nitơ và phospho trong môi trường

nitơ và phospho trong môi trường

NITƠ VÀ PHOSPHO TRONG MÔI TRƯỜNGTS. LÊ THỊ HI ỀN THẢOTrường Đại học Xây dựngĐa số nitơ và phospho tồn tại trong môi trường dưới dạng chưa sử dụng được ngay cho sinh giới. Trong tự nhiên, do sự hoạt động của các vi sinh vật, nitơ và phospho được chuyển hoá thành các các muối hoà tan và được SV sử dụng. Sự chuyển hoá của nitơ và photpho trong môi trường phụ thuộc vào nhiều yếu tố ảnh hưởng như: pH, sự phân tầng nước, nhiệt độ, độ mặn . Tuy nhiên, nếu trong nước và thực phẩm hàm lượng nitơ và photpho, đặc biệt là nitơ dưới dạng muối nitrit và nitrat cao quá sẽ gây ra một số bệnh nguy hiểm cho người đặc biệt là trẻ em.1. Tập tính của nitơ và phospho trong môi trườnga. NitơĐa số nitơ và phospho tồn tại dưới dạng chưa sử dụng được ngay cho sinh vật. Trong khí quyển, nitơ chủ yếu tồn tại dưới dạng nitơ phân tử (N2). Trong trái đất, đa số nitơ nằm bất động trong đá và đất. Việc cung cấp nitơ và các chu trình vật chất trong tự nhiên phụ thuộc nhiều vào quá trình phân huỷ sinh học các hợp chất chứa nitơ và phospho trong môi trường. Sự trao đổi và phân huỷ sinh khối khác nhau đáng kể giữa các nơi sống, kích cỡ và hoạt động sống của các quần xă vi sinh vật (VSV) và nấm: Trong các môi trường nóng ẩm và có đủ oxy, sự phân huỷ và giải phóng chất dinh dưỡng diễn ra nhanh chóng (ở vùng nhiệt đới, thời gian tồn tại của cacbon trong lá cây là 3 tháng); rừng ôn đới từ 4-16 năm; trong khi đó ở các hệ Bắc bán cầu có thể tới hơn 100 năm). Sự phân huỷ thường rất hạn chế bởi lượng nitơ có sẵn. Tỷ lệ trung bình của C:N trong sinh khối VSV xấp xỉ 10:1; Thực vật (TV) có tỷ lệ C:N là 40-80:1 nghĩa là có sự thiếu hụt nitơ; Động vật (ĐV) duy trì tỷ lệ C:N gần bằng tỷ lệ của VSV phân huỷ, gây phân hủy nhanh. Trong đất, tỷ lệ C:N ổn định nhất, vào khoảng 10.Theo Begon (1990), khi một chất có hàm lượng N < 1,2-1,3 % được bổ sung vào đất thì bất kỳ ion NH4+ nào cũng được hấp thụ, khi các chất có hàm lượng N > 1,8% được bổ sung, thì các ion NH4+ có xu hướng được giải phóng.Toàn bộ nitơ trong chu trình nitơ sinh học diễn ra chủ yếu qua hoạt động cố định đạm của các vi khuẩn (VK) sống trong cây, các tảo lục và các VK cộng sinh trong rễ của một số loài thực vật (ví dụ Rhizobium có ở trong nốt sần của rễ một số loài họ đậu). Những sinh vật (SV) này có khả năng chuyển hóa N2 thành NH4+, mặc dù chỉ chiếm tỷ lệ nhỏ dòng nitơ trên toàn cầu, quá trình cố định đạm là nguồn cung cấp nitơ cao nhất cho cả 2 nơi sống ở cạn và ở nước. NH4+ chỉ được các thực vật sử dụng hạn chế, hầu hết nitơ được tích luỹ dưới dạng NO3-. Việc chuyển hóa nitơ hữu cơ gồm 4 giai đoạn:- Amon hóa: nghĩa là thủy phân protein và oxy hóa các axit amin thành NH4+.- Nitrit hóa: NH4+ tự do được oxy hóa nhờ VK sống trong cây dưới đất (Nitrosomonas) và dưới biển (Nitrosococcus) từ N3- thành N3+, cho NO2-. - Nitrat hóa: NO2- được oxy hóa tiếp do VK Nitrobacter trong đất và nước biển cho NO3- (thể N5-). Dưới dạng này nitơ được các TV sống trên cạn và dưới nước sử dụng.- Khử nitrat: trong điều kiện không có oxy (ngập úng, cặn lắng .) sẽ diễn ra quá trình khử nitrat. Trong đó NO2- và NO3- được các VK sử dụng làm chất nhận electron (chất gây oxy hoá) và chuyển thành N2, trả lại nitơ cho khí quyển. Nitơ được cố định gần bề mặt đất có thể bị mất do khử nitrat hóa. Quá trình này xảy ra do các VK như Pseudomonas denitrificans.Theo Hardy và Havelka (1975), quá trình cố định nitơ và khử nitrat cân bằng trên quy mô toàn cầu và chiếm khoảng 2% tổng nitơ tuần hoàn. b. PhosphoPhospho tồn tại trong môi trường chủ yếu dưới dạng octophotphat (PO43-) có hóa trị 5+. ở dạng này dễ được các TV ở cạn và ở nước hấp thụ. Động vật bài tiết lượng phospho trong thức ăn ở dạng phosphat qua nước tiểu. Phospho cố định trong sinh giới được giải phóng khi bị phân huỷ do hoạt động của các VK phosphat hóa, quá trình này bẻ gãy các hợp chất phosphat hữu cơ giải phóng ra ion phosphat. Các hợp chất dễ bay hơi không tham gia vào chu trình sinh địa hóa của phospho, chu trình diễn ra trong các thành phần sinh quyển trên cạn và dưới nước, phospho có mặt trong không khí có liên quan với các chất dạng hạt. Khả năng tồn tại của phosphat sinh học hoàn toàn phụ thuộc vào pH:- ở pH thấp (môi trường axit): phospho gắn chặt với các hạt sét và tạo thành các chất tổng hợp không tan với ion sắt (ví dụ Fe(OH)2H2PO4) và nhôm (Al(OH)2H2PO4). Do sự xuất hiện của ion Fe3+ và nhôm trong đất, của cặn lắng và nước, nên lượng phospho hòa tan rất thấp trong điều kiện axit. Khi môi trường không có oxy, phospho được cố định là các phức hợp sắt không tan, có thể giải phóng Fe3+, giảm thành Fe2+ và tạo thành sunfit sắt.- Trong điều kiện pH cao (môi trường kiềm): phospho hình thành các hợp chất không hoà tan khác nhất là canxi (ví dụ hydroxyapatite Ca10(PO4)6(OH)2). Trong điều kiện hiếu khí có Ca, Al và ion Fe thì phosphat tan nhiều nhất ở pH = 6-7.Do tính phản ứng của phosphat, phospho có khả năng lưu động chậm trong đất. Trong khi đó ngược lại, NO3- có khả năng lưu động cao và rò rỉ nhanh từ đất. Khả năng lưu động của các ion chính trong đất tăng theo thứ tự PO43- < SO42- < NO3- > Cl-. Mặc dů phosphat đuợc coi là cố định cao trong đất, nhưng nếu khả năng hấp thụ phosphat của đất bị vượt quá thì phospho sẽ nhanh chóng chuyển xuống lớp đất sâu hơn và tập trung vào dòng chảy dưới lớp đất mặt. Mức độ và tốc độ di chuyển phụ thuộc vào khả năng phát sinh tự nhiên của đất và dạng phosphat.ở trong nước, chu trình nitơ và phospho sinh học cũng diễn ra tương tự như ở trên cạn, nhưng do quá trình suy giảm ánh sáng và phân tầng nước mà quá trình sinh học hấp thụ dinh dưỡng và tái tạo dinh dưỡng diễn ra khác nhau theo độ sâu. Hiện tượng phân tầng nước thay đổi theo můa và khác nhau ở các vùng khí hậu. Sự phân tầng tạo thành sự thay đổi nhiệt và sự thay đổi độ mặn của các vůng nước. Khi một thủy vực bị phân tầng, quá trěnh xáo trộn giữa tầng mặt và tầng sâu diễn ra rất ít. Quá trình thay đổi nhiệt như một rào cản quan trọng đối với sự lan tỏa và vận chuyển các chất giữa 2 tầng nước, do đó các chất dinh dưỡng tầng trên có thể bị cạn kiệt làm hạn chế năng suất tảo. Việc hình thành sự thay đổi nhiệt ở vùng nước ôn đới diễn ra theo mùa. Từ mùa xuân đến můa hč, khi mặt nước ấm lên, sự thay đổi nhiệt hình thành và phát triển và quá trình này bị đứt qng vào mùa đơng do nước mặt mát và gió làm xáo trộn nguồn nước. Về mùa đơng, sự xáo trộn nước và q trình cặn đã lắng lơ lửng trở lại sẽ bổ sung dinh dưỡng cho nguồn nước mặt. ở tầng sâu của các đại dương và vùng nước nhiệt đới, sự thay đổi nhiệt mang tính ổn định hơn. ở các vůng nước duyęn hải và các hồ sự thay đổi nhiệt kém ổn định hơn, chúng dễ bị ảnh hưởng, đứt quăng tạm thời do thủy triều và gió to. ở các vùng cực sự phân tầng thường ít xảy ra. Cường độ ánh sáng theo độ sâu giảm theo cấp số mũ. Sự suy giảm ánh sáng phụ thuộc vào độ đục của nước. ở đại dương, ánh sáng có thể xun tới 100 m, nhưng ở ven biển do có phù sa cao và các tải lượng hạt nên ánh sáng chỉ tới 6-48 m. ở các vùng nước nơng, cặn bã của các TV nổi rơi xuống đáy và ở đó diễn ra sự phân hủy và giải phóng dinh dưỡng. ở các vùng nước sâu hơn, một tỷ lệ quan trọng (khoảng 18%) vật chất sinh học của chu trình ở bề mặt bị chìm xuống các vùng nước sâu hơn tạo thành các hạt chìm, chủ yếu là phân ĐV nổi. 2. Các mối quan tâm về mơi trườnga. Sự phú dưỡngCon người là nguồn gây nên sự giàu dinh dưỡng cho các hệ nước ngọt và nước biển ven bờ. Nitơ và phospho theo nước thải sinh hoạt, sản xuất và hoạt động nơng nghiệp xả xuống các thủy vực khơng qua xử lý là ngun nhân gây ra sự ơ nhiễm cho các nguồn nước.Các chất gây ơ nhiễm hữu cơ bị khử dần do hoạt động của VSV, q trình này gây ra sự giảm oxy dưới hạ lưu, làm đường cong oxy giảm xuống. Mức độ oxy hố phụ thuộc vào sự pha lỗng của dòng thải và thành phần tính chất nước thải. Lượng chất hữu cơ này được đánh giá qua Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD5) và nhu cầu oxy hóa học (COD). Dòng thải có BOD5 và COD cao gây ra sự thiếu hụt oxy cho thủy vực. Do q trình pha lỗng và hồ tan oxy, nên ở hạ lưu lượng oxy lại tăng lên. Những thay đổi về chất lượng nước được phản ảnh qua hệ các sinh vật chỉ thị ở nước: ở gần điểm xả, sinh vật sinh sơi mạnh, nhất là các lồi có khả năng chống chịu được với nồng độ oxy thấp.Với các mức độ xả lớn hay ở đầu nguồn xả có thể làm cho nguồn nước bị phú dưỡng (Eutrophication). Hiện trạng ơ nhiễm tự nhiên chủ yếu được xác định bằng độ màu mỡ của lưu vực chứa nước. Phosphat thường hạn chế dinh dưỡng trong các nơi cư trú nước ngọt, còn nitơ là yếu tố hạn chế chủ yếu ở các vùng nước biển. Những chất thải dinh dưỡng giầu nitơ và phospho do con người gây ra thường làm phú dưỡng thuỷ vực. Lúc đầu ảnh hưởng còn nhỏ, sinh khối tăng ít. Q trình tiếp tục, dần dần dẫn đến tồn bộ hệ sinh thái của hệ thống bị xáo trộn. Những thay đổi chủ yếu diễn ra trong thành phần các lồi TV nổi (phytoplankton), chủ yếu sinh sơi các lồi "nở hoa" gồm cả tảo lục độc. Với sản lượng tảo tăng lên làm cho độ đục tăng, độ xun ánh sáng giảm, gây tổn thất cho hệ đại TV (Marcrophyte) mọc dưới nước. Các hệ TV này là thức ăn cho các hệ ĐV hồ, là nơi cư trú của cá và ĐV khơng xương sống. Do tổn thất này, các lồi động vật khơng xương sống bị cạn kiệt, thành phần của quần xã cá bị thay đổi. Đặc biệt là vào mùa xn, khi nhiệt độ, ánh sáng tăng lên và nước phân tầng, sinh khối tảo tăng nhanh, rồi chết gây ra màu nước xanh do sự phân hủy của tảo, tạo ra mùi khó chịu và một số chất độc, làm giảm hàm lượng oxy của nước một cách nghiêm trọng, thường gây chết cá. Do các lồi "nở hoa" thường gây độc cho người và ĐV ni nên phải cẩn thận, khơng để vật ni vào các vùng này và đặc biệt lưu ý trong việc cấp nước uống, khơng để nước bị nhiễm bẩn của nước hồ bị phú dưỡng. ở Hà Lan năm 1987, tổng chi phí cho việc xử lý hiện tượng phú dưỡng mất tới 760 triệu Guider Hà Lan. Còn ở Nauy, các chất độc do tảo tạo ra gây thiệt hại hơn 10 triệu USD cho ngành cơng nghiệp ni cá hồi năm 1988. Gần đây hiện tượng phú dưỡng nuôi trồng được coi là vấn đề nan giải trong các vůng nước nội địa. Tuy nhiên tần suất "nở hoa" tảo cũng tăng lên ở các vùng nước duyên hải cho thấy vấn đề này không còn là trường hợp điển hình. Sự phong phú về dinh dưỡng do con người gây ra là một yếu tố góp phần quan trọng đối với khả năng xảy ra hiện tượng "nở hoa" của nước, nhưng đây không phải là nguyên nhân duy nhất. Hiện tượng "nở hoa" thường hay xảy ra nhất ở nơi nước phân tầng, nơi mà sự vận chuyển/ xáo trộn ngang bị hạn chế, cường độ bức xạ cao và thời gian ban ngày dài.b. Nitrat và việc cấp nước uốngTrong những thập niên gần đây, mức NO3- trong nước uống tăng lên đáng kể. Nguyên nhân là do sự sử dụng phân đạm vô cơ tăng, gây rň rỉ NO3- xuống nước ngầm. Hàm lượng NO3- trong nước uống tăng gây ra nguy cơ về sức khoẻ đối với cộng đồng. ủy ban châu Âu quy định mức tối đa của NO3- trong nước uống là 50 mg/l, Mỹ là 45 mg/l, Tổ chức sức khoẻ thế giới (WHO): 100 mg/l. Bản thân NO3- không gây rủi ro cho sức khỏe, tuy nhiên NO3- giảm thành NO2- do men khử nitrat và gây độc. NO2- ảnh hưởng đến sức khoẻ với 2 khả năng sau: chứng máu Methaemoglobin và ung thư tiềm tàng. * Chứng máu Methaemo- globinaemia (hội chứng xanh xao trẻ em)Trẻ nhỏ khoảng 1 tuổi dễ mẫn cảm với sự tồn lưu huyết cầu tố bào thai và do trong dạ dày không có đủ độ chua để hạn chế sự chuyển hoá NO3- thành NO2-. NO2- hình thành ở dạ dày, truyền qua đường máu, phản ứng với huyết sắc tố mang O2, oxy hoá sắt để tạo thành huyết Methaemoglobin làm giảm khả năng mang oxy của máu, có khả năng gây tử vong do "ngột ngạt hóa chất". Rất may là các ca tử vong rất hiếm. Đa số các trường hợp trên thế giới liên quan đến việc sử dụng nước giếng khơi do nước giếng bị nhiễm bẩn bởi các chất bài tiết của người và động vật. Mức an toàn về NO3- cho nước uống là 100 mg/l. ở những quốc gia có NO3- cao phải cấp nước chai có nồng độ NO3- thấp cho các bà mẹ đang cho con bú và cho trẻ em được nuôi bằng sữa bình. * Ung thư tiềm tàngở điều kiện pH axit của dạ dày, NO2- chuyển hóa thành axit nitrơ (HNO2). Axit là một tác nhân nitro hóa mạnh, phản ứng với các thành phần thực phẩm kể cả các axit amin và hỗn hợp sắt, gây tích luỹ lớn O2 ở cơ bắp. Nhiều thí nghiệm trên hàng loạt ĐV (như chuột cống) đă chứng minh rằng: nuôi bằng thức ăn có chứa hàm lượng muối NO3- cao đă gây ra ung thư.Rau là nguồn thức ăn chứa NO3- chủ yếu. Ví dụ rau diếp, cần tây: 100 mg/kg; đậu Hà Lan, hành, khoai tây: ~200mg/kgÁ các mức NO3- thay đổi theo mùa và điều kiện trồng trọt.NO3- còn có mặt trong thịt. Thường trong quá trình ướp thịt, người ta hay tẩm thịt sống với muối có chứa NO3- hoặc tẩm KNO3 trong một số gia vị. Giới hạn cao nhất cho phép của NO3- trong sản phẩm dăm bông và thịt xông khói là 500 ppm; của KNO3 là 595 ppm.Với một số người, bia là nguồn NO3- chủ yếu: 4 chai bia con có hàm lượng NO3- trung bình bằng 2 lần lượng hấp thụ từ thức ăn có chứa nitrat. ở dạ dày người lớn nhiều axit hơn trẻ em nên việc chuyển NO3- thành NO2- bị hạn chế. Nitrat là nguồn nitrit chủ yếu trong rau và thịt ướp, còn số lượng trong nước uống không đáng kể. Thực ra nồng độ NO2- trong rau thấp (chỉ khoảng 1 ppm trong rau tươi) nhưng do số lượng ăn và nồng độ NO3- cao nên rau là nguồn NO2- quan trọng, chiếm 75 % tổng mức cung cấp. Trong thịt ướp, NO2- giới hạn tối đa là 200 ppm. Ướp thịt bằng NaNO3 và KNO3 làm cho thịt có hương vị thơm và màu đặc trưng, bảo quản cho thịt khỏi bị hỏng do sự sinh trưởng của VK kị khí gây hại tiềm tàng như Clostridium botulinum. Nitrat trong nước uống chỉ là nguồn rất nhỏ gây ra NO2-, tuy nhiên nếu uống nhiều sẽ trở thành nguồn quan trọng. Người ta còn phát hiện thấy rau muối ngâm trong nước nhiều tuần và bánh ngô cũng có hàm lượng NO3- và NO2- cao. Trong rau muối phát hiện thấy chứa hỗn hợp sắt- nitronsyl (Fe2(SCH3)2(NO)4), hợp chất này không gây ung thư mà chỉ gây đột biến yếu, nhưng chúng có thể làm tăng tác động ung thư của các hợp chất khác. Một số nghiên cứu cho thấy N-nitrosamines và các hydrocacbon thơm làm tăng khả năng sinh u của ở động vật. Trong bánh ngô thường bị nhiễm mốc Fusarium moniliform có thể tạo ra nitrosamines, gây dễ tiếp xúc với mầm sinh ung thư tiềm tàng.Rõ ràng có mối quan hệ phức hợp giữa tỷ lệ mắc ung thư với mức nitrat trong nước uống, mức nitrat/ nitrit trong thức ăn. Phải hết sức thận trọng và nghiêm túc xem xét đầy đủ bằng chứng về các rủi ro đối với nitrat. Việc làm giảm thiểu mức nitrat trong nước uống theo các tiêu chuẩn quy định là rất phức tạp và tốn kém. Thường người ta sử dụng giải pháp dùng các nguồn thay thế có mức nitrat thấp hơn. Tuy vai trò của nitrat và nitrit trong công tác bảo quản thực phẩm là rất quan trọng nhưng cần cố gắng giảm thiểu mức độ sử dụng chúng trong công nghiệp thực phẩm.Các hệ sinh thái tự nhiên ít bị rò rỉ nitơ, dinh dưỡng hầu như được giữ và quay vòng trong hệ thống. Tuy nhiên đất nông nhiệp thì sự xáo trộn làm rò rỉ nhiều chất dinh dưỡng lưu động. Rò rỉ phân bón là một nguồn đưa các chất dinh dưỡng trong nông nghiệp xuống nước mặt và nước ngầm. Việc giảm thiểu mức phân bón có tác dụng làm giảm nồng độ nitrat đến nước ngầm và giảm phú dưỡng tới nước mặt. Việc giảm thiểu mức sử dụng phân đạm là rất quan trọng để giảm hàm lượng nitrat trong nước ngầm. . NITƠ VÀ PHOSPHO TRONG MÔI TRƯỜNGTS. LÊ THỊ HI ỀN THẢOTrường Đại học Xây dựngĐa số nitơ và phospho tồn tại trong môi trường dưới dạng chưa. tính của nitơ và phospho trong môi trườnga. Nitơ a số nitơ và phospho tồn tại dưới dạng chưa sử dụng được ngay cho sinh vật. Trong khí quyển, nitơ chủ