Một trong những giải pháp bền vững, an toàn và hiệu quả là sử dụng các chế phẩm sinh học. Chế phẩm sinh học không chỉ giúp cải thiện sức đề kháng cho tôm mà còn có lợi cho môi trường ao nuôi, giảm nhu cầu sử dụng kháng sinh và các hóa chất độc hại.

Tôm thẻ
• 20:25 23/11/2024

Phân biệt bệnh đốm trắng trên tôm do vi khuẩn và virus

Bệnh đốm trắng trên tôm là một trong những bệnh nguy hiểm và phổ biến nhất đối với ngành nuôi tôm, gây thiệt hại lớn về kinh tế và sản lượng. Đây là bệnh có thể do nhiều tác nhân khác nhau gây ra, trong đó nổi bật là các loại vi khuẩn và virus. Dù cả hai loại tác nhân này đều gây ra các triệu chứng tương tự nhau, nhưng nguyên nhân, cách thức lây lan, cũng như phương pháp điều trị và phòng ngừa lại hoàn toàn khác biệt

Tôm thẻ chân trắng
• 20:25 23/11/2024

Những điểm mạnh từ sự phát triển ngành thủy sản Australia mà Việt Nam có thể học hỏi

Ngành thủy sản Australia không chỉ nổi tiếng với những sản phẩm chất lượng cao mà còn được xem là hình mẫu về phát triển bền vững.

Thủy sản
• 20:25 23/11/2024

Thần tình yêu đại dương - Cá thần tiên rạn san hô

Cá thần tiên rạn san hô Tosanoides Aphrodite là một phát hiện đầy bất ngờ trong thế giới sinh vật biển. Được các nhà nghiên cứu tại Viện Khoa học California (Mỹ) công bố, loài cá này không chỉ gây ấn tượng bởi vẻ đẹp lộng lẫy mà còn khiến cộng đồng khoa học ngạc nhiên khi chúng chưa từng được ghi nhận trước đây. Cùng tìm hiểu về loài cá được mệnh danh là "thần tình yêu đại dương" này!

Tosanoides Aphrodite
• 20:25 23/11/2024

Tôm vào vụ đông - Sale không giới hạn

Khi tôm vào vụ mới công tác chuẩn bị vật tư, vệ sinh ao, nguồn nước,... là những khâu quan trọng để có một mùa vụ thành công. Việc này ngoài bỏ công sức ra thì cũng tốn khá nhiều chi phí. Để tiết kiệm hơn, bà con hãy ghé ngay Farmext eShop, tại đây sắp diễn ra nhiều ưu đãi cực to cho các sản phẩm phục vụ nuôi tôm vụ đông.

Tôm vào vụ đông
• 20:25 23/11/2024
Some text some message..