Tổng quan nghiên cứu

Chất lượng không khí tại các đô thị lớn đang đối mặt với nhiều thách thức nghiêm trọng từ bụi mịn và các hợp chất hữu cơ độc hại. Theo số liệu quan trắc của cơ quan quản lý môi trường, nồng độ bụi PM2.5 tại Hà Nội từng ghi nhận mức vượt quá 3 lần Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng không khí xung quanh và gấp khoảng 7 lần ngưỡng khuyến cáo an toàn của Tổ chức Y tế Thế giới, với dao động trung bình từ 42 đến 134 µg/m3. Bên cạnh các hạt bụi vô cơ, bụi không khí còn là giá mang của các hợp chất hữu cơ bán bay hơi nguy hại, tiêu biểu là nhóm phthalate este chiếm hơn 85% sản lượng phụ gia làm dẻo nhựa và các nhóm sterol sinh học chỉ thị ô nhiễm nguồn thải.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm của luận văn là sự thiếu hụt dữ liệu định lượng đồng thời về mức độ tích tụ của phthalate và sterol trong bụi không khí đô thị tại Việt Nam. Mục tiêu cụ thể của đề tài nhằm ứng dụng hệ thống nhận dạng và định lượng tự động với cơ sở dữ liệu sắc ký khối phổ tiên tiến để xác định đồng thời hàm lượng 05 hợp chất phthalate gồm DMP, DEP, DIBP, DBP, DEHP và 07 hợp chất sterols gồm coprostanol, cholesterol, coprostanone, campesterol, stigmasterol, beta-sitosterol, stigmastanol.

Phạm vi không gian nghiên cứu được tiến hành tại hai khu vực trọng điểm của Hà Nội đại diện cho hai nguồn phát thải điển hình: trục giao thông huyết mạch đường Phạm Văn Đồng và khu dân cư làng nghề truyền thống Phú Đô trong hai mùa đặc trưng là mùa hè và mùa đông năm 2018. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc, cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm đầu tiên về chỉ thị sinh học sterol trong bụi khí quyển đô thị và đánh giá rủi ro phơi nhiễm qua đường hô hấp của hoạt chất di(2-ethylhexyl) phthalate đối với sức khỏe cộng đồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên lý thuyết lan truyền và hấp phụ các hợp chất hữu cơ bán bay hơi trên bề mặt hạt bụi khí quyển, kết hợp với mô hình đánh giá rủi ro phơi nhiễm sức khỏe qua đường hô hấp của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ. Các khái niệm nền tảng trong đề tài bao gồm:

  • Phthalate este: Nhóm hóa chất nhân tạo dạng dầu, este của axit 1,2-benzenedicarboxylic, thường chiếm từ 0,1% đến 40% khối lượng trong các sản phẩm nhựa polyvinyl clorua để tăng tính linh hoạt và độ bền vật liệu.
  • Sterols: Rượu steroid đa vòng no đơn chức có khung phân tử cholestane, đóng vai trò là chất chỉ thị sinh học nguồn gốc phát thải từ động vật như cholesterol, coprostanol hoặc từ thực vật như phytosterols sinh ra do đốt sinh khối.
  • Hệ thống nhận dạng và định lượng tự động với cơ sở dữ liệu sắc ký khí khối phổ: Công nghệ tích hợp thông tin phổ khối, thời gian lưu và đường chuẩn của hơn 940 hợp chất hữu cơ bán bay hơi, cho phép phân tích định tính và định lượng đa thành phần mà không đòi hỏi chất chuẩn độc lập cho từng phép đo.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng phương pháp chọn mẫu có chủ đích tại 2 điểm khảo sát đặc trưng với tổng số 48 mẫu bụi không khí được thu thập liên tục qua hai đợt mùa hè tháng 5/2018 và mùa đông tháng 11/2018. Thiết bị lấy mẫu thể tích lớn Kimoto Model-120H được vận hành với tốc độ hút 400 lít/phút liên tục trong 10 giờ cho mỗi mẫu ngày từ 8 giờ đến 18 giờ và mẫu đêm từ 20 giờ đến 6 giờ sáng hôm sau trên màng lọc sợi thạch anh chuyên dụng kích thước 203 x 254 mm.

Mẫu sau khi thu thập được bảo quản ở nhiệt độ âm 20 độ C, chiết tách bằng phương pháp chiết siêu âm với hệ dung môi dichloromethane và n-hexane, sau đó làm giàu dịch chiết bằng khí nitơ tinh khiết trước khi bơm vào hệ thống sắc ký khí khối phổ GC-MS QP2010. Việc lựa chọn phương pháp phân tích tích hợp cơ sở dữ liệu tự động mang tính đột phá, khắc phục triệt để rào cản chi phí mua sắm hàng trăm chất chuẩn ngoại đắt đỏ, rút ngắn 80% thời gian chuẩn bị và đảm bảo độ thu hồi cùng độ lặp lại vượt trên 95% theo tiêu chuẩn phân tích quốc tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích định lượng từ 48 mẫu bụi không khí đã xác định rõ sự hiện diện phổ biến của cả 5 hợp chất phthalate và 7 hợp chất sterol được khảo sát:

  • DEHP và DBP là hai hợp chất chiếm tỷ trọng áp đảo trong tổng lượng phthalate phát hiện, đóng góp từ 65% đến 80% tổng nồng độ các este phthalic, tương đương với các công bố tại Thiên Tân với nồng độ từ 75,68 đến 98,29 ng/m3.
  • Nồng độ phthalate trong mùa hè cao hơn mùa đông khoảng 1,5 đến 2 lần do nền nhiệt độ cao từ 25 đến 36 độ C thúc đẩy quá trình bay hơi và thôi nhiễm của các phụ gia làm dẻo từ bề mặt vật liệu nhựa, sau đó tái hấp phụ vào các hạt bụi lơ lửng.
  • Tại làng nghề Phú Đô, hàm lượng phytosterols như beta-sitosterol và stigmasterol cùng zoosterols như cholesterol cao hơn khu vực đường Phạm Văn Đồng từ 30% đến 50%, phản ánh mật độ phát thải khói từ hơn 500 hộ làm bún sử dụng nhiên liệu than củi và hoạt động nấu nướng thực phẩm quy mô lớn.
  • Đánh giá liều lượng phơi nhiễm hàng ngày qua đường hô hấp cho thấy trẻ em từ 0,5 đến 4 tuổi chịu mức hấp thu DEHP tính trên mỗi kilôgam thể trọng cao gấp 1,8 đến 2,5 lần so với người trưởng thành.

Thảo luận kết quả

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan thông qua các bảng tổng hợp nồng độ trung bình mùa và các biểu đồ hình cột so sánh biến thiên ngày và đêm. Đồ thị tương quan nhiệt độ cho thấy hệ số phát tán phthalate tỷ lệ thuận với nhiệt độ môi trường xung quanh.

Nguyên nhân chính dẫn đến sự khác biệt giữa hai điểm đo bắt nguồn từ nguồn phát thải đặc thù: khu vực đường Phạm Văn Đồng chịu áp lực trực tiếp từ mật độ phương tiện giao thông dày đặc trên đường vành đai 3 và bụi công trình xây dựng, trong khi làng Phú Đô là trung tâm sản xuất bún với hơn 60 tấn thành phẩm mỗi ngày kết hợp hoạt động chăn nuôi gia súc phụ trợ. Khi so sánh với các đô thị quốc tế, nồng độ phthalate tại Hà Nội ở mức tương đương các trung tâm công nghiệp lớn của châu Á như Thượng Hải, Quảng Châu và cao hơn đáng kể so với các thành phố châu Âu như Paris với nồng độ diethyl phthalate chỉ khoảng 0,5 ng/m3.

Đề xuất và khuyến nghị

  • Hoàn thiện khung pháp lý và tiêu chuẩn kỹ thuật: Ban hành quy chuẩn bắt buộc kiểm soát giới hạn tối đa hàm lượng DEHP và DBP dưới mức 0,1% khối lượng trong các sản phẩm nhựa tiêu dùng, đồ chơi trẻ em và bao bì thực phẩm, giao Bộ Tài nguyên và Môi trường phối hợp Bộ Y tế hoàn thành trong giai đoạn 2020 đến 2022.
  • Tăng cường kiểm soát bụi giao thông và xây dựng: Triển khai kế hoạch phun nước rửa đường định kỳ 2 lần mỗi ngày trên các tuyến đường cửa ngõ như trục Phạm Văn Đồng nhằm giảm thiểu khoảng 40% lượng bụi tái phát tán trong các khung giờ cao điểm từ 7 giờ 30 đến 9 giờ sáng, do Sở Giao thông Vận tải Hà Nội chủ trì thực hiện.
  • Chuyển đổi công nghệ tại các làng nghề truyền thống: Cung cấp gói hỗ trợ kỹ thuật giúp 100% trong số 500 hộ sản xuất bún tại làng Phú Đô chuyển đổi từ lò đun than củi sang hệ thống cấp nhiệt bằng điện hoặc khí sinh học sạch, hoàn thành trước quý IV năm 2023 dưới sự giám sát của Ủy ban nhân dân quận Nam Từ Liêm.
  • Mở rộng mạng lưới quan trắc chất ô nhiễm hữu cơ bán bay hơi: Tích hợp công nghệ sắc ký khí khối phổ với cơ sở dữ liệu tự động vào quy trình quan trắc định kỳ của Trung tâm Quan trắc Môi trường miền Bắc, thực hiện kiểm tra nồng độ các chất bán bay hơi 6 tháng một lần tại các đô thị loại một từ năm 2021.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  • Cơ quan quản lý nhà nước về môi trường và y tế: Cung cấp cơ sở khoa học và số liệu thực chứng để xây dựng các chính sách kiểm soát hóa chất phụ gia độc hại, hoàn thiện quy chuẩn kỹ thuật chất lượng không khí xung quanh và trong nhà.
  • Các nhà khoa học và viện nghiên cứu chuyên ngành: Tài liệu tham khảo giá trị về quy trình phân tích đồng thời nhiều nhóm chất hữu cơ phức tạp bằng công nghệ sắc ký khối phổ tự động mà không cần sử dụng chất chuẩn đắt tiền.
  • Doanh nghiệp sản xuất nhựa, hóa chất và vật liệu xây dựng: Nắm bắt các bằng chứng độc học và xu hướng quản lý để chủ động cải tiến công nghệ, thay thế chất hóa dẻo phthalate truyền thống bằng các phụ gia gốc sinh học an toàn.
  • Ban quản lý đô thị và chính quyền địa phương làng nghề: Ứng dụng các chỉ thị sinh học sterol vào việc truy xuất nguồn gốc ô nhiễm, từ đó quy hoạch hệ thống thoát nước thải và xử lý chất thải đốt sinh khối hiệu quả tại địa phương.

Câu hỏi thường gặp

Hệ thống AIQS-DB trên thiết bị GC-MS mang lại ưu điểm vượt trội nào trong phân tích môi trường? Hệ thống tích hợp sẵn cơ sở dữ liệu phổ khối, thời gian lưu và đường chuẩn của hơn 940 hợp chất hữu cơ bán bay hơi. Nhờ đó, phòng thí nghiệm có thể định tính và định lượng đồng thời nhiều chất chỉ trong một lần đo mà không cần mua chất chuẩn ngoại, giúp tiết kiệm tới 70% kinh phí và giảm 80% thời gian xử lý mẫu.

Tại sao hợp chất phthalate trong bụi không khí lại là mối nguy hại lớn cho sức khỏe con người? Phthalate, đặc biệt là DEHP, là tác nhân gây rối loạn nội tiết và thuộc nhóm chất có khả năng gây ung thư 2B theo phân loại của Cơ quan Nghiên cứu Ung thư Quốc tế. Khi hấp phụ vào bụi mịn và đi sâu vào phế nang phổi, các hợp chất này có thể phá vỡ cân bằng hormone sinh sản và gây tổn thương tế bào gan, thận.

Nhóm chất sterol trong bụi không khí phản ánh điều gì về hiện trạng môi trường đô thị? Sterol đóng vai trò là các chất đánh dấu sinh học đặc hiệu giúp truy vết nguồn phát thải. Cholesterol chỉ thị cho khí thải từ hoạt động nấu nướng dầu mỡ, phytosterols phản ánh quá trình đốt gỗ và rơm rạ, trong khi coprostanol chứng minh sự tồn tại của vi hạt phát tán từ nguồn phân và nước thải sinh hoạt chưa qua xử lý.

Vì sao trẻ em lại có mức phơi nhiễm DEHP qua đường hô hấp cao hơn người lớn? Trẻ em từ 0,5 đến 4 tuổi có nhịp thở nhanh hơn và thể tích không khí hít vào tính trên một đơn vị trọng lượng cơ thể lớn hơn người lớn từ 1,8 đến 2,5 lần. Đồng thời, các hoạt động vui chơi tiếp xúc gần mặt sàn nhà nơi bụi lắng đọng làm tăng đáng kể liều lượng hấp thụ hàng ngày của nhóm đối tượng này.

Đặc điểm biến thiên theo mùa của phthalate và sterol tại Hà Nội diễn ra như thế nào? Hàm lượng phthalate trong mùa hè cao hơn mùa đông khoảng 1,5 lần do nền nhiệt độ cao thúc đẩy chất hóa dẻo thoát ra từ bề mặt đồ nhựa. Ngược lại, hàm lượng sterol lại có xu hướng gia tăng cục bộ vào mùa đông tại các khu dân cư do nhu cầu sử dụng củi than sưởi ấm và đun nấu gia tăng.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công quy trình ứng dụng hệ thống nhận dạng và định lượng tự động với cơ sở dữ liệu sắc ký khối phổ để phân tích đồng thời 5 phthalate và 7 sterol trong bụi khí quyển.
  • Công bố bộ số liệu thực nghiệm đầu tiên về nồng độ các hợp chất sterol chỉ thị sinh học trong bụi không khí đô thị tại Hà Nội qua 48 mẫu khảo sát thực địa.
  • Xác định rõ DEHP và DBP là hai thành phần phthalate chiếm ưu thế tuyệt đối, đồng thời làm sáng tỏ cơ chế gia tăng nồng độ chất hóa dẻo trong mùa hè dưới tác động của nhiệt độ.
  • Chỉ ra sự khác biệt sâu sắc về nguồn phát thải giữa trục giao thông vành đai 3 và làng nghề truyền thống Phú Đô thông qua các dấu ấn hóa học đặc trưng.
  • Đánh giá định lượng rủi ro phơi nhiễm DEHP qua đường hô hấp, cảnh báo nguy cơ tiềm ẩn cao đối với sức khỏe của trẻ nhỏ dưới 4 tuổi.

Công trình là bước đột phá kỹ thuật mở đường cho việc áp dụng phương pháp phân tích đa chất không sử dụng chất chuẩn trong quan trắc môi trường tại Việt Nam. Trong lộ trình 2021 đến 2025, hướng nghiên cứu cần được tiếp tục mở rộng trên các phân đoạn bụi mịn PM1 và PM2.5 tại 10 vùng kinh tế trọng điểm toàn quốc. Các nhà quản lý, nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm có thể khai thác toàn văn luận văn để ứng dụng hiệu quả quy trình phân tích và dữ liệu thực nghiệm vào các chương trình kiểm soát ô nhiễm không khí thực tế.