Chất ô nhiễm mới nổi là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học

Giới thiệu về chất ô nhiễm mới nổi (Emerging Contaminants)

Chất ô nhiễm mới nổi (Emerging Contaminants - ECs) là thuật ngữ dùng để chỉ các hợp chất có mặt trong môi trường với nồng độ vi lượng, nhưng chưa được giám sát chặt chẽ hoặc chưa nằm trong danh sách các chất ô nhiễm truyền thống. Tuy nhiên, chúng đã được phát hiện có khả năng gây hại cho sinh vật và con người. ECs có thể là chất hóa học tổng hợp, hợp chất hữu cơ, hợp chất tự nhiên, hoặc thậm chí là các vật liệu nano mới chưa từng được đánh giá đầy đủ về độc tính lâu dài.

Điểm đặc trưng của ECs là tính “mới nổi” không nhất thiết phản ánh thời gian xuất hiện gần đây, mà thường đề cập đến sự thiếu hụt thông tin khoa học, bằng chứng độc hại chưa đầy đủ, hoặc chưa có quy định kiểm soát tương ứng. Nhiều ECs đã tồn tại trong môi trường hàng chục năm nhưng chỉ mới được chú ý gần đây nhờ tiến bộ trong công nghệ phân tích siêu vết.

Một số nhóm chất thường được liệt kê là ECs bao gồm:

• Dược phẩm và sản phẩm chăm sóc cá nhân (PPCPs)
• Hóa chất công nghiệp như chất chống cháy, chất ổn định UV
• Hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs)
• Vi nhựa và các hạt nano
• Chất kháng sinh và hormone

Phân loại chất ô nhiễm mới nổi

Chất ô nhiễm mới nổi không thuộc một nhóm đồng nhất về cấu trúc hóa học hoặc nguồn gốc. Việc phân loại thường dựa vào chức năng sử dụng, nguồn phát thải hoặc tính chất hóa lý. Phân chia theo chức năng sử dụng giúp dễ xác định các chiến lược quản lý rủi ro cụ thể hơn.

Bảng sau tóm tắt một số nhóm ECs phổ biến, nguồn gốc phát thải và ứng dụng tiêu biểu:

Nhóm chất	Ví dụ	Nguồn phát thải	Ứng dụng phổ biến
Dược phẩm	Ibuprofen, Ciprofloxacin	Hệ thống y tế, hộ gia đình	Thuốc giảm đau, kháng sinh
Chất chống cháy (PBDEs)	DecaBDE	Đồ nội thất, thiết bị điện tử	Chống cháy trong vật liệu tổng hợp
PFAS	PFOA, PFOS	Công nghiệp, sản phẩm chống dính	Chống nước, chống dầu
Vi nhựa	PE, PS, PVC	Đồ nhựa, mỹ phẩm, sợi vải tổng hợp	Đóng gói, quần áo, mỹ phẩm

Một nhóm đáng chú ý là các hormone tổng hợp như ethinylestradiol từ thuốc tránh thai. Mặc dù được sử dụng rộng rãi, các hormone này khi đi vào hệ thống xử lý nước thải lại rất khó bị phân hủy, và có thể gây rối loạn nội tiết cho sinh vật thủy sinh khi tiếp xúc với liều cực nhỏ.

Cơ chế lan truyền và tích tụ trong môi trường

Chất ô nhiễm mới nổi có thể được đưa vào môi trường từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm nước thải sinh hoạt, bệnh viện, nông nghiệp và công nghiệp. Phần lớn ECs đi qua hệ thống xử lý nước thải truyền thống mà không bị loại bỏ hoàn toàn, dẫn đến tồn lưu trong nước mặt, nước ngầm và trầm tích.

Quá trình lan truyền phụ thuộc vào đặc tính hóa lý của từng chất như hệ số phân bố octanol-nước (K_ow), độ hòa tan, và tính ổn định sinh học. Các chất ưa béo thường có xu hướng tích tụ sinh học trong chuỗi thức ăn: $\text{Bioaccumulation Factor (BAF)} = \frac{C_{\text{organism}}}{C_{\text{environment}}}$

Ví dụ, PFOS – một chất trong nhóm PFAS – có hệ số BAF rất cao, có thể tích lũy trong mô gan và máu của cá. Ngoài ra, ECs còn có thể bị hấp phụ vào bùn thải hoặc trầm tích đáy, làm tăng thời gian tồn tại và khả năng tái phát tán sau nhiều năm.

Ảnh hưởng đến hệ sinh thái

ECs có thể gây ra nhiều ảnh hưởng sinh thái nghiêm trọng, đặc biệt ở mức độ tế bào và nội tiết. Một trong những vấn đề nổi bật là rối loạn nội tiết (endocrine disruption), xảy ra khi các ECs can thiệp vào hệ thống hormone của động vật, làm thay đổi quá trình sinh sản, tăng trưởng và hành vi.

Một nghiên cứu kinh điển tại Canada phát hiện cá đực tiếp xúc với nồng độ cực thấp của ethinylestradiol đã phát triển đặc điểm sinh dục nữ và mất khả năng sinh sản (Kidd et al., 2007). Dưới đây là một số ảnh hưởng sinh thái thường gặp của ECs:

• Giảm tỷ lệ sinh sản ở cá và động vật lưỡng cư
• Biến đổi hành vi kiếm ăn, di cư hoặc giao phối
• Gây đột biến, làm suy giảm hệ miễn dịch

Ngoài động vật, ECs còn có thể ảnh hưởng đến vi sinh vật đất và nước, làm thay đổi cộng đồng vi sinh, giảm hiệu suất phân hủy chất hữu cơ hoặc gây kháng kháng sinh trong môi trường. Những thay đổi này có thể tác động dây chuyền đến toàn bộ hệ sinh thái.

Ảnh hưởng đến sức khỏe con người

Chất ô nhiễm mới nổi có thể ảnh hưởng đến sức khỏe con người thông qua nhiều con đường tiếp xúc như uống nước, ăn thực phẩm nhiễm ECs, hít phải không khí ô nhiễm hoặc tiếp xúc qua da. Một số chất có thể xâm nhập vào hệ tuần hoàn, tích tụ trong các cơ quan quan trọng như gan, thận, não hoặc tuyến nội tiết.

Trong số các nhóm ECs, PFAS là một trong những chất được nghiên cứu nhiều nhất về ảnh hưởng sức khỏe. Theo Cơ quan Đăng ký Chất độc và Dịch bệnh Hoa Kỳ (ATSDR), PFAS có thể liên quan đến:

• Rối loạn tuyến giáp
• Suy giảm khả năng sinh sản ở cả nam và nữ
• Giảm đáp ứng miễn dịch đối với vaccine
• Ung thư thận, tinh hoàn
• Ảnh hưởng phát triển ở trẻ nhỏ và thai nhi

Một số ECs có hoạt tính tương tự hormone estrogen (xenoestrogens), như BPA (bisphenol A), có thể can thiệp vào hệ nội tiết. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng BPA có thể gây dậy thì sớm, thay đổi chức năng tuyến yên và tăng nguy cơ mắc bệnh ung thư vú. Trẻ nhỏ và phụ nữ mang thai là nhóm đối tượng dễ bị tổn thương nhất do sự phát triển tế bào trong giai đoạn này rất nhạy cảm với chất gây rối loạn nội tiết.

Khó khăn trong việc kiểm soát và quản lý

Hầu hết các hệ thống xử lý nước thải đô thị hiện nay được thiết kế để loại bỏ các chất ô nhiễm truyền thống như chất rắn lơ lửng, nitơ, phospho, chứ không phải ECs có nồng độ rất thấp. Do đó, nhiều ECs vẫn có thể đi qua hệ thống và xuất hiện trong nguồn nước đã xử lý với nồng độ tính bằng nanogram hoặc picogram trên mỗi lít: $C_{\text{residual}} \approx 1-100\, \text{ng/L}$

Ngoài ra, các khó khăn khác trong kiểm soát ECs bao gồm:

1. Thiếu tiêu chuẩn và quy định cụ thể cho từng loại ECs
2. Giới hạn phát hiện của thiết bị phân tích chưa đồng đều giữa các quốc gia
3. Khả năng tích lũy và tác động dài hạn khó đánh giá bằng phương pháp độc tính học truyền thống

Một vấn đề nổi bật là sự hình thành các sản phẩm chuyển hóa (metabolites) hoặc phụ phẩm trong quá trình xử lý nước. Ví dụ, khi áp dụng clo hóa hoặc ozon hóa, một số ECs có thể phân hủy thành các chất có độc tính cao hơn ban đầu. Điều này làm phức tạp thêm quá trình đánh giá rủi ro.

Các công nghệ xử lý tiềm năng

Để kiểm soát ECs hiệu quả, cần sử dụng các công nghệ tiên tiến vượt ra ngoài xử lý nước thải truyền thống. Các giải pháp xử lý mới hiện nay bao gồm:

• Oxy hóa nâng cao (AOPs): Sử dụng các tác nhân oxy hóa mạnh như OH· để phá hủy cấu trúc ECs
• Màng lọc nano: Tách chọn lọc các phân tử nhỏ ở cấp độ nanomet
• Hấp phụ nâng cao: Than hoạt tính, biochar hoặc vật liệu nano như graphene oxide
• Xử lý sinh học: Vi sinh vật biến đổi gene hoặc biofilm cải tiến

Bảng so sánh dưới đây cho thấy ưu và nhược điểm của một số công nghệ xử lý tiêu biểu:

Công nghệ	Hiệu quả xử lý ECs	Ưu điểm	Hạn chế
Oxy hóa nâng cao	Cao	Phá vỡ hoàn toàn cấu trúc hữu cơ	Chi phí năng lượng cao, tạo phụ phẩm
Màng lọc nano	Trung bình - Cao	Không dùng hóa chất	Dễ tắc nghẽn, cần bảo trì thường xuyên
Hấp phụ bằng than hoạt	Trung bình	Dễ ứng dụng, chi phí thấp	Không phân hủy chất ô nhiễm, cần thay thế

Việc kết hợp nhiều công nghệ theo chuỗi xử lý liên hoàn đang là hướng đi được nhiều nhà máy nước tiên tiến áp dụng, nhằm đảm bảo loại bỏ hiệu quả nhiều nhóm ECs khác nhau.

Xu hướng nghiên cứu và chính sách toàn cầu

Chính phủ và tổ chức quốc tế đang ngày càng quan tâm đến việc thiết lập khung pháp lý và hướng dẫn đánh giá rủi ro đối với ECs. Liên minh châu Âu đã đưa nhiều ECs vào danh sách giám sát trong Chỉ thị Khung về Nước (Water Framework Directive) và danh sách ưu tiên trong REACH.

Tại Hoa Kỳ, EPA đã phát triển các chương trình như PFAS Strategic Roadmap, và đang cập nhật bộ công cụ phân tích ECs trong nước uống và nước mặt. Tổ chức OECD cũng cung cấp cơ sở dữ liệu các ECs đang được nghiên cứu tại hơn 30 quốc gia thành viên (OECD Emerging Pollutants).

Một xu hướng mới là phát triển mô hình độc học dự đoán (QSAR) và trí tuệ nhân tạo (AI) để nhận diện nguy cơ từ các ECs chưa được nghiên cứu sâu. Đồng thời, các nghiên cứu hiện đại đang tập trung vào tác động tổng hợp của hỗn hợp nhiều ECs (mixture toxicity), phản ánh đúng hơn tình trạng thực tế ngoài môi trường.

Tài liệu tham khảo

1. U.S. Environmental Protection Agency (EPA) – PFAS
2. Centers for Disease Control and Prevention (CDC) – PFAS & Your Health
3. OECD – Emerging Pollutants in Water
4. Kidd, K. A. et al. (2007). Collapse of a fish population after exposure to a synthetic estrogen. PNAS.
5. Ebele, A. J., Abdallah, M. A. E., & Harrad, S. (2017). Pharmaceuticals and personal care products (PPCPs) in the freshwater aquatic environment. Science of the Total Environment.
6. Rochman, C. M. et al. (2014). Policy: Classify plastic waste as hazardous. Nature.