Tình hình nghiên cứu bụi nano trên thế giới

1.3. Tình hình nghiên cứu trên thế giới và tại Việt Nam

1.3.1. Tình hình nghiên cứu bụi nano trên thế giới

Từ những năm 1950, mới xuất hiện một số ít nghiên cứu đầu tiên về bụi siêu mịn. Cho đến những năm 1980, số lượng các nghiên cứu về bụi nano mới có dấu hiệu tăng lên. Và đến năm 2015, đã có hơn 10500 bài báo có thuật ngữ “bụi siêu mịn” xuất hiện trong dữ liệu của Scopus (Hình 1.10) [71].

Hình 1.10 cho thấy sự gia tăng đáng kể về các nghiên cứu liên quan đến bụi nano trong thời gian vừa qua. Có rất nhiều khía cạnh khác nhau từ những nghiên cứu này như thiết bị quan trắc, mơ hình phân tán, những thách thức kỹ thuật trong việc tiêu chuẩn hóa bụi nano, nồng độ bụi nano trong khí quyển… Nhưng nhìn chung, xu

thế nghiên cứu thường tập trung vào nồng độ, đặc trưng lý hóa, nguồn gốc của bụi nano và tác hại của chúng tới sức khỏe [71].

Hình 1.10. Số lượng các bài báo khoa học theo thời gian từ các tạp chí khác nhau, dữ liệu được thu thập từ Scopus bằng cách sử dụng từ khóa “bụi siêu

mịn”

Đặc điểm của hạt bụi nano được xác định bởi tính chất vật lý và tính chất hóa học của chúng. Tính chất vật lý bao gồm khối lượng, số lượng hạt, diện tích bề mặt, phân bố kích thước và hình thái học. Một số những đặc tính có thể dùng phương pháp đo trực tiếp như xác định số lượng hạt hay phân bố kích thước theo số lượng hạt. Một số thơng số khác như khối lượng, phân bố kích thước theo khối lượng hay hình thái học yêu cầu phải lấy mẫu bụi trước, sau đó xác định các đặc tính này trong phịng thí nghiệm bởi những thiết bị thích hợp. Các nghiên cứu về tính chất hóa học của bụi nano hầu hết cũng được thực hiện hồn tồn trong phịng thí nghiệm. Tất nhiên, để phân tích được thành phần hóa học của chúng, việc lấy mẫu hiện trường là cần thiết [9].

Tại châu Âu, ban đầu phương pháp xác định nồng độ số lượng và phân bố kích thước bụi siêu mịn chỉ được đề cập đến trong những nghiên cứu về khí quyển và dịch tễ. Hầu hết các nghiên cứu dịch tễ học trước đây xác định nồng độ số lượng (number concentration) tại các trạm quan trắc cố định với các thiết bị có sẵn. Những thiết bị này thường đắt và yêu cầu bảo dưỡng thường xun. Chính vì vậy, số lượng các trạm có các thiết bị này rất hạn chế [72]. Đến năm 1998 mới có vài trạm quan trắc tại Anh tiến hành đo đạc nồng độ số lượng và phân bố kích thước của các hạt bụi siêu mịn. Đến năm 2001, Thụy Điển là nước tiên phong trong việc quan trắc các hạt bụi siêu mịn với 16 điểm quan trắc trong mạng lưới quan trắc ô nhiễm khơng khí quốc gia.

Năm 2004, dự án “Phân bố kích thước hạt siêu mịn trong mạng lưới quan trắc ô nhiễm không khí” (UFIPOLNET) bắt đầu được thực hiện nhằm thiết kế một thiết bị đo hạt siêu mịn cho mạng lưới quan trắc chất lượng khơng khí với các tiêu chí: giá thành hợp lý, dễ dàng lắp đặt, sử dụng và duy trì, dễ dàng tích hợp vào trạm thu thập dữ liệu hiện có, thích hợp để theo dõi liên tục (24h/365 ngày). Trong thời gian hoạt động, từ tháng 12/2004 đến tháng 3/2008, bốn điểm quan trắc đã được lựa chọn để đo đạc các hạt siêu mịn đó là: Đường Canyon tại Stockholm (Thụy Điển - nồng độ bụi cao), Ngã tư đường tại Dresden (Đức - nồng độ bụi trung bình), lối vào đường hầm tại Prague (Cộng hịa Séc - nồng độ bụi trung bình), Cơng viên đơ thị tại Augsburg (Đức – mơi trường nền). Sau đó, vào cuối năm 2008, tổ chức tiêu chuẩn châu Âu đã bắt đầu thành lập một nhóm nghiên cứu để đề xuất kỹ thuật đo lường nồng độ và phân bố kích thước hạt siêu mịn trong quan trắc chất lượng khơng khí [73].

Tại Hoa Kỳ, bụi siêu mịn cũng đã được xác định là một trong những hướng nghiên cứu ưu tiên trong bản kế hoạch nghiên cứu về bụi của hội đồng nghiên cứu quốc gia Hoa Kỳ (US National Research Council) từ năm 1998 [3]. Sau đó, vấn đề về bụi nano cũng rất được quan tâm tại Hoa Kỳ trong khoảng thời gian gần đây. Trung tâm đo lường phát thải (EMC) thuộc Cục bảo vệ môi trường Hoa Kỳ đã kết hợp với Viện nghiên cứu Battelle tổ chức hội thảo với chủ đề “Quan trắc bụi nano trong không khí” vào tháng 3/2009 để chia sẻ những thông tin về các loại bụi và kỹ thuật quan trắc bụi nano. Qua đây, Cục bảo vệ môi trường Hoa Kỳ và các tổ chức tham gia sử dụng kết quả hội thảo để xem xét và lập kế hoạch quan trắc loại bụi này [74]. Cơ quan quản lý chất lượng khơng khí vùng vịnh Hoa Kỳ (BAAQMD) cũng đang có dự án nghiên cứu về bụi nano với mục đích có được kiến thức tồn diện của các hạt bụi này và giảm tác hại đối với sức khỏe của chúng tại vùng vịnh. Các nội dung chính của dự án bao gồm quan trắc, phân tích dữ liệu, phát triển kiểm kê phát thải, mô phỏng chất lượng không khí và ước tính tác động tới sức khỏe. Trong báo cáo về kiểm kê phát thải bụi siêu mịn cho vùng vịnh San Francisco năm 2012 thuộc dự án, mơ hình mode2sec đã được phát triển để ước tính phân đoạn bụi nano dựa vào dữ liệu bụi PM2,5 sẵn có. Dựa vào đó, kiểm kê phát thải bụi siêu mịn được tiến hành [75]. Năm 2013, một báo cáo tổng kết dự án về các tác động của bụi nano tới sức khỏe cũng được soạn thảo bởi Viện nghiên cứu sức khỏe Hoa Kỳ (2013 HEI). Dự án này bắt đầu từ năm 2011 và thu hút đông đảo các nhà khoa học từ các lĩnh vực khác nhau [33]. Đến tháng 2 năm 2015, cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ cũng đã tài trợ một hội thảo tại bang North Carolina để xem xét thực trạng liên quan của các hạt siêu mịn tới phát thải, chất lượng khơng khí và ảnh hưởng sức khỏe. Hội thảo đã có những bài thuyết trình về nguồn, xu hướng phát thải và nồng độ bụi siêu mịn trong khơng khí,

những bằng chứng về ảnh hưởng sức khỏe liên quan đến phơi nhiễm bụi nano, số liệu và các chỉ số về phát thải bụi nano, phương pháp đo bụi nano, chiến lược kiểm soát và cân nhắc chính sách liên quan. Hội thảo này đã tập hợp các chuyên gia từ khắp nơi trên thế giới để chia sẻ thông tin và thảo luận các bước tiếp theo trong tương lai về nghiên cứu và chính sách liên quan đến bụi nano. Điều này chứng tỏ sự quan tâm về bụi nano của các nhà khoa học tại một trong đất nước có nền khoa học phát triển nhất trên thế giới [8].

Tại châu Đại dương, những nghiên cứu về bụi siêu mịn cũng được tiến hành tại một số thành phố của Autraulia từ những năm 1990 về đo nồng độ số lượng bụi nano. Những kết quả ban đầu cho thấy, mức độ bụi nano tại khu vực sạch (không bị ảnh hưởng của con người) chỉ khoảng 102 hạt/cm3 trong khi tại khu vực nền đô thị (tại các trạm quan trắc) lên từ vài 103 tới 2x104 hạt/cm3. Đặc biệt trong môi trường giao thông (ven đường hoặc đường hầm), nồng độ này có thể vượt quá 105 hạt. Nhận thức được tác hại của bụi nano, một dự án tổng quan tài liệu và phân tích tác động của bụi siêu mịn tới sức khỏe đã được chính phủ tài trợ với mục đích phát triển các hướng nghiên cứu ưu tiên tại Úc. Dự án này được thực hiện bởi các chuyên gia hàng đầu của Úc, Đức và Hoa Kỳ trong lĩnh vực khoa học khí quyển, độc học, dịch tễ học, công nghệ thông tin và đánh giá rủi ro. Dự án tổng hợp 658 bài báo và 72 tài liệu khác nhằm củng cố các kiến thức hiện có và tìm ra những hướng phát triển mới cịn chưa được tìm hiểu. Từ đó, đề xuất các hướng nghiên cứu ưu tiên trong bối cảnh của đất nước [9].

Bắt đầu muộn hơn, tại châu Á, dự án “Mạng lưới quan trắc bụi nano tại Đông Á” (EA Nanonet) bao gồm các thành viên Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc, Thái Lan, Việt Nam, Campuchia và Singapore được thành lập vào tháng 3/2013 để cung cấp một số thông tin về hiện trạng ô nhiễm bụi nano (PM0,1) tại vùng Đông Á và Đông Nam Á. Mạng lưới này được thiết lập nhằm phát triển hệ thống quan trắc bụi nano trong khu vực với quy trình lấy mẫu bụi thống nhất. Qua đó, mơ tả hiện trạng cũng như mức độ ô nhiễm bụi nano tại vùng Đông Á và Đông Nam Á, đánh giá được rủi ro do bụi nano gây ra cho sức khỏe con người và khí hậu. Từ đó, đề ra chính sách, chiến lược mơi trường nhằm giảm thiểu những rủi ro đó [76].

Ngồi những chương trình, dự án lớn, hàng loạt những nghiên cứu của các nhà khoa học cũng được công bố. Chow và Watson (2007) đã tiến hành tổng hợp tài liệu của 25 nghiên cứu về phương pháp đo lường và phương pháp phân tích thành phần hóa học của bụi nano. Kết quả cho thấy, hầu hết các nghiên cứu được thực hiện tại Hoa Kỳ, với 16 nghiên cứu ở các vùng Los Angeles, Californa, Houston thuộc bang Texas; Atlanta thuộc bang Georgia; Baltimore thuộc Maryland; và New York. Trong

khi đó, tại châu Âu, chỉ có hai nghiên cứu của Pakkanen và Viidanoja tiến hành đo đạc bụi siêu mịn tại đô thị Helsinki và vùng nông thôn Luukii thuộc Espoo, Phần Lan. Tại châu Á, có bốn nghiên cứu tại Nhật Bản (Nagoya, Kawasaki, Tsukuba và Saitama) và ba nghiên cứu tại Trung Quốc (hai nghiên cứu tại Đài Loan và một nghiên cứu tại Trung Quốc lục địa) [77]. Sau đó, một loạt những nghiên cứu về thành phần hóa học của bụi nano và nguồn phát sinh ra chúng trong không khí ra đời [1, 3, 8, 14, 72, 78, 79]. Trong khi đó, các nghiên cứu về nồng độ số lượng bụi nano của các nhà khoa học cũng tăng một cách đáng kể. Tổng hợp 37 nghiên cứu về nồng độ số lượng bụi nano của Kumar và cộng sự (2014) đã cho thấy các nghiên cứu thuộc loại này chiếm đáng kể tại châu Âu với 22 nghiên cứu, đứng thứ hai là khu vực châu Á với 7 nghiên cứu, sau đó là khu vực Bắc Mỹ với 6 nghiên cứu (riêng Hoa Kỳ có 4 nghiên cứu), 1 nghiên cứu tại Nam Mỹ (Chi Lê) và 1 nghiên cứu tại châu Đại dương (Austraulia) [15]. Một số nghiên cứu khác tại châu Đại dương cũng chủ yếu xác định nồng độ số lượng của bụi nano tại một số môi trường khác nhau [80-84]. Điều này cho thấy xu hướng nghiên cứu khá khác nhau của khu vực Châu Âu, châu Đại dương và nước Hoa Kỳ. Trong khi khu vực châu Âu và châu Đại dương tập trung nghiên cứu về nồng độ số lượng thì Hoa Kỳ lại thường theo hướng lấy mẫu phân tích nồng độ khối lượng và thành phần bụi nano. Các nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng trong khi những nỗ lực ban đầu vẫn chưa tìm được mối liên hệ nhất quán với các ảnh hưởng sức khỏe với nồng độ số lượng bụi nano, những nghiên cứu dịch tễ học gần đây dựa trên nồng độ khối lượng đã tìm ra mối liên quan đáng kể tới tỷ lệ tử vong sớm và các chức năng sinh sản [14]. Điều này cho thấy việc lấy mẫu phân tích bụi nano cũng vẫn giữ vai trị khơng kém so với các hạt bụi có kích thước lớn hơn. Tuy nhiên, hiện nay, những hiểu biết về thành phần bụi nano vẫn cịn chưa tồn diện bởi một số lý do, trong đó có chưa có sự chuẩn hóa về kỹ thuật quan trắc bụi nano là một trong những lý do chính. Những nghiên cứu khoa học về thành phần bụi được tiến hành bằng nhiều phương pháp khác nhau, một số nghiên cứu dùng phương pháp đo nhanh trong khi nghiên cứu khác dùng phương pháp lấy mẫu bụi. Mặc dù cùng lấy mẫu bụi nhưng do thiết bị lấy mẫu bụi khác nhau, các phân đoạn bụi thu được cũng khác nhau. Thêm vào đó, các tác giả khác nhau tập trung nghiên cứu về các khía cạnh khác nhau của các thành phần hạt. Chính vì vậy, việc so sánh và tìm mối tương quan giữa các nghiên cứu chỉ mang tính chất tương đối.

Mặc dù rất khó khăn để xác định ảnh hưởng của riêng bụi nano với các nguồn bụi khác và các hạt lớn hơn nhưng cũng có một số thử nghiệm độc tính cho thấy các hạt siêu mịn có đường kính nhỏ hơn 0,1 µm có thể là dải gây hại nhất trong bụi PM2,5 [14]. Một số nghiên cứu khác đã cho thấy sự ảnh hưởng của bụi nano tới sức khỏe,

mơi trường tồn cầu cũng như ảnh hưởng tới tầm nhìn [7]. Vì vậy, song song với những nghiên cứu cơ bản về đặc điểm, nguồn gốc bụi nano, xu hướng nghiên cứu ảnh hưởng tới sức khỏe cũng như mơi trường nói chung là một trong hướng nghiên cứu được các nhà khoa học tập trung trong những năm gần đây.

Báo cáo HEI (2013) của Viện nghiên cứu sức khỏe Hoa Kỳ đã tổng hợp lại 40 nghiên cứu (được tổ chức PM ISA (2009) tổng kết trong giai đoạn từ năm 2000 – 2009), 8 nghiên cứu trong giai đoạn 2009 – 2011 và trên 75 nghiên cứu khác về ảnh hưởng của bụi nano tới sức khỏe. Kết quả cho thấy đến năm 2013, vẫn chưa có một nghiên cứu nào về ảnh hưởng phơi nhiễm dài hạn bụi nano tới sức khỏe. Với bụi PM10 và PM2,5, các nghiên cứu đồn hệ tương lai (ban đầu chọn 2 nhóm đều chưa mắc bệnh, sau 1 thời gian theo dõi sẽ đánh giá tỷ lệ bệnh có khác nhau giữa hai nhóm phơi nhiễm và khơng phơi nhiễm) và đồn hệ hồi cứu (chọn một nhóm đã phơi nhiễm rồi so sánh tỷ lệ bệnh với một nhóm khác khơng phơi nhiễm) đóng vai trị quan trọng trong việc xác định các triệu chứng mãn tính. Để thực hiện các nghiên cứu này, cần phải quan trắc bụi nano trong thời gian đủ dài và khơng gian đủ lớn. Vì vậy, những nghiên cứu này gặp khó khăn trong thực tế. Thay vào đấy, các nhà nghiên cứu thường dùng nghiên cứu cắt ngang (được thực hiện tại một thời điểm hay trong khoảng một thời gian ngắn, mỗi đối tượng chỉ thu thập thông tin một lần và không theo dõi xi theo thời gian như trong nghiên cứu đồn hệ tương lai).

Những nghiên cứu về ảnh hưởng phơi nhiễm ngắn hạn bụi nano tới sức khỏe thường dễ thực hiện hơn và phổ biến hơn. Vì vậy số lượng liên quan đến nghiên cứu này rất lớn. Báo cáo HEI (2013) tổng kết 86 bài báo liên quan đến ảnh hưởng phơi nhiễm ngắn hạn của bụi nano tới sức khỏe. Trong đó, có 11 nghiên cứu mối tương quan giữa phơi nhiễm ngắn hạn bụi nano với tỷ lệ tử vong, 15 nghiên cứu tới tỷ lệ bệnh tim mạch cấp tính, 17 nghiên cứu ảnh hưởng tới hệ hơ hấp, 43 nghiên cứu ảnh hưởng tới tim mạch. Phân bố theo không gian của các nghiên cứu này được thể hiện ở Hình 1.11 [33]. Hình 1.11 cho thấy phần lớn các nghiên cứu ngắn hạn được thực hiện ở châu Âu, đặc biệt là Tây Âu. Ngồi ra, ở Hoa Kỳ và Canada cũng có khoảng 20 nghiên cứu, riêng số lượng nghiên cứu ở châu Á rất khiêm tốn với 5 nghiên cứu (trong đó Đài Loan: 2 nghiên cứu, Trung Quốc: 2 nghiên cứu và Hàn Quốc: 1 nghiên cứu). Điều này cũng khá dễ hiểu bởi các cơng trình này chủ yếu nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ số lượng bụi nano tới sức khỏe trong khi như ta phân tích ở trên, việc xác định nồng độ số lượng được thực hiện khá phổ biến ở châu Âu. Đến thời điểm 2013, phương pháp lấy mẫu mới chỉ bắt đầu được thực hiện trong các nghiên cứu dịch tễ học và vẫn chưa công bố [33].

Hình 1.11. Phân bố của các nghiên cứu ảnh hưởng phơi nhiễm ngắn hạn của bụi nano tới sức khỏe

Sau báo cáo của HEI (2013) về những bằng chứng ảnh hưởng tới sức khỏe của bụi nano, ngày càng nhiều các liệu nghiên cứu về tác động của sức khỏe liên quan đến phơi nhiễm bụi nano. Hội thảo năm 2015 đã trình bày những bằng chứng này trong các bài thuyết trình về các nghiên cứu phơi nhiễm ngắn hạn cũng như dài hạn bụi nano. Nhìn chung, đến năm 2015, ngồi các nghiên cứu ngắn hạn, một vài nghiên