TỔNG QUAN CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
KIM LOẠI NẶNG (KLN) VÀ CÁC DẠNG TỒN TẠI CỦA KLN
2.1.1 Kim loại nặng và các dạng tồn tại của kim loại nặng trong đất
Thuật ngữ KLN nhằm nói tới bất cứ một nguyên tố nào có khối lượng riêng lớn (d > 5 g/cm 3 ) và thể hiện độc tính ở nồng độ thấp Tuy nhiên, độ độc của KLN còn phụ thuộc vào các dạng tồn tại của chúng ở trong đất.[7]
Khi nghiên cứu sự tích luỹ của KLN trong đất mà chỉ xem xét hàm lượng tổng số thì chưa thể đánh giá đúng độ độc của chúng đối với cây trồng cũng như chiều hướng biến đổi của chúng ở trong đất [7] Chúng có thể tồn tại ở nhiều dạng khác nhau nhưng chủ yếu ở các dạng sau đây: dạng linh động, liên kết với hữu cơ, liên kết với gốc cacbonat, với oxit sắt, với oxit mangan.[7]
Các kim loại nặng được hấp phụ trên bề mặt các hạt đất (hạt sét, các oxit sắt và oxit mangan bị solvat hoá, các axit mùn) Đây là dạng mà cây trồng dễ hấp thu trong quá trình hút dinh dưỡng và nước vào cơ thể.
Các kim loại nặng tồn tại dưới dạng các muối cacbonat (CO3 2-) trong đất Sự tồn tại và liên kết của các dạng này phụ thuộc rất nhiều vào pH của đất cũng như lượng cacbonat trong đất.
- Dạng liên kết oxit sắt, oxit mangan:
Dạng này dễ hình thành do các oxit sắt và oxit mangan tồn tại trong đất như kết von đá ong, vật liệu gắn kết giữa các hạt đất Các oxit này là những chất loại bỏ rất tốt các KLN nhờ quá trình nhiệt động học không ổn định dưới
- Dạng liên kết với chất hữu cơ:
KLN liên kết với các chất hữu cơ khác nhau trong đất như : sinh vật đất, sản phẩm phân giải của chất hữu cơ, chất hữu cơ bao phủ bên ngoài hạt đất,…Do đặc tính tạo phức và peptiz hoá của các chất hữu cơ làm cho các kim loại tích luỹ lại trong đất (các chất hữu cơ bị oxy hoá, phân giải dẫn đến sự giải phóng các kim loại nặng vào đất).
Bao gồm các KLN nằm trong cấu trúc tinh thể của các khoáng vật nguyên sinh và thứ sinh Dạng này rất khó giải phóng ra môi trường dưới các điều kiện tự nhiên bình thường Do tác dụng của các quá trình phong hoá, đặc biệt là phong hoá hoá học và phong hoá sinh học mà các KLN dần dần được giải phóng ra môi trường đất.
2.1.2 Nguồn gốc phát sinh kim loại nặng trong môi trường đất
Kim loại trong đất ban đầu một phần được sinh ra từ các quá trình hoạt động địa hoá của khoáng vật mẹ và đi vào đất thông qua quá trình phong hoá hoá học Tuy nhiên, với quá trình phong hoá hoá học thì lượng kim loại đi vào đất là không đáng kể mà chủ yếu kim loại đi vào đất là do các hoạt động sản xuất của con người [8] Các hoạt động đó bao gồm:
- Hoạt động sản xuất công nghiệp
+ Công nghiệp nhựa: Co, Cr, Cd, Hg
+ Công nghiệp dệt: Zn, Al, Ti, Sn
+ Công nghiệp sản xuất vi mạch: Cu, Ni, Cd, Zn, Sb
+ Bảo quản gỗ: Cu, Cr, As
+ Mỹ nghệ: Pb, Ni, Cr
- Hoạt động sản xuất nông nghiệp
+ Sử dụng phân bón hoá học: As, Cd, Mn, U, V và Zn trong một số phân
+ Sử dụng phân chuồng: As, Cu, As, Zn
+ Sử dụng hoá chất bảo vệ thực vật: Cu, Mn và Zn trong thuốc trừ nấm,
As và Pb trong thuốc sử dụng đối với cây ăn quả.
+ Nước tưới: có thể thải ra Cd, Pb, Se
- Hoạt động khai khoáng quặng chứa kim loại
+ Đào, xới và cặn thải - nhiễm bẩn thông qua phong hoá, xói mòn do gió thải ra As, Cd, Hg, Pb Cặn thải khếch tán do sông - trầm tích trên đất do lũ, nạo vét sông…thải ra As, Cd, Hg, Pb.
+ Vận chuyển trong quá trình tuyển quặng - vận chuyển theo gió lên trên đất thải ra As, Cd, Hg, Pb Khai khoáng - nhiễm bẩn do bụi thải ra As, Cd,
+ Công nghiệp sắt thép: Cu, Ni, Pb
- Do trầm tích từ không khí
+ Nguồn từ đô thị và khu công nghiệp, bao gồm chất thải, thiêu huỷ cây trồng : Cd, Cu, Pb, Sn, Hg, V.
+ Công nghiệp luyện kim: As, Cd, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb
+ Khói linh động: Mo, Pb cùng với Br, Cl và V
+ Đốt cháy xăng, dầu (bao gồm các trạm xăng): As, Pb, Sb, Se, U, V, Zn và Cd
- Kim loại từ rác thải
+ Bùn cặn: Cd, Cr, Cu, Hg, Mn, Mo, Ni, Pb, V, Zn
+ Rửa trôi từ đất: As, Cd, Fe, Pb
+ Phế thải: Cd, Cr, Cu, Pb, Zn
+ Đốt rác, bụi than: Cu và Pb
Dựa vào nguồn gốc phát sinh kim loại trong môi trường đất ở trên, ta có thể thấy rằng, lượng kim loại nặng trong môi trường đất của làng nghề Văn
Môn có được ngoài do hoạt động phong hoá hoá học của quá trình hoạt động địa hoá của khoáng vật mẹ, còn do hoạt động sản xuất nông nghiệp và hoạt động sản xuất làng nghề mà chủ yếu là từ phế thải của làng nghề gây nên. Nguyên nhân chủ yếu là từ phế thải của làng nghề đổ ra môi trường Chính vì vậy, vấn đề cấp bách hiện nay của xã Văn Môn nói riêng và của tỉnh Bắc Ninh nói chung là phải tìm ra cách quản lý và xử lý lượng phế thải do hoạt động sản suất làng nghề thải ra môi trường phù hợp với điều kiện thực tế của xã Văn Môn và của tỉnh Bắc Ninh.
SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA KIM LOẠI NẶNG TỚI CÂY TRỒNG VÀ SỨC KHOẺ CON NGƯỜI
Ngày nay, với tốc độ phát triển mạnh mẽ của công nghiệp và hình thành nhiều thành phố lớn, vấn đề ô nhiễm ngày càng trở nên nghiêm trọng Khói từ nhà máy, từ hoạt động giao thông làm ô nhiễm bầu khí quyển Nước thải từ các nhà máy, khu dân cư làm ô nhiễm nguồn nước Phế thải từ các khu công nghiệp, các làng nghề và việc sử dụng phân bón hoá học, bùn thải, thuốc bảo vệ thực vật trong nông nghiệp làm ô nhiễm nghiêm trọng nguồn tài nguyên đất Tất cả những nguồn gây ô nhiễm này đều là nguyên nhân của sự tích tụ quá mức hàm lượng KLN trong đất và nước.[7]
Với sự tích tụ quá mức lượng KLN trong môi trường đất đã làm cho thảm thực vật trên mặt đất bị mất đi, nhiều loài không thể sống được ở những vùng đất chứa lượng KLN quá cao Đất giảm lượng tích luỹ mùn và trở nên chặt hơn, nghèo dinh dưỡng hơn Những cây có thể mọc được ở những vùng đất chứa lượng KLN cao thì ngay trong bản thân chúng cũng sẽ chứa lượngKLN nhất định, và lượng KLN nhất định này cao hơn mức bình thường mà chúng có được do chúng hút các chất dinh dưỡng trong đất Các KLN tích luỹ trong đất từ đó đi vào nông sản, thực phẩm và theo chuỗi thức ăn KLN trong đất sẽ được tích tụ trong thực vật và vào cơ thể con người Nếu cơ thể con
8 người tích tụ lượng KLN càng lớn sẽ gây ra nhiều loại bệnh nguy hiểm ảnh hưởng tới sức khoẻ, và tính mạng của con người.[21]
Tính độc của một số KLN tồn dư trong rau và trong cơ thể con người:
* Tính độc của kẽm (Zn)
- Đối với cây trồng: Sự dư thừa Zn gây độc đối với cây trồng khi Zn tích tụ trong đất quá cao Dư thừa Zn cũng gây ra bệnh mất diệp lục Sự tích tụ Zn trong cây quá nhiều gây một số mối liên hệ đến mức dư lượng Zn trong cơ thể người và góp phần phát triển thêm sự tích tụ Zn trong môi trường mà đặc biệt là môi trường đất.[1, 21]
- Đối với con người: Zn là dinh dưỡng thiết yếu và nó sẽ gây ra các chứng bệnh nếu thiếu hụt cũng như dư thừa Trong cơ thể con người, Zn thường tích tụ chủ yếu ở trong gan, là bộ phận tích tụ chính của các nguyên tố vi lượng trong cơ thể, khoảng 2 g Zn được thận lọc mỗi ngày Zn còn có khả năng gây ung thư đột biến, gây ngộ độc thần kinh, sự nhạy cảm, sự sinh sản, gây độc đến hệ miễn nhiễm Sự thiếu hụt Zn trong cơ thể gây ra các triệu chứng như bệnh liệt dương, teo tinh hoàn, mù màu, viêm da, bệnh về gan và một số triệu chứng khác.[1, 21]
* Tính độc của đồng (Cu)
- Đối với cây trồng: Theo kết quả nghiên cứu của nhiều công trình cho thấy Cu có vai trò rất quan trọng đối với phát triển của cây trồng Cây trồng thiếu Cu thường có tỷ lệ quang hợp bất thường, điều này cho thấy Cu có liên quan đến mức phản ứng oxit hoá của cây Trong cây thiếu chất Cu thì quá trình oxit hoá Acid Ascorbic bị chậm, Cu hình thành một số lớn chất hữu cơ tổng hợp với Protein, Acid amin và một số chất khác mà chúng ta thường gặp trong nước trái cây.
Ngoài những ảnh hưởng do thiếu Cu, thì việc thừa Cu cũng xảy ra những biểu hiện ngộ độc mà chúng có thể dẫn tới tình trạng cây chết Lý do của việc
9 này là do dùng thuốc diệt nấm, thuốc trừ sâu, đã khiến cho chất liệu Cu bị cặn lại trong đất từ năm này qua năm khác, ngay cả bón phân Sulfat Cu cũng gây tác hại tương tự.[1, 21]
- Đối với con người: Nguyên liệu dẫn đến ngộ độc Cu của con người có thể do uống nước qua hệ thống dẫn nước bằng Cu, ăn thực phẩm có chứa lượng Cu cao như Chocolate, nho, nấm, tôm,…, bơi trong các hồ bơi có sử dụng thuốc diệt tảo (Algaecides) có chứa Cu để làm vệ sinh hồ, uống bia hay rượu Cu là một chất độc đối với động vật: Đối với người 1 g/kg thể trọng đã gây tử vong, từ 60 – 100 mg/1kg gây buồn nôn Cu ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khoẻ do thiếu hụt cũng như dư thừa Cu thiết yếu cho việc sử dụng sắt (Fe), bệnh thiếu máu do thiếu hụt Fe ở trẻ em đôi khi cũng được kết hợp với sự thiếu hụt Cu.[1, 21]
* Tính độc của Cadmium (Cd)
- Đối với cây trồng: Rau diếp, cần tây, củ cải, cải bắp có xu hướng tích luỹ Cd khá cao, trong khi đó củ khoai tây, bắp, đậu tròn, đậu dài được tích luỹ một số lượng Cd nhiều nhất trong các loại thực phẩm, lá cà chua được tìm thấy tích luỹ Cd khoảng 70 lần so với lá cà rốt trong cùng biện pháp trồng trọt giống nhau Trong các cây, Cd tập trung cao trong các rễ cây hơn các bộ phận khác ở các loài yến mạch, đậu nành, cỏ, hạt bắp, cà chua, nhưng các loài này sẽ không phát hiện được khi tích lũy Cd ở rễ cây Tuy nhiên, trong rau diếp, cà rốt, cây thuốc lá, khoai tây, Cd được chứa nhiều nhất trong lá Trong cây đậu nành, 2 % Cd được tích luỹ hiện diện trong lá và 8 % ở chồi Cd trong mô cây thực phẩm là một yếu tố quan trọng trong việc giải quyết sự tích luỹ chất
Cd trong cơ thể con người Sự tập trung Cd trong mô thực vật có thể gây ra thông tin sai lệch của quần thể.[1, 21]
- Đối với con người: Cd trong môi trường thường không độc hại nhiều nhưng nguy hại chính đối với sức khoẻ con người từ Cd là: sự tích tụ mãn tính của nó ở trong thận Ở đây, nó có thể gây ra rối loạn chức năng nếu tập
1 0 trung ở trong thận lên trên 200 mg/kg trọng lượng tươi Thức ăn là con đường chính mà Cd đi vào cơ thể, nhưng việc hút thuốc lá cũng là nguồn ô nhiễm KLN, những người hút thuốc lá có thể thấm vào cơ thể lượng Cd dư thừa từ
Cd đã được tìm thấy trong Protein mà thường ở trong các khối của cơ thể và những Protein này có thể tìm thấy trong nấm, đậu nành, lúa mì, cải bắp và trong một số loại thực vật khác Cd là một KLN có hại, nó vào cơ thể qua thực phẩm và nước uống, Cd dễ dàng chuyển từ đất lên rau xanh và bám chặt ở đó Khi xâm nhập vào cơ thể Cd sẽ phá huỷ thận.
Nhiều công trình cho thấy Cd gây chứng bệnh loãng xương, nứt xương, sự hiện diện của Cd trong cơ thể sẽ khiến việc cố định Ca trở nên khó khăn. Những tổn thương về xương làm cho người bị nhiễm độc đau đớn ở vùng xương chậu và hai chân Ngoài ra, tỷ lệ ung thư tiền liệt tuyến và ung thư phổi cũng khá lớn ở nhóm người thường xuyên tiếp xúc với nhóm chất độc này.[1, 21]
* Tính độc của Arsenic (As)
- Đối với cây trồng: Arsenic được nhiều người biết đến do tính độc của một số hợp chất có trong nó Sự hấp thụ As của nhiều cây trồng trên đất liền không quá lớn, thậm chí ở trên đất trồng tương đối nhiều As, cây trồng thường không chứa lượng As gây nguy hiểm As khác hẳn một số KLN bình thường vì đa số các hợp chất As hữu cơ ít độc hơn các As vô cơ Lượng As trong các cây có thể ăn được thường rất ít Sự có mặt của As trong đất trồng trở nên chua hơn, nồng độ pH < 5 khi có sự kết hợp giữa các loại nguyên tố khác nhau như Fe, Al.
Chất độc ảnh hưởng từ As làm giảm đột ngột sự chuyển động trong nước hay làm đổi màu của lá kéo theo sự chết lá cây, hạt giống thì ngừng phát triển Cây đậu và những cây họ Đậu rất nhạy cảm đối với độc tố As.[1, 21]
- Đối với con người: Khi lượng độc tố As vượt quá ngưỡng, nhất là trong
TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU KIM LOẠI NẶNG TRONG ĐẤT TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM
2.3.1 Tình hình nghiên cứu kim loại nặng trong đất trên thế giới
Việc nghiên cứu KLN trong môi trường đất ở trên thế giới đã được tiến hành từ rất sớm Năm 1964, Alter Mitchell đã tiến hành nghiên cứu và phân tích hàm lượng một số KLN trong một số loại đất đá (xem bảng 1).[8]
Bảng 1 Hàm lượng của một số kim loại nặng trong một số loại đất đá Đơn vị: mg/kg
Nguyên tố Đá măcma Đá trầm tích
(Granite) Đá vôi Đá cát kết Đá phân lớp
Dựa vào bảng 1 ta thấy tuỳ từng loại đá mà hàm lượng kim loại chứa trong chúng là khác nhau Thông thường hàm lượng kim loại hình thành trong đá macma lớn hơn trong đá trầm tích.
Hàm lượng KLN trong đất được tích luỹ ngoài quá trình phong hoá tại chỗ của các khoáng vật và đá mẹ, còn do các hoạt động sản suất của con người mang lại, mà nguyên nhân này là chủ yếu Vì vậy, năm 1982 Galloway và Freedmas đã tiến hành nghiên cứu sự phát thải toàn cầu của một số nguyên tố KLN do tự nhiên và do nhân tạo (bảng 2).[10]
Bảng 2 Sự phát thải toàn cầu của một số nguyên tố kim loại nặng Đơn vị: 10 8 g/năm
Nguyên tố Tự nhiên Nhân tạo
Theo Thomas (1986), các nguyên tố KLN như: Cu, Zn, Cd, Hg, Cr, As,
…thường chứa trong phế thải của các nhà máy luyện kim màu, sản suất ô tô. Cũng theo Thomas khi nước thải chứa 13 mg Cu/l, 10 mg Pb/l, 1 mg Zn/l sẽ gây ô nhiễm đất nghiêm trọng Ở một số nước như Đan Mạch, Nhật Bản, Anh, Ailen hàm lượng Pb cao hơn 100 mg/kg đã phản ánh tình trạng ô nhiễm
Pb nghiêm trọng [29] Ở nước Anh, kết quả điều tra môi trường đất của 53 thành phố, thị xã về các KLN đặc biệt là các KLN như Pb, Zn, Cu, Ni cho thấy: các KLN trên thường có nhiều ở khu vực khai thác mỏ, và có hàm lượng Pb tổng số vượt trên 200 ppm, ở nhiều vùng công nghiệp đã vượt quá 500 ppm.[5]
Các chất thải từ các hoạt động công nghiệp, nông nghiệp, khai khoáng…đã làm ô nhiễm không chỉ môi trường đất mà còn làm ô nhiễm môi
1 4 trường nước ở các con sông, biển Theo Setevenson (1986), nếu hàng năm có
20 tấn bùn được đổ ra trên 1 ha đất và sau 20 năm dung dịch đất sẽ có khoảng
8 ppm Zn, và 5 ppm Cd [2] Phân tích các mẫu bùn cống rãnh người ta thu được kết quả KLN ở bảng 3.
Bảng 3 Trị số trung bình kim loại nặng trong bùn cống rãnh thành phố Đơn vị: ppm
Bùn cống rãnh Al Fe Mn Cu Zn Pb Ni Cd Cr Hg
Bùn cống rãnh thành phố
Bùn nhà máy chế biến gỗ
(Nguồn: Tan et al., 1971; Wild, 1993) Đất bị ô nhiễm KLN làm giảm năng suất cây trồng ảnh hưởng đến nông sản dẫn tới tác động xấu đến sức khoẻ con người Vì vậy, nhiều nước trên thế giới đã quy định mức ô nhiễm KLN (bảng 4) Do đó việc đánh giá và phân loại ô nhiễm đất bởi KLN rất quan trọng trong việc bảo vệ nguồn tài nguyên này cũng như bảo vệ sức khoẻ cộng đồng.[9]
Bảng 4 Hàm lượng tối đa cho phép (MAC) của các kim loại nặng được xem là độc đối với thực vật trong đất nông nghiệp Đơn vị: mg/kg
Nguyên tố Áo Canada Balan Nhật Anh Đức
2.3.2 Tình hình nghiên cứu kim loại nặng trong đất ở Việt Nam Ở Việt Nam đã có những nghiên cứu bước đầu về KLN trong đất, và đã chỉ ra rằng hàm lượng của các nguyên tố KLN (Cu, Pb, Zn, Cd,…) trong đất phụ thuộc nhiều vào nguồn gốc đá mẹ và mẫu chất hình thành nên các loại đất đó
Các tác giả Trần Công Tấu và Trần Công Khánh (1998) đã công bố hàm lượng KLN dạng tổng số và dễ tiêu ở tầng đất mặt 0 – 20 cm của một số loại đất đã đưa ra 7 độc tố (Co, Cr, Fe, Mn, Ni, Pb, Zn) tập trung chủ yếu ở hai loại đất chính ở Việt Nam (bảng 5), trong đó đất feralit phát triển trên đá bazan có hàm lượng các nguyên tố trên (trừ Pb) cao nhất.[14]
Bảng 5 Hàm lượng kim loại nặng ở tầng đất mặt trong một số loại đất ở Việt Nam Đơn vị: mg/kg
Loại đất Dạng Co Cr Fe Mn Ni Pb Zn Đất Feralit phát triển trên đá bazan TS 59,5 257,6 125091 1192 227,1 9,0 81,0
DĐ 0,46