Trên con đường tìm thêm những chiến công mới của nước hoạt hóa plasma (PAW), chúng ta có thêm một tiềm năng mới: đánh bại tình trạng tảo lam nở hoa.
Có lẽ, chúng ta đã từng quen thuộc với cảnh mặt nước trong ao hồ hay thậm chí những đoạn sông suối chuyển màu xanh lục, xanh lam, đỏ nâu. Bắt mắt, thậm chí đẹp đến siêu thực nhưng đó chính là dấu hiệu của tình trạng tảo nở hoa (algal bloom), một hiện tượng bùng phát tảo làm ô nhiễm môi trường nước.
Tảo lam nở hoa (Cyanobacteria bloom) là một dạng của tảo nở hoa nhưng đáng ngại hơn bởi đi kèm với sự bùng phát số lượng lớn tảo lam là phát thải độc tố. Đây là điểm mấu chốt khiến người ta phải e dè tảo lam và ngăn chặn sự xuất hiện của chúng.
Tuy nhiên đây là một cuộc chiến dai dẳng, trở đi trở lại.
Sự đáng sợ của tảo lam
Mặc dù được gọi là tảo lam nhưng chúng thực sự là những con vi khuẩn có khả năng tận dụng ánh sáng mặt trời: quang hợp. Người ta có thể tìm thấy chúng ở khắp mọi nơi trên thế giới, từ các hệ sinh thái đại dương đến nước ngọt. Chúng cũng được tìm thấy trong gần như mọi hệ sinh thái trong đá và tồn tại trong những điều kiện khắc nghiệt bậc nhất, ví dụ như trong vết nứt đá grannite ở Nam Cực.
Nguyên nhân sâu xa dẫn đến hiện tượng tảo nở hoa hay tảo lam nở hoa là do tình trạng phú dưỡng (eutrophication) – trong nước dư thừa các chất dinh dưỡng như nitrat và phốt phát từ các hoạt động chăm bón đồng ruộng hoặc nước thải sinh hoạt chưa được xử lý đúng mức. Tuy nhiên trong thời gian gần đây, các nhà khoa học phát hiện thêm một số nguyên nhân mang tính thời đại khác đã đổ thêm dầu vào lửa như sự ấm lên toàn cầu và sự gia tăng nồng độ CO2 trong khí quyển.
Sự sinh sôi theo hàm mũ của tảo lam, dưới những điều kiện này, quả thực không chỉ làm đổi màu nước mà còn làm thay đổi tính chất của nước: nước rơi vào tình trạng thiếu hụt ô xy (hypoxia) rồi mất ô xy (anoxia), tăng độ pH khiến nước trở nên có tính kiềm hơn… Sự mất cân bằng của nước dẫn đến cái chết của các loài cá và động vật ở tầng đáy và việc thêm vào nữa độc tố cyanotoxin và các hợp chất có mùi khó chịu như cú đánh bồi làm giảm sức sống và mất mát đa dạng sinh học của các hệ sinh thái dưới nước.
Không chỉ có vậy, tảo lam nở hoa cũng còn ảnh hưởng đến đời sống con người, dưới góc độ ảnh hưởng đến việc nuôi trồng, đánh bắt thủy sản, khai thác nước sinh hoạt và du lịch. Lịch sử cho thấy vĩ đại như Hồ Lớn Bắc Mĩ, nơi chiếm 18% tổng diện tích nước ngọt trên bề mặt thế giới, cũng bị những con tảo lam nhỏ bé này xâm chiếm. Trong số các hồ này, nổi bật là hồ Eric trong những năm 1960 – đầu những năm 1970, giảm xuống trong những năm 1970-1980 khi giảm thiểu tải lượng phốt pho và lại bùng phát vào những năm 1990. Khó có thể tưởng tượng là tảo lam trong mùa xuân ẩm ướt 2011 đã trải rộng trên diện tích 5.000 km2.
Gần gũi hơn với người châu Á, Thái Hồ, một thắng cảnh ở đồng bằng sông Dương Tử, từng điêu đứng vì tảo lam nở hoa mà đáng nhớ là vào tháng 5/2007, hồ bị ô nhiễm tảo lam trên diện tích xấp xỉ 2,400km2 khiến hàng triệu người ở thành phố Vô Tích thiếu nước uống trong vòng một tuần. Nước đóng chai trong siêu thị tăng giá lên gấp 6. Không ai muốn uống nước có độc tố tảo lam bởi có thể bị nôn mửa, tiêu chảy, đau đầu, đau cơ, khó thở…
Nhiều giải pháp nhưng không triệt để
Do sự nguy hiểm của tảo lam nở hoa mà từ vài thập kỷ qua, người ta đã áp dụng rất nhiều biện pháp ngăn ngừa, kiểm soát và giám sát tình trạng tảo lam. Đó là các biện pháp truyền thống và hiện đại như giảm thiểu lượng dinh dưỡng phát thải trong nông nghiệp, sinh hoạt; giám sát, theo dõi nguồn nước bằng cảm biến, dữ liệu ảnh vệ tinh; thiết lập hệ cảnh báo sớm; dùng hóa chất; sục khí, nuôi thiên địch…
Tuy hiệu quả nhưng các biện pháp này cũng bộc lộ một số điểm yếu nhất định. Thứ nhất, việc sục khí hay nuôi thiên địch, ví dụ như thả cá mè ăn tảo phụ thuộc vào thời điểm thả cá và mật độ tảo vì nếu lượng tảo quá lớn có thể dẫn đến nguy cơ làm cá chết; thứ hai, việc theo dõi nguồn nước cũng đòi hỏi kinh phí lớn vì phải giám sát trên một diện tích rất rộng; thứ ba, việc giảm thiểu lượng phát thải trong nông nghiệp, nuôi trồng thủy sản thường phức tạp vì cần nhiều bên tham gia; thứ tư là dùng hóa chất có thể hiệu quả nhanh nhưng cũng có thể ảnh hưởng ngược đến môi trường nước.
Lời hứa hẹn từ PAW
Trên đường đi tìm những giải pháp mới, người ta tìm thấy ở PAW với các chất phản ứng RONS có thể đem lại một lựa chọn mới. Các nhà khoa học ở Viện nghiên cứu Plasma Research (IPR) và Viện Homi Bhabha quốc gia ở Mumbai, Ấn Độ đã phát hiện ra khả năng kìm hãm hoặc thúc đẩy sự phát triển của hai loài tảo lục đơn bào Chlorella Pyrenoidosa và Chlorella Sorokiniana. Trong đó, dạng PAW có tính phản ứng cao, với đặc trưng là độ pH thấp và nồng độ các hợp chất oxy hóa mạnh cao, có tác dụng hủy diệt các tế bào tảo lục, làm đứt gãy cấu trúc tế bào sau khi xử lý bằng PAW. (Ngược lại, một dạng PAW khác có tính phản ứng thấp, với đặc trưng là độ pH cao và nồng độ các hợp chất ôxy hóa mạnh thấp hơn, thì lại cung cấp nguồn ni tơ, thúc đẩy tảo phát triển.)
Với khả năng này, PAW hứa hẹn là một giải pháp tiềm năng cho việc kiểm soát tảo lam nở hoa. Đó là lý do mà một nhóm các nhà khoa học, trong đó có cả thành viên đến từ Aript đã nghiên cứu cách sử dụng PAW diệt Dolichospemum, một loài tảo lam phổ biến.
Trong nghiên cứu này, chủng Dolichospermum được lấy từ hồ Hoàn Kiếm, Hà Nội và được nuôi cấy trong vòng 7 đến 10 ngày, nồng độ xấp xỉ 2.1 ×105 tế bào trong một mililít dung dịch, tương đương 210.000 tế bào trong mỗi mililít. Sau đó, cho Dolichospermum tiếp xúc với PAW.
Điều gì xảy ra với các tế bào Dolichospermum?
Kết quả thu được cho thấy sự khác biệt về hình thái của các tế bào Dolichospermum sau tiếp xúc với PAW. Thông thường, tế bào Dolichospermum có hình cầu và vô số không bào khí (gas vesicles), những cấu trúc hình ống hoặc hình thoi chứa đầy khí giúp tảo lam bơi và tham gia vào quá trình quang hợp. Tuy nhiên, sau khi xử lý PAW, số lượng tế bào tảo đã giảm đi và nhiều tế bào còn “trụ lại” thì không có không bào khí.
Nguyên nhân dẫn đến tình trạng này, theo các nhà khoa học, là do các tế bào tảo lam chịu tác động đáng kể của quá trình ô xy hóa từ PAW, khiến khả năng “tự phát quang” (auto-fluorescence) không còn nữa. Chúng bị các chất phản ứng ô xy hóa (ROS) như chất ô xy hóa (H2O2) và gốc hydroxyt (•OH) tấn công, tạo nên stress ô xy hóa làm phá hủy các tế bào.
Sau 60 giây, PAW đã loại bỏ được 32,4 đến 38,7 % tế bào Dolichospermum. Sau đó, các nhà nghiên cứu đã đem số tế bào còn lại tái nuôi cấy 120 giờ thì kết quả cho thấy, loại bỏ tiếp 79,3 đến 87,7 % số tế bào, còn sau 168 giờ là 82,5 đến 88,8%. Điều đó cho thấy hiệu quả lâu dài của việc xử lý PAW, khi những tế bào bị bất hoạt không còn có thể tăng trưởng hoặc sinh sản nữa.
Với thực nghiệm này, các nhà khoa học Việt Nam đã chứng tỏ tiềm năng ứng dụng PAW như một giải pháp trong hướng xử lý ô xy hóa tiên tiến để tiêu diệt tảo lam và độc tố của nó trong nước. Cũng cần lưu ý thêm là mật độ của tảo lam trong nghiên cứu tương đương với mật độ tảo lam thu được ở hồ Núi Cốc hay hồ Trị An, vì vậy PAW xứng đáng được coi là giải pháp tiềm năng hoặc chí ít cũng là bổ sung, kết hợp với các giải pháp xử lý nước khác nhằm rút ngắn thời gian thực hiện, tiết kiệm năng lượng và tiết kiệm chi phí mà vẫn hiệu quả loại trừ.
Tuy nhiên, đây mới chỉ là bước đi đầu tiên, chứng tỏ là PAW có tiềm năng “xử đẹp” được tình trạng tảo lam nở hoa. Những bước tiếp theo để định hình một giải pháp sẽ còn cần đến những nghiên cứu tiếp theo trong tương lai.
——————————————–
Tài liệu tham khảo
1. Ultrastructural and genetic characteristics of endolithic cyanobacterial biofilms colonizing Antarctic granite rocks”. FEMS Microbiology Ecology. 2007
2. “Cyanobacterial blooms”. Nature Reviews Microbiology. 2018
3. “Investigating the Role of Plasma-Activated Water on the Growth of Freshwater Algae Chlorella Pyrenoidosa and Chlorella Sorokiniana”. Plasma Chemistry and Plasma Processing. 2023
4. “Investigating the efficacy of non-thermal plasma in the inactivation of cyanobacteria Dolichospermum sp.”. Vietnam Journal of Science and Technology. 2024