Ánh sáng mặt trời biến vi nhựa thành thảm họa môi trường mới

Biển nhiễm các hạt vi nhựa là thảm họa môi trường

Tuy nhiên, các nhà khoa học vừa phát hiện ra rằng mối nguy hiểm thực sự có thể không nằm ở những gì chúng ta nhìn thấy bằng mắt thường, mà ẩn sâu trong những biến đổi phân tử vô hình đang diễn ra từng giây dưới tác động của ánh sáng mặt trời.

Một nghiên cứu đột phá mới đây đã vẽ nên bản đồ chi tiết về các thay đổi phân tử xảy ra khi ánh nắng chiếu vào rác thải nhựa, khiến chúng rò rỉ các vật chất hữu cơ hòa tan vào nước. Những phát hiện này không chỉ là một lời cảnh báo về mức độ ô nhiễm phức tạp hơn chúng ta tưởng, mà còn có khả năng định hình lại hoàn toàn sự hiểu biết của con người về sức khỏe hệ sinh thái, chất lượng nguồn nước và thậm chí là chu trình carbon toàn cầu.

Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng khi vi nhựa trôi nổi qua các dòng sông, hồ và đại dương, chúng không chỉ trơ ra đó mà liên tục giải phóng một loạt các hóa chất hữu cơ hòa tan vào môi trường nước. Quá trình này không cố định mà thay đổi theo thời gian, với ánh sáng mặt trời đóng vai trò như một chất xúc tác chính yếu trong việc hình thành và phân hủy các hợp chất này.

Nghiên cứu mang lại cái nhìn chi tiết nhất từ trước đến nay ở quy mô phân tử về cách vật chất hữu cơ hòa tan có nguồn gốc từ vi nhựa, hay còn gọi là MPs DOM, phát triển và biến đổi trong môi trường thủy sinh tự nhiên, mở ra một chương mới trong việc đánh giá tác động của kỷ nguyên nhựa đối với hành tinh xanh.

Ánh sáng mặt trời tạo nên những "chữ ký hóa học" độc hại và nghịch lý của nhựa sinh học

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí danh tiếng New Contaminants đã tiến hành một cuộc khảo sát tỉ mỉ trên bốn loại nhựa được sử dụng phổ biến nhất hiện nay, so sánh các hóa chất mà chúng giải phóng với các vật chất hữu cơ hòa tan tự nhiên thường thấy trong các dòng sông.

Bằng cách kết hợp các mô hình động học tiên tiến với quang phổ huỳnh quang, khối phổ độ phân giải cao và phân tích hồng ngoại, nhóm nghiên cứu đã chứng minh được một thực tế đáng kinh ngạc: mỗi loại nhựa tạo ra một "chữ ký hóa học" riêng biệt.

Những "chữ ký" này không hề tĩnh tại mà liên tục dịch chuyển và biến đổi khi ánh sáng mặt trời tác động và làm thay đổi bề mặt của các polyme. Để khám phá tường tận quá trình này, các nhà khoa học đã đặt các vi nhựa làm từ polyetylen, polyetylen terephthalate, axit polylactic và polybutylene adipate co-terephthalate vào môi trường nước dưới cả điều kiện bóng tối và ánh sáng cực tím trong khoảng thời gian lên đến 96 giờ. Kết quả cho thấy việc tiếp xúc với ánh sáng mặt trời đã làm tăng vọt lượng carbon hữu cơ hòa tan được giải phóng bởi cả bốn loại nhựa.

Một điểm đáng chú ý và cũng là một nghịch lý trớ trêu được nghiên cứu chỉ ra liên quan đến các loại vật liệu được thiết kế để có khả năng phân hủy sinh học như PLA và PBAT. Mặc dù được kỳ vọng là giải pháp thân thiện với môi trường, nhưng chính cấu trúc hóa học kém bền vững của chúng lại khiến chúng giải phóng mức độ carbon hữu cơ hòa tan cao nhất dưới tác động của ánh sáng.

Điều này đặt ra một câu hỏi lớn về tính an toàn thực sự của các giải pháp thay thế nhựa truyền thống nếu không được quản lý đúng cách. Sử dụng các mô hình động học, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng quá trình giải phóng này tuân theo hành vi bậc không, nghĩa là tốc độ giải phóng được kiểm soát bởi các ràng buộc vật lý và hóa học ngay tại bề mặt nhựa chứ không phụ thuộc vào nồng độ vật chất đã có sẵn trong nước. Quá trình khuếch tán màng được xác định là bước giới hạn tốc độ dưới ánh sáng cực tím, cho thấy vai trò chủ đạo của bức xạ mặt trời trong việc bóc tách các lớp phân tử của hạt vi nhựa.

Các phân tích quang phổ và khối phổ tiên tiến đã hé lộ rằng MPs DOM không đơn thuần là một chất, mà là một hỗn hợp hóa học phong phú và phức tạp bao gồm các phụ gia, monome, oligome và các mảnh bị oxy hóa quang học. Đặc biệt, các loại nhựa thơm như PET và PBAT tạo ra những hỗn hợp cực kỳ phức tạp. Khi quá trình phong hóa diễn ra, các nhóm chức năng chứa oxy tăng lên, báo hiệu sự hình thành của các hợp chất mới như rượu, cacboxylat, ete và cacbonyl. Các chất phụ gia như phthalates cũng xuất hiện, tách ra khỏi ma trận polyme do liên kết yếu.

Đáng lo ngại hơn, các phân tích huỳnh quang đã chứng minh rằng MPs DOM có cấu trúc giống với vật chất được tạo ra bởi hoạt động của vi sinh vật hơn là các nguồn từ đất liền. Sự tương đồng này tạo ra một sự tương phản sắc nét với vật chất hữu cơ hòa tan tự nhiên, cho thấy vi nhựa đang đưa vào môi trường những hợp chất ngoại lai mà hệ sinh thái chưa từng phải xử lý trước đây.

Theo thời gian, thành phần hóa học này tiếp tục dịch chuyển, với sự đóng góp tương đối của các chất giống protein, lignin và tannin thay đổi tùy thuộc vào loại polyme và mức độ phơi nhiễm ánh sáng, tạo nên một ma trận ô nhiễm biến ảo khôn lường.

Hiểm họa từ những luồng khói hóa học vô hình và tác động đến hệ sinh thái

Tác giả chính Jiunian Guan từ Đại học Sư phạm Đông Bắc đã đưa ra một nhận định đầy hình tượng và ám ảnh rằng vi nhựa không chỉ làm ô nhiễm môi trường nước dưới dạng các hạt vật lý có thể nhìn thấy, mà chúng còn tạo ra một "luồng khói hóa học vô hình" thay đổi khi chúng bị phong hóa. Luồng khói này, với sự đa dạng và biến đổi liên tục của nó, có thể gây ra những tác động sâu rộng và khó lường lên các hệ sinh thái thủy sinh.

Các hỗn hợp hóa học đang phát triển được giải phóng từ vi nhựa có khả năng ảnh hưởng đến môi trường nước theo nhiều cách khác nhau. MPs DOM thường bao gồm các phân tử nhỏ, có khả dụng sinh học cao, nghĩa là chúng dễ dàng được các sinh vật hấp thụ. Những phân tử này có thể kích thích hoặc ức chế hoạt động của vi sinh vật, làm thay đổi chu trình dinh dưỡng tự nhiên hoặc tương tác với các kim loại và chất ô nhiễm khác có trong nước.

Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng MPs DOM có thể tạo ra các loại oxy phản ứng, ảnh hưởng đến sự hình thành các sản phẩm phụ khử trùng và làm thay đổi khả năng hấp phụ chất ô nhiễm. Điều này có nghĩa là sự hiện diện của chúng có thể làm tăng độc tính của các chất ô nhiễm khác hoặc làm giảm hiệu quả của các quá trình làm sạch nước tự nhiên.

Đồng tác giả Shiting Liu nhấn mạnh rằng những phát hiện này làm nổi bật tầm quan trọng của việc xem xét toàn bộ vòng đời của vi nhựa trong nước, bao gồm cả những hóa chất hòa tan vô hình mà chúng giải phóng. Khi sản lượng nhựa toàn cầu tiếp tục tăng, những hợp chất hòa tan này có thể mang ý nghĩa môi trường ngày càng lớn, trở thành một nhân tố mới trong các mô hình đánh giá chất lượng nước và biến đổi khí hậu.

Sự giải phóng các chất hữu cơ hòa tan từ nhựa vào đại dương và sông hồ về bản chất là việc đưa một lượng carbon nhân tạo khổng lồ vào chu trình carbon tự nhiên, một yếu tố mà các mô hình khí hậu hiện tại có thể chưa tính toán đầy đủ.

Trước sự phức tạp và tính chất động của MPs DOM, nhóm nghiên cứu đề xuất rằng các phương pháp tiếp cận học máy (machine learning) có thể là chìa khóa để dự đoán cách vật liệu này phát triển trong môi trường. Với sự gia tăng không ngừng của rác thải nhựa, việc hiểu rõ hành vi hóa học của chúng qua các giai đoạn phân hủy khác nhau là điều cốt yếu.

Các mô hình tương lai, được hỗ trợ bởi trí tuệ nhân tạo, có thể hỗ trợ các đánh giá rủi ro liên quan đến sức khỏe thủy sinh, hành vi của chất gây ô nhiễm và chu trình carbon. Các tác giả cũng lưu ý một thực tế đáng buồn rằng đầu vào vi nhựa vào sông và đại dương hiện vẫn phần lớn không được kiểm soát. Khi nhựa tiếp tục phân mảnh và phong hóa dưới ánh sáng mặt trời gay gắt, việc giải phóng MPs DOM dự kiến sẽ ngày càng gia tăng về cường độ.

Điều này đòi hỏi một sự thay đổi trong tư duy quản lý môi trường: chúng ta không thể chỉ tập trung vào việc thu gom rác thải nhựa trôi nổi trên mặt nước, mà còn phải tìm cách đối phó với những hệ quả hóa học vô hình đang lan tỏa trong lòng đại dương, đe dọa sự cân bằng mong manh của sự sống trên hành tinh này.

Bùi Tú