Những gợi ý cải thiện ô nhiễm không khí từ rêu

Sarah Jovan, một chuyên gia về rêu và địa y của Cục Kiểm lâm Mĩ, đã phát hiện ra nguồn phát ô nhiễm kim loại ở thành phố Portland năm 2015. Nguồn: hcn.org

Điều này có vẻ khó tin nhưng trên thế giới, đặc biệt ở châu Âu, rêu – loài thực vật không mạch thuộc dòng dõi thực vật trên cạn cổ nhất thế giới còn sống sót, đã được các nhà nghiên cứu sử dụng để nghiên cứu về ô nhiễm không khí, đặc biệt là ô nhiễm kim loại nặng, từ giữa thế kỷ 20. “Rêu là loài thực vật bậc thấp, chúng không có rễ thực sự mà chỉ có rễ giả để gắn vào chất nền như bờ tường, đất, thân cây nên không hấp thụ nước và chất dinh dưỡng từ chất nền mà hấp thụ trực tiếp từ không khí. Hệ số hấp thụ kim loại nặng của rêu rất lớn do chúng không có biểu bì. Người ta đã chứng minh hàm lượng của các nguyên tố kim loại nặng trong rêu phản ánh hàm lượng của các nguyên tố kim loại nặng trong không khí”, giáo sư Lê Hồng Khiêm (Viện Vật lý, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam), người mới tập trung vào nghiên cứu ô nhiễm không khí sử dụng rêu làm chỉ thị sinh học, cho biết về sự lợi hại của những trạm quan trắc không khí rẻ tiền này.

ICP Vegetation - một chương trình nghiên cứu quốc tế về những tác động của các chất ô nhiễm trong không khí lên cây trồng tại châu Âu do Trung tâm Sinh thái và Thủy văn Anh điều phối, kể từ năm 2000 đã thực hiện Chương trình điều tra về rêu ở châu Âu (European Moss Survey) nhằm lập bản đồ phân bố rêu khắp châu Âu, nhận diện những khu vực ô nhiễm nhất và quan sát các xu hướng ô nhiễm theo thời gian. 28 quốc gia châu Âu với 6.000 địa điểm đã được đưa vào cuộc điều tra này. Thông qua chỉ thị sinh học rêu, các nhà khoa học đã theo dõi sự tích lũy kim loại từ bầu khí quyển từ những năm 1990 và sau năm năm lại được gia hạn. Các nghiên cứu của họ cho thấy, rêu là chỉ thị sinh học lý tưởng để theo dõi các xu hướng ô nhiễm theo những không gian, thời gian và địa điểm khác nhau.

Với những kết quả nghiên cứu về nồng độ ô nhiễm kim loại, ô nhiễm các hợp chất hữu cơ khó phân hủy (POPs), ICP Vegetation đã trở thành một phần của một công ước Liên Hợp Quốc về ô nhiễm không khí xuyên quốc gia và vận chuyển dài hạn nhằm định ra khung khổ kiểm soát và giảm thiệt hại lên môi trường và sức khỏe con người vì ô nhiễm không khí. Khi tiến hành nghiên cứu trên diện rộng như vậy, các nhà nghiên cứu châu Âu không ngờ rằng, kết quả nghiên cứu của chương trình đã góp phần gợi mở những nghiên cứu rất phong phú cho các đồng nghiệp của mình ở trong và ngoài lục địa già, trong đó phổ biến nhất là tìm hiểu về nồng độ ô nhiễm và truy ngược nguồn ô nhiễm.

Với sự phổ biến của một phương pháp không đòi hỏi quá nhiều phức tạp trong đặt mẫu và thu thập nên tại châu Âu và Bắc Mĩ, một làn sóng sử dụng rêu để quan trắc không khí đã lan tỏa từ các phòng thí nghiệm tối tân tới các cơ quan quản lý môi trường và doanh nghiệp “công nghệ xanh”.

Rêu làm thay đổi chính sách quản lýô nhiễm

Loài thực vật nhỏ bé với kích cỡ từ 0,2 đến 10 cm này có vai trò quan trọng hơn người ta tưởng. Những kết quả rút ra từ những phân tích rêu thậm chí còn tác động đến cả chính sách quản lý môi trường của một thành phố, một quốc gia hay cả một châu lục. Một trong những điển hình thành công là trường hợp ở Portland, Mĩ với nghiên cứu của Sarah Jovan, một chuyên gia về rêu và địa y tại Trạm nghiên cứu Tây Bắc Thái Bình dương của Cục Kiểm lâm Mĩ. Năm 2013, cô và đồng nghiệp đã bắt đầu nghiên cứu về rêu bám trên các cây mọc ở nội đô Portland. Phát hiện của họ làm các công dân của thành phố bất ngờ: Rêu tiết lộ rằng Portland có vấn đề nghiêm trọng về ô nhiễm không khí.

Bản đồ ô nhiễm mà nhóm nghiên cứu lập lên. Nguồn: hcn.org

Trước đây, Ban Quản lý Chất lượng môi trường bang Oregon (DEQ) đã biết là không khí thành phố Portland có nồng độ cao các kim loại nặng như cadmium và arsenic, đều là những chất có khả năng gây ung thư nếu con người bị phơi nhiễm quá mức cho phép và trong thời gian dài. Nhưng điều mà các nhà khoa học làm được ở đây chính là xác định được nguồn ô nhiễm: hai nhà sản xuất kính màu là Bullseye và Uroboros đều sử dụng kim loại trong quá trình chế tạo sản phẩm. Đây là điều mà DEQ chưa làm được. “Chúng tôi đã áp dụng nó để xác định nguồn phát thải trong một môi trường đô thị phức tạp với nhiều nguồn phát khác nhau”, Sarah Jovan nhấn mạnh.

Không có rêu thì vấn đề này có thể không bao giờ được đưa ra ánh sáng. Khác với các loại thực vật bậc cao, rêu không có màng bao phủ tự nhiên trên lá nên không thể ngăn cản được việc hấp thụ các hợp chất trong không khí, “chúng thấm đẫm ô nhiễm như một miếng bọt biển vậy”, Sarah Jovan cho biết về đặc tính đặc biệt của loại chỉ thị sinh học này. “Một trong những lợi ích tuyệt vời nhất là rêu là mẫu hình đơn giản để thu hái được thông tin về nhiều chất ô nhiễm khác nhau”, Linda Geiser, giám đốc của Chương trình Quản lý nguồn không khí của Cục Kiểm lâm Mĩ cho biết thêm. “Nó không cần nguồn điện và bạn có thể gửi ai đó đặt mẫu ở bất cứ nơi nào bạn muốn, thậm chí ở vùng hẻo lánh nhất, để sau đó thu thập thông tin”.

Không chỉ phát hiện được ô nhiễm, rêu còn được tận dụng như một “thiết bị” lọc ô nhiễm – dựa vào tính năng hút chất độc hại trong không khí của nó.

Jovan cùng đồng nghiệp ở Cục Kiểm lâm Mỹ và các nhà nghiên cứu ở trường Đại học Drexel đã sử dụng một mô hình đưa 346 mẫu rêu Orthotrichum lyellii được thu thập năm 2013 từ các cây rụng lá ở những điểm cách nhau một phần tư ki lô mét trong thành phố vào một bản đồ chi tiết về các điểm nóng ô nhiễm để giúp DEQ có thể dễ dàng hình dung ra kết quả điều tra của họ. Phân tích cho thấy, hàm lượng Cadmium trong rêu liên quan với hai nhà máy sản xuất kính màu Bullseye và Uroboros ở gần biên giới giữa hai bang Oregon–Washington, đặc biệt cao ở gần nhà máy. Trung bình hằng tháng, nồng độ cadmium trong không khí là 29,4 ng/m3, cao hơn 49 lần so với mức chuẩn 0,6 ng/m3 của bang Oregon và đủ cao để gây rủi ro cho sức khỏe ngay cả khi tiếp xúc trong thời gian ngắn. Tuy nhiên, cả hai nhà máy này đều “lọt lưới” giám sát phát thải của các nhà quản lý môi trường.

Vậy vì sao các mạng lưới quan trắc môi trường lại không phát hiện ra điều này? Các nhà nghiên cứu chỉ ra nguyên nhân xảy ra điều này, đó là vì các mạng lưới giám sát chất lượng không khí trong đô thị thường được đặt cách nhau ở khoảng cách quá lớn nên không hiệu quả trong việc xác định các nguồn gây ô nhiễm không khí. Sau khi kết quả được công khai, vào tháng 10/2015, Ban quản lý Chất lượng Môi trường Oregon đã đặt thiết bị theo dõi chất lượng không khí ở khoảng cách 120 m từ nhà sản xuất kính màu lớn, đồng thời hai công ty này đều tự ngừng sử dụng cadmium. Do đó, nồng độ cadmium trung bình hằng tháng của họ lần lượt giảm xuống còn 1,1 ng/m3 và 0,67 ng/m3. Một thông báo sớm vào đầu tháng hai của DEQ khiến nhiều công dân tức giận vì họ cho là DEQ phải hành động sớm hơn trong việc đảm bảo không khí trong lành. Giám đốc DEQ đã từ chức ngay sau đó với lý do sức khỏe.

Các nhà nghiên cứu đã công bố phát hiện của mình “Using an epiphytic moss to identify previously unknown sources of atmospheric cadmium pollution” (Sử dụng một loại rêu biểu sinh để nhận diện những nguồn ô nhiễm caddium trong khí quyển chưa biết) trên tạp chí Science of the Total Environment vào năm 2016.

Tuy vui mừng về thành công của nghiên cứu nhưng Geoffrey Donovan, đồng nghiệp của Jovan, nhấn mạnh là nghiên cứu của họ vẫn không thể thay thế được phương thức giám sát không khí truyền thống như đặt trạm quan trắc mà chỉ là một cách để hỗ trợ. Trong quá khứ, Portland mới chỉ có một trạm giám sát có khả năng dò được kim loại nặng nên không thể cung cấp được những thông tin chi tiết về các nguồn phát thải riêng rẽ. Do đó, Cục Bảo vệ môi trường Mỹ (FDA) phải nhìn nhận và đánh giá lại thành công ở Portland để xem liệu phương pháp sử dụng rêu làm chỉ thị sinh học có thể là cách tiếp cận mới để sàng lọc các chất độc hại gây ô nhiễm không khí hay không.

Chuyện kể của rêu không dừng ở đó. Bất chấp những cam đoan của bang, một số người dân địa phương vẫn cảm thấy sợ hãi trước những tác động về sức khỏe của ô nhiễm và đặt câu hỏi là liệu DEQ sẽ ngăn ngừa được tình trạng tương tự như thế trong tương lai không. Để dập tắt lo ngại đó, thống đốc bang Kate Brown đã phải thảo một chương trình mới của bang để tăng cường việc theo dõi chất lượng không khí.

Giải pháp xanh cho các thành phố ô nhiễm

Không chỉ phát hiện được ô nhiễm, rêu còn được tận dụng như một “thiết bị” lọc ô nhiễm – dựa vào tính năng hút chất độc hại trong không khí của nó. Nó đã gợi ý cho hai nhà khởi nghiệp Peter Sänger và Liang Wu ở Đức, những người cùng quan tâm đến cuộc chiến chống lại ô nhiễm không khí, thành lập công ty công nghệ “xanh” Green City Solutions, cung cấp giải pháp cải thiện chất lượng không khí cho vi môi trường đô thị mang tên CityTree (cây trong thành phố).

Ý tưởng sử dụng rêu để lọc không khí không phải là mới. Theo DW, vào năm 2017, thành phố Stuttgart cũng đã lắp đặt một bức tường rêu dài 100 mét, cao ba mét và tạo ra hiệu quả đáng kể. Tuy nhiên, tường rêu này không thể so sánh với CityTree. Đây là một dạng máy lọc không khí có nhiều nét sáng tạo được thiết kế thân thiện với người dùng có thể đặt ở các vị trí thuận lợi trên đường và có bệ để cho mọi người có thể dừng chân. Loại cây đặc biệt này là sự tích hợp của nhiều loại công nghệ hiện đại: các tấm gỗ phủ rêu với nhiều loại khác nhau để có thể vừa cùng lúc lọc được các hạt bụi mịn và NOx lại vừa tạo ra ôxy; công nghệ IoT được tích hợp để có thể truyền thông tin một cách nhanh chóng và toàn diện về khả năng lọc của ‘cây”, tình trạng của không khí cũng như dữ liệu môi trường xunh quanh “cây”; công nghệ thông gió đa chiều cho phép các dòng chảy không khí được tăng cường, qua đó là tăng hiệu quả lọc không khí; hệ thống tưới nước tự động đảm bảo cung cấp đủ nước một cách tối ưu cho rêu; nguồn điện để đảm bảo cho “cây” hoạt động là thông qua lưới điện thành phố; hiệu ứng làm mát: rêu góp phần làm tăng độ ẩm và việc bốc hơi nước từ bề mặt các mảng rêu cũng góp phần tạo hiệu ứng làm mát một cách đáng kể. Sự kết hợp của các công nghệ cho phép “cây” làm sạch không khí và lượng không khí chúng lọc được có thể phụ thuộc vào các mức độ ô nhiễm tại những thời điểm khác nhau trong ngày.

Một phiên bản CityTree đặt tại Paris, Pháp. Nguồn: CNN.

Dĩ nhiên để có được loại “cây” lọc không khí này, Peter Sänger và Liang Wu đã hợp tác với hai tổ chức nghiên cứu và bảy nhà công nghệ Đức trong giải quyết từng vấn đề riêng rẽ: với Viện nghiên cứu Nhiệt đới Leibniz là để đo đạc và phân tích về tác động của thiết bị; Viện nghiên cứu ILK Dresden (trường Đại học Kỹ thuật Dresden) để phát triển công nghệ về lọc không khí và việc làm mát của rêu; công ty hàng đầu về IoT MaibornWolff để phát triển phần mềm, mang dữ liệu của “cây” theo thời gian thực tới khách hàng và đối tác qua nền tảng AirCare; Thies Clima phát triển và chế tạo các cảm biến và hoàn thiện hệ thống dự báo thời tiết đạt tiêu chuẩn của Đức và thế giới, qua đó có được cả các dữ liệu thời tiết chính xác để theo dõi sự “sống sót” của rêu; Bettair cung cấp các cảm biến có khả năng đo đạc được lượng bụi mịn với những hiểu biết sâu sắc về ô nhiễm không khí...

Nhận thấy hiệu quả giải pháp cây lọc không khí của công ty Green City Solutions, Hội đồng châu Âu đã đầu tư kinh phí và hỗ trợ kiểm tra về mặt khoa học một mạng lưới CityTree gồm 15 “cây” được đặt ở các điểm nóng ô nhiễm của thành phố Berlin vào năm 2020 này. Đây là một bước đi thận trọng của EU bởi trước khi tung CityTree ra thị trường, Peter Sänger và Liang Wu đã kiểm tra các thông số kỹ thuật của cây tại Viện ILK Dresden, một nơi có uy tín về những công nghệ về xử lý không khí.

Trước thềm Hội nghị thượng đỉnh về hành động khí hậu 2019, nơi tập trung vào mối quan hệ giữa biến đổi khí hậu và các thành phố, các giải pháp dựa vào thiên nhiên và khả năng phục hồi đối với biến đổi khí hậu, Tim Christophersen, trưởng chi nhánh Nước sạch, đất và khí hậu của Chương trình Môi trường Liên Hợp uốc, cho rằng cây cối ngày được coi là một nguồn tài nguyên quan trọng trong cuộc chiến môi trường và biến đổi khí hậu. “Thiên nhiên có thể giúp chúng ta giải quyết những vấn đề về môi trường do con người gây ra, và chúng ta cần nhiều giải pháp từ đó. CityTree có thể được dùng tại các điểm nóng ô nhiễm không khí như một giải pháp thú vị tham gia vào hệ thống cây trồng đô thị và các không gian xanh mà các thành phố có thể đầu tư.”

Hiện tại, cả Peter Sänger và Liang Wu đều cho biết đã bán được hơn 50 thiết bị CityTree thuộc thế hệ đầu tiên của sản phẩm cho nhiều thành phố và công ty khắp châu Âu, điều mà họ cho là thành công lớn và qua đó cung cấp cho họ những dữ liệu có giá trị để có thể mở ra những cái nhìn hữu ích về thông tin môi trường và sức khỏe. “Các CityTrees của chúng tôi đã có mặt tại Na Uy, Pháp, Bỉ, Macedonia, Hong Kong và dĩ nhiên là Đức. Sản phẩm của chúng tôi cũng được giới thiệu ở nhiều hội nghị về giải pháp chống ô nhiễm không khí, một phần nhờ vào tính cơ động và thiết kế thân thiện của nó nữa”, Peter Sänger nói. □