chi tiết tin tức

Hãy tưởng tượng một hồ nước trong vắt từng là nơi trong lành bỗng biến thành một vùng đất hoang vu, không phải do các chất gây ô nhiễm hữu hình mà do nồng độ nitơ amoniac không thể nhìn thấy kích hoạt hiện tượng tảo nở hoa, làm ngạt thở sinh vật thủy sinh và phá vỡ toàn bộ hệ sinh thái. Đây không phải là lời lẽ báo động mà là một thách thức toàn cầu cấp bách mà các vùng nước trên toàn thế giới đang phải đối mặt. Nitơ amoniac, một chất gây ô nhiễm chính từ nước thải nông nghiệp, công nghiệp và sinh hoạt, gây ra các mối đe dọa trực tiếp cho sinh vật thủy sinh và rủi ro gián tiếp cho sức khỏe con người thông qua chuỗi thức ăn. Do đó, việc phát triển các phương pháp phát hiện nitơ amoniac chính xác và hiệu quả đã trở nên quan trọng đối với việc bảo vệ môi trường và quản lý bền vững tài nguyên nước.

Nitơ amoniac đề cập đến nồng độ kết hợp của amoniac (NH₃) và ion amoni (NH₄⁺) trong nước, với tỷ lệ tương đối của chúng được xác định bởi mức pH. Khi pH giảm xuống dưới 8,75, NH₄⁺ chiếm ưu thế; trên 9,75, NH₃ chiếm ưu thế. Các hợp chất này có khả năng hòa tan trong nước cao, ăn mòn và có khả năng gây nguy hiểm. Ngay cả những vượt quá nitơ amoniac tối thiểu (ví dụ: nồng độ trên 0,5 μmol/L) cũng có thể ảnh hưởng đáng kể đến môi trường thủy sinh.

Trong khi các ion amoni thường chiếm ưu thế trong nước tự nhiên, thì amoniac độc hại hơn nhiều—ngay cả ở nồng độ nanomol—là nguyên nhân chính gây ngộ độc sinh vật thủy sinh. Nồng độ nitơ amoniac tăng cao kích thích sự phát triển quá mức của sinh vật phù du, gây ra hiện tượng tảo nở hoa, phú dưỡng và sụp đổ hệ sinh thái. Sự phân hủy tiếp theo của tảo làm cạn kiệt oxy hòa tan, gây ra hiện tượng cá chết hàng loạt và sinh vật đáy chết. Chu kỳ luẩn quẩn này không chỉ làm giảm khả năng tự làm sạch nước mà còn có thể giải phóng các loại khí độc hại, làm suy thoái hơn nữa các điều kiện môi trường.

Độc tính của nitơ amoniac lan rộng đến con người, cá và động vật giáp xác, đặc biệt ảnh hưởng đến đời sống thủy sinh non trẻ. Sự tích tụ amoniac trong máu ở cá gây tử vong, đe dọa tài nguyên thủy sản và cân bằng sinh thái. Đáng báo động hơn, nitơ amoniac có thể chuyển đổi thành nitrit và nitrat độc hại trong một số điều kiện nhất định, làm trầm trọng thêm các rủi ro ô nhiễm nước. Nhận thức được những nguy hiểm này, các quốc gia trên toàn thế giới đã thiết lập các tiêu chuẩn nồng độ nitơ amoniac nghiêm ngặt đối với nước uống và nước biển, khiến các công nghệ phát hiện nhanh chóng, chính xác trở nên cần thiết để bảo vệ an ninh nguồn nước và hệ sinh thái.

Việc phát hiện nitơ amoniac thông thường chủ yếu dựa vào hai phương pháp:

• Phương pháp thuốc thử Nessler: Kỹ thuật đo màu này đo sự hình thành phức chất màu vàng-nâu giữa nitơ amoniac và dung dịch kali tetraiodomercurate. Tuy nhiên, nó bị nhiễu từ độ đục của nước, màu sắc và các chất khác, trong khi các thuốc thử gốc thủy ngân của nó gây ra các mối nguy hiểm cho môi trường.
• Phương pháp xanh indophenol (IPB): Phương pháp nhạy cảm hơn này định lượng các hợp chất xanh indophenol được tạo thành do phản ứng của nitơ amoniac với thuốc thử hypochlorite và phenol. Mặc dù vượt trội hơn phương pháp Nessler, IPB vẫn phải đối mặt với những hạn chế về độ chính xác trong các ma trận nước phức tạp như nước biển và hệ thống nuôi trồng thủy sản.

Mặc dù có tiện ích lịch sử, các phương pháp này gặp khó khăn với các yêu cầu môi trường ngày càng khắt khe và nhu cầu phát hiện nồng độ thấp. Việc chuẩn bị mẫu tốn nhiều công sức, các quy trình dài dòng và các thuốc thử không thân thiện với môi trường làm nổi bật sự cần thiết của các phương pháp thay thế tiên tiến.

• Phân tích quang học: Các phương pháp quang phổ và đo huỳnh quang mang lại độ nhạy cao nhưng yêu cầu xử lý trước mẫu phức tạp để loại bỏ nhiễu, làm giảm hiệu quả phân tích.
• Phân tích điện hóa: Tiết kiệm chi phí và dễ tự động hóa, các phương pháp này đo các phản ứng oxy hóa khử của nitơ amoniac trên bề mặt điện cực. Các điện cực biến tính vật liệu nano làm tăng đáng kể độ nhạy và độ chọn lọc.
• Công nghệ cảm biến sinh học: Sử dụng enzyme, kháng thể hoặc vi sinh vật cho các phản ứng nitơ amoniac cụ thể, cảm biến sinh học mang lại khả năng phát hiện nhanh chóng, nhạy cảm, chọn lọc, lý tưởng cho các ứng dụng hiện trường. Việc tích hợp với vi lỏng và các kỹ thuật khuếch tán khí giúp cải thiện hơn nữa hiệu suất.

• Công nghệ chip vi lỏng: Tích hợp xử lý mẫu, phản ứng và phát hiện trên các chip thu nhỏ cho phép phân tích thông lượng cao, tự động với việc sử dụng thuốc thử tối thiểu, phù hợp để theo dõi trực tuyến.
• Cảm biến sợi quang: Tận dụng các tương tác ánh sáng-môi trường trong sợi quang, các cảm biến nhỏ gọn, chống nhiễu này tạo điều kiện cho việc giám sát từ xa trong môi trường khắc nghiệt.
• Phát hiện pH màu: Đơn giản và tiết kiệm chi phí, phương pháp này sử dụng sự thay đổi màu sắc của các chỉ thị pH từ sự thay đổi pH do nitơ amoniac gây ra để kiểm tra hiện trường nhanh chóng.

• Hạt nano kim loại: Các hạt nano vàng hoặc bạch kim xúc tác các phản ứng oxy hóa khử, làm giảm thế quá điện và tăng cường độ nhạy đồng thời tăng diện tích bề mặt điện cực.
• Ống nano carbon/Graphene: Các vật liệu này cung cấp các khung điện cực dẫn điện, bền cơ học giúp cải thiện độ ổn định và tuổi thọ, đặc biệt khi kết hợp với các hạt nano hoặc enzyme.
• Hạt nano oxit kim loại: Cung cấp độ ổn định hóa học và khả năng tương thích sinh học, chúng bảo vệ các điện cực khỏi bị ăn mòn trong khi một số biến thể xúc tác các phản ứng oxy hóa khử nitơ amoniac.

• Glutamate Dehydrogenase (GLDH): Đo mức tiêu thụ NADH trong quá trình chuyển đổi α-ketoglutarate thành glutamate để phát hiện có độ nhạy và độ chọn lọc cao, mặc dù hoạt động của enzyme phụ thuộc vào nhiệt độ và pH.
• Urease: Phát hiện urê gián tiếp thông qua việc sản xuất nitơ amoniac từ quá trình thủy phân urê, phù hợp để phân tích nước thải và nước tiểu.

Trong khi các phương pháp enzyme cung cấp độ nhạy, độ chọn lọc và tốc độ vượt trội, những thách thức bao gồm độ ổn định của enzyme, chi phí sản xuất cao và khả năng mất hoạt tính trong quá trình cố định.