Bụi siêu mịn: sát thủ lạnh lùng trong không khí

Chẳng hạn, người ta nói bụi "PM 2.5" - một loại hạt bụi rắn có kích cỡ 2,5 micrometre hoặc nhỏ hơn - có thể đi qua phổi và vào máu.

Nhưng trong thực tế, đa số loại bụi này không thể đi qua.

Người ta cũng nói khí NOx - bao gồm khí nitrogen dioxide - là đe dọa lớn nhất với sức khỏe trong đô thị. Tuy nhiên, khí NOx chỉ góp phần gây ra khoảng 14% số lượng ca chết vì ô nhiễm không khí ở Châu Âu.

Kẻ giết người nguy hiểm nhất chưa bao giờ xuất hiện trong các tít báo, vẫn chưa được nêu tên vào quy định, và hiếm khi nào được đề cập đến ở ngoài một nhóm nhỏ các nhà khoa học (dù họ đã cố gắng hết sức để thay đổi thông điệp ): đó là các hạt bụi cứng siêu nhỏ cỡ nano.

Bụi PM2.5 có thể quá nhỏ mắt thường không thể thấy, loại bụi này nhỏ hơn khoảng 30 lần so với tiết diện sợi tóc người. Nhưng nó là loại bụi khá nặng.

Bụi PM2.5 có kích cỡ khoảng 2.500 nano mét (nm), trong khi các hạt bụi nano chỉ có kích cỡ khoảng 100nm hoặc bé hơn nữa.

Bụi PM2.5 và PM10 (cỡ 10.000nm) đều là những kẻ giết người, cơ bản gây hại cho phổi và tình trạng hô hấp.

Bụi hạt nano nguy hiểm hơn nhiều so với bụi PM2.5

Nhưng bụi hạt nano có thể đi sâu vào và tàn phá bất cứ nội tạng nào trong cơ thể.

Và vì các cơ quan chính phủ quan trắc bụi PM2.5 tính bằng khối lượng (hàng triệu hạt bụi nano có khi chưa tới microgram nào) - nên báo cáo của các cơ quan này thường không cho thấy nguy cơ thực sự.

Khoa học tìm hiểu nguyên nhân con người nên quan tâm đến tổng số hạt bụi ta hít phải, chứ không phải khối lượng của chúng, đã được biết đến một thời gian.

Vào năm 2003, Surbjit Kaur là nhà nghiên cứu trẻ đang hoàn thành đề tài thạc sĩ tại trường đại học Imperial College London, khi người hướng dẫn đề nghị cô nên tham dự thí nghiệm Dapple (nghĩa là thí nghiệm phát tán ô nhiễm không khí và tình trạng phơi nhiễm với môi trường ở địa phương).

Kaur thiết kế một nghiên cứu phơi nhiễm cá nhân, với nhóm gồm sáu tình nguyện viên "ăn mặc như cây thông Noel" đeo nhiều cảm biến thu thập ô nhiễm không khí khác nhau, và đề nghị họ đi theo một nhóm các tuyến đường ở trung tâm London mỗi ngày trong thời gian bốn tuần.

Những tình nguyện viên là "nhóm bạn bè và người làm việc trong khoa", Kaur, người đã rời công việc nghiên cứu khoa học và giờ làm tư vấn quản lý, cho biết.

"Nhưng tôi không thể nhờ mọi người nếu tôi không tự thực hiện việc đó." Vậy là cô đi cùng họ trên đường, tập trung quanh đường Marylebone, một đường tấp nập với bảy làn xe cỡ lớn và là nơi có bảo tàng tượng sáp Madame Tussauds với nhiều nhóm khách xếp hàng chờ bên ngoài.

"Chúng tôi đi ra đó và biết rằng mình sẽ bị bệnh vì liên tục phơi nhiễm. Chúng tôi bắt đầu cảm thấy khá khó thở sau một thời gian."

Thiết bị treo quanh người tình nguyện viên và đặt bên trong balo đo các loại chất gây ô nhiễm không khí tiêu chuẩn, như bụi PM2.5 và khí CO (khí carbon monoxide).

Nhưng Kaur cũng đặt thêm một thiết bị hoàn toàn mới vừa xuất hiện trên thị trường vào chung bộ thiết bị, nó có tên là máy đo phân tử bụi nano "P-Trak".

"Chúng tôi cần phải xin đủ thứ giấy phép để có thể sử dụng chúng [trong hoạt động điền dã thực tế] vì chúng khá giống máy Geiger đo phóng xạ và lo ngại sẽ làm công chúng hoảng loạn," cô cười kể lại.

Thiết bị có thể đo bụi hạt nano đến kích cỡ 2nm (nhỏ hơn rất nhiều so với phân tử trong máu người) bằng cách hút không khí, xịt cồn lên bề mặt các hạt, khiến chúng dễ thấy và đếm từng hạt bằng tia laser.

Chịu ảnh hưởng từ công trình thuộc Đại học Rochester, New York và Viện Nghiên cứu Sức khỏe Quốc Gia Phần Lan, Kaur linh cảm rằng đếm những "hạt siêu mịn" này có thể cho ra thêm vài dữ liệu thú vị.

Cô đã không lầm.

"Tôi kỳ vọng sự đa dạng ở mức độ nào đó [về số lượng các hạt]," cô kể, "nhưng mức độ dao động khiến tôi cực kỳ ngạc nhiên… số lượng xe hơi đi qua có ảnh hưởng rất ít với sự phơi nhiễm của con người với bụi PM2.5. Nhưng nó có tác động khủng khiếp với loại bụi siêu mịn."

Khi những tình nguyện viên đi hết vỉa hè, họ đã bị phơi nhiễm ít nhất 36.000 hạt bụi mỗi lần, và nhiều nhất là 130.000 hạt. Khi họ đi qua cùng tuyến đường đó bằng xe đạp (dù hơi khó đạp xe khi đeo tất cả thiết bị, nhưng không phải là không thể), số lượng bụi hạt tối đa và tối thiểu hít phải tăng thêm 20.000 hạt nữa.

Tuy nhiên, mức độ trung bình ghi nhận bên trong xe hơi và xe bus: khi ở càng gần nguồn phát thải ô nhiễm, là ống bô xe thải ra khói, thì tổng số bụi hạt nano con người hít phải cao hơn.

Sự khác biệt giữa đi bộ trên lề đường và đi bộ ở khu vực gần các tòa nhà, trên cùng vỉa hè, chỉ cách nhau vài bước ngắn, là khác biệt giữa 82.000 hạt bụi phân tử nano và 69.000 hạt. Số lượng bụi PM2.5 ghi nhận được không có gì khác biệt giữa hai vị trí trên.

Khoảng năm 2006, thời gian mà Kaur ngưng làm nghiên cứu khoa học, những phát hiện của cô không khiến các chính phủ có động thái khác biệt nào trong đo lường tình trạng ô nhiễm không khí - một sinh viên nghiên cứu tiến sĩ tại Đại học Cambridge đã hành động.

Prashant Kumar từng nghiên cứu về bụi PM2.5 và bụi PM10 trong nghiên cứu thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Ấn Độ (IIT) ở Delhi.

Nhưng khi đến Anh nghiên cứu tiến sĩ, "khi thảo luận với người hướng dẫn, chúng tôi nhận thấy gần như không có gì được thực hiện dựa trên những tri thức [về bụi phân tử nano]: cách đo đạc, sự tập trung trong từng môi trường khác nhau. Vì vậy tôi đã chọn chủ đề đó như một thử thách."

Những bài viết nghiên cứu được xuất bản từ năm 2008 của ông gây xôn xao và về sau đã trở thành công trình chủ đạo trong nghiên cứu phơi nhiễm bụi mịn nano, và giúp ông trở thành giáo sư Đại học Surrey.

"Nghiên cứu đầu tiên tôi tiến hành năm 2008 là phân tích có tính khai phá," Kumar nhớ lại. "Khi khói thải ra từ xe cộ, chúng ra ngoài theo dạng khí gas và đông lạnh lại thành các hạt [cỡ nano] nhỏ hơn. Sau đó chúng bắt đầu ngưng tụ lại thành các hạt kích cỡ lớn hơn. Từ ống bô xe, bạn có thể gặp phải số lượng một triệu hạt trên mỗi phân khối không khí. Trên đường là khoảng 100.000 hạt, bên vệ đường là khoảng 10.000 hạt."

Nghiên cứu của ông nhận thấy trên 90% các hạt bên vỉa hè những con đường đông đúc là loạt hạt nano có kích cỡ dưới 100nm.

Đây là vấn đề với sức khỏe của chúng ta, Kumar giải thích, "vì khi hạt càng nhỏ thì diện tích bề mặt có thể bị phơi nhiễm của chúng ta càng lớn. Diện tích bề mặt lớn hơn nghĩa là có nguy cơ độc hại [tiềm năng] cao hơn, vì chúng tiếp xúc nhiều hơn với phần bên trong cơ thể bạn."

Để tưởng tượng điều này, hãy thử so sánh quả bóng đá với bóng chơi golf. Một quả bóng đá có chu vi khoảng 70cm và bề mặt tiếp xúc khoảng 1.500cm2. Một quả bóng chơi golf rõ ràng nhỏ hơn nhiều, với chu vi khoảng 13cm, và bề mặt tiếp xúc là 54cm2.

Về số lượng, bạn có thể xếp được 156 quả bóng golf vào cùng không gian với quả bóng đá, nhưng tổng bề mặt tiếp xúc của những quả bóng golf cộng lại sẽ là 8.453cm2 - lớn hơn phần diện tích bề mặt tiếp xúc của quả bóng đá đến 6,9m2.

Ở cấp độ nano, khác biệt này sẽ được nhân lên nhiều lần. Một đám mây một tỷ hạt bụi kích cỡ 10nm có cùng khối lượng với một hạt bụi PM10, nhưng tổng bề mặt tiếp xúc lớn hơn gấp 1 triệu lần. Và bề mặt này phủ đầy nhiên liệu chưa đốt sạch và độc hại từ ống bô xe.

Những nghiên cứu khác của Giáo sư Kumar tập trung vào sự phơi nhiễm của trẻ em được đẩy trên xe dọc trên đường ở thị trấn nhỏ.

"Chúng tôi nhận thấy bạn bị phơi nhiễm nhiều hơn khi đợi đèn giao thông, và trẻ em bị phơi nhiễm cao hơn so với người lớn… trong một số trường hợp mức độ phơi nhiễm cao hơn 20 - 30% [khi so sánh độ cao của xe đẩy em bé với chiều cao người lớn]. Vì hệ miễn dịch của trẻ vẫn còn đang phát triển, các bé dễ bị ảnh hưởng về sức khỏe hơn."

Ví dụ, Nghiên cứu về Sức khỏe Trẻ em ở California nhận thấy trẻ em lớn lên trong khu vực nửa km cách một con đường bận rộn có công năng phổi bị suy giảm đáng kể.

Các hạt bụi nano có thể vượt qua thành phổi và đi vào máu, đây là cách mà bụi PM2.5 không thể làm được.

Sau khi đi vào máu, chúng gây ra tình trạng sưng nhiễm ảnh hưởng đến phổi, chỉ khác là giờ đây chúng có thể đi tới bất cứ cơ quan nội tạng và động mạch nào trong cơ thể.

Mãi đến gần đây, người ta vẫn chưa biết chính xác các hạt bụi có kích cỡ chừng nào thì có thể đi qua, và cỡ nào thì hạt bụi sẽ mắc kẹt trong phổi hay trong đường thở bên trên.

Mảnh ghép cuối cùng của vấn đề giờ đây đã được một nhóm nghiên cứu do Giáo sư David Newby từ Đại học Edinburgh giải quyết vào năm 2017.

Tiến sỹ Jen Raftis, thành viên của nhóm nghiên cứu, cho biết: "Có nhiều ý kiến khác nhau về cách ta nên thể hiện những hạt bụi [trong máu] bằng nhiều kỹ thuật hình ảnh khác nhau. Nhưng không có kỹ thuật hình ảnh nào thực sự có độ phân giải cỡ đó. Vì vậy chúng tôi quyết định sử dụng vàng."

Một chiếc máy được Hà Lan cho mượn sử dụng điện cực để phân tán vàng thành phân tử cỡ nano đến kích cỡ 2nm.

Đầu tiên, nhóm nghiên cứu từ Đại học Edinburgh sử dụng trên chuột, cho chuột hít vào những phân tử vàng kích cỡ nano đó; sau đó, là đến lượt tình nguyện viên là con người.

"Chúng tôi sử dụng vàng vì chúng tôi biết vàng thực sự an toàn," Raftis cho biết và trấn an. "Vàng được sử dụng trong y tế vì nó có tính trơ, không phản ứng hoặc gây phản ứng oxy hóa trong cơ thể." Vàng cũng dễ tìm thấy, không như hạt carbon là thứ dễ dàng ngụy trang bên trong những thể có gốc carbon trong cơ thể con người.

Người tình nguyện cung cấp máu và mẫu nước tiểu sau 15 phút và sau 24 giờ sau khi họ hít hạt bụi vàng. Thật kinh ngạc, vàng có trong những mẫu phẩm trên.

Nhóm nghiên cứu khám phá ra điểm giới hạn ở kích cỡ 30nm; bất cứ thứ gì nhỏ hơn kích cỡ đó đều có thể trôi vào mạch máu, nhưng bất cứ thứ gì có kích cỡ lớn hơn đều không thể vượt qua phổi.

"Rõ ràng với con người chúng tôi không thể tiến hành mổ sinh thiết, nhưng với chuột chúng tôi đã làm," Raftis cho biết.

"Đầu tiên, chúng tôi nhận thấy mức độ tập trung [các hạt] trong phổi, tiếp đó là gan, vì gan là bộ phận đầu tiên máu đi qua… kích cỡ hấp thu tại thận là 5nm, không có hạt nào lớn hơn cỡ đó có thể băng qua thận… Ở nhiều bộ phận khác của cơ thể cũng có thể có hạt tụ lại, vì kích cỡ thẩm thấu ở các vị trí khác nhau trên cơ thể cũng khác nhau."

Bụi vàng vẫn xuất hiện trong nước tiểu của tình nguyện viên suốt ba tháng sau đó.

David Newby, được Quỹ Trái Tim Anh Quốc (British Heart Foundation) tài trợ, đã tiến hành nghiên cứu xa hơn.

Một lần nữa, người ta có thể lý thuyết hóa nhưng không chứng minh được là các hạt kích cỡ nano tích tụ ở động mạch có thể dẫn tới đột quỵ và bệnh tim.

Ông tiếp cận các bệnh viện có bệnh nhân chuẩn bị được phẫu thuật tách bỏ phần mảng bám mỡ (gọi là "xơ vữa") từ động mạnh. Nếu họ hít vào các hạt bụi vàng cỡ nano, liệu người ta có thể tìm thấy vàng ở chỗ xơ vữa mà ca phẫu thuật tách bỏ một ngày sau đó không?

"Có, chúng tôi có tìm thấy vàng trong chỗ mỡ xơ vữa," Raftis cho biết, và ông vẫn còn hào hứng vì phát hiện này.

"Đó là chỉ dấu cho thấy các hạt ô nhiễm không khí có kích cỡ và cấu trúc này có thể di chuyển đến chỗ xơ vữa trong vòng 24 giờ sau khi hít phải. Đó là rủi ro khá lớn với những bệnh nhân bị bệnh tim… vì ô nhiễm không khí khiến ta bị phơi nhiễm cả đời. Chúng tôi chỉ làm thí nghiệm một lần, nhưng điều này xảy ra mỗi ngày."

Hãy xem chỗ xơ vữa như hiện trường tai nạn giao thông, và động mạch là con đường; các hạt bụi nano giống như những chiếc xe hơi tắc nghẽn đậu đầy phía sau, gây ra cảnh tượng kẹt xe ngày càng dài.

Các hạt bụi nano cũng có thể là nguyên nhân gây tai nạn xe, khiến động mạch sưng phồng lên vì hóa chất độc hại bám đầy trên bề mặt (Giáo sư tiền nhiệm của Newby tên Ken Donaldson đã nhấn mạnh tính chất độc hại của hạt nano vào thập niên 1990).

Nghiên cứu Gánh nặng Vàng về Bệnh Tật ước tính ô nhiễm không khí có thể là nguyên nhân gây ra 21% trong tổng số các ca tử vong vì đột quỵ và 24% các ca chết vì bệnh nhồi máu cơ tim.

Khói thải từ xe cộ từ lâu đã được ví như khẩu súng bốc khói, nhưng bằng chứng về viên đạn vẫn còn chưa rõ ràng. Giờ đây, rất nhiều người cho rằng đạn chính là các hạt nano.

Chưa có quy định về kiểm soát bụi siêu mịn nano

Hầu hết các quốc gia như Hoa Kỳ và Liên minh Châu Âu có thiết lập mức độ giới hạn được phép cho các loại chất gây ô nhiễm không khí độc hại nhất, trong đó có bụi PM2.5, khí NOx, khí CO và khí sulphur dioxide. Nhưng không có quy định nào tương tự giới hạn sự tồn tại của bụi nano.

Phản bác phổ biến cho rằng "bụi mịn PM2.5 là đã bao gồm tất cả các loại hạt nhỏ đến kích cỡ 1nm", về mặt kỹ thuật là đúng như vậy, nhưng như ta đã thấy, kể cả sự hiện diện của hàng triệu hạt bụi nano vẫn cho ra chỉ số PM2.5 thấp.

Chính vì thế, chỉ số PM2.5 thấp trên trang web của chính phủ hay ứng dụng điện thoại có thể gây hiểu nhầm là không khí trong lành, dù trong thực tế không khí có thể đầy các hạt bụi siêu mịn đang di chuyển vào động mạch của ta.

Một báo cáo năm 2018 về các hạt siêu mịn kích cỡ dưới 100nm được thực hiện cho Bộ Môi Trường, Thực Phẩm và Nông Thôn (Defra) của Anh Quốc viết rằng bởi "hiện không có mức trần đối với khói thải hay mục tiêu giảm khói thải quy định [với hạt bụi nano]… cho nên không hề có chỉ dẫn hay nguồn thông tin chung đối với việc phát triển công nghệ đo lường khói thải [có chứa hạt bụi nano]."

Có một quy định tồn tại, và nó quy định đến kích cỡ bụi 23nm. Nhưng báo cáo của Defra cho biết điều này có nghĩa là "hơn 30% [bụi hạt cỡ nano] trong môi trường đô thị đã không được đưa vào quy định", và quy định này chỉ bao trùm một phần các loại bụi dưới ngưỡng 30nm do nghiên cứu vàng Edinburgh xác định được.

Có lẽ tin tốt duy nhất là dù số lượng hạt bụi không tương quan lắm với kích cỡ hạt bụi (PM2.5), nhưng lại có tương quan với chỉ số khí NOx.

Tương tự bụi hạt nano, khí NO2 thường tập trung với tỷ lệ cao nhất ở vị trí sát nguồn phát thải, và sau đó nhanh chóng phát tán đi. Khí NO2 thậm chí cũng phản ứng với các loại khí khác trong không khí và tạo nên một số bụi phân tử nano. Vì vậy xử lý khí NO2 thông thường có thể coi là cách gián tiếp làm giảm lượng bụi nano. "Chúng tương tác với nhau khá tốt," Kumar giải thích, "vì chúng đến từ cùng một nguồn."

Giải pháp

Giải pháp cho khí NOx và bụi hạt nano có thể giống nhau: thay thế động cơ đốt bằng động cơ điện.

Xe hơi điện vẫn có thể thổi tung bụi đường lên, nhưng khí thải của xe điện không có các hạt bụi nano sinh ra từ quá trình đốt cháy hay khí NOx; và dù để có điện ta cần đến nhà máy điện, nhưng ta thường dành nhiều thời gian ở trên đường hơn là đứng cạnh ống khói nhà máy điện (tất cả những điều này cho ta thêm lý do để nhanh chóng chuyển đổi sang 100% năng lượng tái tạo).

Các loại phương tiện thực sự không xả thải như đi bộ hay xe đạp sẽ tốt hơn.

Công cuộc chuyển đổi diễn ra càng nhanh, thì càng nhiều người sẽ được cứu. Tạm thời, ta cũng cần giảm phơi nhiễm bằng cách cách ly con người khỏi tình trạng giao thông với đầy các động cơ đốt, tách riêng làn xe đạp, và thiết lập các hàng rào xanh như cây cối, hàng rào và các loại cây dây leo - giữa vỉa hè và đường cho xe di chuyển.

Kaur nhận thấy thói quen của cô vẫn bị ảnh hưởng từ nghiên cứu về bụi hạt nano hơn một thập niên trước.

"Bạn bè tôi thấy thật hài hước khi tôi bám lấy phía có tòa nhà khi tôi đi bộ dọc theo vỉa hè!" Cô cười khi kể lại. "Bất cứ khi nào có thể, tôi đi tắt qua công viên hoặc đi qua đường tắt."

Ở Edinburgh, Raftis còn tiến thêm một bước xa hơn.

"Tôi không đốt nến trong nhà nữa. Tôi không sử dụng hay trữ củi gỗ ở nhà, dù tôi thích chúng… Tôi luôn bật máy thoát khí khi nấu ăn. Tôi không đi chạy hay đi bộ dọc theo đường nữa, tôi luôn chạy bộ trong công viên. Tôi không lái xe và không nghĩ mình sẽ chủ động lái xe nếu đó không phải là xe hơi điện."

Tôi hỏi bà liệu các quy định và chính sách về xả thải có nên chuyển đổi sang hướng phơi nhiễm bụi hạt nano không.

Bà cho biết bà không phải người rành về chính sách, nhưng nhanh chóng nói thêm: "Tôi chỉ không hiểu tại sao họ không làm vậy. Ý tôi là, bạn cảm thấy bạn đang nghiên cứu và nghiên cứu và sản sinh ra dữ liệu và chẳng ai hành động gì trước thông tin đó, chỉ toàn nói miệng. Tôi cảm thấy nó phải đi cùng với công nghệ. Bụi PM2.5 [chỉ là] những gì mà thiết bị đo được."

Trong cùng thị trấn hay thành phố, sự phơi nhiễm hàng ngày trước khói thải có thể khác nhau tùy theo từng người, do cách thức di chuyển hay do lộ trình ta đi lại.

Hầu hết thành phố hay quốc gia kiểm soát sự ô nhiễm bằng một số các trạm quan trắc không khí, và các trạm này chỉ có thể đo đạc không khí tức thời ở khu vực gần chúng. Tuy nhiên, con người không dành cả đời chỉ đứng yên một chỗ.

"Tôi vẫn thấy thú vị," Kaur nhận định, khi trao đổi với tôi từ văn phòng nằm cạnh sông Thames nhìn qua văn phòng Thị trưởng London.

"Nếu bạn đang đưa chính sách kiểm soát ô nhiễm không khí vào thực thi vì sự an toàn của con người, và bạn dựa trên hướng dẫn từ dữ liệu không hợp lý, vậy thực sự bạn đang giúp mọi người hay thực ra đang gây cản trở?"

Tham khảo thêm thông tin tại bài viết: Bụi mịn: Kẻ giết người vô hình