Rare earth elements in mountain-grown ginseng

Bài viết mô tả chi tiết về sự hiện diện và vai trò của các nguyên tố đất hiếm (REE) trong nhân sâm mọc trên núi, từ cơ chế hấp thụ, ảnh hưởng đến dược tính, cho đến các vấn đề an toàn và tiềm năng ứng dụng.

Giới thiệu về nhân sâm núi và nguyên tố đất hiếm

Nhân sâm mọc trên núi (sơn sâm) từ lâu đã được xem là dạng quý nhất trong chi Panax, nổi bật với hàm lượng hoạt chất dồi dào và thời gian sinh trưởng kéo dài hàng thập kỷ trong điều kiện tự nhiên khắc nghiệt. Khác với nhân sâm trồng đại trà ở vùng đồng bằng hay trong nhà kính, sơn sâm phát triển trên các triền núi cao, nơi thổ nhưỡng giàu khoáng vật nguyên sinh và chịu tác động mạnh mẽ của quá trình phong hóa đá gốc. Chính môi trường địa chất đặc thù này đã khiến sơn sâm trở thành đối tượng lý tưởng để nghiên cứu về nguyên tố đất hiếm (Rare earth elements – REE), nhóm 17 nguyên tố thuộc họ lanthanide cùng scandium và yttrium, bởi chúng tích lũy tự nhiên trong rễ cây và có thể đóng vai trò nhất định trong các đặc tính dược lý.

Mối liên hệ giữa đất hiếm và dược liệu quý không còn là câu chuyện xa lạ trong y học cổ truyền phương Đông. Người xưa tuy không biết đến khái niệm hóa học hiện đại, nhưng đã có kinh nghiệm chọn đất trồng sâm trên các đỉnh núi đá granit hoặc bazan phong hóa – những loại đá mẹ thường chứa hàm lượng REE cao bất thường. Ngày nay, khoa học phân tích đã chứng minh rằng rễ sâm thu hái từ các vùng núi đá cổ (ví dụ dãy Trường Sơn của Việt Nam, dãy Trường Bạch của Trung Quốc – Triều Tiên, hay núi Paektu) thường cho thấy dấu vết đặc trưng của các nguyên tố như cerium (Ce), lanthanum (La), neodymium (Nd) và yttrium (Y), với tỷ lệ phản ánh trung thực cấu trúc địa hóa của tầng đất mẹ.

Đất hiếm là gì và vai trò trong sinh học thực vật

Nguyên tố đất hiếm là tập hợp gồm 15 nguyên tố thuộc nhóm lanthanide (từ lanthanum số 57 đến lutetium số 71) cùng với scandium (Sc, số 21) và yttrium (Y, số 39). Mặc dù mang tên “hiếm”, nhưng thực tế chúng phân bố khá rộng rãi trong vỏ Trái Đất, với tổng trữ lượng ước tính lên đến hàng trăm triệu tấn. Cái tên bắt nguồn từ việc chúng hiếm khi tập trung thành mỏ quặng khai thác kinh tế, thay vào đó thường phân tán trong các khoáng vật như monazite, bastnäsite và xenotime.

Trong lĩnh vực sinh học thực vật, REE từng bị xem là không có chức năng sinh lý thiết yếu. Tuy nhiên, nghiên cứu những thập niên gần đây đã chỉ ra rằng khi hiện diện ở nồng độ thấp (ppm), chúng có thể kích thích nảy mầm, tăng cường quang hợp, thúc đẩy hấp thụ chất dinh dưỡng và kích hoạt cơ chế phòng vệ stress oxy hóa ở nhiều loài thực vật. Đặc biệt, các ion REE hóa trị ba (REE³⁺) có bán kính ion gần giống calcium (Ca²⁺), nên chúng có thể bắt chước và can thiệp vào kênh vận chuyển calcium, dẫn đến hàng loạt hiệu ứng tế bào. Với những cây thuốc sống lâu năm như sâm, tác động mang tính cộng dồn này có khả năng làm thay đổi quá trình sinh tổng hợp các chất chuyển hóa thứ cấp – nhóm hợp chất quyết định dược tính.

Trung bình, thực vật trên cạn tích lũy REE ở mức từ 0,1 đến 10 mg/kg trọng lượng khô, nhưng ở các loài sống trên nền đá giàu nguyên tố này, con số có thể vượt ngưỡng 100 mg/kg. Nhân sâm núi thường nằm trong nhóm “siêu tích lũy” một cách tự nhiên nhờ thời gian sinh trưởng dài và hệ rễ ăn sâu vào lớp đất phong hóa giàu REE.

Hàm lượng đất hiếm trong nhân sâm núi: Phân tích khoa học

Nhiều công trình phân tích phổ khối plasma cảm ứng (ICP-MS) trên mẫu rễ sâm thu hái từ các vùng núi đá granit và đá phiến kết tinh đã ghi nhận tổng hàm lượng REE dao động từ 15 đến 120 mg/kg khô, tùy thuộc vào tuổi cây, độ cao và nền địa chất địa phương. Trong đó, các nguyên tố nhẹ (Light REE – LREE) như lanthanum, cerium, praseodymium và neodymium thường chiếm ưu thế, phản ánh thành phần của khoáng monazite phổ biến trong đá granit. Cerium đơn độc có thể chiếm tới 40–50% tổng REE, trong khi neodymium và lanthanum lần lượt đạt 20–25% và 10–15%.

Một nghiên cứu đối chứng trên Panax vietnamensis (sâm Ngọc Linh) mọc tự nhiên ở độ cao 1.800–2.200 m thuộc khối núi Ngọc Linh (Kon Tum, Việt Nam) cho thấy tổng REE trung bình trong rễ củ đạt 52 mg/kg, cao gấp 3–5 lần so với sâm trồng cùng loài trên đất đồi thấp. Đáng chú ý, tỷ lệ Eu/Eu* (chỉ số dị thường europium) trong mẫu sâm núi phản ánh trung thực dấu hiệu địa hóa của đá granit Ngọc Linh, chứng tỏ cây hấp thụ REE một cách thụ động từ đất mà không có sự điều tiết sinh học rõ rệt.

Ở Hàn Quốc, phân tích mẫu sâm núi hoang dã (Panax ginseng C.A. Meyer) thu thập từ dãy núi Sobaek cũng cho kết quả tương tự. Hàm lượng La và Ce nằm trong khoảng lần lượt 2,8–8,5 và 6,1–22,3 mg/kg, trong khi sâm trồng 6 năm tuổi ở vùng Geumsan chỉ đạt 0,5–2,1 và 1,3–4,8 mg/kg. Sự khác biệt rõ rệt này không chỉ do tuổi cây mà còn bắt nguồn từ việc đất trồng nông nghiệp thường xuyên bị rửa trôi và bón phân hóa học, làm loãng nồng độ REE tự nhiên.

Bảng 1: So sánh hàm lượng một số nguyên tố đất hiếm phổ biến giữa các loại nhân sâm (mg/kg trọng lượng khô)

Nguyên tố	Sâm núi hoang dã (P. ginseng, Triều Tiên/Hàn Quốc)	Sâm trồng 6 năm (P. ginseng, Hàn Quốc)	Sâm Ngọc Linh tự nhiên (P. vietnamensis, Việt Nam)	Sâm Mỹ rừng già (P. quinquefolius, Hoa Kỳ)
Lanthanum (La)	5,1 – 8,4	0,8 – 2,1	6,5 – 12,3	0,7 – 2,5
Cerium (Ce)	12,3 – 22,0	1,5 – 4,6	18,2 – 30,5	1,2 – 3,9
Neodymium (Nd)	4,2 – 9,5	0,3 – 1,8	7,0 – 15,8	0,6 – 2,2
Yttrium (Y)	2,7 – 5,6	0,4 – 1,2	3,1 – 7,4	0,8 – 2,0
Tổng REE (≈)	32 – 68	4 – 15	45 – 85	5 – 18

Ghi chú: Số liệu tổng hợp từ các công bố khoa học giai đoạn 2015–2024, phân tích bằng ICP-MS hoặc ICP-AES. Giá trị có thể thay đổi theo mùa thu hái và bộ phận của rễ.

Cơ chế hấp thụ đất hiếm của cây nhân sâm

Quá trình hấp thụ REE ở nhân sâm núi diễn ra chủ yếu qua hệ thống rễ, dựa trên hai con đường chính: dòng khối lượng theo nước và khuếch tán thụ động. Do REE trong đất thường tồn tại dưới dạng ion tự do REE³⁺ hoặc phức chất với axit humic và fulvic, cây sâm có thể hấp thu chúng thông qua các kênh ion không đặc hiệu trên màng tế bào rễ. Đặc biệt, cơ chế vận chuyển qua đường apoplast (gian bào) đóng vai trò quan trọng, cho phép REE xâm nhập sâu vào mô rễ mà không cần đi qua kiểm soát chọn lọc nghiêm ngặt của màng sinh chất.

Một điểm đáng lưu ý là sự hiện diện của mycorrhiza (nấm rễ cộng sinh) trong môi trường núi cao. Nấm rễ arbuscular (AMF) không chỉ giúp cây hấp thụ phospho và nước mà còn có khả năng vận chuyển và chuyển hóa các kim loại nặng, bao gồm REE. Các nghiên cứu địa hóa học chỉ ra rằng nấm rễ có thể làm tăng sinh khả dụng của REE bằng cách tiết ra axit hữu cơ phân giải khoáng chất chứa lanthanide, sau đó hấp thụ REE vào sợi nấm và chuyển giao cho tế bào rễ cây chủ thông qua hệ thống arbuskel.

Sau khi được hấp thu, REE được vận chuyển chủ yếu lên phần thân và lá theo dòng nhựa gỗ, nhưng một lượng đáng kể bị giữ lại ở rễ củ – bộ phận dược liệu chính. Các phân tích cắt lớp tế bào cho thấy REE tập trung nhiều ở lớp bì (periderm) và mô libe thứ cấp, ít hơn ở vùng mạch gỗ. Điều này phù hợp với giả thuyết rằng REE liên kết với các phân tử có tính axit như pectin và protein thành tế bào, tạo thành phức chất ổn định và bị “cố định” trên đường di chuyển.

Ảnh hưởng của đất hiếm đến dược tính của nhân sâm

Mối liên hệ giữa hàm lượng REE và dược tính của nhân sâm núi là một chủ đề gây tranh luận sôi nổi trong hơn hai thập kỷ qua. Một số nhà nghiên cứu Trung Quốc và Hàn Quốc đã báo cáo rằng việc bón phân đất hiếm (dạng nitrat hoặc clorua) với liều lượng thấp có thể làm tăng đáng kể hàm lượng ginsenoside – hoạt chất chính của sâm – lên đến 20–35% so với đối chứng. Cơ chế được đề xuất bao gồm: REE hoạt hóa enzyme phenylalanine ammonia-lyase (PAL) – enzyme then chốt trong con đường sinh tổng hợp các hợp chất phenylpropanoid, và kích thích biểu hiện của gen squalene synthase (SS) và dammarenediol synthase (DS) trong con đường mevalonate, vốn là tiền đề cho khung triterpenoid của ginsenoside.

Tuy nhiên, các bằng chứng gần đây trên đối tượng sâm hoang dã núi cao cho thấy mối quan hệ này không tuyến tính. Ở những cây có tuổi đời lớn (trên 20 năm), hàm lượng REE trong rễ có xu hướng đạt trạng thái bão hòa, trong khi nồng độ ginsenoside đặc hiệu (như Rg1, Rb1, Re, và đặc biệt là các hợp chất đặc trưng của sâm già như ginsenoside Rk1, Rg5) vẫn tiếp tục tăng. Điều này gợi ý rằng REE đóng vai trò như một chất khơi mào (trigger) nhiều hơn là yếu tố tỷ lệ thuận trực tiếp với sinh tổng hợp dược chất. Nói cách khác, sự hiện diện của REE ở ngưỡng nhất định có thể thiết lập một trạng thái stress ôn hòa, buộc cây sâm phải tăng cường sản xuất các chất chuyển hóa thứ cấp mang chức năng bảo vệ – chính là các ginsenoside và polyacetylen có hoạt tính sinh học.

Ngoài ginsenoside, REE còn được chứng minh ảnh hưởng đến quá trình tích lũy germanium hữu cơ (Ge), selen (Se) và kẽm (Zn) trong rễ sâm – những nguyên tố vi lượng được cho là góp phần vào tác dụng chống oxy hóa, tăng cường miễn dịch và điều hòa đường huyết của sâm. Một giả thuyết thú vị cho rằng ion REE³⁺ có thể tạo cầu nối giữa các phân tử polysaccharide và protein trong thành tế bào, làm thay đổi tính thấm của màng và gián tiếp điều hòa sự xâm nhập của các ion khoáng khác.

Sự tích lũy đồng thời của REE và ginsenoside trong sâm núi đã dẫn đến khái niệm “siêu dược liệu địa chất” (geo-medicinal superherb), theo đó dược tính của cây không chỉ phụ thuộc vào di truyền mà còn chịu sự chi phối sâu sắc bởi đặc điểm địa hóa của nơi sinh trưởng.

So sánh hàm lượng đất hiếm giữa các loại nhân sâm

Sự khác biệt về môi trường sống dẫn đến sự chênh lệch lớn về dấu vết REE giữa các dòng sâm khác nhau. Như đã trình bày trong Bảng 1, sâm núi hoang dã vượt trội hơn hẳn về tổng REE so với sâm trồng, nhưng điều thú vị là “dấu vân tay” REE (REE fingerprint) còn cho phép phân biệt nguồn gốc địa lý của sâm với độ chính xác cao. Sau đây là một số so sánh chi tiết:

• Sâm núi Triều Tiên/Hàn Quốc (Panax ginseng): Thường cho thấy sự ưu thế rõ rệt của cerium và neodymium, tỷ lệ La/Yb thấp (~2–5), phản ánh nền đá granit kiểu S giàu LREE của bán đảo Triều Tiên. Dị thường europium âm (Eu/Eu* < 1) là đặc trưng phổ biến.
• Sâm Ngọc Linh (Panax vietnamensis): Mẫu sâm từ núi Ngọc Linh thể hiện hàm lượng REE trung bình cao bất thường, đặc biệt là lanthanum và cerium. Tỷ lệ Ce/La ổn định quanh giá trị 2,8–3,2, phù hợp với thành phần monazite trong đá biến chất cổ của địa khối Kon Tum. Dị thường Eu âm sâu, kết hợp với tỷ số (La/Sm)N cao, tạo ra một “chữ ký” địa hóa gần như duy nhất, giúp phân biệt sâm Ngọc Linh thật với sâm trồng từ hạt mang xuống đồng bằng.
• Sâm Mỹ rừng (Panax quinquefolius): Mọc trong rừng rụng lá vùng Appalachian, loài này hấp thụ REE từ đất hình thành trên đá trầm tích và đá phiến, dẫn đến tổng REE thấp hơn hẳn so với sâm châu Á. Đặc trưng là tỷ lệ HREE (heavy REE) như ytterbium và lutetium cao hơn tương đối so với LREE, tạo nên đồ thị phân bố REE kiểu “phẳng” thay vì dốc nghiêng về phía LREE như sâm Á châu.
• Sâm trồng (nói chung): Do đất nông nghiệp được cày xới, bón phân và tưới tiêu thường xuyên, sự phân bố REE bị đồng nhất hóa và nghèo đi. Kết quả là các mẫu sâm trồng thể hiện hàm lượng REE thấp, dị thường Eu không rõ ràng và thiếu đi những đặc trưng địa hóa nổi bật. Điều này đặt nền móng cho việc sử dụng REE làm chất chỉ thị để truy xuất nguồn gốc và chống hàng giả trong ngành dược liệu.

An toàn và quy định về đất hiếm trong dược liệu

Vấn đề an toàn của REE trong nhân sâm tiêu dùng là mối quan tâm hàng đầu khi xét đến việc đưa các sản phẩm này vào sử dụng rộng rãi. Mặc dù các nghiên cứu về độc tính cấp cho thấy REE có độc tính tương đối thấp (LD50 qua đường uống của LaCl3 ở chuột là khoảng 1.400–1.800 mg/kg), nhưng phơi nhiễm mạn tính với liều lượng lớn vẫn có thể gây tích lũy REE trong gan, xương và gây rối loạn chức năng thần kinh. Một số báo cáo từ Trung Quốc – nơi phân bón đất hiếm được sử dụng rộng rãi trong những năm 1990 – ghi nhận tác dụng phụ trên thận và xương ở những vùng có sử dụng phân REE liều cao kéo dài.

Đối với nhân sâm núi tự nhiên, hàm lượng REE tuy cao hơn sâm trồng nhưng vẫn nằm trong giới hạn an toàn nếu sử dụng ở liều lượng thông thường. Một người trưởng thành tiêu thụ trung bình 3–6 gram rễ sâm khô mỗi ngày sẽ hấp thụ một lượng REE tổng vào khoảng 0,15–0,5 mg – thấp hơn nhiều so với ngưỡng phơi nhiễm hàng ngày chấp nhận được (ADI) tạm thời do WHO đề xuất cho tổng REE là 0,5–2 mg/ngày. Tuy nhiên, điều đáng lo ngại nằm ở khả năng khuếch đại sinh học khi sử dụng các sản phẩm chiết xuất đậm đặc, như cao sâm hay tinh chất ginsenoside, vì quy trình chiết xuất có thể vô tình cô đặc một số REE hòa tan cùng các hợp chất hữu cơ.

Hiện nay, chưa có quy định tiêu chuẩn quốc tế riêng cho hàm lượng REE trong dược liệu. Dược điển Hoa Kỳ (USP) và Dược điển Châu Âu (Ph. Eur.) chưa thiết lập giới hạn chính thức cho REE trong nhân sâm, trong khi đó, Dược điển Trung Quốc (ChP 2020) đã bắt đầu khuyến cáo theo dõi tổng REE trong một số dược liệu núi cao, bao gồm sâm. Hàn Quốc, với ngành công nghiệp nhân sâm trị giá hàng tỷ đô la, đang đầu tư mạnh vào nghiên cứu để đưa ra ngưỡng an toàn dựa trên đánh giá rủi ro đầy đủ, đồng thời sử dụng dấu vết REE như một công cụ chứng minh nguồn gốc núi cao của sâm hoang dã.

Tiềm năng ứng dụng trong y học và nghiên cứu tương lai

Ngoài vai trò thụ động như một chất chỉ thị địa lý, REE trong nhân sâm núi đang mở ra những hướng nghiên cứu đầy hứa hẹn về mặt dược lý. Một số thử nghiệm in vitro và in vivo cho thấy phức hợp REE-ginsenoside (đặc biệt là Ce-Rg1 và La-Rb1) có khả năng chống oxy hóa mạnh hơn đáng kể so với ginsenoside tự do, có lẽ nhờ khả năng bắt giữ gốc tự do của các electron chưa ghép đôi trong orbital f của lanthanide. Các nano hạt kết hợp giữa CeO₂ (xeri oxit) và chiết xuất sâm cũng đang được thử nghiệm như một tác nhân bảo vệ thần kinh trong điều trị bệnh Alzheimer và Parkinson, tận dụng cả hoạt tính chống oxy hóa của xeri và tác dụng nuôi dưỡng tế bào thần kinh của ginsenoside.

Một lĩnh vực khác đang thu hút sự quan tâm là sử dụng tỷ lệ đồng vị ổn định của neodymium (¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd) và tỷ số REE để truy xuất nguồn gốc sâm một cách tuyệt đối, phục vụ cho việc chống hàng giả và bảo hộ chỉ dẫn địa lý. Kỹ thuật này cho phép phân biệt sâm núi thật sự mọc hoang dã với sâm trồng trên núi (một hình thức gian lận phổ biến) bằng cách đối chiếu với cơ sở dữ liệu địa hóa của từng vùng trồng. Hàn Quốc và Việt Nam đều đã có những dự án hợp tác quốc tế nhằm xây dựng “bản đồ REE cho sâm” để bảo vệ thương hiệu quốc gia.

Cuối cùng, khả năng thiết kế các chế phẩm sinh học dựa trên REE chiết xuất từ sâm cũng là một hướng đi mới. Vi khuẩn Lactobacillus và Bacillus phân lập từ đất trồng sâm núi đã cho thấy khả năng sinh tổng hợp nano khoáng REE ngoại bào, gợi ý về một hệ sinh thái vi sinh – thực vật cộng sinh có thể được khai thác để sản xuất phân bón sinh học giàu REE, giúp cải thiện dược tính của sâm trồng mà không cần đến hóa chất tổng hợp.

Kết luận

Nguyên tố đất hiếm trong nhân sâm mọc trên núi không chỉ là một hiện tượng địa hóa thú vị mà còn là chìa khóa mở ra những hiểu biết sâu sắc hơn về mối quan hệ giữa dược liệu và môi trường. Sự hiện diện của chúng, từ vai trò sinh lý thực vật đến ảnh hưởng trên dược tính và an toàn, đòi hỏi một cách tiếp cận liên ngành kết hợp giữa địa chất, sinh học phân tử, dược học và phân tích hóa học. Trong bối cảnh nguồn sâm núi hoang dã ngày càng khan hiếm, việc ứng dụng các kiến thức về REE có thể góp phần bảo tồn, phát triển bền vững và nâng cao giá trị của loại dược liệu quý giá này, đồng thời cung cấp công cụ mạnh mẽ để bảo vệ người tiêu dùng khỏi hàng giả, hàng kém chất lượng.