Bảy quy trình tách chiết làm thay đổi thế giới

Tách chiết một chất ra khỏi hỗn hợp mà không sử dụng nhiệt sẽ làm giảm lượng tiêu thụ năng lượng của thế giới một cách đáng kể và đồng thời giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Trong một công bố được đăng trên tạp chí “Nature”, hai nhà khoa học là David S. Sholl và Ryan P. Lively đã tổng kết bảy quy trình phân tách làm thay đổi thế giới.

Đa số các quy trình tách chiết công nghiệp hiện nay cần rất nhiều thời gian để có thể phân tách một chất ra khỏi hỗn hợp thô ban đầu, có thể là nhiều ngày hoặc thậm chí nhiều tuần lễ. Các quy trình này, ví dụ như chưng cất, tiêu thụ tới 10-15% tổng năng lượng toàn cầu. Do đó, các nhà khoa học vẫn đang cố gắng tìm ra các phương pháp tách chiết tiết kiệm năng lượng hơn nhưng không làm giảm hiệu suất của phản ứng, đặc biệt là trên các lĩnh vực như lọc dầu, sản xuất hóa chất cơ bản, chế biến giấy, việc này có thể giúp tiết kiệm 100 triệu tấn carbon dioxide xả thải và thông qua việc tiết giảm năng lượng tiêu thụ có thể tiết kiệm 4 tỷ đô la Mỹ hàng năm.

Không may thay, nhiều phương pháp tách chiết như tách chiết dựa trên sự khác biệt về kích thước phân tử lại chỉ mới được phát triển và ước tính chi phí để đi vào vận hành cũng không hề nhỏ. Các kỹ sư công nghiệp và các nhà khoa học đang cố phát triển các hệ thống màng giá rẻ hoặc các phương pháp đặc biệt để tách chiết hóa chất mà không sử dụng nhiệt.

Dưới đây là bảy phương pháp tách chiết không dùng nhiệt đáng chú ý mà nếu được phát triển, chúng sẽ đem lại bước tiến mới cho toàn nhân loại.

Tách chiết các Hydrocarbon từ dầu thô

Dầu thô là nguồn nguyên liệu chính để sản xuất nhiên liệu, nhựa và các hợp chất polymer khác. Hàng ngày, các khu lọc dầu trên toàn thế giới có thể xử lý 90 triệu thùng dầu thô, đây là một con số khổng lồ, đủ cung cấp cho mỗi người trên toàn thế giới có 2 lít dầu sử dụng mỗi ngày. Đa số các nhà máy này đều sử dụng công nghệ chưng cất ở áp suất khí quyển (AD- Atmospheric Distillation) , quy trình này tiêu thụ đến 230 gigawatt (GW) mỗi năm, tương đương với tổng năng lượng tiêu thụ của nước Anh năm 2014 và bằng nửa lượng điện tiêu thụ của bang Texas, Hoa Kỳ. Ở một khu lọc dầu quy mô nhất, mỗi ngày có 200,000 thùng dầu thô được đun nóng trong cột cao 50 mét để tạo ra hàng ngàn chất khác nhau tại các điểm nhiệt. Dầu sáng làm sản phẩm cuối của quá trình và ở đỉnh tháp (ở nhiệt độ khoảng 20⁰C), trong khi các sản phẩm nặng hơn thì nằm ở các lớp dưới và có nhiệt độ cao hơn nhiều (có thể lên đến 400⁰C).

Việc tìm ra một phương pháp tách chiết khác thật sự rất khó do bản thân dầu thô đã có chứa rất nhiều các phân tử khác nhau và với độ nhớt rất lớn, chưa kể, trong hỗn hợp này có chứa rất nhiều các chất gây ô nhiễm như các hợp chất sulfur và các kim loại độc như thủy ngân và nickel. Cơ sở lý thuyết giúp các nhà khoa học phát triển một phương pháp tách chiết mới đến nay vẫn chủ yếu dựa trên sự khác biệt về các đặc tính phân tử, ví dụ như ái lực hóa học, kích thước phân tử. Các phương pháp tách chiết sử dụng màng cũng như các phương pháp không sử dụng nhiệt khác có thể có hiệu suất cao hơn so với phương pháp chưng cất ở áp suất khí quyển nhưng chúng vẫn chưa thể áp dụng vào thực tiễn và cần thêm các thí nghiệm bổ sung. Các nhà khoa học cần tìm ra các vật liệu có thể phân tách nhiều họ phân tử một lúc và tránh làm phát thải các chất gây ô nhiễm môi trường.

Tách chiết Uranium từ nước biển

Năng lượng hạt nhân sẽ trở thành nguồn cung cấp năng lượng chính cho toàn thế giới trong tương lai. Mặc dù tiến trình phát triển của ngành công nghiệp hạt nhân vẫn chưa thực sự rõ ràng nhưng hiện nay, chúng ta vẫn đang tiêu thụ một lượng Uranium rất lớn. Nguồn Uranium chúng ta đang khai thác hiện nay được lấy chủ yếu từ các mỏ quặng địa chất, tuy nhiên, nguồn Uranium này không phải là vô hạn, con người cần tìm kiếm một nguồn Uranium mới. Dựa trên các thống kê mới, chúng ta có 4 tỷ tấn Uranium trong nước biển với nồng độ là một phần một tỷ.

Các nhà khoa học đã theo đuổi con đường tách chiết Uranium trong nước biển trong nhiều thập kỷ nay. Nhiều loại vật liệu mới được phát triển để “bắt giữ” các phân tử Uranium, ví dụ như các phân tử polymer xốp chứa nhóm amidoxime. Song, các phân tử polymer này không chỉ “giữ” Uranium mà còn “bắt nhầm” các kim loại khác như Vanadium, Cobalt và Nickel. Các nhà hóa học cần phát triển các quy trình mới để loại bỏ các kim loại này. Trong giai đoạn 1999-2001, các nhóm nghiên cứu Nhật Bản đã “bắt giữ” được 350 g Uranium bằng cách sử dụng  một loại vật liệu hấp thụ.

Để khởi động quy trình sản xuất năng lượng hạt nhân cần hàng trăm tấn Uranium thô, do đó, các quy trình tách chiết Uranium cần sớm được hoàn thiện. Đặc biệt, các nhà khoa học cũng cần phát triển các kỹ thuật sản xuất mới nhằm giảm giá thành của các loại vật liệu hấp thụ.

Kỹ thuật này cũng có thể được biến đổi để tách chiết các kim loại có giá trị khác như Lithium (được sử dụng để sản xuất pin). Có thể bạn sẽ bất ngờ nếu biết lượng lithium hòa tan trong nước  biển nhiều gấp 10 lần lượng lithium có trên đất liền.

Tách chiết các Alkene từ các Alkane

Công nghiệp sản xuất nhựa như polyethene và polypropene cần một lương alkene không lồ, mà ở đây là ethane và propene (được gọi là các olefin). Hiện nay, chúng ta sản xuất tới hơn 200 triệu tấn ethane và propene mỗi năm, tương đương với việc bình quân, mỗi chúng ta sử dụng 30 kg. Việc tách chiết ethane từ ethane hiện nay vẫn dựa trên phương pháp chưng cất lạnh áp suất cao (ở nhiệt độ -160⁰C). Tính toán ban đầu cho thấy, chỉ riêng việc tách chiết propene và ethane đã chiếm tới 0.3% tổng lượng tiêu thụ năng lượng toàn cầu, tương đương với lượng điện năng tiêu thụ của Singapore trong một năm.

Tương tự như lọc dầu, các hệ thống phân tách không dựa trên sự phân tách lớp có thể làm giảm 10% năng lượng tiêu thụ. Ví dụ, các màng carbon đang được phát triển hiện nay có thể phân tách “hơi” alkene ở nhiệt độ phòng và dưới áp suất bình thường (nhỏ hơn 10 bar). Nhưng phương pháp này vẫn chưa thể tách chiết được alkene với độ tinh khiết cao trên 99.9%.

Tách khí nhà kính từ khí thải

Việc phát thải khí CO₂ và các hydrocarbon như methane từ các nhà máy luyện kim là nguyên nhân chính dẫn đến sự biến đổi khí hậu toàn cầu. Hẳn tất cả mọi người đều nghĩ chúng ta cần tách các khí nhà kính từ khí thải và xử lý chúng theo một quy trình đặc biệt. Nói có vẻ dễ nhưng thực hiện thì không dễ một chút nào. Các chất lỏng như monoethanolamine có thể phản ứng với CO₂, nhưng để loại CO₂ từ dung dịch sau phản ứng cần rất nhiều nhiệt năng, bên cạnh đó, để thực hiện toàn bộ quy trình này cần một lượng tiền khổng lồ. Có thể bạn sẽ chưa tin, nhưng ví dụ như ở Hoa Kỳ, việc xử lý CO₂ theo phương pháp này sẽ tiêu tốn tới 30% tổng GDP tăng trưởng hàng năm. Các phương pháp khác tiết kiệm hơn hiện vẫn còn đang được nghiên cứu và phát triển.

Tách chiết các kim loại đất hiếm từ quặng

15 kim loại lanthanide, hay được gọi là các kim loại đất hiếm, được sử dụng rất nhiều trong công nghiệp và trong cuộc sống hàng ngày, ví dụ như để chế tạo nam châm và làm chất xúc tác trong các phản ứng lọc dầu, europium và terbium được sử dụng trong các bóng đèn huỳnh quang. Tuy nhiên, các kim loại này lại chỉ được tìm thấy trong quặng thô và với số lượng rất nhỏ. Bên cạnh đó, các kim loại đất hiếm có các tính chất hóa học tương tự nhau nên chúng thường ở dạng hỗn hợp và rất khó phân tách.

Để tách các kim loại đất hiếm, người ta thường sử dụng các phương pháp “cơ học” như như sử dụng phân tách từ và phân tách tĩnh điện. Song, các phương pháp này không hiệu quả cho lắm, chúng tiêu tốn rất nhiều hóa chất và tạo ra quá nhiều chất gây ô nhiễm và các chất phóng xạ.

Tách chiết các dẫn xuất của Benzene

Quy trình sản xuất các loại polymer, nhựa, sợi, các dung môi và nhiên liệu phụ thuộc rất lớn vào Benzene, một hydrocarbon dạng vòng, cũng như các dẫn xuất của nó như toluene, ethylbenzene và các đồng phân của xylene. Hiện nay, các chất này vẫn được chưng cất trong các cột và tiêu thụ một lượng năng lượng rất lớn, khoảng 50 GW, năng lượng này đủ cho 40 triệu hộ gia đình sử dụng.

Các đồng phân của xylene là các phân từ khác nhau chủ yếu về cấu trúc phân tử, từ đó làm thay đổi đặc tính hóa học của chúng. Các đồng phân này được sử dụng rất rộng dãi, ví dụ như para-xylene (hay p-xylene) được sử dụng để sản xuất các polymer như nhựa polyethylene terephthalate (PET). Tính riêng ở Mỹ, mỗi người đã sử dụng 8 kg p-xylene mỗi năm. Sự tương đồng về kích thước phân tử cũng như nhiệt độ sôi là rào cản chủ yếu trong việc tách chiết các loại đồng phân của xylene. Các bước tiến mới trong kỹ thuật phân tách màng hay các chất hấp thụ cho phép làm giảm lượng năng lượng tiêu thụ trong quá trình phân tách. Tuy nhiên, cũng như các quy trình phân tách ở trên, việc tách chiết các dẫn xuất của Benzen cần được cải tiến rất nhiều để có thể sử dụng trên quy mô lớn.

Tách muối từ nước biển

Sự khử muối (Desalination) - dù thông qua chưng cất hoặc qua màng lọc đều tiêu tốn rất nhiều năng lượng, điều này khiến việc tách chiết muỗi hay các chất gây ô nhiễm trong nước trở nên không khả thi. Chưng cất không phải là một phương pháp tối ưu, bằng các tính toán nhiệt động lực học, chúng ta có thể xác định năng lượng tối thiểu để tạo ra nước ngọt từ nước biển và kết quả cho ra khiến người ta gạt bỏ ngay phương án sử dụng chưng cất, quá trình này sử dụng năng lượng gấp 50 lần giới hạn cơ bản.

Lọc thẩm thấu ngược, đây là quá trình sử dụng áp lực đẩy nược biển đi qua một màng lọc để tạo ra nước tinh khiết, phương pháp này chỉ cần 25% năng lượng giới hạn nhiệt động lực học. Nhược điểm của phương pháp này là các màng lọc có hiệu suất lọc không cao và chi phí để vận hành không hề nhỏ. Hiện nay, phương pháp này mới chỉ được sử dụng trên quy mô công nghiệp ở Trung Đông và Australia.

Cuối bài báo, Sholl và Lively đã nêu ra con đường giúp phát triển các kỹ thuật phân tách không sử dụng nhiệt.

1. Trong nghiên cứu, cần xem xét các hỗn hợp hóa học thực tế và các điều kiện cần thiết để thực hiện;

2. Đánh giá tính khả thi về mặt kinh tế và kỹ thuật của phương pháp;

3. Xem xét quy mô áp dụng của phương pháp (có thể áp dụng trên quy mô công nghiệp hay chỉ trong phòng thí nghiệm);

4. Đào tạo đội ngũ kỹ sư hóa học và nhà hóa học để phát triển các kỹ thuật tách chiết mới.

Phạm Ngọc Sơn

Nguồn tham khảo:

www.nature.com

Tổng quan về Ngộ độc sắt

Bạn thường nghĩ sắt là một nguyên tố rất có ích cho con người, tôi thường thấy các bà mẹ luôn nghĩ đến sắt đầu tiên khi đi mua thực phẩm cho trẻ. Tuy nhiên, không chỉ là các yếu tố vi lượng mà  mọi chất dinh dưỡng đều có một liều lượng nhất định, và sắt cũng không phải là ngoại lệ. Dưới đây, bạn sẽ tìm thấy những thông tin cơ bản nhất về con đường hấp thụ, các biểu hiện của việc ngộ độc sắt cũng như phương pháp điều trị.

Những điều cơ bản về sắt đối với cơ thể

Sắt được hấp thụ bởi các tế bào niêm mạc ruột chủ yếu dưới dạng các ion Sắt (II). Các dịch tiết của ruột và dạ dày có khả năng khử các ion Sắt (III) (dạng bất ổn) thành dạng Sắt (II) (dạng ổn định hơn). Các ion Sắt (II) phản ứng với Hydrogen Peroxide (H2O2) để tạo thành OH:

Fe (II) + H2O2 --> OH. + OH^- + Fe (III)

Trong điều kiện bình thường, các gốc tự do (mà ở đây là OH.) được kiểm soát rất chặt chẽ, nếu có quá nhiều, chúng sẽ bị trung hòa bởi các chất chống oxy hóa, nhưng nếu cơ thể bạn đang trong tình trạng “dư thừa” sắt, các gốc tự do được tạo ra với tốc độ chóng mặt và nhanh chóng vượt qua khả năng trung hòa của cơ thể.

Nồng độ sắt tối thiểu để gây độc đối với cơ thể thường không ổn định và chịu sự chi phối của nhiều yếu tố, ví dụ như nồng độ của Đồng, Phospho hay Vitamin E trong cơ thể. Một số yếu tố khác còn góp phần làm tăng khả năng hấp thụ sắt của cơ thể như các amino acid Valine, Histidine, các vitamin như Vitamin C (Ascorbic Acid), và một số chất khác như Succinate, Pyruvic Acid, Citric Acid. Ferritin là một trong các protein có khả năng tích lũy và cố định sắt. Khi chúng ta hấp thụ một lượng lớn sắt, cơ thể sẽ phát ra một loạt tín hiệu làm tăng cường tổng hợp Ferritin, đặc biệt là ở tim và gan. Tuy nhiên, cơ thể chỉ có thể tổng hợp ra duy nhất một loại protein để tích trữ sắt, do đó, khi có quá nhiều sắt được hấp thụ, đồng nghĩa với việc tim và gan đang phải làm việc quá tải và rất dễ bị thương tổn.  Dấu hiệu của việc “quá tải” sắt là sự gia tăng bất thường lượng protein Ferritin (protein cố định sắt), Haemosiderin (một loại protein khác có khả năng tích trữ sắt) và lượng sắt xúc tác cho quá trình Peroxide hóa lipid.

Ngoài ra, có rất nhiều lý do khiến mỗi người đều có một ngưỡng hấp thụ sắt khác riêng. Đầu tiên, cần lưu ý rằng không phải tất cả mọi người đều có nhu cầu về sắt như nhau. Bên cạnh đó, nếu uống rượu trong khi ăn có thể làm cho việc hấp thụ sắt trở nên dễ dàng hơn. Những người bị xơ gan (cirrhosis) do uống nhiều bia rượu sẽ mất đi khả năng kiểm soát lượng sắt hấp thụ. Ngoài ra, việc uống nước hoa quả khi ăn thịt có thể làm tăng khả năng hấp thụ sắt của cơ thể.

Các bệnh liên quan đến ngộ độc sắt

Ngộ độc sắt không phải lúc nào cũng do chúng ta hấp thụ quá  nhiều sắt qua con đường ăn uống, nhiều bệnh có thể làm ảnh hưởng tới khả năng hấp thụ sắt của cơ thể và dẫn đến ngộ độc. Đối với các ca ngộ độc sắt cấp tính, bệnh nhân có thể xuất hiện các thương tổn trên ống tiêu hóa và gan, dẫn đến sự gia tăng nồng độ sắt cục bộ và tăng cường sản sinh các gốc tự do. Do đó, các bác sĩ cần ngay lập tức loại bỏ sắt hoặc làm giảm nhanh lượng sắt trong ruột để tránh các thương tổn mô.

Bệnh thừa sắt hay bệnh quá tải sắt (Hemochromatosis) là một trong các bệnh có liên quan đến lượng sắt trong cơ thể, trong trường hợp này, ruột mất khả năng điều hòa lượng sắt không cần thiết, cùng với đó, sắt lại bị tích trữ quá nhiều ở gan dẫn đến sự nhiễm sắt (Siderosis- hiện tượng các mô tích trữ quá nhiều sắt) và gây thương tổn đến các cơ quan. Một người bình thường có thể hấp thụ 1 mg sắt/ngày, nhưng với các bệnh nhân mắc bệnh thừa sắt, họ có thể hấp thụ tới 3 mg/ngày. Trái với suy nghĩ của nhiều người, đây là một bệnh khá phổ biến, cứ 15 người sẽ có một người mắc bệnh thừa sắt. Bệnh được chia thành hai nhóm, nhóm bệnh thừa sắt do di truyền (Hereditary Hemochromatosis), nhóm còn lại là nhóm thừa sắt mắc phải (Acquired Hemochromatosis).

Bệnh thừa sắt do di truyền là một bệnh bẩm sinh, ngay từ khi sinh ra, ruột đã mất khả năng điều hòa lượng sắt hấp thụ, lượng sắt “thừa” này sẽ không được bài tiết ra ngoài hay xử lý bằng một cơ chế phù hợp mà sẽ được tích trữ lại ở gan và tim. Bệnh nhân có khả năng hấp thụ tới 3 mg sắt trong một ngày, và trong 40-50 năm, 20-40 g sắt sẽ được tích trong cơ thể, đặc biệt là ở gan và tim. Việc phát hiện sớm bệnh này ở trẻ chủ yếu vẫn dựa trên thí nghiệm đo lượng Ferritin trong huyết thanh và trong mẫu sinh thiết gan. Bệnh thừa sắt mắc phải lại là một bệnh cơ hội và thường đi kèm với các bệnh như thiếu hồng cầu, các bệnh về gan và các bệnh liên quan đến hấp thụ sắt.

Các dấu hiệu và điều trị ngộ độc sắt

Có rất nhiều triệu chứng do ngộ độc sắt gây ra bao gồm chán ăn, thiểu niệu, tiêu chảy, người lạnh, nhiễm acid chuyển hóa và cuối cùng là chết. Bên cạnh đó, trong một số trường hợp, bệnh nhân còn bị xung huyết ống tiêu hóa, gan, thận, tin, não, lá lách, ức. Như một hậu quả của việc tích trữ quá nhiều sắt, bệnh nhân dễ có khả năng mắc xơ gan hoặc ung thư gan.

Để điều trị ngộ độc do hấp thụ quá nhiều sắt, các bác sĩ cần nhanh chóng lọc máu cho bệnh nhân, đây vẫn được coi là phương pháp nhanh, an toàn và hiệu quả nhất để làm giảm các triệu chứng cũng như điều trị các ca nhiễm độc sắt. Ngoài ra, Deferoxamine cũng là một loại thuốc điều trị ngộ độc sắt tốt và ít nguy hiểm. Để phòng tránh ngộ độc sắt, mỗi người trong chúng ta cần có cái nhiều đúng về sắt, đây không phải là một chất có thể hấp thu bao nhiêu cũng được, càng nhiều càng tốt, các bà nội trợ và đặc biệt các bà mẹ nên cân đối các chất dinh dưỡng có trong thức ăn, đối với những bệnh nhân đã mắc các bệnh liên quan đến gan và tim, nên hạn chế sử dụng các loại thực phẩm chứa nhiều sắt, hay uống các loại vitamin bổ sung thêm sắt. 

Phạm Ngọc Sơn

Aflatoxin- độc tố nấm thường gặp trong thực phẩm

Aflatoxins là một chất độc chuyển hóa do một số loài nấm thức ăn tiết ra. Do có độc lực mạnh và tính phổ biến cao nên loại độc chất này được các nhà khoa học tập trung nghiên cứu rất kỹ. Afaltoxins có liên quan đến nhiều bệnh khác nhau, đặc biệt là ngộ độc Aflatoxicosis ở thú nuôi, động vật hoang dã và thậm chí là cả con người. Bên cạnh các nghiên cứu về mức độ nguy hiểm của độc chất này, một số nhà khoa học khác lại tập trung vào khả năng sinh ung thư của nó. Đa số các quốc gia trên thế giới đều xây dựng một ngưỡng giới hạn nồng độ Aflatoxin trong nông sản hay các vật phẩm khác nhằm hạn chế sự bùng phát ngộ độc Aflatoxicosis.

Trong những năm 1960, hơn 100,000 con gà tây ở các trang trại chăn nuôi ở Anh bị chết chỉ trong một vài tháng kể từ khi xuất hiện các dấu hiệu bất thường, thời đó, người ta gọi bệnh này là bênh “Gà tây X”. Những cuộc giải phẫu bệnh thú y đã cho thấy, những con vật này chết là do thức ăn của chúng có vấn đề, mà ở đây là bột lạc Brazin. Ngay sau đó, nhiều nghiên cứu khác cũng đồng thời chỉ ra rằng loại bột lạc này có khả năng gây độc cao cho các loài động vật khác và gây ra bệnh Gà tây X.

Những nghiên cứu từ năm 1960 đã chỉ ra nguồn gốc của loài độc tố này là thực vật, mà cụ thể là nấm. Năm 1961, các nhà khoa học đã phân lập được nấm Aspergillus flavus và xác định nó là một trong các loài nấm có khả năng tiết ra độc chất này. Loại độc tố này sau đó được đặt theo tên của chủng nấm này là Aflatoxin (A.flavis -> Afla).

Khám phá này đã giúp nâng cao nhận thức về mối nguy hiểm tiềm tàng của nấm mốc trong các ca ngộ độc thức ăn. Các nghiên cứu khác sau đó còn chỉ ra rằng, Aflatoxin còn được nhiều chủng nấm khác như A.parasiticus, A.nomius và A.niger. Người ta chia Aflatoxin ra làm bốn nhóm chính: B1, B2, G1, G2 và hai sản phẩm chuyển hóa M1 và M2. Các ký hiệu này được viết tắt từ loại thực phẩm chứa độc tố đó, ví dụ M1 và M2 được phân lập từ sữa (Milk) của các loài động vật có vú. Trong khi đó, nhóm Aflatoxin B (B1 và B2) là kết quả từ việc chiếu huỳnh quang xanh dưới tia UV. Các nhóm này có cấu trúc khá giống nhau và tạo ra một nhóm duy nhất có khả năng oxy hóa cao, bằng phương pháp khối phổ và phân tích thành phần, các nhà khoa học đã đưa ra được công thức phân tử của một số nhóm Aflatoxin như:

B1: C17 H12 O6

B2: C17 H14 O6

G1: C17 H12 O7

G2: C17 H14 O7

Aflatoxin thường được phát hiện trong các nông sản sau thu hoạch. Để bảo quản ngũ cốc, hay các sản phẩm trồng trọt khác, sau khi thu hoạch, chúng sẽ được sấy khô hoàn toàn, tuy nhiên, nếu sau khi sấy, nông sản lại được cất trữ trong điều kiện độ ẩm cao thì đây là môi trường thích hợp dẫn đến các loại nấm, mốc hại nông sản phát sinh. Aflatoxin cũng được tìm thấy trong các sản phẩm từ sữa, pho mát, ngô, hạt đậu, bông sợi, hạt dẻ, quả hạnh, sung và một số loại nông sản khác. Sữa, trứng và thịt cũng là một trong các nguồn gây ngộ độc Aflatoxin do trong quá trình chăn nuôi, các chủ trang trại vô tình cho động vật ăn nhầm loại thức ăn đã nhiễm nấm.

Vậy, Aflatoxin có ảnh hưởng thế nào đến sức khỏe động vật và con người? Aflatoxicosis là một dạng viêm gan thường gặp. Trên thực tế, Aflatoxin là nguyên nhân dẫn đến các thương tổn cho gan, giảm khả năng tiết sữa và đẻ trứng.  Mức độ nhạy cảm với Aflatoxin ở động vật phụ thuộc vào nhiều yếu tố như loài, độ tuổi, giới tính và trạng thái sức khỏe. Các dấu hiệu lâm sàng của việc nhiễm độc Aflatoxin trên động vật bao gồm rối loại chức năng tiêu hóa, giảm khả năng sinh sản, thiếu máu và vàng da. Ngoài ra, khả năng gây ung thư của Aflatoxin cũng được các nhà khoa học đầu tư nghiên cứu. Aflatoxin B1, M1 và G1 đã được chứng minh là có khả năng gây ra nhiều loại ung thư khác nhau. Tuy nhiên, chỉ Aflatoxin B1 mới được Tổ chức nghiên cứu ung thư quốc tế (IARC) công nhận là một trong các yếu tố gây ung thư trên động vật mô hình.

Đối với con người, chúng ta bị ngộ độc Aflatoxin chủ yếu qua con đường ăn uống, đặc biệt là khi ăn phải thực phẩm đã nhiễm nấm. Ở nhiều quốc gia, thậm chí là các quốc gia phát triển, các loài thực phẩm nhiễm độc Aflatoxin nặng vẫn có thể được bày bán tại một số cửa hàng nhỏ. Các bằng chứng về ngộ độc Aflatoxin cấp ở người được ghi nhận ở nhiều quốc gia như Đài Loan, Ouganda, Ấn Độ,… Triệu chừng cơ bản của việc ngộ độc bao gồm buồn nôn, đau bụng, phù phổi,  co thắt ruột, hôn mê, và có thể dẫn đến tử vong. Do Aflatoxin, đặc biệt là Aflatoxin B1, là một trong các chất có khả năng gây ung thư,nhiều bằng chứng cho thấy chúng có khả năng tích tụ lâu dài trong cơ thể nếu tiếp xúc với một lượng nhỏ trong thời gian dài. Ngoài ra, các bệnh liên quan đến Aflatoxin ở người có thể bị chi phối bởi nhiều lí do khác như tuổi tác, giới tính, trạng thái sức khỏe.

Làm thế nào để chúng ta có thể kiểm soát và phòng ngừa ngộ độc Aflatoxin? Aflatoxin được xem là một chất gây ô nhiễm thực phẩm thường gặp, thậm chí là khi các nhà sản xuất đã thực hiện nghiêm ngặt quy trình sản xuất theo tiêu chuẩn. FDA đã công bố hướng dẫn về nồng độ Aflatoxin ngưỡng có trong thực phẩm cho người và động vật, theo FDA, nồng độ ngưỡng Aflatoxin trong đa số các loại thức ăn người là 20 ppb, đối với sữa là 0.5 ppb đối với Aflatoxin M1. Tuy nhiên, việc đánh giá chính xác lượng Aflatoxin có trong thực phẩm là khá khó khăn do nhiều thành phần trong thức ăn có thể làm ảnh hưởng đến độ chính xác của xét nghiệm.

Nếu Aflatoxin là chất độc không tránh khỏi trong thực phẩm thì cách nào giúp chúng ta có thể khử độc? Rất nhiều phương pháp đã được đưa ra, bao gồm các phương pháp vật lý như phân tách, bất hoạt bằng nhiệt, chiếu xạ, tách chiết, diệt khuẩn, bên cạnh đó còn có các phương pháp hóa học để khử khuẩn. Ở đây, tôi chỉ đưa ra một số phương pháp hóa học đơn giản để khử độc Aflatoxin như sau:

• Phân hủy cấu trúc bằng phương pháp hóa học: Rất nhiều các chất hóa học đã được kiểm nghiệm là có khả năng phân hủy hoặc bất hoạt Afaltoxin. Tuy nhiên, đa số chúng lại không an toàn để sử dụng một cách rộng rãi hay để xử lý thực phẩm. Hai phương pháp được chấp nhận để sử dụng trong việc khử độc Aflatoxin là bão hòa Ammoniac và phản ứng với Natri bisulfate. Rất nhiều nghiên cứu đã cho thấy, xử lý hóa học thông qua Ammoniac là phương pháp hiệu quả để khử độc Aflatoxin ở ngô và một số loại ngũ cốc khác. Cơ chế của phương pháp này dựa trên sự thủy phân vòng lactone và chuyển hóa Aflatoxin B1 thành các sản phẩm khác có độc tính thấp hơn. Mặt khác, Natri sulfite cũng được chứng minh là có khả năng phản ứng với Aflatoxin (B1, G1 và M1) dưới nhiều điều kiện về nhiệt độ, nồng độ và thời gian để tạo thành các sản phẩm tan trong nước. 

• Làm giảm độc tính bằng các chất hóa học phổ thông: Độc tính của các độc tố thực vật có thể bị ảnh hưởng bởi một số chất hóa học an toàn với cơ thể như các chất dinh dưỡng (protein, mỡ, vitamin), các chất phụ gia thực phẩm (kháng sinh và các chất bảo quản), chúng có khả năng tương tác để làm giảm ảnh hưởng của Aflatoxin đối với động vật.

• Sử dụng vật liệu hấp thụ vô cơ: Đây là hướng tiếp cận mới trong việc khử độc Aflatoxin, vật liệu hấp thụ vô cơ (chemisorrbent). HSCAS (Hydrated Sodium Calcium Aluminosilicate) là một trong các vật liệu hiện đang được tập trung nghiên cứu nhất hiện nay. Chất này có khả năng bám và giữ cố đinh Aflatoxin trong ống tiêu hóa động vật, từ đó làm giảm khả năng gây độc của Aflatoxin do chúng không thể đi vào cơ thể qua đường máu mà sẽ bị đào thải qua hệ bài tiết.

Hiện nay, chúng ta vẫn chưa có phương pháp nào có thể triệt để khử Aflatoxin ra khỏi thực phẩm. Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên hợp quốc (FAO) ước tính có tới 25% nông sản trên thế giới bị ảnh hưởng bới các chất độc thực vật và đa phần trong đó là Aflatoxin. Ngộ độc Aflatoxin không chỉ ảnh hưởng tới sản lượng nông sản cũng như chăn nuôi mà nó còn là một trong các chất gây ung thư và nhiều bệnh khác có liên quan ở người. 

Phạm Ngọc Sơn

Nguồn tham khảo:

http://poisonousplants.ansci.cornell.edu/

Các dấu chuẩn miễn dịch trong xét nghiệm chẩn đoán sớm ung thư

Khi nhắc tới các dấu chuẩn (marker) ung thư, hẳn bạn sẽ nghĩ tới sinh học phân tử, sử dụng các biến đối về mặt di truyền để chẩn đoán sớm ung thư. Tuy nhiên, bạn có biết, bên cạnh sinh học phân tử, miễn dịch cũng có các dấu chuẩn đặc thù để xét nghiệm ung thư cũng như đánh giá hiệu quả điều trị. Mặc dù độ nhạy và độ đặc hiệu không cao như  các dấu chuẩn sinh học phân tử, nhưng các dấu chuẩn miễn dịch có thể dễ dàng được áp dụng tại các bệnh viện. Đặc điểm nổi bật của phương pháp miễn dịch ung thư là dễ thực hiện, không đòi hỏi nhiều thiết bị phụ trợ và không cần phải chọc sinh thiết để xét nghiệm.

Rất nhiều tế bào u có thể tạo ra các kháng nguyên, chúng có thể được chuyển đến mạch máu hoặc được giữ lại trên màng tế bào. Các kháng nguyên này đã được xác định trên đa số các bệnh ung thư ở người như u lympho Burkitt, u nguyên bào thần kinh (neuoblastoma), u hắc tố ác tính (malignant melanoma), u xương ác tính (osteosarcoma), ung thư vú, ung thư tiền liệt tuyến, ung thư phổi và ung thư đại trực tràng. Nếu chức năng cơ bản của hệ thống miễn dịch là phát hiện các kháng nguyên và đưa ra hoặc tạo ra các kháng thể phù hợp để tiêu diệt các kháng nguyên đó, bảo vệ cơ thể, thí các tế bào ung thư, hay các kháng nguyên do chúng tạo ra có cấu trúc đặc biệt, làm cho hệ thống miễn dịch không nhận biết được đây là kháng nguyên đích và phát tín hiệu tiêu diệt.

Thông thường, hệ thống miễn dịch sẽ bảo vệ cơ thể chúng ta thông qua hai cơ chế, cơ chế thể dịch (kháng thể) và các cơ chế tế bào. Đa số các đáp ưng thể dịch đều không thể ngăn cản sự phát triển của khối u. Tuy nhiên, các tế bào hiệu lực (effector cells), ví dụ như tế bào T, đại thực bào, các tế bào giết tự nhiên, đều có khả năng làm chậm quá trình phát triển khối u. Các tế bào hiệu lực này hoạt động dựa trên khả năng phát hiện sự có mặt của TSAs và TAAs trên bề mặt tế bào ung thư .

Các kháng nguyên liên quan đến ung thư (TAAs- Tumor-associated antigens) thường có liên quan đến nhiều loại ung thư khác nhau, do đó, các bác sĩ chỉ có thể sử dụng chúng để chẩn đoán xem bệnh nhân có ung thư hay không, còn để biết là ung thư loại gì thì cần phải kiểm tra các kháng nguyên ung thư đặc thù (TSAs- Tumor- specific antigens), đây là các kháng nguyên do chính các tế bào ung thư sinh ra và có thể sử dụng để chẩn đoán xem bệnh nhân mắc loại ung thư gì. TSAs và TAAs đều là các phân tử ngoại bào, biểu hiện trên màng tế bào như một phần của phức hợp phù hợp mô chính (MHC- Major Histocompatibility Complex).

Các kháng nguyên liên quan đến ung thư (TAAs) có thể giúp chẩn đoán nhiều loại ung thư khác nhau và có thể đánh giá hiệu quả điều trị. Như đã nói ở trên, các kháng nguyên này do chính các tế bào ung thư tiết ra và có thể được chuyển vào mạch máu nên chúng có thể được sử dụng làm dấu chuẩn trong xét nghiệm chẩn đoán sớm ung thư. Tuy nhiên, mặc dù đa số các khối u đều tạo ra các đại phân tử có thể phát hiện được trong máu nhưng đến nay, vẫn chưa có một dấu chuẩn ung thư nào có đầy đủ các đặc tính cần thiết để tạo một phương pháp chẩn đoán sớm ung thư với độ nhạy và độ đặc hiệu cao. Ở đây, tôi xin được liệt kê một số các kháng nguyên TAAs thường được sử dụng trong xét nghiệm chẩn đoán ung thư.

Kháng nguyên ung thư phôi (Carcinoembryonic antigen- CEA) là một phức hợp protein- polysaccharide có mặt trong các khối u đại trực tràng và ở các tế bào ruột, tụy và gan bình thường. Dựa vào lượng CEA có trong máu của bệnh nhân, các bác sĩ có thể phần nào xác định được khả năng mắc ung thư đại trực tràng và đưa ra các xét nghiệm bổ sung. Tuy nhiên, kết quả này có không chính xác nếu bệnh nhân có sử dụng thuốc là, hoặc trên đối tượng bệnh nhân bị xơ gan, viêm loét ruột kết.

Alpha-fetoprotein, một sản phẩm của các tế bào gan bình thường, nhưng phân tử này cũng có mặt trong máu bệnh nhân ung thư gan hoặc ung thư buồng trứng với nồng độ cao.

Kháng nguyên đặc hiệu tiền liệt tuyến (PSA), đây là một glycoprotein nằm trên bề mặt các tế bào biểu mô tuyến của tuyến tiền liệt, chúng có thể được phát hiện trong huyết thanh của người khỏe mạnh với nồng độ rất thấp. Sử dụng các kháng thể đơn dòng để phát hiện và định lượng nồng độ kháng nguyên này trong huyết thanh, các bác sĩ có thể phát hiện ung thư tiền liệt tuyến với độ chính xác tới 90%. Tuy nhiên, phương pháp này có độ đặc hiệu không cao do PSA cũng có ở các bệnh nhân viêm tiền liệt tuyến, phì đại tiền liệt tuyến.

CA 125 là một trong các công cụ giúp sàng lọc, chẩn đoán và đánh giá hiệu quả điều trị đối với các bệnh ung thư buồng trứng. Song, cũng như các phân tử kể trên, kháng nguyên này cũng có độ đặc hiệu không cao, các bệnh nhân viêm phúc mạc hoặc ung thư cơ quan khác cũng có thể có nồng CA 125 trong máu khá cao.

Beta-2-microglobulinthường được định lượng trong xét nghiệm chẩn đoán u tủy và ung thư bạch huyết.

CA 19-9, đây là một kháng nguyên vốn được sử dụng để phát hiện ung thư đại trực tràng như đã được chứng minh là có độ nhạy cao hơn trong xét nghiệm ung thư tụy. Ngoài ra, việc định lượng CA 19-9 còn đươc sử dụng để phát hiện một số loại ung thư ống tiêu hóa khác, đặc biệt là ung thư ống mật.

CA 15-3 và CA 27-29 được định lượng ở đa số các xét nghiệm chẩn đoán ung thư vú ác tính.

Chromogranin A được sử dung như một dấu chuẩn xét nghiệm ung thư carcinoid (một dạng ung thư đặc biệt, tiến triển chậm, chủ yếu xuất phát từ nhiều cơ quan trong cơ thể nhưng chủ yếu là từ đường tiêu hóa và từ phổi). Độ nhạy và độ đặc hiệu của phương pháp này đối với bệnh nhân ung thư thần kinh nội tiết là khoảng 75%.

Thyroglobulin được tuyến giáp tiết ra và có thể được sử dụng trong các xét nghiệm chẩn đoán rối loạn tuyến giáp. Ngoài ra, kháng nguyên này cũng được xem là dấu chuẩn để phát hiện ung thư tuyến giáp cũng như để đánh giá hiệu quả trị liệu.

Trên đây là các dấu chuẩn miễn dịch được sử dụng phổ biến để chẩn đoán sớm ung thư. Trong bài này, tôi đã hạn chế đưa ra các con số cụ thể về nồng độ TAAs và TSAs bình thường trong máu do các chỉ số này có sự sai khác giữa các địa phương, mỗi bệnh viện có thể thiết kế các ngưỡng khác nhau để hỗ trợ cho việc chẩn đoán.

Biên dịch: Phạm Ngọc Sơn 

Nguồn tham khảo:

http://www.merckmanuals.com/

Nhu cầu oxy sinh hóa trong xét nghiệm mức độ ô nhiễm nước

Có thể bạn không phải là một nhà sinh học hay một người nghiên cứu môi trường, nhưng tôi chắc hẳn bạn đã từng nghe về “chỉ số BOD” khi mua các loại máy lọc nước gia đình hay thậm chí là trong các hệ thống xử lý rác thải tiên tiến nhất. Bạn có thắc mắc đây là chỉ số gì? Và có vai trò gì trong đánh giá chất lượng nguồn nước? Ở bài này, tôi sẽ cung cấp cho bạn một cái nhìn sơ lược về lịch sử phát triển của chỉ số này cũng như các giá trị liên quan trong kiểm định chất lượng nước.

Mức độ ô nhiễm môi trường ở các quốc gia công nghiệp tăng mạnh kể từ cuối thế kỷ 19. Ban đầu, nhiều hệ thống được thiết kế và xây dựng chỉ để di chuyển rác thải sinh hoạt và rác thải công nghiệp tới sông hoặc các nguồn nước bề mặt khác như ao, hồ. Nước thải ban đầu được xả thẳng ra môi trường mà không qua bất kỳ phương thức xử lý nào. Bước xử lý cơ bản chỉ có thể loại bỏ các chất thải rắn có kích thước lớn như mảnh gốm, thủy tinh, hay các ống nhựa; tuy nhiên, đa số các vật liệu hữu cơ lại không được xử lý, do đó sự ô nhiễm nguồn nước càng trở nên trầm trọng. Bạn có bao giờ tự hỏi miếng bánh hôm nay bạn vứt đi sẽ được xử lý như thế nào? Nếu không được xử lý tại các nhà máy, mẩu bánh mỳ của bạn sẽ được các vi sinh vật phân hủy, và tất nhiên, quá trình này tiêu thụ rất nhiều oxy, cụ thể là oxy hòa tan trong nước (dissolved oxygen - DO). Ồ, nếu chỉ dừng lại ở đây, bạn sẽ thắc mắc, người ta đo chỉ số BOD- Nhu cầu oxy sinh hóa- trong nước để làm gì nếu nó chỉ là thước đo khả năng tiêu thụ oxy của các vi sinh vật trong nước. Có vẻ như bạn đã quên nồng độ oxy hòa tan trong nước vốn rất thấp, đây là nguồn oxy cung cấp cho toàn thể các sinh vật thủy sinh như cá, tôm, cua,... Cùng với sự gia tăng tiêu thụ oxy của các vi sinh vật khi phân hủy rác thải hữu cơ sẽ tạo nên điều kiện kỵ khí, hay nói cách khác, các loài cá sẽ bị cạnh tranh về lượng oxy hô hấp.

Hãy liên tưởng một chút để hiểu mức độ nghiêm trọng của vấn đề, chắc hẳn bạn thường thấy các bản tin về sự cố tràn dầu trên biển, bạn có tự hỏi các nhà bảo vệ môi trường hay thậm chí là các ngư dân xem đây là một sự kiện nghiêm trọng như thế nào? Chú ý nhé, oxy là một chất khí đặc biệt giúp duy trì sự sống trên Trái Đất, nếu không có nó, rất nhiều loài sinh vật, trong đó có cả con người sẽ chết ngạt trong thời gian ngắn, đặc biệt trong môi trường nước, khi mà tất cả các sinh vật thủy sinh đều sống nhờ vào lượng oxy hòa tan trong nước vốn phụ thuộc rất nhiều vào diện tích nước bề mặt, nếu có một lớp dầu loang trên bề mặt, hay thậm chí là có sự tăng sinh bất thường của các vi sinh vật sử dụng oxy (ví dụ như trong hiện tượng thủy triều đỏ, hay biển nở hoa) sẽ làm suy giảm trầm trọng nồng độ oxy hô hấp của các sinh vật sống và dẫn tới hiện tượng cá, tôm, … chết hàng loạt.

Do đó, ttrong giai đoạn từ 1950 đến 1970, rất nhiều quốc gia đã thông qua các điều khoản góp phần làm giảm ô nhiễm nước bề mặt, quy trình xử lý nước thải cấp hai đã được thiết kế để góp phần loại bỏ rác thải hữu cơ trong nước, chỉ số BOD lúc này trở thành một chỉ số đo lường cơ bản trong đánh giá chất lượng nước môi trường.

Nhu cầu oxy sinh hóa -  Biochemical Oxygen Demand - BOD là lượng oxy cần thiết để các vi sinh vật phân hủy hoàn toàn các chất hữu cơ có trong nước. Chỉ số này được các nhà khoa học và các kỹ sư sử dụng để đánh giá hiệu quả xử lý rác thải. Quay trở lại với miếng bánh mà bạn đã vứt đi (như ở trên). Một cách đơn giản, hay coi miếng bánh là một tập hợp các phân tử đường (C₆H­₁₂O₆) với quy mô lớn. Các vi sinh vật sẽ sử dụng oxy để phân giải các phân tử đường thành các phân tử vô cơ, mà cụ thể là khí carbonic và nước, quy trình này thường được tóm lược dưới dạng phương trình hóa học sau:

Vậy một quy trình đầy đủ để xác định chỉ số BOD được thực hiện như thế nào? Hình dưới là đồ thị mô tả nhu cầu oxy sinh hóa của một mẫu nước thải trong thời gian gần một tháng. Trong hình, bạn sẽ chú ý thấy các chỉ số cần được chú ý là BOD₅, Nhu cầu oxy phân giải carbon (CBOD), Nhu cầu oxy sinh hóa cực đại (UBOD) và Nhu cầu oxy phân giải nito (NBOD).

BOD₅

Chỉ số BOD sau 5 ngày- BOD₅ là một chỉ số giúp các nhà khoa học có cái nhìn sơ bộ về tình trạng các chất hữu cơ có trong nước thải. Lượng oxy tiêu thụ trong 5 ngày được đo một cách cẩn thận trong điều kiện được điều khiển và chuẩn hóa. Về lý thuyết, thời gian 5 ngày là không đủ để hoàn thành quá trình oxy hóa, nhưng đây lại là một điểm quan trọng đánh dấu sự kết thúc của pha lag, hay còn gọi là pha lũy thừa (như trong đồ thị minh họa), ở thời điểm này, quá trình oxy hóa mới chỉ hoàn thành khoảng 40 đến 80%. Nồng độ [BOD₅] (đơn vị mg L^-1 hoặc ppm) được tính bằng công thức:

Trong đó, [DO]_final là nồng độ oxy hòa tan cuối cùng và [DO]_initial là nồng độ oxy hòa tan ban đầu. Chỉ số này phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng mẫu (độ hòa tan, nồng độ vi sinh vật trong mẫu và các chất dinh dưỡng được bổ sung). Tuy nhiên, không phải lúc nào chúng ta cũng thu được giá trị BOD₅, hay nói cách khác, khi đó, giá trị [DO]_final và [DO]_initial không có sự khác biệt, lúc này, cần phải thay đổi công thức trên một chút để phù hợp.

Nhu cầu oxy sinh hóa cực đại (Ultimate BOD- UBOD)

Nhu cầu oxy sinh hóa cực đại là một trong các tiêu chí giúp định lượng oxy cần thiết để các vi sinh vật trong nước thực hiện quá trình phân hủy hoàn toàn các vật chất hữu cơ. Đây là một chỉ số quan trọng, kết hợp với tiêu chí về khả năng tiêu thụ oxy để dựng mô hình toán về sự ô nhiễm môi trường hồ, sông. Cần lưu ý rằng, chỉ số này không giống nhau giữa hai con đường phân giải carbon và nito.

Nhu cầu oxy phân giải carbon (Carbonaceous Oxygen Demand- CBOD)

CBOD là chỉ số biểu diễn khả năng phân giải các hợp chất carbon của các vi sinh vật thủy sinh để tạo thành khí carbon dioxide và các sản phẩm sau khi oxy hóa khác. Trên thực tế, việc phân giải các hợp chất carbon của sinh vật phải đi qua một chuỗi các phản ứng hóa sinh và có rất nhiều sinh vật tham gia chuỗi xử lý để đưa ra sản phẩm cuối cùng là CO₂. Nồng độ [CBOD] được tính dựa trên công thức:

Trong đó k là tốc độ phản ứng đầu tiên, [DO] là nồng độ oxy hòa tan. Ngoài ra, chúng ta cũng có thể tính toán dựa trên công thức sau:

Với [CBOD]₀ là nồng độ [CBOD] ban đầu, và kết quả tính toán là giá trị [CBOD] ở thời điểm t.

Trong đồ thị ví dụ ở trên, chúng ta thấy xuất hiện chỉ số CBOD cực đại, giá trị này được lấy tại thời điểm từ sau khi bắt đầu 20-50 ngày và thậm chí có thể lâu hơn. Đây giống như một giá trị ngưỡng tiêu thụ oxy hòa tan lớn nhất mà sinh vật cần để phân giải các hợp chất carbon, giá trị này được tính dựa trên công thức:

Nhu cầu oxy phân giải nito (Nitrogenous Oxygen Demand- NBOD)

Tương tự như CBOD, đây là chỉ số mô tả lượng oxy cần thiết để phân giải các hợp chất nito. Khác với CBOD, chúng ta tạm thời chỉ ghi nhận thấy hai lớp vi sinh vật có khả năng oxy hóa các hợp chất nito, chúng được gọi chung là các nitrifier và thường không có mặt nhiều trong các mẫu nước. Đồ thị ví dụ ở trên là một trường hợp rất cá biệt, ở đây, thông thường chỉ số NBOD ít khi cao hơn CBOD và được lấy làm giá trị BOD cực đại, hơn nữa, tốc độ sinh trưởng của các nitrifier rất chậm nên chúng thường mất rất nhiều thời gian để đạt được giá trị NBOD cực đại.

Về phương pháp đo

Người ta có sử dụng một dụng chuyên dụng để đo nồng độ oxy, hay còn gọi là oxy kế. Bước đầu, người tiến hành thí nghiệm phải lấy mẫu nước ở các hồ hay sông, tất nhiên thể tích mẫu lấy ở các điểm phải bằng nhau và được hòa tan theo một tỷ lệ nhất định. Tiến hành đo giá trị DO tại ngay lúc bắt đầu thí nghiệm và xác định đó là giá trị oxy hòa tan ban đầu trong nước. Sau đó, chúng ta tiến hành để ủ cho vi sinh vật phát triển trong điều kiện 20⁰C, tránh sáng, tiến hành đo nồng độ oxy hòa tan trong nước tại các thời điểm tùy theo mục đích của nghiên cứu. Giá trị BOD được chấp nhận để xem là nước hồ sạch là nhỏ hơn 2ml/L nước. Nếu trị số này lớn hơn 100ml/L thì nước bị ô nhiễm nặng.

Phạm Ngọc Sơn

Du hành ngược thời gian và các nghịch lý đối chọi

“Du hành ngược thời gian”, đây là một chủ đề bất tận đối với các nhà làm phim khoa học viễn tưởng, cũng giống như các nhạc sỹ với chủ đề về tình yêu vậy. Nhưng bạn đã bao giờ suy nghĩ một cách thực sự nghiêm túc về nó, về việc trở về quá khứ và thay đổi số phận của chính mình? Trong bài này, tôi không muốn đưa ra bất kỳ một tranh luận hay một tính toán phức tạp nào về tính khả thi của chuyến du hành thời gian, tôi chỉ đưa ra cho mọi người những vấn đề chúng ta sẽ phải gặp nếu muốn thực hiện nó.

Trước hết, hãy nói về các nghịch lý “thời gian” mà bạn sẽ gặp phải. Trong cuốn “Các thế giới song song”, Michio Kaku, Giáo sư người Mỹ gốc Nhật Bản đã liệt kê ra một cách khá đầy đủ các nghịch lý “thời gian”, bao gồm: Nghịch lý ông bà, Nghịch lý thông tin, Nghịch lý thay đổi số phận, Nghịch lý sinh sản. Về cơ bản, ta có thể tưởng tượng, chúng tạo nên các vòng xoáy bất tận và không thể giải thích trong diễn trình thời gian.

Nghịch lý ông bà, nghịch lý này được nhà khoa học giả tưởng Rene Barjavel nêu ra lần đầu trong tác phẩm “Nhà du hành khinh xuất” (“Le Voyageur Imprudent”- 1943). Trong nghịch lý này, bạn trở về quá khứ và tác động làm triệt tiêu hiện tại. Một cách đơn giản, hãy tưởng tượng bạn tự do du hành ngược thời gian, và trong một cuộc dạo chơi tại “công viên khủng long”, khi đang chơi đùa với những chú khủng long “đáng yêu”, bạn “vô tình” giẫm chết một con thú nhỏ, lông đen. Nhưng bạn không ngờ con thú đó lại chính là tổ tiên của loài người. Kết cục, loài người không xuất hiện và thậm chí cũng chẳng có bạn trên đời để mà du hành ngược thời gian. Lúc này, bạn là gì? Bạn đã thay đổi quá khứ và dẫn tới thay đổi một cách triệt để tương lai. Rất nhiều nhà làm phim đã cố gắng tránh nghịch lý này bằng cách đưa ra một giả thiết, ở mỗi một thời điểm, đều có một “yếu tố chìa khóa”, nếu như bạn đã xem phim “Batman vs Super man”, bạn sẽ thấy có đoạn, một siêu anh hùng vượt thời gian để báo mộng cho Batman biết nhân vật “chìa khóa của mọi sự”, hay thậm chí bạn cũng có thể bắt gặp lý luận này trong seri phim nổi tiếng "Kẻ hủy diệt- Terminator", chúng ta thấy liên tục có những robot từ tương lai đến để bảo vệ thủ lĩnh, nhưng chính robot này cũng để lại những linh kiện gợi ý cho việc phát triển robot hủy diệt nhân loại. Đây chính là nghịch lý thời gian thứ hai, nghịch lý thông tin.

Trong nghịch lý này, thông tin đến từ tương lai, nghĩa là nó có thể không có nguồn gốc rõ ràng. Tưởng tượng rằng bạn cầm theo cuốn “Lược sử thời gian” của Stephen Hawking, tác phẩm bán chạy thứ ba chỉ sau Kinh Thánh và Shakespeare, trở về quá khứ và công bố nó trước khi Hawking viết xong. Lúc này, hiển nhiên là nhà vũ trụ học sẽ không viết tiếp cuốn sách của mình nữa, đơn giản là vì nó đã được một ai đó công bố rồi. Như vậy, nếu Stephen Hawking không viết, thì cũng sẽ không có cuốn “Lược sử thời gian” của tương lai, vậy bạn cầm cái gì về để công bố, hay thậm chí nếu bạn có cầm về, thì ai sẽ là tác giả thực sự của cuốn sách, bạn hay Hawking?

Trước khi trả lời câu hỏi về tác giả cuốn “Lược sử thời gian”, bạn hay Stephen Hawking? Hãy nhâm nhi một câu hỏi khác, nghịch lý thay đổi số phận. Để dễ hiểu hơn, tôi sẽ kể một câu chuyện ngắn, tất nhiên là không có thật.  Khi đã ở cái tuổi 70, gần đất xa trời, ông Mouri Kogoro (nhân vật trong bộ truyện tranh “Thám tử lừng danh Conan” của Gosho Aoyama), chợt có một ao ước nhỏ là thay vì cưới Eri Kisaki, mẹ của Ran Mouri, ông nghĩ tại sao mình không lấy Yukiko Fujimine xinh đẹp, mẹ của Shinichi. Với ham muốn này, ông đến tìm Giáo sư Agasa để đi ngược về thời gian. Ông đã gặp mình trong quá khứ, thuyết phục “mình” cưới Yukiko, và ông đã thành công. Nhưng cũng chính lúc này, một nghịch lý đã xảy ra, nếu ông không cưới Eri thì không sinh ra Ran Mouri, mà thậm chí cũng chẳng có ông Mouri 70 tuổi của tương lai, và nghiễm nhiên, ông là ai? Liệu ông có còn tương lai để về?

Cuối cùng, về nghịch lý sinh sản, chắc bạn phần nào đã tưởng tượng được nó sẽ như thế nào. Bạn có thể là cha của chính bạn, và hiển nhiên, việc này là không thể xảy ra trước hết là về mặt sinh học.

Hẳn bạn sẽ ngán ngẩm và cho rằng không thể đi ngược thời gian, đơn giản là vì các một loạt các nghịch lý hệ quả sau đó, hay cũng do bạn chưa thấy ai từ tương lai về thăm bạn cả. Tuy nhiên, nếu bạn là một nhà vật lý không chuyên, giống như tôi, chắc bạn cũng sẽ nghe đến cái tên Kurt Goden. Năm 1949, ông đã chứng minh được rằng, bằng thuyết tương đối rộng, nghiệm của Goden và không- thời gian dây vũ trụ cho thấy, nếu tạo được một vùng cong không- thời gian cục bộ đủ lớn, chúng ta hoàn toàn có thể mở ra một con đường đi về quá khứ. Từ ý tưởng của Goden, người ta đã bắt đầu tìm kiếm những không- thời gian khả dĩ dựa trên thuyết tương đối rộng. Một không- thời gian như vậy là một không- thời gian trong lỗ đen quay, hay là vũ trụ chứa hai dây vũ trụ chuyển động đi qua nhau với vận tốc lớn.

Trong cuốn “Lược sử thời gian”, Stephen Hawking đã giả thiết về một khả năng cho phép chúng ta chế tạo một cỗ máy thời gian. Với phương thức này, hãy tưởng tượng (chỉ là tưởng tượng thôi nhé, tôi không muốn bị xem là bang bổ thần thánh), bạn là một Thượng Đế và năng lượng giống như là một dạng tiền tệ. Bạn có trong túi 300 đô và bạn chia nó ra như sau: 100 đô cho các chi phí sinh hoạt như ăn, ở, điện nước,… 100 đô nữa để vui chơi giải trí và 100 đô để cho vào tiết kiệm. Nhưng để du hành theo thời gian, bạn, mà ở đây là Thượng Đế, phải chi ra một khoản 50 đô. Vậy để không bị nợ, bạn bắt buộc phải cắt giảm chi tiêu của các khoản trước đó. Tương tự như vậy, nếu chúng ta có thể tạo lấy năng lượng trong một vùng nhất định để tạo một vùng âm năng lượng cục bộ và chuyển phần năng lượng “thừa” đó đi chỗ khác để giữ cho tổng năng lượng vẫn dương thì bạn có thể đi ngược lại về quá khứ.

Có vẻ hơi phức tạp, tôi sẽ gợi cho bạn một “cách thức” khác. Nếu bạn đã xem “Superman 1978”, bạn sẽ không lạ lẫm gì với ý tưởng, Siêu nhân bay ngược chiều với Trái Đất với tốc độ đủ lớn để làm đảo chiều spin của Trái Đất. Các nhà vật lý từ Đại học Leicester đã thử tính toán tính khả thi của việc này. Bạn có thể bay đủ nhanh để đảo chiều quay của Trái Đất? Trong phim, Siêu nhân tốn 50 giây để khiến Trái Đất quay đầu, lúc này, khối lượng tương đối của Siêu nhân sẽ tăng lên 13,7 triệu lần so với bình thường và anh phải bay với vận tốc cực kỳ gần với tốc độ ánh sáng. Tưởng tượng rằng, anh chàng Siêu nhân của chúng ta nặng 107 kg, thì khi bay với tốc độ gần với ánh sáng, khối lượng của anh ta sẽ tăng một cách siêu lạm phát và lên đến 1.461x10⁹kg. Bên cạnh việc phải vượt qua “áp lực” này, thì một sự kiện khác có thể xảy ra, trường trọng lực và Siêu nhân sinh ra khi bay với tốc độ này sẽ đủ lớn để kéo các thiên thể về phía Trái Đất, mà cụ thể là sẽ có một cú va chạm khủng khiếp xảy ra giữa Trái Đất và Mặt Trăng. Vậy là, một cách nực cười, chúng ta “có thể” trở về quá khứ bắng cách này và cũng chết ngay lập tức trong cú va chạm với Mặt Trăng.

Cuối cùng, tôi không muốn đưa ra một ý kiến tranh luận về tính khả thi của việc “du hành ngược thời gian”, tôi chỉ dẫn ra một số ý tưởng cơ bản về việc này. Biết đâu trong tương lai, chúng ta có thể sẽ thiết kế thành công một cỗ máy thời gian hay đơn giản là một cách thức giúp vượt thời gian. Đừng nghĩ ngay rằng việc này là không thể hay nực cười, bạn biết đấy, trước đây, việc lặn xuống đáy đại dương hay đặt chân lên Mặt Trăng điều là những ước mơ của những kẻ mơ mộng, hay thậm chí bị cho là điên rồ nhưng chúng ta đều đã thực hiện thành công rồi đó thôi.

Phạm Ngọc Sơn

Lọ lem và đôi giày mơ ước

Lọ lem là một câu chuyện cổ tích đã gắn liền với tuổi thơ của rất nhiều người chúng ta, nhưng đã bao giờ bạn thử “vật lý hóa” các yếu tố trong truyện để kiểm chứng tính khả thi của nó. Một chi tiết rất đáng để thử là đôi giày thủy tinh của nàng. Bạn có bao giờ nghĩ mình sẽ đúc riêng một đôi và thử đi đôi giày đó? Sau khi đọc xong bài này, tôi nghĩ bạn nên xem xét lại ý định đó.

Các nhà vật lý từ trường Đại học Leicester đã thực hiện một tính toán nhỏ nhằm mô hình hóa đôi giày thủy tinh của nàng lọ lem. Trước khi tính toán một công việc khó hơn là chạy được trên đôi giày đó, hãy thử với khả năng đứng trên đôi giày đó đã. Giả sử rằng nàng lọ lem nặng 55 kg và có bàn chân cỡ số 4 theo tiêu chuẩn Anh. Khi đứng trên giày cao gót, trọng lực của cơ thể được phân bổ đều giữa hai chân, diện tích tiếp xúc giữa bàn chân và mặt đất là 0.0095 m². Dựa vào các giả thiết này và sử dụng phương trình về sức ép, ta có thể tính được áp lực đè xuống bàn chân là 28.4 kPa, so với khả năng chịu đưng của thủy tinh Soda Lime (thủy tinh cường lực) là 330 MPa thì việc đứng trên một đôi giày thủy tinh vẫn rất còn khả thi.

𝜎 = F / A        

(Trong đó 𝜎 là lực ép, F là lực hướng xuống và A là diện tích tiếp xúc)

Tuy nhiên, khi đồng hồ điểm 12 giờ đêm, nàng bon bon chạy về nhà trên đôi giày đó, đây mới là điểm nghi vấn của câu chuyện. Giả sử khi di chuyển, gót giày nàng tạo một góc nghiêng 45 độ so với phương thẳng đứng và gót giày có đường kính 1 cm, lúc này, cũng sử dụng phương trình về sức ép nhưng có biến đổi một chút, ta dễ dàng tính được chiều cao khả thi của đôi giày là khoảng 3.44 đến 13.8 cm, với đôi giày thủy tinh cường lực này, nàng có thể đi bộ tốt hoặc tối đa là có thể nhảy một bản với hoàng tử, nhưng khi chạy, cường độ lực tác động vào đôi giày sẽ gia tăng lên rất nhiều, lúc này, đôi giày Soda Lime chỉ nên cao khoảng 1.15 cm để không bị gãy, tức là bằng chiều cao với đế giày da của đàn ông.

Như  vậy, bằng các tính toán của mình, các nhà vật lý đã cho thấy, chúng ta hoàn toàn có thể đúc riêng một đôi giày thủy tinh với chiều cao tối đa 13.8 cm để có thể đi bộ được, hoặc đúc thành một đôi giày bệt (cao 1.15 cm) để có thể chạy. Tuy nhiên, bạn cũng nên chú ý rằng đôi giày phải được làm bằng thủy tinh Soda Lime, hay thủy tinh cường lực, nếu làm bằng những loại thủy tinh thông thường thì tôi cũng không chắc về độ an toàn của chúng, trước hết là trên lý thuyết.

Phạm Ngọc Sơn

Nguồn tham khảo:

H. Samaratunga, L. Tonks, H. S. Ahmed and M. Sadhra: “P5_1 Cinderella’s Shattered Dreams”, Journal of Physics Special Topics.