BODTOX: từ nghiên cứu đến triển khai ứng dụng

23/11/2021
Chỉ cần vài phút đến vài giờ, tùy mức độ phức tạp của nguồn nước, hệ nghiên cứu cảm biến sinh học đo BOD và độ độc do TS. Phạm Thị Thùy Phương và các cộng sự thuộc Viện Công nghệ hóa học (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) nghiên cứu đã có thể phát hiện ra nguồn nước có nguy cơ gây ô nhiễm khi được xả thải vào nguồn tiếp nhận. Với kết quả nghiên cứu này, TS. Phương cùng các cộng sự vừa nhận được tin vui là công trình “A novel biosensing system for rapid estimation of BOD5 and sensitive detection of toxicity in water (BODTOX)” đã xuất sắc giành giải thưởng Best Innovation Award của Quỹ Hitachi Global Foundation.

Ý định phát triển thiết bị có khả năng xác định nhanh mức độ ô nhiễm nước đã được cả nhóm ấp ủ từ năm 2016 khi những sự cố về cá chết hoàng loạt liên tục xảy ra trên khắp các tỉnh thành Việt Nam. Sau khi tìm hiểu các công nghệ có thể ứng dụng cho mục tiêu cảnh báo sớm ô nhiễm nguồn nước, TS. Phương nhận ra cảm biến sinh học có thể là một giải pháp phù hợp với điều kiện Việt Nam. Năm 2017, với nguồn tài trợ đầu tiên trị giá 30 ngàn yên từ Quỹ KURITA-AIT dành cho các nghiên cứu về nước, TS. Phương đã có được kinh phí, tuy không lớn nhưng cũng đủ để mua sắm một số hóa chất, thiết bị cơ bản để bắt đầu hiện thực hóa ý tưởng của mình.

Với mục tiêu tạo ra sản phẩm công nghệ có khả năng ứng dụng cao, nhóm nghiên cứu đã chọn đi một con đường riêng, không trùng lặp với những nghiên cứu về cảm biến sinh học hiện đang được tiến hành trên thế giới. Không chọn hướng nghiên cứu phát triển cảm biến sinh học (biosensor), vốn yêu cầu các thiết bị nghiên cứu đắt tiền cũng như phòng thí nghiệm đạt chuẩn, nhóm đã tập trung phát triển hệ thiết bị hoàn chỉnh với nguyên lý đo mới và thiết bị phản ứng sinh học (bioreactor) mới kết hợp với cảm biến DO thông thường. Hướng tiếp cận này được kỳ vọng sẽ giúp nhóm phát triển được các cảm biến sinh học có thể được chế tạo hàng loạt với giá thành thấp và nguồn nguyên vật liệu có sẵn trong nước.

Ý tưởng về nguyên lý đo bán liên tục do KS. Nguyễn Phúc Hoàng Duy đề xuất đã đem lại nhiều ưu điểm cho công nghệ BODTOX so với phương pháp đo liên tục hoặc theo mẻ như các nghiên cứu và hệ cảm biến sinh học thương mại hiện tại đang phát triển: chỉ cần sử dụng một cảm biến oxy hòa tan có thể xác định được cả oxy đầu vào và đầu ra; đồng thời có thể rút ngắn thời gian đo (so với phương pháp liên tục) và có thể xác định BOD theo thời gian thực (so với phương pháp theo mẻ). Ngoài ra, ý tưởng về một thiết bị phản ứng sinh học nhỏ gọn, có thể được chế tạo tại nơi vận hành mà không cần người có chuyên môn cao cũng đã được hình thành với mục đích giúp cho hệ cảm biến trở nên đơn giản hơn, dễ vận hành hơn và quan trọng là có chi phí đầu tư và vận hành thấp hơn các thiết bị hiện có trên thị trường.

Tuy nhiên, phải chờ đến năm 2018, khi nhóm nghiên cứu nhận được nguồn tài trợ từ Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam cho đề tài độc lập cấp Viện Hàn lâm “Nghiên cứu chế tạo cảm biến sinh học ứng dụng trong phân tích nhanh và liên tục nhu cầu oxy sinh hóa (BOD)” mã số VAST07.01/19-20, hệ thiết bị hoàn chỉnh mới được hiện thực hóa. Tiếp theo đó là những ngày thử nghiệm gian nan để tìm ra được quy trình chế tạo giá thể, nuôi cấy và cố định vi sinh, và quan trọng là quy trình đo sao cho kết quả thu nhận được từ thiết bị trùng khớp với kết quả đo bằng phương pháp xác định BOD5 truyền thống. 2 năm thực hiện đề tài, nhóm đã đạt được một số thành công nhất định như đã chế tạo được hệ thiết bị đơn giản, rẻ tiền cho thời gian đo chỉ 10 phút, có khả năng xác định nhanh BOD5 trong nước thải thủy sản và nước kênh rạch trong nội thành TP. HCM với hệ số biến thiên lớn nhất là < 10%  (với phương pháp đo BOD5 truyền thống < 20%) và không có sự khác biệt về mặt thống kê giữa hai phép đo khi sử dụng nước thải mô hình theo công thức từ Tổ chức Hợp tác và Phát triển Kinh tế (OECD) làm dung dịch chuẩn. Ngoài ra, những kết quả thu được ngoài khuôn khổ đề tài cho thấy công nghệ này hoàn toàn có khả năng ứng dụng để đo độc tính tổng của nguồn nước. Bằng thông số này, các cơ quan chức năng có thể phát ra cảnh báo sớm để kịp thời ngăn chặn các thảm họa môi trường mà không cần xác định chính xác độc tố có trong nguồn nước.

Để công nghệ này có thể triển khai ứng dụng vào thực tế, độ chính xác so với phương pháp đo BOD5 truyền thống cần được nghiên cứu thêm trên nhiều loại nước thải thực khác nhau cũng như khả năng xác định độc tính trong nước chứa các loại độc tố khác nhau. Một trong những hạn chế của phương pháp dự đoán nhanh BOD5 sử dụng biosensor là độ chính xác của nó phụ thuộc nhiều vào việc lựa chọn đúng dung dịch hiệu chuẩn. Theo đó, dung dịch hiệu chuẩn cần có mức độ phân hủy sinh học tương đương với nước thải cần phân tích nhưng để dễ ứng dụng thực tế, nó phải có thành phần đơn giản nhất có thể. Ngoài ra, việc phát triển thiết bị để nâng cao mức độ tự động hóa với giá thành thấp cũng cần được quan tâm nghiên cứu.

Nhóm nghiên cứu của TS. Phạm Thị Thùy Phương và cộng sự

May mắn là nhóm nghiên cứu lại tiếp tục nhận được sự hỗ trợ kinh phí từ Quỹ NAFOSTED dành cho đề tài nghiên cứu ứng dụng “Nghiên cứu phát triển phương pháp và thiết bị đơn giản, chi phí thấp ứng dụng trong phân tích trực tuyến nhu cầu oxy sinh hóa (BOD5)”, mã số: NCUD.02-2019.52 ngay trong năm đầu tiên chương trình được khởi động. Nhờ nguồn tài trợ này, nhóm đã tiếp tục thực hiện những nội dung nghiên cứu phát triển tiếp theo nhằm hoàn thiện công nghệ BODTOX. Nhóm tiếp tục nghiên cứu và phát triển một hệ thống van và vận chuyển chất lỏng không tiếp xúc, nhờ đó mà hệ cảm biến trở nên đơn giản, dễ vận hành và bảo trì hơn bao giờ hết. Việc cải tiến dung dịch chuẩn cũng khiến kết quả đo càng ngày càng chuẩn xác hơn và việc xác định độ độc do kim loại nặng trong nước cũng đã thành công ngoài mong đợi với độ nhạy cao. 

Vừa qua, TS. Phương cùng các cộng sự đã nhận được tin vui là công trình “A novel biosensing system for rapid estimation of BOD5 and sensitive detection of toxicity in water (BODTOX)” đã xuất sắc giành giải thưởng Best Innovation Award của Quỹ Hitachi Global Foundation. TS. Phương cho biết thêm: công trình vẫn đang được nhóm nghiên cứu hoàn thiện với mục tiêu cuối cùng là công nghệ cảm biến sinh học sẽ sớm được triển khai ứng dụng trong lĩnh vực quan trắc chất lượng nước.

Buồng đo DO

Giao diện chương trình

Bộ van không tiếp xúc

Tác giả: TS. Phạm Thị Thùy Phương, Viện Công nghệ hóa học
Xử lý tin: Thanh Hà


Tags:
Tin liên quan