The science of why we should be concerned about the total number of particles that we breathe in, not just their mass, has been known for some time. In 2003, Surbjit Kaur was a young researcher finishing her Masters at Imperial College London, when her supervisor suggested she join the Dapple experiment (the Dispersion of Air Pollution and its Penetration into the Local Environment). Kaur designed a personal exposure study, with a team of six volunteers “dressed up like Christmas trees” with various different air pollution sensors, and asked them to travel a set route in central London every day for four weeks.
After years of headlines about air pollution, we’ve been misled on a few things about the world’s biggest environmental health problem.
For example, we’re told that “PM2.5” – solid pollution particles measuring 2.5 micrometres or less – can pass through our lungs and into our blood stream.
But, in fact, the vast majority of them can’t.
We’ve also been told NOx gases – including nitrogen dioxide – are the biggest threat to health within cities. However, NOx is responsible for just 14% of deaths attributed to air pollution in Europe.
The biggest killer of all never makes the headlines, isn’t regulated, and is barely talked about beyond niche scientific circles (despite their best efforts to change that narrative): it’s nanoparticles.
PM2.5 may be too small to see, being roughly 30 times smaller than the width of a human hair. But it’s a relative heavyweight.
PM2.5 stomps in at 2,500 nanometres (nm), while nanoparticles are 100nm or below.
PM2.5 and PM10 (10,000nm) are killers in their own right, typically causing lung and respiratory conditions.
Yet nanoparticles can reach, and wreak havoc in, any organ in the body.
And because government authorities monitor PM2.5 by mass (million of nanoparticles may not even register a measurement by microgram) – their reports underrepresent the true risks.
The science of why we should be concerned about the total number of particles that we breathe in, not just their mass, has been known for some time.
In 2003, Surbjit Kaur was a young researcher finishing her Masters at Imperial College London, when her supervisor suggested she join the Dapple experiment (the Dispersion of Air Pollution and its Penetration into the Local Environment).
Kaur designed a personal exposure study, with a team of six volunteers “dressed up like Christmas trees” with various different air pollution sensors, and asked them to travel a set route in central London every day for four weeks.
The volunteers “were a combination of friends and people in the department” says Kaur, who has since left science and now works as a management consultant.
“But I couldn’t really ask people to do this if I wasn’t doing it myself.” She joined them out on the roadside, which centred around Marylebone Road, a major seven-lane highway and home to the Madame Tussauds waxwork museum, and its lengthy queues waiting outside.
“We went out there knowing that we were going to get ill because of that constant exposure. We began to feel quite grotty after a while.”
The equipment draped over the volunteers and inside backpacks measured the standard air pollutants, PM2.5 and CO (carbon monoxide).
But Kaur also included a brand-new piece of kit that had only just come on the market: a ‘P-Trak’ nanoparticle counter.
“We needed to get all sorts of approvals to use them [in the field work] because they looked a bit like Geiger-counters and there were concerns that the public might panic,” she laughs.
The device could count nanoparticles right down to 2nm (many times smaller than a human blood cell) by sucking in air, spraying alcohol onto the surface of the particles to make them visible and individually counting by laser beam.
Influenced by work emerging from University of Rochester, New York, and the National Public Health Institute, Finland, Kaur had a hunch that counting these “ultrafine particles” could add some interesting data.
She wasn’t wrong.
“I expected a certain level of variation [in particle number]”, she says, “but the level of fluctuation really surprised me… The volume of cars that went past had very little impact on people’s exposure to PM2.5. But it had a massive impact on ultrafines.”
As the volunteers pounded the pavements, they were exposed to a minimum of 36,000 particles at a time, up to a maximum of 130,000. When they took the same route by bicycle (tricky, but not impossible, with all the equipment), the maximums and minimums went up by another 20,000.
However, the highest averages were recorded inside the cars and buses: the closer to the source of the pollution, the exhaust pipes spewing out the fumes, the higher the total number of nanoparticles.
The difference between walking by the kerbside of the road, and by the building side, on the same pavement – just a few short steps – was an average of 82,000 particles versus 69,000. The same readings registered no change in PM2.5.
Around 2006, just as Kaur was stepping away from science – her findings having made no difference to how government authorities measured air pollution exposure – a doctoral student at the University of Cambridge picked up the baton.
Prashant Kumar had already studied PM2.5 and PM10 for his Masters at the Indian Institute of Technology (IIT) in Delhi.
But upon arriving in England for his PhD, “in discussions with my supervisors we found there as very little, or almost nothing, done on the understanding [of nanoparticles]: their measurements, the concentrations in different environments. So I took up that topic as a challenge.”
His subsequent flurry of papers published from 2008 onwards have become seminal work on nanoparticle exposure, and led to his professorship at the University of Surrey.
This is a problem for our health, explains Kumar, “because the smaller particles you have, you have a greater surface area. A greater surface area means more [potential] toxicity, as they are in touch with a greater surface area inside your body.”
To visualise this, imagine footballs versus golf balls. A football (or soccer ball, for North American readers) has a circumference of 70cm (28in) and a surface area of around 1,500 cm2 (91.5in2). A golf ball is obviously much smaller, with a circumference of about 13cm (5.2in), making its surface area 54cm2 (3.3in2).
By volume, you could fit 156 golf balls into the same space as a football, but the total surface area of all those golf balls would be 8,453cm2 – a substantial 6.9 square metres more than the football.
On a nano-scale, that difference is amplified. A cloud of a billion 10nm particles has the same mass as just one PM10 particle, but a combined surface area a million times larger. And that surface area comes coated with toxic, unburnt fuel from vehicle exhausts.
Another of Professor Kumar’s studies looked at the exposure of children being pushed in prams along the roadside of a small town.
“We found that you get a high exposure when waiting at traffic lights, and children get a much higher exposure compared to adults… In some cases it was 20-30% higher exposure [at pram height compared to adult height]. Because their immune system is still developing, they are more vulnerable to the health impact.”
The Californian Children’s Health Study, for example, finds that children growing up within half a kilometre of a busy road suffer a significant loss in lung capacity.
Nanoparticles can also pass through the walls of the lungs and into the bloodstream, in a way that larger PM2.5s cannot.
Once in the bloodstream they cause the same inflammation damage they inflict on the lungs, except now they can reach any organ or artery in the body.
Until recently it wasn’t known exactly what size of particle could make it through, and which remained stuck in the lungs or upper airways.
A machine borrowed from the Netherlands used electrodes to scatter gold into nanoparticles right down to 2nm in size.
First, the Edinburgh team got mice to breathe in the gold nanoparticles; next, it was the human volunteers’ turn.
“We used gold because we know it is really safe”, explains Raftis, reassuringly. “It is used clinically because it is inert, it doesn’t react to things or cause oxidative stress in the body.” It is also easy to detect, unlike carbon particles which are effectively camouflaged within our carbon-based bodies.
The volunteers gave blood and urine samples 15 minutes and 24 hours after they inhaled the particles. Lo and behold, there was gold in them there samples.
The team discovered a 30nm cut-off point; anything below that could be found swimming around in the bloodstream, but anything above that failed to get past the lungs.
“Obviously with humans we couldn’t perform a biopsy, but with the mice we did”, says Raftis.
“We found the biggest accumulations [of particles] in the lungs primarily, but the liver next, because your liver is where the blood passes through first… the pore size in the kidney is 5nm, so nothing bigger than that would pass through the kidney… There could be accumulations in other parts of the body as well, because pore sizes across the body differ.”
Gold was still present in the urine of the volunteers three months later.
David Newby, funded by the British Heart Foundation, then took the study further.
Again, it had been theorised – but not proven – that nanoparticle build-up in the arteries could lead to strokes and heart disease.
He approached hospital patients who were due to undergo surgery to remove a fat deposit (known as a ‘plaque’) from an artery. If they breathed in gold nanoparticles, would these be found on the plaque removed during surgery a day later?
“Yes, we found gold in the plaque,” says Raftis, still excited by the finding.
“It was indicative that air pollution particles of this size and structure can be delivered to a plaque within 24 hours of inhaling them. That’s quite a big risk for patients with heart disease… as air pollution is a whole of life exposure. We just did a one-off experiment, but this is happening every single day.”
Think of a plaque as the scene of a car crash, and the artery as a road; nanoparticles are more cars piling up behind it, causing a bigger blockage.
The nanoparticles can also be the cause of the crash, inflaming the artery with toxic chemicals stuck to their surface (Newby’s predecessor Professor Ken Donaldson had highlighted the toxicity of nanoparticles back in the 1990s).
The Global Burden of Diseases study estimates that air pollution could account for 21% of all deaths due tostroke and 24% of deaths from ischaemic heart disease.
Traffic fumes had long been considered the smoking gun, but the bullet had proved elusive. Now, many think that the bullet is nanoparticles.
A 2018 report on ultrafine particles below 100nm for the UK Department for Environment, Food and Rural Affairs (Defra), found that because “there are currently no emissions ceilings or emission reduction targets set on [nanoparticles]… there are no guidelines or common sources of emission factors of [nanoparticles] to enable inventories to be developed.”
The one regulation that does exist, the Euro 6 vehicle emissions test, includes a particle number limit, and measures down to 23nm. But that means, says the Defra report, “more than 30% of [nanoparticles] in urban environments may not be included”, and covers only a fraction of those below the 30nm threshold identify by the Edinburgh gold study.
The smaller particles actually have a greater collective surface area because there are more of them – and they have a more toxic effect (Credit: Emmanuel Lafont)
Perhaps the only good news is that while particle number doesn’t correlate well with particle mass (PM2.5) measurements, it does tend to correlate with NOx readings.
Like nanoparticles, NO2 is highest closest to its source, and then quickly dissipates. NO2 even reacts with other gases in the air to form some of the nanoparticles. So tackling NO2 can often work as a proxy to reduce nanoparticles. “They do correlate well,” says Kumar, “because they are coming from the same source.”
The solution for NOx and nanoparticles are also the same: replacing combustion with electrification.
Electric cars still kick up road dust, but they emit no combustion-derived nanoparticles or NOx; and while power stations are needed to take the electricity, we spend far more time standing by roads than we do standing by power station chimneys (although this is all the more reason to rapidly move to 100% renewable energy).
True zero-emissions transport, such as walking and cycling, are even better.
The quicker we can make this transition, the more lives will be saved. In the interim, we also need to reduce our exposure by physically separating people from combustion-based traffic, via segregated cycle lanes, and green barriers – trees, hedges and climbing plants – inbetween pavements and roads.
Kaur still finds her own habits influenced by her nanoparticle research, over a decade later.
“My friends find it hilarious that I’m hugging the building side when I walk along a pavement!” she laughs. “Wherever possible I cut through the park or I take the side roads.”
In Edinburgh, Raftis goes a step further. “I stopped burning candles in my house.
I don’t use or have a log burner at home, even though I like them… I always have the extraction on when I cook food. I don’t go for runs along roads, I always run in a park. I don’t drive and don’t think I consciously could do unless it was an electric car.”
She cycles, despite the proximity to high particle counts, because “even if you cycle in heavy traffic you are offsetting the exposure to air pollution with exercise.”
I ask her if emissions regulation and policy should shift more towards nanoparticle exposure.
She is not a policy person, she tells me, but quickly adds: “I just don’t know why they haven’t. I mean, you feel like you are researching and researching and producing data and nothing gets done about it, only lip service. I feel it has to move along with the technology. PM2.5 is [just] what the monitors measure.”
Within the same town or city, our daily exposure to air pollution can differ greatly by person, by mode of transport, by the routes we take.
Most cities or countries measure this with a handful of stationary monitoring stations, which can only test the air immediately next to them. We don’t, however, spend our lives standing still.
“I still find it fascinating”, says Kaur, speaking to me from her Thames-side offices, overlooking the London Mayor’s office.
“If you are introducing air pollution policy for the wellbeing of humans, and you base that guidance on data that isn’t relevant, are you really helping people or are you actually hindering?”
Mục lục
Bụi siêu mịn: sát thủ lạnh lùng trong không khí
GETTY IMAGES Ô nhiễm không khí tại Hà Nội có những lúc rất nghiêm trọng
Sau nhiều năm chạy những dòng tít lớn về ô nhiễm không khí trên báo chí, ta đã gây hiểu nhầm về một số điều trong vấn đề sức khỏe lớn nhất toàn cầu này.
Chẳng hạn, người ta nói bụi “PM2.5” – một loại hạt bụi rắn có kích cỡ 2,5 micrometre hoặc nhỏ hơn – có thể đi qua phổi và vào máu.
Nhưng trong thực tế, đa số loại bụi này không thể đi qua.
Người ta cũng nói khí NOx – bao gồm khí nitrogen dioxide – là đe dọa lớn nhất với sức khỏe trong đô thị. Tuy nhiên, khí NOx chỉ góp phần gây ra khoảng 14% số lượng ca chết vì ô nhiễm không khí ở Châu Âu.
Kẻ giết người nguy hiểm nhất chưa bao giờ xuất hiện trong các tít báo, vẫn chưa được nêu tên vào quy định, và hiếm khi nào được đề cập đến ở ngoài một nhóm nhỏ các nhà khoa học (dù họ đã cố gắng hết sức để thay đổi thông điệp ): đó là các hạt bụi cứng siêu nhỏ cỡ nano.
Bụi PM2.5 có thể quá nhỏ mắt thường không thể thấy, loại bụi này nhỏ hơn khoảng 30 lần so với tiết diện sợi tóc người. Nhưng nó là loại bụi khá nặng.
Bụi PM2.5 có kích cỡ khoảng 2.500 nano mét (nm), trong khi các hạt bụi nano chỉ có kích cỡ khoảng 100nm hoặc bé hơn nữa.
Bụi PM2.5 và PM10 (cỡ 10.000nm) đều là những kẻ giết người, cơ bản gây hại cho phổi và tình trạng hô hấp.
Bụi hạt nano nguy hiểm hơn nhiều so với bụi PM2.5
Nhưng bụi hạt nano có thể đi sâu vào và tàn phá bất cứ nội tạng nào trong cơ thể.
Và vì các cơ quan chính phủ quan trắc bụi PM2.5 tính bằng khối lượng (hàng triệu hạt bụi nano có khi chưa tới microgram nào) – nên báo cáo của các cơ quan này thường không cho thấy nguy cơ thực sự.
Khoa học tìm hiểu nguyên nhân con người nên quan tâm đến tổng số hạt bụi ta hít phải, chứ không phải khối lượng của chúng, đã được biết đến một thời gian.
Vào năm 2003, Surbjit Kaur là nhà nghiên cứu trẻ đang hoàn thành đề tài thạc sĩ tại trường đại học Imperial College London, khi người hướng dẫn đề nghị cô nên tham dự thí nghiệm Dapple (nghĩa là thí nghiệm phát tán ô nhiễm không khí và tình trạng phơi nhiễm với môi trường ở địa phương).
Kaur thiết kế một nghiên cứu phơi nhiễm cá nhân, với nhóm gồm sáu tình nguyện viên “ăn mặc như cây thông Noel” đeo nhiều cảm biến thu thập ô nhiễm không khí khác nhau, và đề nghị họ đi theo một nhóm các tuyến đường ở trung tâm London mỗi ngày trong thời gian bốn tuần.
Những tình nguyện viên là “nhóm bạn bè và người làm việc trong khoa”, Kauer, người đã rời công việc nghiên cứu khoa học và giờ làm tư vấn quản lý, cho biết.
“Nhưng tôi không thể nhờ mọi người nếu tôi không tự thực hiện việc đó.” Vậy là cô đi cùng họ trên đường, tập trung quanh đường Marylebone, một đường tấp nập với bảy làn xe cỡ lớn và là nơi có bảo tàng tượng sáp Madame Tussauds với nhiều nhóm khách xếp hàng chờ bên ngoài.
“Chúng tôi đi ra đó và biết rằng mình sẽ bị bệnh vì liên tục phơi nhiễm. Chúng tôi bắt đầu cảm thấy khá khó thở sau một thời gian.”
Thiết bị treo quanh người tình nguyện viên và đặt bên trong balo đo các loại chất gây ô nhiễm không khí tiêu chuẩn, như bụi PM2.5 và khí CO (khí carbon monoxide).
Nhưng Kauer cũng đặt thêm một thiết bị hoàn toàn mới vừa xuất hiện trên thị trường vào chung bộ thiết bị, nó có tên là máy đo phân tử bụi nano “P-Trak”.
“Chúng tôi cần phải xin đủ thứ giấy phép để có thể sử dụng chúng [trong hoạt động điền dã thực tế] vì chúng khá giống máy Geiger đo phóng xạ và lo ngại sẽ làm công chúng hoảng loạn,” cô cười kể lại.
Thiết bị có thể đo bụi hạt nano đến kích cỡ 2nm (nhỏ hơn rất nhiều so với phân tử trong máu người) bằng cách hút không khí, xịt cồn lên bề mặt các hạt, khiến chúng dễ thấy và đếm từng hạt bằng tia laser.
Chịu ảnh hưởng từ công trình thuộc Đại học Rochester, New York và Viện Nghiên cứu Sức khỏe Quốc Gia Phần Lan, Kauer linh cảm rằng đếm những “hạt siêu mịn” này có thể cho ra thêm vài dữ liệu thú vị.
Cô đã không lầm.
EMMANUEL LAFONT Nghiên cứu năm 2003 của Surbjit Kauer ở London phát hiện những tình nguyện viên có lúc hít phải 130.000 hạt bụi vào thời đó“Tôi kỳ vọng sự đa dạng ở mức độ nào đó [về số lượng các hạt],” cô kể, “nhưng mức độ dao động khiến tôi cực kỳ ngạc nhiên… số lượng xe hơi đi qua có ảnh hưởng rất ít với sự phơi nhiễm của con người với bụi PM2.5. Nhưng nó có tác động khủng khiếp với loại bụi siêu mịn.”
Khi những tình nguyện viên đi hết vỉa hè, họ đã bị phơi nhiễm ít nhất 36.000 hạt bụi mỗi lần, và nhiều nhất là 130.000 hạt. Khi họ đi qua cùng tuyến đường đó bằng xe đạp (dù hơi khó đạp xe khi đeo tất cả thiết bị, nhưng không phải là không thể), số lượng bụi hạt tối đa và tối thiểu hít phải tăng thêm 20.000 hạt nữa.
Tuy nhiên, mức độ trung bình ghi nhận bên trong xe hơi và xe bus: khi ở càng gần nguồn phát thải ô nhiễm, là ống bô xe thải ra khói, thì tổng số bụi hạt nano con người hít phải cao hơn.
Sự khác biệt giữa đi bộ trên lề đường và đi bộ ở khu vực gần các tòa nhà, trên cùng vỉa hè, chỉ cách nhau vài bước ngắn, là khác biệt giữa 82.000 hạt bụi phân tử nano và 69.000 hạt. Số lượng bụi PM2.5 ghi nhận được không có gì khác biệt giữa hai vị trí trên.
Khoảng năm 2006, thời gian mà Kauer ngưng làm nghiên cứu khoa học, những phát hiện của cô không khiến các chính phủ có động thái khác biệt nào trong đo lường tình trạng ô nhiễm không khí – một sinh viên nghiên cứu tiến sĩ tại Đại học Cambridge đã hành động.
Prashant Kumar từng nghiên cứu về bụi PM2.5 và bụi PM10 trong nghiên cứu thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Ấn Độ (IIT) ở Delhi.
Nhưng khi đến Anh nghiên cứu tiến sĩ, “khi thảo luận với người hướng dẫn, chúng tôi nhận thấy gần như không có gì được thực hiện dựa trên những tri thức [về bụi phân tử nano]: cách đo đạc, sự tập trung trong từng môi trường khác nhau. Vì vậy tôi đã chọn chủ đề đó như một thử thách.”
Những bài viết nghiên cứu được xuất bản từ năm 2008 của ông gây xôn xao và về sau đã trở thành công trình chủ đạo trong nghiên cứu phơi nhiễm bụi mịn nano, và giúp ông trở thành giáo sư Đại học Surrey.
“Nghiên cứu đầu tiên tôi tiến hành năm 2008 là phân tích có tính khai phá,” Kumar nhớ lại. “Khi khói thải ra từ xe cộ, chúng ra ngoài theo dạng khí gas và đông lạnh lại thành các hạt [cỡ nano] nhỏ hơn. Sau đó chúng bắt đầu ngưng tụ lại thành các hạt kích cỡ lớn hơn. Từ ống bô xe, bạn có thể gặp phải số lượng một triệu hạt trên mỗi phân khối không khí. Trên đường là khoảng 100.000 hạt, bên vệ đường là khoảng 10.000 hạt.”
Nghiên cứu của ông nhận thấy trên 90% các hạt bên vỉa hè những con đường đông đúc là loạt hạt nano có kích cỡ dưới 100nm.
Đây là vấn đề với sức khỏe của chúng ta, Kumar giải thích, “vì khi hạt càng nhỏ thì diện tích bề mặt có thể bị phơi nhiễm của chúng ta càng lớn. Diện tích bề mặt lớn hơn nghĩa là có nguy cơ độc hại [tiềm năng] cao hơn, vì chúng tiếp xúc nhiều hơn với phần bên trong cơ thể bạn.”
Để tưởng tượng điều này, hãy thử so sánh quả bóng đá với bóng chơi golf. Một quả bóng đá có chu vi khoảng 70cm và bề mặt tiếp xúc khoảng 1.500cm2. Một quả bóng chơi golf rõ ràng nhỏ hơn nhiều, với chu vi khoảng 13cm, và bề mặt tiếp xúc là 54cm2.
Về số lượng, bạn có thể xếp được 156 quả bóng golf vào cùng không gian với quả bóng đá, nhưng tổng bề mặt tiếp xúc của những quả bóng golf cộng lại sẽ là 8.453cm2 – lớn hơn phần diện tích bề mặt tiếp xúc của quả bóng đá đến 6,9m2.
Ở cấp độ nano, khác biệt này sẽ được nhân lên nhiều lần. Một đám mây một tỷ hạt bụi kích cỡ 10nm có cùng khối lượng với một hạt bụi PM10, nhưng tổng bề mặt tiếp xúc lớn hơn gấp 1 triệu lần. Và bề mặt này phủ đầy nhiên liệu chưa đốt sạch và độc hại từ ống bô xe.
EMMANUEL LAFONT Người ngồi trong xe hơi được cho là sẽ tiếp xúc nhiều hơn với loại bụi cỡ hạt nano so với người đạp xe hay đi bộ trên vỉa hèNhững nghiên cứu khác của Giáo sư Kumar tập trung vào sự phơi nhiễm của trẻ em được đẩy trên xe dọc trên đường ở thị trấn nhỏ.
“Chúng tôi nhận thấy bạn bị phơi nhiễm nhiều hơn khi đợi đèn giao thông, và trẻ em bị phơi nhiễm cao hơn so với người lớn… trong một số trường hợp mức độ phơi nhiễm cao hơn 20 – 30% [khi so sánh độ cao của xe đẩy em bé với chiều cao người lớn]. Vì hệ miễn dịch của trẻ vẫn còn đang phát triển, các bé dễ bị ảnh hưởng về sức khỏe hơn.”
Ví dụ, Nghiên cứu về Sức khỏe Trẻ em ở California nhận thấy trẻ em lớn lên trong khu vực nửa km cách một con đường bận rộn có công năng phổi bị suy giảm đáng kể.
Các hạt bụi nano có thể vượt qua thành phổi và đi vào máu, đây là cách mà bụi PM2.5 không thể làm được.
Sau khi đi vào máu, chúng gây ra tình trạng sưng nhiễm ảnh hưởng đến phổi, chỉ khác là giờ đây chúng có thể đi tới bất cứ cơ quan nội tạng và động mạch nào trong cơ thể.
Mãi đến gần đây, người ta vẫn chưa biết chính xác các hạt bụi có kích cỡ chừng nào thì có thể đi qua, và cỡ nào thì hạt bụi sẽ mắc kẹt trong phổi hay trong đường thở bên trên.
Mảnh ghép cuối cùng của vấn đề giờ đây đã được một nhóm nghiên cứu do Giáo sư David Newby từ Đại học Edinburgh giải quyết vào năm 2017.
Tiến sỹ Jen Raftis, thành viên của nhóm nghiên cứu, cho biết: “Có nhiều ý kiến khác nhau về cách ta nên thể hiện những hạt bụi [trong máu] bằng nhiều kỹ thuật hình ảnh khác nhau. Nhưng không có kỹ thuật hình ảnh nào thực sự có độ phân giải cỡ đó. Vì vậy chúng tôi quyết định sử dụng vàng.”
Một chiếc máy được Hà Lan cho mượn sử dụng điện cực để phân tán vàng thành phân tử cỡ nano đến kích cỡ 2nm.
Đầu tiên, nhóm nghiên cứu từ Đại học Edinburgh sử dụng trên chuột, cho chuột hít vào những phân tử vàng kích cỡ nano đó; sau đó, là đến lượt tình nguyện viên là con người.
“Chúng tôi sử dụng vàng vì chúng tôi biết vàng thực sự an toàn,” Raftis cho biết và trấn an. “Vàng được sử dụng trong y tế vì nó có tính trơ, không phản ứng hoặc gây phản ứng oxy hóa trong cơ thể.” Vàng cũng dễ tìm thấy, không như hạt carbon là thứ dễ dàng ngụy trang bên trong những thể có gốc carbon trong cơ thể con người.
Người tình nguyện cung cấp máu và mẫu nước tiểu sau 15 phút và sau 24 giờ sau khi họ hít hạt bụi vàng. Thật kinh ngạc, vàng có trong những mẫu phẩm trên.
Nhóm nghiên cứu khám phá ra điểm giới hạn ở kích cỡ 30nm; bất cứ thứ gì nhỏ hơn kích cỡ đó đều có thể trôi vào mạch máu, nhưng bất cứ thứ gì có kích cỡ lớn hơn đều không thể vượt qua phổi.
“Rõ ràng với con người chúng tôi không thể tiến hành mổ sinh thiết, nhưng với chuột chúng tôi đã làm,” Raftis cho biết.
“Đầu tiên, chúng tôi nhận thấy mức độ tập trung [các hạt] trong phổi, tiếp đó là gan, vì gan là bộ phận đầu tiên máu đi qua… kích cỡ hấp thu tại thận là 5nm, không có hạt nào lớn hơn cỡ đó có thể băng qua thận… Ở nhiều bộ phận khác của cơ thể cũng có thể có hạt tụ lại, vì kích cỡ thẩm thấu ở các vị trí khác nhau trên cơ thể cũng khác nhau.”
Bụi vàng vẫn xuất hiện trong nước tiểu của tình nguyện viên suốt ba tháng sau đó.
EMMANUEL LAFONT Bụi vàng được sử dụng để tìm hiểu xem các hạt có kích cỡ nano sẽ tập trung ở phần nào trên cơ thểDavid Newby, được Quỹ Trái Tim Anh Quốc (British Heart Foundation) tài trợ, đã tiến hành nghiên cứu xa hơn.
Một lần nữa, người ta có thể lý thuyết hóa nhưng không chứng minh được là các hạt kích cỡ nano tích tụ ở động mạch có thể dẫn tới đột quỵ và bệnh tim.
Ông tiếp cận các bệnh viện có bệnh nhân chuẩn bị được phẫu thuật tách bỏ phần mảng bám mỡ (gọi là “xơ vữa”) từ động mạnh. Nếu họ hít vào các hạt bụi vàng cỡ nano, liệu người ta có thể tìm thấy vàng ở chỗ xơ vữa mà ca phẫu thuật tách bỏ một ngày sau đó không?
“Có, chúng tôi có tìm thấy vàng trong chỗ mỡ xơ vữa,” Raftis cho biết, và ông vẫn còn hào hứng vì phát hiện này.
“Đó là chỉ dấu cho thấy các hạt ô nhiễm không khí có kích cỡ và cấu trúc này có thể di chuyển đến chỗ xơ vữa trong vòng 24 giờ sau khi hít phải. Đó là rủi ro khá lớn với những bệnh nhân bị bệnh tim… vì ô nhiễm không khí khiến ta bị phơi nhiễm cả đời. Chúng tôi chỉ làm thí nghiệm một lần, nhưng điều này xảy ra mỗi ngày.”
Hãy xem chỗ xơ vữa như hiện trường tai nạn giao thông, và động mạch là con đường; các hạt bụi nano giống như những chiếc xe hơi tắc nghẽn đậu đầy phía sau, gây ra cảnh tượng kẹt xe ngày càng dài.
Các hạt bụi nano cũng có thể là nguyên nhân gây tai nạn xe, khiến động mạch sưng phồng lên vì hóa chất độc hại bám đầy trên bề mặt (Giáo sư tiền nhiệm của Newby tên Ken Donaldson đã nhấn mạnh tính chất độc hại của hạt nano vào thập niên 1990).
Nghiên cứu Gánh nặng Vàng về Bệnh Tật ước tính ô nhiễm không khí có thể là nguyên nhân gây ra 21% trong tổng số các ca tử vong vì đột quỵ và 24% các ca chết vì bệnh nhồi máu cơ tim.
Khói thải từ xe cộ từ lâu đã được ví như khẩu súng bốc khói, nhưng bằng chứng về viên đạn vẫn còn chưa rõ ràng. Giờ đây, rất nhiều người cho rằng đạn chính là các hạt nano.
Chưa có quy định về kiểm soát bụi siêu mịn nano
Hầu hết các quốc gia như Hoa Kỳ và Liên minh Châu Âu có thiết lập mức độ giới hạn được phép cho các loại chất gây ô nhiễm không khí độc hại nhất, trong đó có bụi PM2.5, khí NOx, khí CO và khí sulphur dioxide. Nhưng không có quy định nào tương tự giới hạn sự tồn tại của bụi nano.
Phản bác phổ biến cho rằng “bụi mịn PM2.5 là đã bao gồm tất cả các loại hạt nhỏ đến kích cỡ 1nm”, về mặt kỹ thuật là đúng như vậy, nhưng như ta đã thấy, kể cả sự hiện diện của hàng triệu hạt bụi nano vẫn cho ra chỉ số PM2.5 thấp.
Chính vì thế, chỉ số PM2.5 thấp trên trang web của chính phủ hay ứng dụng điện thoại có thể gây hiểu nhầm là không khí trong lành, dù trong thực tế không khí có thể đầy các hạt bụi siêu mịn đang di chuyển vào động mạch của ta.
Một báo cáo năm 2018 về các hạt siêu mịn kích cỡ dưới 100nm được thực hiện cho Bộ Môi Trường, Thực Phẩm và Nông Thôn (Defra) của Anh Quốc viết rằng bởi “hiện không có mức trần đối với khói thải hay mục tiêu giảm khói thải quy định [với hạt bụi nano]… cho nên không hề có chỉ dẫn hay nguồn thông tin chung đối với việc phát triển công nghệ đo lường khói thải [có chứa hạt bụi nano].”
Có một quy định tồn tại, và nó quy định đến kích cỡ bụi 23nm. Nhưng báo cáo của Defra cho biết điều này có nghĩa là “hơn 30% [bụi hạt cỡ nano] trong môi trường đô thị đã không được đưa vào quy định”, và quy định này chỉ bao trùm một phần các loại bụi dưới ngưỡng 30nm do nghiên cứu vàng Edinburgh xác định được.
EMMANUEL LAFONT Các hạt bụi phân tử nhỏ hơn thường có tổng diện tích bề mặt lớn hơn vì số lượng lớn hơn – và chúng độc hại hơn
Có lẽ tin tốt duy nhất là dù số lượng hạt bụi không tương quan lắm với kích cỡ hạt bụi (PM2.5), nhưng lại có tương quan với chỉ số khí NOx.
Tương tự bụi hạt nano, khí NO2 thường tập trung với tỷ lệ cao nhất ở vị trí sát nguồn phát thải, và sau đó nhanh chóng phát tán đi. Khí NO2 thậm chí cũng phản ứng với các loại khí khác trong không khí và tạo nên một số bụi phân tử nano. Vì vậy xử lý khí NO2 thông thường có thể coi là cách gián tiếp làm giảm lượng bụi nano. “Chúng tương tác với nhau khá tốt,” Kumar giải thích, “vì chúng đến từ cùng một nguồn.”
Giải pháp
Giải pháp cho khí NOx và bụi hạt nano có thể giống nhau: thay thế động cơ đốt bằng động cơ điện.
Xe hơi điện vẫn có thể thổi tung bụi đường lên, nhưng khí thải của xe điện không có các hạt bụi nano sinh ra từ quá trình đốt cháy hay khí NOx; và dù để có điện ta cần đến nhà máy điện, nhưng ta thường dành nhiều thời gian ở trên đường hơn là đứng cạnh ống khói nhà máy điện (tất cả những điều này cho ta thêm lý do để nhanh chóng chuyển đổi sang 100% năng lượng tái tạo).
Các loại phương tiện thực sự không xả thải như đi bộ hay xe đạp sẽ tốt hơn.
Công cuộc chuyển đổi diễn ra càng nhanh, thì càng nhiều người sẽ được cứu. Tạm thời, ta cũng cần giảm phơi nhiễm bằng cách cách ly con người khỏi tình trạng giao thông với đầy các động cơ đốt, tách riêng làn xe đạp, và thiết lập các hàng rào xanh như cây cối, hàng rào và các loại cây dây leo – giữa vỉa hè và đường cho xe di chuyển.
Kauer nhận thấy thói quen của cô vẫn bị ảnh hưởng từ nghiên cứu về bụi hạt nano hơn một thập niên trước.
“Bạn bè tôi thấy thật hài hước khi tôi bám lấy phía có tòa nhà khi tôi đi bộ dọc theo vỉa hè!” Cô cười khi kể lại. “Bất cứ khi nào có thể, tôi đi tắt qua công viên hoặc đi qua đường tắt.”
Ở Edinburgh, Raftis còn tiến thêm một bước xa hơn.
“Tôi không đốt nến trong nhà nữa. Tôi không sử dụng hay trữ củi gỗ ở nhà, dù tôi thích chúng… Tôi luôn bật máy thoát khí khi nấu ăn. Tôi không đi chạy hay đi bộ dọc theo đường nữa, tôi luôn chạy bộ trong công viên. Tôi không lái xe và không nghĩ mình sẽ chủ động lái xe nếu đó không phải là xe hơi điện.”
Tôi hỏi bà liệu các quy định và chính sách về xả thải có nên chuyển đổi sang hướng phơi nhiễm bụi hạt nano không.
Bà cho biết bà không phải người rành về chính sách, nhưng nhanh chóng nói thêm: “Tôi chỉ không hiểu tại sao họ không làm vậy. Ý tôi là, bạn cảm thấy bạn đang nghiên cứu và nghiên cứu và sản sinh ra dữ liệu và chẳng ai hành động gì trước thông tin đó, chỉ toàn nói miệng. Tôi cảm thấy nó phải đi cùng với công nghệ. Bụi PM2.5 [chỉ là] những gì mà thiết bị đo được.”
EMMANUEL LAFONT Trong cùng thành phố hay thị trấn, sự phơi nhiễm hàng ngày trước khói thải có thể khác nhau tùy theo từng người, do cách thức di chuyển hay do lộ trình ta đi lạiTrong cùng thị trấn hay thành phố, sự phơi nhiễm hàng ngày trước khói thải có thể khác nhau tùy theo từng người, do cách thức di chuyển hay do lộ trình ta đi lại.
Hầu hết thành phố hay quốc gia kiểm soát sự ô nhiễm bằng một số các trạm quan trắc không khí, và các trạm này chỉ có thể đo đạc không khí tức thời ở khu vực gần chúng. Tuy nhiên, con người không dành cả đời chỉ đứng yên một chỗ.
“Tôi vẫn thấy thú vị,” Kauer nhận định, khi trao đổi với tôi từ văn phòng nằm cạnh sông Thames nhìn qua văn phòng Thị trưởng London.
“Nếu bạn đang đưa chính sách kiểm soát ô nhiễm không khí vào thực thi vì sự an toàn của con người, và bạn dựa trên hướng dẫn từ dữ liệu không hợp lý, vậy thực sự bạn đang giúp mọi người hay thực ra đang gây cản trở?”