Trong những năm gần đây, ô nhiễm kháng sinh đang trở thành vấn đề môi trường đáng lo ngại tại Việt Nam. Việc sử dụng thuốc kháng sinh tràn lan trong chăn nuôi, nuôi trồng thủy sản và y tế đã dẫn đến lượng lớn tồn dư kháng sinh bị thải ra môi trường nước, gây ảnh hưởng tiêu cực đến hệ sinh thái thủy sinh và thúc đẩy sự xuất hiện của vi khuẩn kháng thuốc. Đây không chỉ là thách thức đối với ngành nông nghiệp mà còn là nguy cơ sức khỏe toàn cầu, được Tổ chức Y tế thế giới (WHO) nhiều lần cảnh báo.

Trước thực trạng đó, các nhà khoa học Việt Nam đang tìm kiếm những giải pháp xanh và bền vững nhằm xử lý ô nhiễm kháng sinh hiệu quả. Trong đó, công nghệ quang xúc tác sử dụng năng lượng ánh sáng để phân hủy các hợp chất độc hại được đánh giá có nhiều triển vọng ứng dụng. Tuy nhiên, vật liệu quang xúc tác truyền thống vẫn tồn tại những hạn chế nhất định, như phụ thuộc vào tia UV năng lượng cao, chi phí chế tạo lớn và hiệu suất chưa ổn định trong điều kiện tự nhiên.

Nhằm tìm kiếm giải pháp thân thiện và bền vững cho vấn đề này, TS. Lê Phương Thu và nhóm nghiên cứu đã đề xuất và được Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam phê duyệt thực hiện đề tài: “Nghiên cứu xử lý kháng sinh trong nuôi trồng thủy hải sản bằng quá trình quang xúc tác Bi2MoO6/g-C3N4/Clinoptiolite” (mã số VAST07.03/23-24).

TS. Lê Phương Thu (thứ hai từ phải sang) cùng nhóm nghiên cứu trong phòng thí nghiệm

Để khắc phục những hạn chế của vật liệu quang xúc tác truyền thống, nhóm nghiên cứu đã phát triển hệ vật liệu ba thành phần kết hợp giữa các chất bán dẫn nano và clinoptilolite, một loại khoáng zeolit tự nhiên có khả năng hấp phụ tốt và giá thành thấp. Bằng phương pháp thủy nhiệt đơn giản, nhóm đã tổng hợp thành công vật liệu Bi₂MoO₆/g-C₃N₄/Clinoptilolite (gọi tắt là CNBC). Vật liệu này có khả năng hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng khả kiến, tức là ánh sáng tự nhiên ban ngày, ưu điểm vượt trội so với nhiều hệ xúc tác khác phải sử dụng nguồn sáng nhân tạo.

Phân tích cho thấy, vật liệu CNBC có diện tích bề mặt lớn và mức năng lượng vùng cấm chỉ 2,23 eV, cho phép hấp thụ ánh sáng khả kiến (ánh sáng ban ngày) hiệu quả cao. Nhờ cấu trúc liên kết bền chặt giữa các hạt nano, vật liệu này hạn chế được hiện tượng “tái hợp” giữa điện tử và lỗ trống, nguyên nhân thường làm giảm hiệu suất trong các phản ứng quang xúc tác.

Kết quả thử nghiệm cho thấy, vật liệu CNBC có thể phân hủy tới 87,47% oxytetracycline (OTC) sau 120 phút và 89,04% ciprofloxacin (CFX) chỉ sau 90 phút chiếu sáng. Khi được đưa vào hệ thống xử lý nước thải hoạt động liên tục ở quy mô phòng thí nghiệm, vật liệu cho hiệu suất gần như 100%, dù chỉ sử dụng lượng xúc tác rất nhỏ (150 mg/L), tiết kiệm gấp ba lần so với các hệ vật liệu thông thường. Đặc biệt, vật liệu CNBC có thể tái sử dụng nhiều lần mà hiệu suất chỉ giảm khoảng 10%, cho thấy tính bền vững và ổn định cao, phù hợp để hướng tới ứng dụng thực tế.

Nhóm nghiên cứu còn làm rõ cơ chế phản ứng quang xúc tác, yếu tố then chốt quyết định hiệu quả xử lý. Thông qua các phân tích chuyên sâu, nhóm đã xác định được vai trò của các gốc oxy hóa mạnh như SO4●- và HO● trong quá trình phân hủy kháng sinh. Kết quả này là cơ sở khoa học vững chắc để tối ưu hóa hiệu suất xử lý và mở rộng ứng dụng cho các hệ xúc tác tương tự trong tương lai.

Đặc biệt, nhóm đã xây dựng thành công mô hình xử lý quang hóa tuần hoàn quy mô phòng thí nghiệm, có khả năng vận hành ổn định và xử lý triệt để kháng sinh trong nước thải nuôi trồng thủy sản, môi trường vốn có nồng độ chất ô nhiễm biến động phức tạp.

Theo nhận định của Hội đồng nghiệm thu cấp Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam: Đề tài do TS. Lê Phương Thu chủ trì được đánh giá là công trình có giá trị thực tiễn cao với định hướng công nghệ xanh và bền vững để xử lý ô nhiễm kháng sinh, vấn đề môi trường cấp bách hiện nay. Hội đồng đánh giá cao nỗ lực của nhóm trong thiết kế và vận hành thành công hệ thống xử lý tuần hoàn quy mô phòng thí nghiệm, chứng minh hiệu quả và tính ổn định khi loại bỏ các hợp chất kháng sinh dưới điều kiện gần với thực tế. Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên một bài báo quốc tế thuộc danh mục SCIE (IF 3.5, Q1) và một bài trên tạp chí VAST1. Hội đồng nhận định đây là nghiên cứu có chất lượng khoa học cao, phương pháp triển khai bài bản, kết quả vượt yêu cầu và thống nhất xếp loại A cho đề tài.

Với định hướng phát triển các giải pháp xử lý thân thiện môi trường, nhóm nghiên cứu đã tận dụng nguồn vật liệu tự nhiên giá rẻ, kết hợp cùng quy trình tổng hợp đơn giản, để tạo nên hệ xúc tác quang Bi₂MoO₆/g-C₃N₄/Clinoptilolite vừa hiệu quả, vừa ổn định, dễ ứng dụng trong thực tế. Thành công này đã khẳng định năng lực nghiên cứu của nhóm trong xử lý nước thải công nghiệp, nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản, góp phần thúc đẩy phát triển bền vững và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Chia sẻ về định hướng của nhóm, TS. Lê Phương Thu cho biết: “Chúng tôi mong muốn mang công nghệ xử lý tiên tiến đến gần hơn với đời sống, đặc biệt là ở các khu vực nông thôn và vùng nuôi trồng thủy sản, nơi vấn đề ô nhiễm kháng sinh đang ngày càng đáng lo ngại. Mục tiêu của nhóm không chỉ dừng lại ở việc xử lý hiệu quả các hợp chất kháng sinh như oxytetracycline hay ciprofloxacin mà còn hướng tới phát triển những hệ xúc tác “xanh” sử dụng vật liệu tự nhiên, chi phí thấp, hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng mặt trời.

Trong giai đoạn tiếp theo, nhóm sẽ tối ưu hóa thiết kế hệ thống xử lý, mở rộng nghiên cứu sang các chất ô nhiễm hữu cơ khác và đánh giá độc tính sản phẩm sau xử lý để đảm bảo an toàn môi trường. Đồng thời, các thử nghiệm thực địa cũng đang được đề xuất nhằm kiểm chứng hiệu suất của vật liệu trong điều kiện vận hành thực tế.