Nhóm các nhà khoa học Viện Công nghệ Hóa học (nay là Viện Công nghệ tiên tiến), Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (Viện Hàn lâm) đã có bước tiến mới khi phát triển thành công hệ phản ứng sinh học tích hợp cảm biến hồng ngoại không phân tán (NDIR CO₂).

Thiết bị này có khả năng phát hiện nhanh và chính xác độc tính của Cr(VI), một kim loại nặng cực độc thường xuất hiện trong nước thải công nghiệp, mở ra hướng tiếp cận mới cho giám sát nước thải và bảo vệ môi trường.

Hệ phản ứng sinh học tích hợp cảm biến hồng ngoại không phân tán (NDIR CO₂)

Trong bối cảnh nguồn nước ngày càng khan hiếm và chịu áp lực ô nhiễm từ các hoạt động công nghiệp, nhu cầu giám sát chất lượng nước thải nhanh, nhạy và đáng tin cậy trở nên cấp thiết. Đặc biệt, chromium hóa trị sáu (Cr(VI)) - kim loại nặng cực độc, có khả năng gây ung thư cao thường xuất hiện trong nước thải từ các ngành mạ kim loại, thuộc da, dệt nhuộm hay sản xuất hóa chất, đang đặt ra thách thức lớn cho hệ thống quan trắc môi trường.

Các kỹ thuật phân tích hóa học hiện đại như AAS, ICP-MS hay HPLC tuy đạt độ nhạy vượt trội nhưng chủ yếu nhằm xác định hàm lượng hóa chất riêng lẻ, chưa thể phản ánh đầy đủ tác động sinh học tổng thể của nước thải có nhiều thành phần chưa biết. Vì vậy, nhu cầu tìm kiếm phương pháp đánh giá độc tính toàn diện, nhanh, không xâm lấn và phù hợp thực tiễn đang được cộng đồng khoa học đặc biệt quan tâm.

Trước thách thức trên và trong khuôn khổ thực hiện đề án khoa học công nghệ trọng điểm cấp Viện Hàn lâm “Nghiên cứu phát triển các hệ cảm biến kết hợp trí tuệ nhân tạo phục vụ phân tích và giám sát chất lượng môi trường nước”, nhóm các nhà khoa học thuộc Viện Công nghệ tiên tiến: Phan Huỳnh Thanh Trúc, Nguyễn Phúc Hoàng Duy, Nguyễn Nguyên Phương, Nguyễn Hồng Nhung, Dương Trần Thanh Linh, Trần Bội An, Tăng Bá Quang, và Phạm Thị Thùy Phương đã phát triển phương pháp đo hoàn toàn không tiếp xúc trực tiếp với mẫu nước, vừa thân thiện môi trường, vừa cho phép theo dõi độc tính theo thời gian thực.

Đây là kết quả của công trình: “Development of a bioreactor with an integrated non-dispersive infrared CO₂ sensor for rapid and sensitive detection of Cr(VI) toxicity in water” (Phát triển hệ phản ứng sinh học tích hợp cảm biến hồng ngoại không phân tán để phát hiện nhanh và nhạy độc tính của Cr(VI) trong nước). Nghiên cứu đánh dấu bước tiến quan trọng trong việc kết hợp công nghệ sinh học với kỹ thuật cảm biến hiện đại giúp đánh giá và giám sát ô nhiễm môi trường hiệu quả hơn.

Một số thành viên trong nhóm thực hiện đề án: Nguyễn Phúc Hoàng Duy, Phạm Thị Thùy Phương, Lai Minh Nhật Ánh, Trần Bội An, Dương Huỳnh Thanh Linh và Trần Đức Thắng (từ trái qua phải)

Trong khuôn khổ nghiên cứu, các nhà khoa học đã phát triển thành công hệ phản ứng sinh học mới, tích hợp cảm biến hồng ngoại không phân tán (NDIR CO₂), cho phép theo dõi đồng thời sự phát triển của vi sinh vật và mức độ độc tính của Cr(VI) theo thời gian thực. Khác với các phương pháp truyền thống vốn dựa vào phép đo oxy hòa tan hoặc tín hiệu điện hóa dễ bị gây nhiễu bởi thành phần mẫu, nghiên cứu này có cách tiếp cận mới bằng việc đo lượng CO₂ được vi sinh vật tạo ra trong pha khí. Nhờ vậy, phép đo ổn định hơn, ít bị ảnh hưởng bởi đặc tính của mẫu nước và có độ chính xác cao hơn.

Trong nghiên cứu, nhóm tác giả đã phân lập chủng vi khuẩn Pseudomonas koreensis ICTTOX1 từ nước thải công nghiệp và xác định danh tính bằng các kỹ thuật hiện đại như MALDI-TOF mass spectrometry và giải trình tự 16S rRNA. Một điểm đột phá quan trọng của công trình là cách lựa chọn “độ tuổi” của tế bào vi khuẩn. Thay vì dùng vi khuẩn ở giai đoạn trưởng thành, nhóm đã chọn các tế bào đang trong thời kỳ tăng sinh mạnh - thời điểm vi khuẩn còn “non”, sức đề kháng với chất độc chưa cao. Nhờ đó, hệ thống có thể phát hiện Cr(VI) ở nồng độ rất thấp mà nhiều phương pháp thông thường khó nhận biết.

Nhờ tối ưu chiến lược sinh học này, hệ đo đạt giá trị IC₅₀ = 0,16 mg/L, thấp hơn đáng kể so với nhiều phương pháp độc tính đã công bố. Hệ thống còn có khả năng phát hiện nồng độ rất thấp, tới 0,01 mg/L Cr(VI), mức tương đương giới hạn trong ngưỡng quy chuẩn quốc gia (QCVN 08:2023/BTNMT) quy định về đánh giá chất lượng nước sông, hồ. Độ lặp lại của phép thử đạt CV = 12%, phù hợp với chuẩn quốc tế của Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (10 - 20%), cho thấy phương pháp đủ tin cậy để ứng dụng trong giám sát môi trường.

Không chỉ đạt hiệu suất cao trong phòng thí nghiệm, hệ thống cũng cho thấy tính khả thi thực tiễn. Tế bào ở pha đầu log có thể được bảo quản lạnh trong nhiều giờ mà vẫn giữ độ nhạy, thời gian nuôi cấy chuẩn bị ngắn và toàn bộ phép đo chỉ kéo dài khoảng 30 phút. Điều này mở ra khả năng triển khai thực tế tại các cơ sở xử lý nước thải, khu công nghiệp hoặc trạm quan trắc môi trường, hỗ trợ cảnh báo sớm các sự cố ô nhiễm kim loại nặng.

Nghiên cứu của nhóm tác giả còn được cấp bằng độc quyền sáng chế số 48693 cho giải pháp công nghệ “Phương pháp xác định độ độc của nước thải sử dụng thiết bị cảm biến sinh học kết nối với cảm biến NDIR”. Sáng chế được cấp cho tác giả Phạm Thị Thùy Phương cùng cộng sự Viện Công nghệ Hóa học - Viện Hàn lâm. Đây là minh chứng rõ ràng cho tính mới, tính sáng tạo và khả năng ứng dụng thực tế của nghiên cứu.

TS. Phạm Thị Thùy Phương (bên phải) cùng đồng nghiệp sử dụng hệ phản ứng sinh học tích hợp cảm biến hồng ngoại không phân tán (NDIR CO₂)

Chia sẻ về những khó khăn trong quá trình nghiên cứu, TS. Phạm Thị Thùy Phương cho biết: Công trình này là kết quả của nỗ lực bền bỉ và phối hợp chặt chẽ giữa các thành viên của Viện Công nghệ tiên tiến, với sự tham gia của hai đồng tác giả từ Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh (Nguyễn Phúc Thanh Duy và Tạ Đăng Khoa). Từ ý tưởng thiết kế hệ thống, chế tạo mô hình đến triển khai thí nghiệm và phân tích kết quả, nhóm đã gặp nhiều thách thức, đặc biệt là tối ưu hóa độ nhạy và độ ổn định của vi sinh vật cảm biến trong các mẫu nước phức tạp.

Những khó khăn này đòi hỏi sự kiên trì, thử nghiệm nhiều lần và kết hợp linh hoạt giữa kiến thức sinh học, kỹ thuật cảm biến và môi trường. Nhóm tác giả hy vọng kết quả này không chỉ cung cấp một công cụ giám sát độc tính hiệu quả mà còn mở ra hướng phát triển các cảm biến sinh học thông minh, phục vụ cảnh báo sớm ô nhiễm và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.