Penicillins

Penicillin được nhà khoa học Alexander Fleming phát hiện năm 1928, tuy nhiên, do một số hạn chế nên trong thời gian đầu, thuốc không được sử dụng một cách rộng rãi. Cho đến những năm 1940, nhờ có công trình của Florey, Chain và các cộng sự đã khiến việc thương mại hóa loại dược phẩm này trở nên khả thi nhờ việc phát triển penicillin G. Đây cũng là dấu mốc quan trọng mở ra kỷ nguyên kháng sinh hiện đại.

Đặc tính hóa học

Cấu trúc chung cơ bản của tất cả các dòng penicillin là một nhân chứa vòng thiazolidine, β- lactam, và một sợi bên (như hình). Trong toàn bộ cấu trúc dạng vòng này, vòng β- lactam đóng vai trò quyết định và tạo nên khả năng kháng khuẩn của thuốc. Trong khi đó, chuỗi sợi bên lại quy định độ lớn của phổ kháng khuẩn và các dược tính của từng loại penicillin.

Sự xuất hiện của các vi sinh vật sinh β- lactamase, đặc biệt là Staphylococcus aureus, đã kích thích sản sinh ra các hợp chất kháng và phân giải thuốc thông qua β- lactamase, do đó thúc đẩy việc tìm ra các hợp chất mới có hiệu quả cao hơn penicillin G trong việc chống lại các vi khuẩn gram âm. Bằng cách tách chiết nhân penicillin, acid 6-amino-penicillanic từ sự lên men của Penicillium chrysogenum đã giúp sản xuất ra số lượng lớn penicillin bán tổng hợp, bao gồm methicillin (chống khuẩn S.aureus sinh β- lactamase), ampicillin (chống khuẩn gram âm) và carbenicillin (kháng khuẩn Pseudomonas aeruginosa). Đây là dấu ấn đầu tiên đánh dấu sự ra đời của một loạt các chất họ penicillin với các đặc tính dược lý và kháng khuẩn khác nhau ra đời sau này.

Cơ chế hoạt động

Khả năng kháng khuẩn của penicillin cũng tương tự như các kháng sinh β- lactam khác, đều phụ thuộc vào khả năng ức chế tổng hợp thành tế bào. Tuy nhiên, penicillin không chỉ tiêu diệt vi khuẩn đơn giản bằng cách khống chế khả năng sinh tổng hợp màng tế bào mà còn thông qua nhiều con đường khác mà đến nay chúng ta vẫn chưa thực sự hiểu hết. Ví dụ sự hình thành các gốc tự do hydroxyl nhằm tiêu diệt các tế bào lạ, đây là phản ứng được xem là cuối cùng trong chuỗi phản ứng kháng khuẩn thông qua penicillin.

Để tìm hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của penicillins, trước hết hãy điểm qua một số nét về thành tế bào vi khuẩn. Thành tế bào của cả vi khuẩn gram âm và gram dương đều là peptidoglycan, tuy nhiên, thành của vi khuẩn gram dương lại được rất nhiều các lớp (50- 100 lớp phân tử) trong khi thành của vi khuẩn gram âm lại chỉ có một hoặc hai lớp phân tử tạo nên. Bù lại, lớp màng ngoài lipopolysaccharide là dấu hiệu đặc trưng chỉ có ở các vi khuẩn gram âm. Cấu tạo nên các peptidoglycan là các tiểu phần disaccharide gồm N-acetylglucosamine (NAG) và N-acetylmuramic (NAM). Các tiểu phần này được tổng hợp trong tế bào chất và được gắn với nhau thông qua hoạt động của enzyme transglycosylase để hình thành nên chuỗi peptidoglycan. Penicillin sẽ ưc chế hoạt động của các enzyme tham gia vào xúc tác tạo liên kết các tiểu phần hình thành chuỗi peptidoglycan (ngăn cản sự hình thành các liên kết chéo).

Peptidoglycan là các chuỗi polysaccharide, hình thành từ các pentapeptide NAG và NAM. Ngoài ra, chuỗi còn có các phân tử pentapeptide khác bám vào NAG và NAM, chúng là các đồng phân lập thể L và D của cùng một chuỗi peptide có đầu D- alanyl- D- alanine. Các chuỗi pentapeptide liên kết với nhau thông qua các liên kết chéo giữa các phân tử polysaccharide. Phản ứng này được enzyme transpeptodase xúc tác nhằm tạo các liên kết peptide. Như đã nói ở trước, đây là một enzyme rất nhạy với penicillin, nhờ vậy, phản ứng tạo liên kết giữa các chuỗi peptide không được diễn ra.

Các phản ứng nhạy penicillin (penicillin- sensitive) thường được xúc tác bởi một họ các protein, được gọi chung là các protein bám penicillin (penicillin- binding proteins – PBPs). Vi khuẩn có thể sinh ra bốn loại PBPs, chúng có cấu trúc gần giống như nhau và đều là các dẫn xuất của serine protease. Các PBPs có khối lượng lớn nhóm A là các enzyme đa năng, chứa hai tiểu phần transpeptidase và transglycosylase, hai tiểu phần này phối hợp với nhau trong quá trình tổng hợp thành tế bào. Các thụ thể penicillin PBPs sẽ truyền tín hiệu qua màng để kích thích sản sinh ra β-lactamases, là một dạng PBPs, xúc tác cho phản ứng phân hủy vòng β-lactam của penicillin. Các kháng sinh có vòng β-lactam đều ức chế hoạt động của PBPs thông qua các liên kết đồng hóa trị vào vị trí hoạt động serine. Do các phân tử PBPs đóng vai trò không thể thiếu trong việc tạo màng nên bằng các ức chế hoạt động của chúng, penicillin có thể phá hủy tế bào.

Vi khuẩn kháng thuốc

Có bốn cơ chế giúp vi khuẩn có khả năng kháng lại tác dụng của penicillin hay các loại kháng sinh chứa β-lactam khác bao gồm: (1) phân giải kháng sinh thông qua hoạt động của enzyme β-lactamase, (2) bất hoạt kháng sinh khi chúng đi qua màng ngoài của vi khuẩn gram âm, (3) khả năng đẩy thuốc ra khỏi màng ngoài của của các vi khuẩn gram âm, (4) giảm khả năng bám của kháng sinh lên các đích PBPs. Trong bốn con đường này, thì con đường đầu tiên là cơ chế phổ biến nhất, thường gặp ở các vi khuẩn gram âm, đặc biệt là Pseudomonas aeruginosa. Enzyme β-lactamase phản ứng với vòng β-lactam, nhanh chóng thủy phân chúng và phá hủy hoạt tính của thuốc.

β-lactamase có thể được phân thành 4 nhóm và được ký hiệu từ A đến D, việc phân nhóm này dựa trên các đặc điểm về trình tự amino acid cũng như các đặc điểm về cấu trúc phân tử. Các nhóm A, C và D có chứa các motif gắn penicillin và đồng thời cũng là các PBPs. Tuy nhiên, chúng khác các PBPs khác ở chỗ, chúng có kích thước nhỏ hơn, chỉ khoảng 35 kD, và chúng không phải là các enzyme tham gia quá trinh tổng hợp thành tế bào. Phản ứng của chúng với penicillin cũng tương tự như các PBPs khác, gồm khởi đầu, tạo các liên kết thuận nghịch, và hình thành phức Michaelis- Menton. Về mặt hóa sinh, khác biệt chủ yếu giữa các PBPs tổng hợp thành tế bào và các β-lactamase là ở tốc độ deacyl hóa, tốc độ deacyl hóa của các phân tử PBPs tổng hợp màng rất thấp so với β-lactamase. Tuy nhiên, nhóm β-lactamase B là một ngoại lệ, mặc dù chúng cũng có khả năng thủy phân vòng β-lactam, nhưng về cấu trúc, chúng không giống với các PBPs. Chúng là các enzyme phụ thuộc ion kẽm (Zn2+- dependent enzymes), và có phản  ứng mở vòng β-lactam khác hẳn.

Về mặt lâm sàng, hai enzyme β-lactamase quan trọng nhất là A và C. Nhóm β-lactamase A là các enzyme penicillinase, song, một số chúng vẫn có hoạt tính cephalosporinase và carbapenemase. Các enzyme thuộc  nhóm A bị ức chế thông qua một số chất ức chế đặc biệt như clavulanic acid. Trong khi đó, nhóm C lại là các enzyme cephalosporinase và không bị ức chế bởi clavulanic acid. Các enzyme nhóm A và C thường được mã hóa trên nhiễm sắc thể và có tính cảm ứng cao, ngoài ra, chúng còn được mã hóa trên plasmid. Các enzyme β-lactamase nhóm B là các enzyme phổ rộng và có khả năng thủy phân đa số β-lactam ngoại trừ các monobactam.

Màng ngoài của các vi sinh vật gram âm là tấm bia quan trọng trong việc bảo vệ chúng khỏi tác động của penicillin. Đối với các vi khuẩn gram âm, enzyme β-lactamase nằm trong nhu thể của tế bào, giữa màng tế bào chất trong và màng lipopolysaccharide ngoài, từ đó giúp bảo vệ các PBPs khỏi sự tấn công của các chất kháng sinh β-lactam. Các phân tử phân cực nhỏ đi qua lớp rào chắn này thông qua các kênh protein được gọi là porin. Porin khống chế dòng các phân tử đi vào tế bào thông qua các đặc điểm về kích thước, cấu trúc và điện tích. Song đây không phải là yếu tố giúp vi khuẩn gram âm có thể kháng thuốc do các kháng sinh β-lactam có thể dễ dàng đi vào tế bào qua porin để gắn vào các đích PBPs. Như vậy, để có thể kháng thuốc, vi sinh vật cần làm biến mất các porin này thông qua sự có mặt của β-lactamase.

Cơ chế thứ ba giúp các tế bào kháng lại kháng sinh là nhờ khả năng đẩy lượng thuốc đi ra khỏi tế bào, từ nhu thể ra màng ngoài. Đây là một cơ chế khá hiệu quả do nó hạn chế được nồng độ kháng sinh có trong tế bào, một số loài nhờ cấu trúc đặc biệt của porin, các bơm qua màng, β-lactamase và PBPs mà có khả năng kháng lại kháng sinh một cách tự nhiên. Bên cạnh đó, các đột biến gây ảnh hưởng đến cấu trúc và biểu hiện của protein cũng là nguyên nhân dẫn đến hiện tượng kháng kháng sinh của một số dòng vi khuẩn.

Cơ chế kháng kháng sinh β-lactam cuối cùng là biến đổi cấu trúc các PBP, khiến chúng giảm khả năng bám với kháng sinh β-lactam, Đây có thể là kết quả của các đột biến trên các gen mã hóa cho PBP trên nhiễm sắc thể và thậm chí là trên plasmid.

Phân loại

Dựa vào các đặc điểm về dược lý, các dòng penicillin có thể được chia thành năm lớp cơ bản: (1) penicillin tự nhiên, penicillin G và penicillin; (2) penicillin kháng penicillinase, methicillin, nafcillin và isoxazolyl penicillin; (3) aminopencillin, ampicillin và amoxicillin; (4) carboxypenicillin, carbenicillin và ticarcillin; (5) acyl ureidopenicillin, azlocillinm, mezlocillin và piperacillin. Carboxypenicillin và ureidopenicillin cũng được sử dụng như penicillin kháng pseudomonas. Mặc dù chia thành năm lớp, nhưng trong từng lớp vẫn có một hợp chất có hoạt tính cao hơn hẳn các chất còn lại.

Penicillin tự nhiên được sử dụng trong các ca nhiễm vi khuẩn gram dương không sinh β-lactamase, các vi sinh vật kỵ khí (anaerobes) và một số khuẩn cầu gram âm như Neisseria. Các vi khuẩn gram dương bị ức chế bằng penicillin tự nhiên có xu hướng nhạy với các loại này hơn là các loại penicillin bán tổng hợp. Penicillin V (loại uống trực tiếp) có thể thay thế cho penicillin G trong đa số các trường hợp ngoại trừ các ca nhiễm khuẩn gram âm do chúng kém hiệu quả hơn penicillin G trong việc chống Neisseria và Haemophilus. Các penicillin kháng penicillinase bán tổng hợp là các thuốc chỉ được sử dụng trong các ca nhiễm khuẩn Staphylococcus aureus và Staphylococcus epidermidis kháng penicillin. Aminopenicillin có phổ sử dụng tương tự như penicillin G và còn có khả năng kháng các khuẩn cầu gram âm và Enterobacteriaceae dạng không sinh β-lactamase. Carboxypenicillin và ureidopenicillin được sử dụng trong các ca nhiễm vi sinh vật hiếu khí gram âm như P.aeruginosa. Để chống lại các vi khuẩn Streptococci và Haemophilus spp thì nên sử dụng ureidopenicillin hơn là carboxypenicillin. Các vi khuẩn kỵ khí gram âm thường có khả năng kháng đa số các loại penicillin và chúng chỉ bị ức chế trong trường hợp sử dụng penicillin G liều cao hoặc các chất kháng pseudomonas bán tổng hợp, piperacillin và ticarcillin. Các dòng Fusobacterium varium thường kháng được tất cả các loại penicillin.

Các tác dụng phụ

Trong đa số các trường hợp, tác dụng phụ của việc sử dụng penicillin là các phản ứng quá mẫn (hypersensitivity reaction). Hai chất penicilloyl và penicillanic acid là các dẫn xuất của penicillin và cũng là các chất gây dị ứng thường gặp. Penicilloyl là sản phẩm của phản ứng mở vòng β-lactam và có khả năng tạo liên kết amide với các protein của cơ thể, đây đồng thời cũng là hợp chất kháng nguyên quan trọng nhất. Penicillanic acid và các dẫn xuất khác của nó được hình thành trong môi trường acid hoặc trong nhiệt độ cao. Các chất khác gây dị ứng là benzyl penicillin và Natri benzyl penicilloate. Tất cả các chất trên đều có khả năng gây ra các phản ứng quá  mẫn hay phản ứng nổi mề đay ở bệnh nhân. Các phản ứng này do tác dụng của kháng thể Immunoglobulin E (IgE) gây ra. 

Bệnh huyết thanh cũng khá thường gặp trong các ca bệnh nhân sử dụng penicillin. Biểu hiện của bệnh bao gồm sốt, nổi mề đay, đau khớp và phù nề; trong một số trường hợp dị ứng hiếm gặp, bệnh nhân còn có thể mắc hội chứng Stevens- Johnson. Ngoài ra, các chất benzyl penicilloyl hoặc các dẫn xuất khác còn có thể dẫn tới phát ban. 

Một dạng dị ứng khác cũng thường gặp khi sử dụng penicillin là viêm mạch dị ứng, kèm theo là các thương tổn về da cũng như nội tạng. Ngộ độc huyết (Hematologic toxicity) là tác dụng phụ khá hiếm gặp, và chỉ trong những ca bệnh nhân sử dụng kháng sinh với liều lượng lớn. Bên cạnh đó, tất cả các loại penicillin được sử dụng với liều cao, đặc biệt là ticarcillin, đều có thể bám vào thụ thể adenosine diphosphate của tiểu cầu, từ đó làm giảm khả năng đông máu tự nhiên. 

Gây độc cho thận cũng là một trong những tác dụng phụ của việc sử dụng penicillin. Trong tất cả các ca sử dụng kháng sinh thuộc dòng penicillin trong thời gian dài, đặc biệt là sử dụng methicillin, người bệnh thường mắc thêm chứng viêm thận, với các triệu chứng bao gồm sốt, phát ban, tăng lượng bạch cầu ưa kiềm, lẫn protein trong nước tiểu và cuối cùng là đi tiểu ra máu. 

Việc sử dụng các loại penicillin bừa bãi còn gây ra rối loại các chất điện giải, đặc biệt là khi sử dụng ticarcillin. Bệnh thiếu kali máu có thể do một lượng lớn các anion không thể tái hấp thụ còn lại trong ống lượn xa của thận, làm thay đổi lượng H+ bài tiết và dẫn tới sự mất ion K+.

Tác dụng phụ thường gặp khi sử dụng các loại penicillin dưới dạng uống trực tiếp là rối loạn tiêu hóa, mà thường là đối với ampicillin. Việc sử dụng kháng sinh trong thời gian dài và liều cao có thể gây kháng thuốc trên một số chủng vi khuẩn gram âm, các loại nấm như Candida. Bên cạnh đó, nhiều lợi khuẩn trong tuyến tiêu hóa cũng bị ức chế sinh trưởng, dẫn tới các rối loạn trong quá trình bài tiết chất thải qua đường tiêu hóa.Các xét nghiệm kiểm tra hoạt động gan cho thấy các dấu hiệu bất thường như tăng lượng alkaline phosphatase và aminotransferase. Tuy nhiên, chưa có bằng chứng về việc người bệnh có khả năng mắc viêm gan khi sử dụng penicillin, các thương tổn về gan thường không xảy ra, lượng enzyme gan sẽ quay trở lại ngưỡng bình thường sau vài ngày ngừng điều trị.

Các trường hợp sử dụng

Penicillin G được sử dụng trong điều trị các bệnh truyền nhiễm do Streptococcus pyogenes, các dòng nhạy penicillin của Streptococcus pneumonia, và enterococci. Ngoài ra, có thể tiêm penicillin G để điều trị viêm màng não do pneumococcus và meningococcus, viêm màng trong tim do streptococcus và enterococcus, đây vẫn được xem là phương pháp điều trị bằng penicillin tối ưu, các dòng kháng sinh khác đều không có hiệu quả bằng. Các dòng S.pneumoniae nhạy penicillin đều có thể sử dụng penicillin để điều trị với liều lượng không quá 0.1 µg. Các loại penicillin khác mặc dù có hiệu quả cao nhưng nồng độ ức chế tối thiểu (Minimal Inhibitory Concentration- MIC) thường lớn hơn penicillin G. Penicillin, ampicillin, và amoxicillin đều là các hợp chất có hiệu quả cao với lượng MIC hiếm khi quá 4 µg/mL, đối với ticarcillin, để điều trị truyền nhiễm nặng do các dòng kháng penicillin cần MIC= 128 µg/mL và có thể hơn. Ngoại trừ viêm màng não do pneumcoccus, các bệnh do nhiễm pneumococcus kháng penicillin xuất hiện chủ yếu là do sử dụng nhiều penicillin G với liều lượng cao. Trong những ca nhiễm pneumococcus nặng do các chủng kháng penicillin gây ra, MIC sử dụng còn có thể lớn hơn 1 µg/mL. Chỉ khi đã chắc chắn về độ nhạy của penicillin, bác sĩ mới nên sử dụng penicillin trong điều trị viêm màng não do pneumococcus.

Thực tế là tất cả các dòng Neisseria meningitides đều nhạy cảm với penicillin G. Các dòng Neisseria gonorrhoeae thường kháng penicillin. Để điều trị giang mai, penicillin G luôn là ưu tiên được sử dụng trong mọi giai đoạn bệnh. Các ca nhiễm khuẩn thai sản do streptococci kỵ khí hoặc streptococci nhóm B (Streptococcus agalactiae) gây ra đều có thể được điều trị bằng penicillin G. 

Các dòng penicillin kháng penicillinase thường được chỉ định điều trị trong các ca nhiễm các dòng vi khuẩn staphylococci nhạy methicillin. Ngoài ra, thuốc còn được dùng để điều trị nhiễm khuẩn S.pyogenes và các dòng S.pneumoniae nhạy penicillin, các khuẩn cầu gram dương kỵ khí. Song, trong điều trị nhiễm khuẩn Listeria monocytogenes, Enterococcus spp., và các dòng staphylococci kháng methicillin thì thuốc này không đem lại hiệu quả. Cơ chế giúp các vi khuẩn kháng methicillin là do chúng có thể sinh ra PBP 2a, đây là dòng PBP khó có khả năng gắn với methicillin. Ngoài ra, các dòng penicillin này cũng không được sử dụng để điều trị các ca nhiễm khuẩn gram âm.

Aminopenicillin được sử dụng trong các ca nhiễm khuẩn đường hô hấp, đường ruột, màng trong tim, viêm mãng não và nhiễm khuẩn ống dẫn nước tiểu do các vi khuẩn nhạy kháng sinh nhưng không sinh β-lactamase. Do đặc tính sinh học đặc biệt của amoxicillin, nó thường được đưa vào cơ thể qua đường miệng với liều cao nhất tới 3 g (80-90 mg/kg/ngày ở trẻ nhỏ).

Cuối cùng là các dòng penicillin phổ rộng và kháng pseudomonas, chúng được sử dụng để điều trị các ca nhiễm khuẩn gram âm, đặc biệt là P.aeruginosa. Trong điều trị nhiễm khuẩn pseudomonas không trên ống dẫn nước tiểu, nên sử dụng kèm theo là các chất kháng pseudomonas khác (ví dụ như aminoglucoside). Ureidopenicillin, piperacillin có khả năng kháng các vi khuẩn Klebsiella spp., Enterobacter spp., Serratia marcescens, và Providentia rất hiệu quả.

Phạm Ngọc Sơn

Dẫn nhập về “Lý thuyết trò chơi”- Game theory

Những ý tưởng ban đầu:

Nếu lý thuyết trò chơi là một công ty thì câu khẩu hiệu sẽ là “không có ai trên một hòn đảo”. Đơn giản là bởi vì mục tiêu của lý thuyết này là sự tương tác, khi mà quyết định của từng người sẽ ảnh hưởng đến cả nhóm và ngược lại, hướng đi của cả nhóm sẽ ảnh hưởng đến lợi ích của từng thành viên. Do đó, mỗi cá nhân cần tự đặt ra cho mình những câu hỏi: Những thành viên khác sẽ lựa chọn thế nào? Quyết định đó sẽ dẫn đến hậu quả gì? Đây không chỉ là những vấn đề của toán học hay của logic, mà nó thường xuyên diễn ra trong cuộc sống của con người, từ kinh tế, chính trị, luật pháp, khoa học và ngay cả trong cuộc sống thường ngày của mỗi người. Ví dụ nhé, nếu bạn là một người tham gia đấu giá một bức tranh “Nàng Mona Lisa” của Da Vinci, giá khởi điểm là 10,000 bảng, vậy nếu những người tham gia cứ tiếp tục nâng giá của bức tranh lên đến một điểm mà không ai theo được thì liệu ở đây ai sẽ là người có lợi nhất? Người mua sẽ có được bức tranh với giá hời hay người bán bức tranh sẽ thu được một khoản tiền lớn? Hành động tiếp tục đẩy giá lên của bạn có ảnh hưởng gì tới những người đấu giá khác? Một ví dụ khác, nếu bạn là thủ lĩnh một bầy sói, và món yêu thích của bạn là thịt cứu, tuy nhiên, nếu bạn cứ liên tục ăn thì chả mấy chốc, đàn cừu sẽ hết, và bạn mất luôn món thịt cứu ưa thích, vậy thì đâu là ngưỡng săn bắt để bạn vẫn có thịt cừu ăn mà đàn cừu vẫn có thể sinh sôi nảy nở? Như vậy, trong từng trường hợp, bạn luôn phải xác định rõ ràng các yếu tố 

sau:

Nhóm: Bất kỳ một trò chơi nào cũng là sự tham gia của nhiều người chơi, trừ phi bạn thích chơi một mình, và mỗi người chơi sẽ phải đưa ra quyết định, kết quả của quyết định này sẽ ảnh hưởng đến lợi ích của nhóm và của các thành viên khác trong nhóm.

Sự tương tác: Đây là sợi dây ảnh hưởng của mỗi người chơi, liệu quyết định của một thành viên sẽ ảnh hưởng đến toàn bộ nhóm hay chỉ liên quan đến quyết định của người kế tiếp. Sự tương tác có thể là một chiều hoặc hai chiều, thậm chí là đa chiều, điều này phụ thuộc vào trò chơi mà bạn đang tham gia.

Chiến thuật: đây là cách thức được đưa ra nhằm đảm bảo cho sự tương tác của mỗi người chơi. Bạn cầm trên tay một tập bài, và bạn sẽ phải đưa ra thứ tự đánh ra để có thể về nhất trong ván bài, đây là một ví dụ đơn giản nhất về cái mà chúng ta gọi là “chiến thuật”.

Tỷ lệ: đây gần như là kết quả của chiến thuật được lựa chọn. Sau khi bạn ra bài? Liệu người kế tiếp có thể ra quân bài lớn hơn không? Và dù là có thì khả năng quân bài được đánh ra là bao nhiêu, hay nó sẽ được đánh ra ở cuối ván? 

Hãy lấy ví dụ để dễ hình dung hơn nhé, ở trường bạn có hay làm việc nhóm? Hãy tưởng tượng ta có một nhóm học sinh phải thực hiện một danh sách dài những công việc nhỏ do giáo viên giao. Sự tương tác ở đây là sự ảnh hưởng của các công việc với nhau, bạn không thể quét nhà trước khi lau bảng bởi bụi phấn sẽ làm bẩn sàn nhà, và bạn sẽ phải quét lại. Ngoài ra, nếu một học sinh láu cá và trốn về trước, đồng nghĩa với việc  những học sinh khác trong nhóm sẽ phải ở lại làm thêm giờ để hoàn thành danh sách công việc. Chiến thuật chơi ở đây là ước tính công việc cho mỗi người để không có nhiều kẻ ăn bám, và ai cũng phải làm một khối lượng việc tương đương nhau. Cuối cùng, tỷ lệ ở đây là sự so sánh, cân đối một cách cẩn trọng giữa lợi ích của từng thành viên thu được để không ai chán nản bỏ về. 

Những dấu ấn hình thành trong lịch sử:

Những người đi tiên phong trong việc phát triển lý thuyết trò chơi là những là phân tích kinh tế trong thị trường cạnh tranh mà khởi đầu là nhà kinh tế người Pháp, Augustin Cournot và nhà kinh tế người Anh Francis Edgeworth. Cournot đã phân tích vấn đề độc quyền nhóm bán, mà sau này chúng ta vẫn gọi đây là mô hình Cournot và phương thức phân tích của ông trong trường hợp này được sử dụng một cách rộng rãi trong các nghiên cứu về sau. Ở đây, chúng ta sẽ không đi sâu vào mô hình Cournot, vấn đề này sẽ được đề cập trong các bài tiếp theo. Một hướng khác cũng liên quan đến lý thuyết này đến từ E. Zermelo năm 1913, liên quan đến cờ vua. Ông cho rằng, mỗi một ván cờ hay mỗi người chơi khi đi những quân cờ đều dẫn đến một cách để chiến thắng. Đơn giản là, sau nước đi đầu tiên, bạn sẽ có một tập hợp rất rất nhiều cách đi khác nhau nhưng chỉ có một số trong đó là dẫn đến chiến thắng. Sau này, các nghiên cứu của John von Neumann và Oskar Morgenstern đã nâng lý thuyết trò chơi lên một tầm cao mới mà cụ thể là thông qua cuốn sách “Lý thuyết trò chơi và các hành vi kinh tế- Theory of Games and Economic Behaviors" (1944). Trong cuốn sách này, Von Neumann và Morgenstern đã đưa ra 3 vấn đề chính. Đầu tiên là lý thuyết về lợi ích (utility theory), lý thuyết giải thích về những gì người chơi sẽ thu được từ các hành động của mình. Thứ hai, họ đã phân tích hết sức hoàn hảo về các giải pháp tối ưu trong các trò chơi có tổng bằng không (zero- sum games), các trò chơi hai người mà một người sẽ thắng nếu và chỉ nếu người kia thua cuộc. Cuối cùng, họ đã đưa ra các phiên bản của lý thuyết trò chơi và gọi chúng là các trò chơi hợp tác.

Bước tiến kế tiếp của lý thuyết này được dựng nên bởi John Nash, người đầu tiên đưa ra khái niệm và sự cân bằng, hay cách giải cho các trò chơi tổng bằng không và không bằng không, đây là ứng dụng được sử dụng một cách cực kỳ rộng rãi trong các lý thuyết trò chơi hiện đại. Nhờ có phát hiện này, Nash đã được trao tặng giải thưởng Nobel về kinh tế năm 1994, lý thuyết của ông đã đặt nền móng cho rất nhiều ngành kinh tế hiện tại, đấu giá, chứng khoán, chống bán phá giá, chống độc quyền,... Lý thuyết cân bằng này sau được biết đến với cái tên Cân bằng Nash (Nash equilibrium). 

Đến đây, bạn có bao giờ thắc mắc tại sao một lý thuyết quan trọng như vậy, góp mặt ở tất cả các lĩnh vực trong cuộc sống, lại có tên gọi là “lý thuyết trò chơi- game theory”. Nguyên nhân một phần là do ý tưởng khởi nguyên của lý thuyết này bắt nguồn từ các trò chơi bài, sau đó, các nhà toán học đã đào sâu vấn đề hơn, chỉ ra các mối tương tác, các chiến lược và tỷ lệ để hình thành nên một ngành nghiên cứu. Nó không mang cái tên gợi ra sự hào nhoáng nhưng cũng tạo nên vẻ tầm thường, cái tên này gợi cho chúng ta thấy niềm vui khi học nó, những phép tính, những con số, biểu đồ và ký hiệu sẽ không còn khô khan mà thực sự là một phần của cuộc sống thường nhật, nơi mà ai cũng có thể tìm hiểu nó, thực hành nó.

Phạm Ngọc Sơn

Ngộ độc chì

Hiện nay, trên báo đài, chúng ta thường xuyên nghe về những vụ nguồn nước sinh hoạt, nguồn nước ngầm, nước giếng khoan,... bị nhiễm chì, hay một số thông tin liên quan đến ngộ độc chì. Tuy nhiên, liệu bạn có thực sự hiểu chì là gì, những tác động của nó tới con người và tại sao các nước đều có ngưỡng tiêu chuẩn về hàm lượng chì có trong nguồn nước, nguồn không khí và thực phẩm. Bài viết này sẽ cung cấp cho các bạn cái nhìn tổng quan nhất về chì và những tác động của chúng tới cuộc sống của con người.

Đầu tiên, chì là gì?

Chì là một nguyên tố kim loại tự nhiên và có thể được tìm thấy trong lớp vỏ Trái Đất. Bên cạnh những lợi ích mà kim loại này đem lại trong sản xuất công nghiệp và trong cuộc sống, chì cũng là một chất độc cực kỳ nguy hiểm đối với con người và động vật, thậm chí có thể dẫn đế tử vong.

Chì có thể tìm thấy ở đâu?

Chì có thể được tìm thấy ở mọi nơi quanh chúng ta, với một lượng rất nhỏ, chẳng hạn như trong không khí, đất, nước và thậm chí là ngay trong ngôi nhà của bạn. Đa số mọi người đều không ngờ rằng chúng ta có thể bị phơi nhiễm chì ngay từ những thứ rất thường ngày, ví dụ như, chì đã từng được sử dụng làm đường ống dẫn khí đốt trong gia đình, trong một số thiết bị lạnh công nghiệp. Chì và các hợp chất của chì được sử dụng một cách rất rộng rãi trong rất nhiều các sản phẩm gia dụng, bao gồm sơn, gốm, đường ống, đồ hàn chì, đường ống dẫn khí, pin, đạn dược và mỹ phẩm.

Sau khi được sử dụng, chì có thể được thải ra môi trường dưới nhiều hình thức khác nhau. Chúng có thể được xả thẳng ra môi trường như một chất thải công nghiệp hay có thể được đựng trong các vật chứa chẳng hạn như trong pin hoặc ắc-qui. Bản thân chì cũng có mặt trong đất với tỷ lệ 50-400 phần triệu, tuy nhiên, các hoạt động của con người như khai mỏ, sản xuất công nghiệp hay trong chính rác thải sinh hoạt của chúng ta đã làm cho nồng độ chì trong đất cao bất thường và vượt ngưỡng cho phép ở nhiều khu vực.

Bên cạnh các nguồn rác thải rắn, chì cũng có thể được xả vào không khí thông qua hoạt động của các phương tiện giao thông hay là con đường xả khí thải công nghiệp. Bằng con đường không khí, chì sẽ được lưu chuyển đi xa hơn, trước khi được tích lại trong đất và bám vào các hạt. Bên cạnh đó, tùy thuộc và loại hợp chất, chì có thể bị nước rửa trôi khỏi nền đất một cách khá dễ dàng.

Do đặc tính dễ dàng lưu chuyển qua các môi trường, khí, đất và nước, nhiều quốc gia đã ban hành các quy định về ngưỡng hàm lượng chì cho phép trong không khí, nước uống, đất, các sản phẩm tiêu dùng, thực phẩm. Từ đó có những biện pháp giúp làm giảm lượng chì xả thải ra môi trường.

Nguy hiểm tiềm ẩn

Đối với trẻ nhỏ

Chì là một chất độc cực kỳ nguy hiểm đối với trẻ em. Do cơ thể đang trong giai đoạn phát triển nên trẻ có khả năng hấp thụ chì nhanh hơn nhiều so với người trưởng thành, chưa kể đến não và hệ thần kinh còn non yếu có thể bị chì tác động một cách mạnh mẽ. Trẻ sơ sinh và trẻ nhỏ có khả năng phơi nhiễm chì cao do trong quá trình vui chơi, trẻ có thể cho đất, cát hoặc các vật dụng chứa chì vào miệng một cách vô thức. Ngoài ra, thức ăn cũng là một trong các nguyên nhân gây ngộ độc chì ở trẻ, do trẻ đã ăn phải thức ăn hoặc nước uống tại những vùng bị nhiễm chì hoặc đồ ăn được rửa bằng nước có hàm lượng chì cao.

Người trưởng thành và phụ nữ mang thai

Người trưởng thành có thể bị phơi nhiễm chì thông qua con đường ăn uống, có thể, chúng ta trực tiếp ăn phải các loại thức ăn hay uống nước tại nguồn nước bị nhiễm chì hoặc đơn giản như trong không khí chúng ta hít thở có chứa nhiều khói bụi hoặc hơi chì ví dụ như trong nhà mới sơn hoặc trong khu công nghiệp sản xuất có sử dụng chì.

Chì ảnh hưởng thế nào đối với sức khỏe con người?

Chì có thể ảnh hưởng tới nhiều cơ quan và hệ cơ quan trong cơ thể. Trẻ em dưới sáu tuổi là đối tượng dễ bị chì tác động nhất.

Đối với trẻ nhỏ

Thậm chí chỉ một lượng chì rất nhỏ cũng có thể đẫn đến các hậu quả sau:

•         Suy giảm khả năng học tập
•         Giảm khả năng phát triển trí tuệ và có thể phát triển tính hiếu động thái quá (Hyperactivity)
•         Chậm lớn
•         Dễ mắc các bệnh về thính lực
•         Thiếu máu
•        Trong một số trường hợp nặng, trẻ có thể bị hôn mê lâu dài và dẫn tới tử vong

Phụ nữ mang thai

Chì có thể tích tụ lại trong cơ thể trong một thời gian dài, chúng được tích trữ tại xương cùng với can-xi. Trong thai kỳ, can-xi từ xương của người mẹ có thể được sử dụng để hình thành khung xương ban đầu ở trẻ nhỏ trong điều kiện người mẹ ăn uống không đủ chất. Tuy nhiên, do chì cũng được tích lũy trong xương nên chúng cũng được giải phóng và đi vào thai nhi trong quá trình này và dẫn tới các vấn đề như thai chậm phát triển và có thể dẫn tới sinh non.

Ngoài ra, chì còn có thể gây ra các ảnh hưởng tiêu cực đến hệ tuần hoàn, làm tăng huyết áp, giảm hoạt động chức năng của thận và các vấn đề về sinh sản ở cả nam và nữ.

Biện pháp phòng tránh ngộ độc chì

Ngôi nhà là nơi có khả năng phơi nhiễm chì cao, do đó, chúng ta cần thường xuyên lau dọn nhà cửa, không sử dụng các nguồn nước nhiễm chì cũng như xây nhà tránh xa các nguồn phát thải chì như khu công nghiệp, mỏ kim loại.Nếu bạn vừa sơn lại nhà, hãy thực hiện các biện pháp làm sơn nhanh khô và tạo điều kiện thoáng khí trong nhà, tránh để hơi sơn tích tụ. Chỉ sử dụng nguồn nước sạch và đã qua kiểm định để ăn uống.

Đối với trẻ nhỏ, cần ngăn không cho trẻ đưa đồ chơi, các vật thể lạ hay đất cát vào miệng. Sau khi cho trẻ chơi ngoài trời, cần rửa tay và thay quần áo mới cho trẻ. Chọn thức ăn cho trẻ một cách thận trọng, khác với người trưởng thành, trẻ em, đặc biệt là trẻ dưới 6 tuổi rất nhạy cảm với chì và có thể dễ dàng bị ảnh hưởng nếu không được phòng ngừa kỹ lưỡng.

Phạm Ngọc Sơn

Ngộ độc rượu Methanol

Tổng quan

Methanol là một dung môi hòa tan được sử dụng trong công nghiệp, tuy nhiên, đây là một chất có độc lực mạnh và có thể gây ra nhiều biến chứng nguy hiểm như nhiễm acid chuyển hóa, các di chứng thần kinh và thậm chí có thể tử vong. Hiện nay, rất nhiều các cơ sở nấu rượu không đạt chuẩn, hoặc cố tình pha methanol vào rượu để bán cho người tiêu dùng.

Các kỹ thuật hình ảnh hiện đại ngày nay đã cho chúng ta cái nhìn sâu sắc hơn về các biểu hiện lâm sàng của ngộ độc rượu methanol. Hơn nữa, các biến chứng về thần kinh ngày càng được ghi nhận với số lượng nhiều hơn, cho thấy người tiêu dùng đã phải hấp thụ một lượng rượu độc vô cùng lớn. Theo một nghiên cứu của Jaff và cộng sự, việc nhiễm độc methanol có thể dẫn đếncác thay đổi điện tâm đồ (ECG- electrocardiogram). Zakharov và cộng sự đã đề xuất một phương án cho phép các bác sĩ có thể chuẩn đoán và góp phần nâng cao hiệu quả điều trị ngộ độc rượu thông qua việc đo lường chỉ số S-formate. Theo nghiên cứu này, khi nồng độ S-formate tăng vượt qua ngưỡng 3.7 mmol/L, bệnh nhân bắt đầu xuất hiện các triệu chứng lâm sàng đầu tiên, mà cụ thể ở đây là sự suy giảm thị lực. Khi nồng độ S-formate cao hơn 11-12 mmol/L, người bệnh có thể sẽ mắc phải các di chứng nguy hiểm về mắt và thần kinh. Nạn nhân có thể tử vong, hoặc sống tiếp với các di chứng nặng nề, suy giảm khả năng lao động nếu S-formate > 17.5 mmol/L, S-lactate > 7.0 mmol/L, và pH< 6.87.

Các biến chứng

Mất thị lực

Cơ chế cụ thể khiến bệnh nhân bị mất thị lực sau khi nhiễm độc methanol hiện vẫn chưa được tìm hiểu một cách đầy đủ. Formic acid, chất độc chuyển hóa từ methanol, có thể là nguyên nhân của biến chứng này.

Nồng độ methanol trong huyết thanh cao hơn 20 mg/dL, bệnh nhân bắt đầu có những thương tổn về mắt. Sự thay đổi về đáy mắt (Funduscopic changes) có thể xuất hiện chỉ một vài giờ sau khi uống methanol, sau 48 giờ, bệnh nhân xuất hiện các triệu chứng nặng hơn như phù đĩa thị (Optic disc edema) và sung huyết.

Để hạn chế các thương tổn về thị lực, nạn nhân cần được giải độc càng sớm càng tốt và khống chế sự chuyển hóa của methanol.

Mất khả năng vận động

Bạn có thể hình dung, nếu một người có thể sống sót sau khi ngộ độc rượu sẽ có những dấu hiệu như của một bệnh nhân Parkinson. Biến chứng này là do nồng độ Formic Acid tăng cao, nguyên nhân của triệu chứng này đến nay vẫn chưa được làm sáng tỏ. Một giả thiết cho rằng formic acid có khả năng làm suy giảm hoạt động con đường dopaminergic và làm tăng hoạt độ enzyme dopa-β-hydrolase.

Sau khi nhiễm độc methanol, nạn nhân có thể biểu hiện các triệu chứng trên ngay lập tức hoặc có thể sau vài tuần mới biểu hiện. Các triệu chứng như chân tay rung, xơ cứng, giảm khả năng vận động (hypokinesis) cũng xuất hiện trong nhiều trường hợp.Trong trường hợp phương pháp trị liệu truyền thống không có hiệu quả, bệnh nhân có thể có biểu hiện có thắt cơ.

Sinh lý bệnh

Methanol có độc tính không cao, các biến chứng của nó chủ yếu do việc hình thành lượng lớn formic acid, một sản phẩm chuyển hóa của methanol.

Methanol nhanh chóng được tuyến tiêu hóa hấp thụ và chuyển hóa ở gan. ở giai đoạn đầu, methanol chuyển thành formaldehyde dưới sự xúc tác của enzyme alcohol dehydrogenase (ADH). Phản ứng này chậm lại ở các bước tiếp theo. Sau đó, dưới sự xúc tác của enzyme aldehyde dehydrogenase,  formaldehyde tiếp tục được chuyển hóa thành formic acid. Chu kỳ sống của formaldehyde ước tính khoảng 1-2 phút.

Formic acid có thể bị oxy hóa trở thành carbon dioxide và nước dưới sự có mặt của tetrahydrofolate. Quá trình chuyển hóa acid này mất rất nhiều thời gian, do đó, chúng thường được tích lũy lại trong cơ thể, đây là nguyên nhân của việc nhiễm acid chuyển hóa.

Những tác động đến thị lực của methanol đã được mô tả rất chi tiết ở các ca ngộ độc, nhưng chúng ta vẫn chưa thể hiểu một cách rõ nét cơ chế gây nên các triệu chứng này. Hiện tượng mất thị lực có thể do sự mất hoạt động chức năng của ty thể, nằm trong tế bào thần kinh mắt, dẫn đến chứng phù, xung huyết, và teo thần kinh thị giác.

Sự mất myelin (demyelination) của tế bào thần kinh thị giác được các nhà khoa học cho là do formic acid hình thành đã phá hủy cấu trúc các phân tử myelin.

Nguy cơ

Một cách hiển nhiên, không có một ai trong chúng ta lại sử dụng methanol để tự vẫn. Tuy nhiên, ở các bệnh viện, người ta vẫn thường ghi nhận các ca nhiễm độc methanol dưới nhiều hình thức khác nhau.

Trẻ em: Đây là một trong những đối tượng thường ngộ độc methanol. Do hệ thống phòng vệ của trẻ không đủ khỏe cũng nhưng chúng chưa biết đến các nguồn chất độc hại xung quanh chúng nên trẻ thường bị phơi nhiễm hoặc thậm chí là uống nhầm methanol và dẫn đến những hậu quả  đáng tiếc. Bản thân methanol được sử dụng trong các hệ thống làm lạnh, nước hoa, các dung môi hòa tan sơn, dung dịch photocopy, và trong nước rửa xe. Đây đều là những vật dụng trong nhà và trẻ có thể vô tình phơi nhiễm.

Người nghiện rượu: Đây là đối tượng ngộ độc methanol thường gặp nhất. Các nhà sản xuất rượu luôn muốn tăng lợi nhuận kinh doanh, nên một số doanh nghiệp thường bổ sung methanol vào rượu do chúng có giá thành rẻ hơn và khó bị phát hiện nếu chỉ ngửi thông thường. Đây là một hành vi phi pháp và đáng được lên án.

Công nhân công nghiệp: Ở các xưởng công nghiệp, đặc biệt là công nghiệp sản xuất hóa chất cơ bản, người lao động có nguy cơ phơi nhiễm, hoặc ngộ độc methanol rất cao, do chúng được sử dụng để sản xuất formaldehyde và senlac.

Phạm Ngọc Sơn

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