Hành trình giải mã Asen của các nhà khoa học Việt Nam

15 năm theo đuổi hướng đánh giá ô nhiễm đất, trầm tích và địa hóa nước ngầm, đặc biệt là về ô nhiễm kim loại nặng như asen, GS.TS Phạm Hùng Việt và nhóm nghiên cứu Địa hóa môi trường (ĐHQGHN) do ông dẫn dắt đã có nhiều công bố quốc tế, nổi bật nhất phải kể đến công trình “Cơ chế làm chậm sự di chuyển của asen qua tầng chứa nước sâu Pleistocene”

vnu15 năm theo đuổi hướng đánh giá ô nhiễm đất, trầm tích và địa hóa nước ngầm, đặc biệt là về ô nhiễm kim loại nặng như asen, GS.TS Phạm Hùng Việt và nhóm nghiên cứu Địa hóa môi trường (ĐHQGHN) do ông dẫn dắt đã có nhiều công bố quốc tế, nổi bật nhất phải kể đến công trình “Cơ chế làm chậm sự di chuyển của asen qua tầng chứa nước sâu Pleistocene” (Retardation of arsenic transport through a Pleistocene aquifer), trên Nature* (tháng 9/2013).

Giải mã quá trình ô nhiễm asen trong các tầng nước ngầm

Ý tưởng tập trung vào nghiên cứu ô nhiễm asen của GS Phạm Hùng Việt bắt đầu nhen nhóm từ nghiên cứu của Tổ chức Điều tra địa chất Anh (British Geological Survey) năm 1998 về dịch ngộ độc asen trong các giếng khoan ở 61/64 tỉnh thuộc Bangladesh. Phát hiện này đã thổi bùng sự quan tâm của khoa học quốc tế về vấn đề ô nhiễm asen bởi trên thế giới có hơn 70 quốc gia bị phát hiện có asen trong nước ngầm, khiến hơn 130 triệu người có nguy cơ bị nhiễm asen.

Do Việt Nam và Bangladesh có sự tương đồng về địa chất khi cùng nằm trong lưu vực các con sông lớn bắt nguồn từ dãy Himalaya, GS Phạm Hùng Việt nghĩ ngay đến khả năng nước ngầm tại Việt Nam cũng bị ô nhiễm asen. Ông và các cộng sự đã hợp tác với Viện nghiên cứu về KH&CN Môi trường liên bang Thụy Sỹ (EAWAG) nghiên cứu trên khu vực đồng bằng sông Hồng với tâm điểm Hà Nội và các vùng ngoại thành khai thác nước ngầm. Trong năm 1998, nhóm đã lấy mẫu nền từ các giếng khoan ở 500 điểm trong nội thành Hà Nội, làm giàu mẫu và tiến hành phân tích. Sau đó để kiểm chứng cho các kết quả đo tại Việt Nam, nhóm đã gửi 10% mẫu sang phòng thí nghiệm ở Thụy Sỹ phân tích đối chứng.

Năm 2001, công trình “Sự ô nhiễm asen trong nước ngầm và nước uống ở Việt Nam: mối đe dọa sức khỏe con người” được công bố trên Environmental Science and Technology, đã xác định nồng độ asen ở khu vực nội, ngoại thành Hà Nội cao hơn tiêu chuẩn cho phép, báo hiệu người sử dụng nước giếng khoan có nồng độ asen cao hơn 10 microgram/lít có nguy cơ bị nhiễm asen mãn tính. Sau hơn 10 năm công bố, đến nay công trình này đã được được trích dẫn hơn 600 lần.

Đến đầu thế kỷ 21, những vấn đề liên quan đến asen vẫn còn ẩn chứa nhiều điều chưa được giải đáp như dự báo về khả năng ô nhiễm asen, cơ chế giải phóng asen, quá trình vận chuyển asen giữa các tầng ngậm nước, vai trò của vi sinh vật với việc giải phóng asen… Thực tế này đã thu hút nhóm nghiên cứu của GS Việt suốt 10 năm qua: chẳng hạn để có thể đi đến kết luận về mối quan hệ giữa hoạt động khai thác nước ngầm của con người với ô nhiễm asen, nhóm nghiên cứu của ông đã tái hiện giai đoạn đầu của quá trình ô nhiễm asen nồng độ thấp tại một tầng chứa nước sạch trên cơ sở khảo sát 41 giếng làng chài Vạn Phúc, huyện Thanh Trì nơi chuyển tiếp sắc nét của nồng độ asen thấp và cao trong nước ngầm, khi mẫu giếng phía Tây có nồng độ asen chưa đến 10 microgram/lít nước (thấp hơn ngưỡng cho phép của Tổ chức Y tế thế giới WHO) nhưng mẫu giếng phía Đông lại cho nồng độ cao hơn từ 10 đến 50 lần, trong bảy năm từ năm 2006 đến năm 2011. Điều thú vị là ranh giới tự nhiên giữa hai vùng chuyển tiếp lại không cố định mà dường như được di chuyển dần về phía Tây, tức nội thành Hà Nội với tốc độ “chậm rãi” là 0,5-0,7m/năm. Qua theo dõi từ năm 2006 đến nay, ranh giới vùng di chuyển tổng cộng từ 3,5 - 4m.

Trong suốt thời gian bám trụ ở làng Vạn Phúc khai thác mẫu, các nhà nghiên cứu đều phải “chân lấm tay bùn” ngoài hiện trường cùng công nhân khoan giếng, các giáo sư nước ngoài như GS Benjamin Bostick cũng không ngoại lệ. “Mỗi khi kiểm tra mũi khoan, tất cả đều bỏ cả giày dép, chân đất lao ra hỗ trợ và tự tay lấy mẫu. Ai cũng bê bết bùn đất đến mức khó phân biệt nổi đâu là nhà khoa học, đâu là công nhân. Chính trong giai đoạn này, không ngờ chất độc asen lại trở thành ‘bà mối’ cho GS Benjamin Bostick với một thành viên của nhóm”, GS Việt hóm hỉnh. “Công việc lấy mẫu của chúng tôi kéo dài và một số thí nghiệm buộc phải thực hiện ngay ở hiện trường một cách liên tục nên nhiều nghiên cứu viên đã phải túc trực 24/24 tại làng Vạn Phúc. Rất may là chính quyền địa phương đã tạo điều kiện thuận lợi cho chúng tôi thực hiện các công đoạn này. Ngày kết thúc giai đoạn thực địa, nhóm chúng tôi đã tặng cho xã món quà nhỏ, một chiếc tủ lạnh, làm kỷ niệm, sau đó đã được chuyển cho trường mẫu giáo của xã”.

Những mẫu trầm tích và mẫu nước khai thác tại Vạn Phúc đều được bảo quản cẩn thận và chuyển về các phòng thí nghiệm trong nước và một phần của các mẫu cũng được gửi tới đối tác là hai phòng thí nghiệm ở Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sỹ (ETH Zurich), Viện Quan sát Trái đất Lamont-Doherty (Lamont-Doherty Earth Observatory, ĐH Columbia, Mỹ). Qua phân tích bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS), phổ plasma ICP (inductively coupled plasma), các nhà khoa học đã phát hiện ra quy trình ô nhiễm asen trong các tầng nước ngầm bắt nguồn từ hoạt động khai thác nước: mỗi mũi khoan xuống để hút nước từ tầng chứa nước sâu Pleistocene với lớp trầm tích hơn 12.000 tuổi mà phần lớn là không bị nhiễm asen đã tạo ra “cửa sổ thủy văn” gây xáo trộn giữa các tầng chứa nước, khiến nước nhiễm asen ở tầng nước nông Holocene (được tích tụ từ 5000 năm trước) tràn xuống tầng nước sâu Pleistocene. Bằng phương pháp kỹ thuật đồng vị heli và hydro, các nhà khoa học đã kiểm chứng, nước trong tầng ngậm nước bị ô nhiễm asen di chuyển hơn hai km về phía trung tâm Hà Nội trong vòng từ 40 đến 60 năm còn tốc độ nhiễm asen mới chỉ thâm nhập khoảng 120m trong tầng nước sạch.

Trong năm năm qua, nhóm nghiên cứu Địa hóa môi trường có 26 bài báo ISI với đề tài asen. Bên cạnh đó, nhóm còn chế tạo được một thiết bị đo nồng độ asen trong nước mang tên thiết bị điện di mao quản tự động bơm mẫu tuần tự, CE – C4D – SIA, có thể đo nồng độ asen ở mức 50 microgram/lít. Trong một vài năm tới, thiết bị sẽ tiếp tục được cải tiến theo định hướng để khả năng đo sẽ đạt tới mức thấp hơn là 10 microgram/lít.

Công trình cho thấy, khả năng ô nhiễm asen có thể xảy ra ở nơi này nhưng lại không xảy ra ở nơi khác tùy thuộc vào thành phần sinh địa hóa của trầm tích nước ngầm, đồng thời ranh giới giữa vùng ô nhiễm và không ô nhiễm có thể bị dịch chuyển do những biến đổi dòng chảy và thay đổi môi trường sinh địa hóa dưới tác động của khai thác nước ngầm.

Nhận định về kết quả của công trình, GS Việt lạc quan: “Lần đầu tiên chúng tôi có thể chứng minh một tầng chứa nước sạch đã bị ô nhiễm asen như thế nào và mức ô nhiễm này phụ thuộc chặt chẽ vào khả năng bơm hút nước ngầm ra sao. Rất may là tốc độ ô nhiễm chậm hơn so với những gì chúng tôi lo ngại. Tuy nhiên nếu Hà Nội tiếp tục gia tăng tốc độ khai thác nước ngầm thì quá trình ô nhiễm asen sẽ trở nên nghiêm trọng hơn rất nhiều”.

Đồng tác giả Michael Berg đã trao đổi với các cộng sự Việt Nam: “Chúng ta góp phần thay đổi quan niệm trong khai thác nước ngầm trên toàn thế giới”.

Tiếp tục nghiên cứu về sự vận chuyển asen trong trầm tích

Trên hành trình giải mã asen, có rất nhiều nhóm nghiên cứu ở Đan Mạch, Thụy Sỹ, Đức, Mỹ, Canada, Nhật Bản, Ấn Độ, Trung Quốc… cùng chạy đua. Vì vậy theo GS Việt, “không khí ‘cạnh tranh’ như một cuộc thi”.

Qua mỗi công trình, năng lực nghiên cứu của nhóm lại được khẳng định với những phương pháp tiếp cận hoàn toàn mới. Ví dụ công trình “Nguy cơ tăng cao ô nhiễm asen trong nước ngầm ở Việt Nam do việc khai thác nước ngầm sâu trong hơn một thế kỷ”  được bản đồ và mô hình hóa 3D (dữ liệu địa chất ba chiều với dữ liệu địa chất là một biến độc lập), qua đó người ta có thể dự đoán khả năng ô nhiễm asen trong nước ngầm thông qua việc xác định một số thông số khác dễ dàng hơn so với việc xác định asen, ví dụ như giá trị độ kiềm, ô xi hóa khử của mẫu nước hoặc thông số amoni xác định dễ dàng bằng phương pháp trắc quang ngay tại hiện trường. Với công trình tiếp theo, “Sự tích tụ asen trong nước ngầm ở Việt Nam được quy định bằng tuổi trầm tích”, thì các phép đo tuổi trầm tích, phản ứng hóa học của nước, phản ứng của carbon hữu cơ trầm tích, đo đồng vị phóng xạ tỷ lệ khí methane sinh ra trong điều kiện yếm khí… đã tìm ra được mối liên hệ giữa nồng độ asen với tuổi trầm tích nhằm xác định nguyên nhân của sự biến đổi hàm lượng asen trong nước ngầm.

Việc theo đuổi nghiên cứu về sự hình thành, vận động và chuyển hóa của asen trong các tầng nước ngầm đòi hỏi kiến thức chuyên sâu ở nhiều lĩnh vực, vì vậy nhóm đã tạo dựng mối liên kết đa ngành trong quá trình nghiên cứu, như địa chất - thủy văn, vi sinh, hóa học phân tích, hóa học môi trường, sinh địa hóa (biogeochemistry), sinh học phân tử…, đồng thời cộng tác với nhiều chuyên gia quốc tế ở các lĩnh vực này: TS Michael Berg (VETH Zunch), GS Alexander van Geen, GS Benjamin Bostick (ĐH Columbia), GS Dieke Postma (Cục Địa chất Đan Mạch và Greenland)… Đây đều là những mối quan hệ hợp tác kéo dài nhiều năm, như TS Michael Berg đã cùng nhóm hoàn thành tới 18 công bố quốc tế về asen trong hơn 10 năm qua. “Trong thời gian ở Việt Nam, họ cũng kết hợp với chúng tôi mở các khóa học ngắn hạn, các seminar. Ví dụ ngay sau Tết 2014, GS Benjamin Bostick đã lên lớp một khóa về sinh địa hóa, một chuyên ngành rất mới mẻ ở Việt Nam”, GS Việt cho biết. Thông qua các dự án hợp tác quốc tế, nhóm đã phối hợp với các giáo sư nước ngoài hướng dẫn nghiên cứu sinh, đến nay đã có ba người bảo vệ thành công luận án tiến sĩ về asen trong số đó, TS Phạm Thị Kim Trang là nghiên cứu sinh đầu tiên do GS Việt hướng dẫn, hiện đã trở thành một trong những chuyên gia hàng đầu về asen. Riêng với công trình “Cơ chế làm chậm sự di chuyển của asen qua tầng chứa nước sâu Pleistocene” đã góp phần hỗ trợ đào tạo một tiến sĩ và hai thạc sĩ.

Uy tín từ công bố quốc tế đã đem lại cho nhóm cơ hội tham gia nhiều dự án lớn, trong đó có dự án theo đơn đặt hàng của Quỹ Khoa học quốc gia Mỹ (NSF), dự kiến bắt đầu vào năm sau và kéo dài 60 tháng với tổng kinh phí 1,45 triệu USD, mang tên “Những nhu cầu cạnh tranh và thương tổn trong tương lai của nước ngầm: chất lượng nước uống, an toàn thực phẩm ở khu vực Nam Á, Đông Nam Á bị tác động bởi asen” (Competing demands & future vulnerability of groundwater: Drinking water quality & food security in arsenic- impacted South & Asean). Phạm vi khảo sát của dự án là Việt Nam, Myanmar và Ấn Độ, trong đó nhóm của GS Việt nghiên cứu vấn đề này ở phạm vi Việt Nam.

Nhìn về tương lai của nhóm, GS Việt cho biết “Trên thế giới, xu hướng nghiên cứu về asen đang được mở rộng. Công bố mới nhất về asen mà chúng tôi vừa cập nhật vào tháng tám của một nhóm nghiên cứu ở Mỹ trên tạp chí Environmental science and technology đã thúc đẩy chúng tôi bắt đầu chuyển hướng nghiên cứu kết hợp với các nghiên cứu về vi sinh học phân tử mà sản phẩm đầu tiên là công trình “Loại bỏ asen bằng bể lọc cát, hiệu ứng sử dụng bộ lọc đối với những hiệu quả loại bỏ asen và chất lượng nước nhìn từ góc độ vi sinh”, sẽ xuất hiện tại Science of total environmen vào cuối năm nay.

Asen là một trong những chất vô cơ gây ô nhiễm phổ biến nhất trong nước. Nồng độ an toàn theo tiêu chuẩn của WHO là dưới 10 microgram/lít, nhưng nếu xâm nhập cơ thể trong thời gian dài, ngay cả ở nồng độ thấp thì asen cũng có ảnh hưởng đến sức khỏe, ban đầu nhiễm độc mãn tính dẫn đến tích tụ asen trong da, tóc và móng tay, móng chân, dẫn đến tăng sắc tố da, sừng hóa gan bàn tay, bàn chân, rối loạn chức năng thần kinh và sau khoảng 15 đến 30 năm, người nhiễm asen có nguy cơ mắc ung thư da, bàng quang, thận và phổi. 
Hàng triệu cư dân đồng bằng sông Hồng sống trong khu vực sử dụng giếng nước khoan có hàm lượng cao hơn 10 microgram/lít đang có nguy cơ bị nhiễm độc asen mãn tính và/hoặc nhiễm độc mangan. Nhưng vì nhiều lý do, trong đó có yếu tố đặc thù về văn hóa ẩm thực và cơ địa (tính đa hình di truyền của người VN) nên khả năng chống chịu với asen của người Việt Nam tỏ ra tốt hơn so với người dân Bangladesh hoặc Ấn Độ (vùng Tây Bengan). Điều này cần được nghiên cứu một cách có hệ thống trong thời gian tới.
Trong những năm gần đây, việc nỗ lực loại trừ asen khỏi nguồn nước sinh hoạt, các nhà máy nước Hà Nội đã bắt đầu sử dụng nước sông Đà thay vì nước ngầm, theo kết quả tư vấn của nhóm.

Những ý tưởng mới vẫn tiếp tục đến nhằm giải đáp những câu hỏi về các quá trình sinh địa hóa và khoáng học hóa của trầm tích dọc theo vùng chuyển tiếp, quá trình quan trọng nào kiểm soát sự di chuyển của asen giữa các tầng nước dưới tác động của hoạt động khai thác nước, bởi “sự vận chuyển asen trong các tầng chứa nước vẫn còn rất phức tạp. Chúng tôi hiện đang quan tâm về vai trò của các quần thể vi sinh vật, chất hữu cơ trong quá trình vận chuyển asen dọc theo vùng chuyển tiếp. Đây là vấn đề hết sức thú vị và hoàn toàn còn bỏ ngỏ. Có thể sau một vài năm nghiên cứu nữa, chúng tôi mới có được câu trả lời. Hy vọng thách thức khoa học đó sẽ cho ra đời các công trình mới”, GS Việt cho biết.