0818 nghiên cứu sự phân bố hàm lượng của các ion kim loại nặng (cu2pb2zn2)lên sinh khối một số loại rau (cà rốtkhoai tâybó xôixà lách mỡ

MỞĐẦU Với nhiệm vụ xác định thành phần, hàm lượng, tính chất cấu trúc mọiđốitượngvậtchất,hóaphântíchđóngvaitrịlàngànhkhoahọccơsởchorấtnhiều ngành khoa học khác nhau, bao gồm: hóa học, sinh học, địa chất học, môitrường, y học, … Cùng với phát triển khoa học kỹ thuật, hóa học phân tíchngày khẳng định vị trí phát triển khoa học, cơngnghệ,sảnxuấtvàđờisốngxãhội.Đặcbiệt,tronggiaiđoạnhiệnnay,khicácvấn đềkhoahọcmớiđặtraucầusựliênkếtcácngànhkhoahọcvớinhauđểgiảiquyết hóa học phân tích khơng thể tách rời mối quan hệ Với chức củamình, hóa học phân tích hồn tồn có khả cung cấp nguồn liệu đángtin cây, tạo tảng cho ngành khoa học khác nghiên cứu giải vấnđềmangtínhđangành.Vìvậy,hồnthiệncácphương pháp phân tích sử dụnghóaph ân tí c h n h m ộ t c ô ng c ụ để tạ o b ộ d ữ li ệ u h o n c h ỉ n h v ề m ộ t v ấn đ ề m i cungcấpchocácngànhkhoahọckhácvẫnđanglàmốiquantâmlớncủacácnhàphântíchhóahọc Hiện nay, vấn đề sinh thái nghiêm trọng mà giới đangphải đối mặt ô nhiễm kim loại nặng đất nông nghiệp Vấn đề hậuquả tình trạng nhiễm mơi trường, việc chôn lấp rác thải công nghiệp việclạm dụng hóa chất bảo vệ thực vật phân bón hóa học sản xuất nơngnghiệp.Kếtquảcủanhiềucơngtrìnhnghiêncứuđãchứngminh,việccanhtáctrênmơi trường đất bị nhiễm kim loại dẫn đến hấp thu, tích lũy kim loại nặngtrên nơng sản Vì vậy, nhiễm kim loại nặng nông sản ngày trởthànhv ấn đề đ n g l o n g i đ ố i v ới n h i ề u q u ố c g i a t r ê n t h ế g i i , tr o n g đ ó c ó V i ệ t Nambởiđộctính,tínhbềnvữngvàkhảnăngtíchlũysinhhọccủachúng.Sựthâmnhập kim loại nặng từ đất lên trồng điều kiện ô nhiễm quátrình quan trọng coi đường để kim loại nặng có khảnăng gây độc xâm nhập vào chuỗi thức ăn Do vậy, đánh giá lượng kim loại nặngthâmnhậptừđấtvàocâytrồnglàviệclàmhếtsứccầnthiết.Trêncơsởbộdữliệu mức độ tích lũy kim loại nặng sinh khối trồng canh tác mơitrườngđấtơnhiễmmàhóahọcphântíchcungcấp,cóthểđềxuấtcácgiảiphá ptạmthờinhưthaythếloạicâytrồng,điềuchỉnhchếđộcanhtác, vàhướngđếngiải pháp bền vững giải triệt để tình trạng nhiễm kim loại nặng môitrườngcanhtác dựatrên kết hợp giữacác ngành sinh học,n ô n g l â m , m ô i trường, Do mức độ cấp thiết vấn đề, Việt Nam giới cónhiều cơng trình nghiên cứu tồn kim loại nặng mơi trườngđất tích lũy chúng lên trồng Tuy nhiên, hầu hết nghiên cứu đềuquan tâm đến việc xác định hàm lượng kim loại nặng loại trồngtrên đất ô nhiễm kim loại nặng chưa khảo sát yếu tố ảnh hưởng đếnkhả hấp thu tích lũy ion kim loại nặng Trong đó, q trìnhtích lũy kim loại nặng từ đất lên trồng chịu ảnh hưởng nhiều yếu tốnhư đặc điểm hóa lý đất, chế độ canh tác, loài đặc điểm sinh lý thựcvật tương tác, cạnh tranh kim loại nặng trình hấpthụlêncâytrồng Từ lý trên, luận án “Nghiên cứu phân bố hàm lượng ionkim loại nặng (Cu2+, Pb2+, Zn2+) lên sinh khối số loại rau (cà rốt, khoai tây, bóxơi, xà lách mỡ) trồng đất chun canh rau Đà Lạt” thực hiệnvớimụctiêunghiêncứubaogồm: - Tốiưuhóaquytrìnhxửlýmẫunhằmgiảmthiểuthờigian vàhóachất - Đánh giá khả tích lũy đồng, chì kẽm từ đất trồng bị nhiễm cácionkimloạinàylênsinhkhốicácloạirau:càrốt,khoaitây,bóxơi,xàláchmỡ - Đánh giá ảnh hưởng chế độ canh tác bao gồm việc sử dụng vơi, cácloại phân bón hóa học N, P, K lượng loại phân bón đến khả năngtíchlũyđồng,chìvàkẽmlênsinhkhốicácloạirautrên - Đánh giá khả hấp thu cạnh tranh ion Cu 2+, Pb2+và Zn2+khitíchlũytừđấttrồnglênsinhkhốicácloạirautrên Để đạt mục tiêu đề ra,nội dung nghiên cứu luận ántậptrungvàocácvấnđềsau: - Thiếtkếmơ hìnhthực nghiệm - Triển khai mơ hình thực nghiệm, ghi nhận phát triển loại raunghiên cứu đất canh tác gây ô nhiễm ion kim loại Cu 2+, Pb2+vàZn2+ởcácmứchàm lượngkhácnhau - Thuhoạchvàxửlýsơbộmẫuphântích - Tối ưu hóa quy trình xử lý mẫu rau sau thu hoạch thơng số củathiếtbịphântích - Đề xuất quy trình tối ưu xác định hàm lượng đồng, chì, kẽm cácmẫunơngsảnbằngphươngphápquangphổ hấpthụnguntử - Xácđịnhhàmlượng đồng,chì,kẽm trongcác mẫurausauthu hoạch - Xửlýsốliệu - Đánhgiákếtquảnhận Ýnghĩakhoahọccủaluậnán Kết luận án góp phần mặt lý luận giải thích mối tương quangiữa hàm lượng kim loại nặng môi trường canh tác hàm lượng kim loạinặngtíchlũytrongsinhkhốithực vật Việclàm r õ ả n h hưởng bả n chất k im loạinặng, đ ặc đ i ể m s in h lýthực vật,chếđộcanhtác,sựcạnhtranhgiữacáckimloạinặngkhicùngtồntạitrongmôi trường đến tích lũy kim loại nặng sinh khối thực vật cung cấp sởchophépdựbáomức độtíchlũykimloạinặngtừđấtlêncâytrồng Bộ liệu mức độ tích lũy kim loại nặng từ đất ô nhiễm lên trồng,ảnh hưởng yếu tố khác cung cấp sở triển khai hướng nghiên cứuđangành–xu thếmớicủakhoahọc đại Ýnghĩathựctiễncủaluậnán Quy trình xử lý mẫu sau tối ưu hóa rút ngắn thời gian, tiết kiệmhóa chất cho phép xử lý lượng lớn mẫu thời gian ngắn với hiệu suất thuhồicao Kết nghiên cứu cho phép đánh giáđược mức độ hấp thuk i m l o i nặngởthựcvậtkhiđượccanhtáctrênmơitrườngơnhiễm.Bộsốliệunhậnđư ợccóthểcungcấpcơsởchocácngànhkhoahọckhácnhưcảithiệnquytrìnhcanhtác, nghiên cứu biến đổi đặc trưng sinh thái đồng ruộng bị ô nhiễm kimloạinặng, Nhữngđónggópmớicủaluận án Xây dựng quy trình tối ưu xử lý mẫu thực vật để phân tích hàm lượngkimloạitrongchúng bằngphương pháp quangphổ hấp thụ nguyên tử Đánh giá khả tích lũy kim loại Cu, Pb, Zn từ đất trồng chuyêncanhrau ĐàLạtlênsinhkhốicác loạirau: càrốt,khoai tây,bóxơi,xàláchmỡ Đánh giá ảnh hưởng lượng vơi, lượng phân bón N, P, K nhưsựcómặtcủakimloạik hác đếnkhảnăngtíchlũyC u, Pb,Zn trênsinhkhối c ácloạiraunghiêncứukhitrồngtrên đấtônhiễm kimloạinặng Hướngpháttriểncủa luậnán Các kết nhận sở phân tích hóa học nguồn liệuquan trọng để triển khai hướng nghiên cứu sinh học di truyền nhằm trả lờiđược câu hỏi liệu nguồn gen có đóng vai trị quan trọng q trình hấp thu vàtíchlũykimloạinặngkhơngvàởthếhệtiếpsau,khảnăngnàycóbiếnđổi,chúngta có thểtạoramộtthếhệthựcvậtbiếnđổigencókhảnăngthíchứngcaovớimơitrường nhiễm hay khơng? … Ngồi ra, kết nghiên cứu mà luận án đạt đượccũng nguồn liệu quan trọng đóng góp cho ngành sinh học phân tử nhằm giảithích chế tượng, từ nghiên cứu chế kích năngchốngchịuvớimơitrườngơnhiễmkimloạinặngcủathực vật hoạt khả Chƣơng1.TỔNGQUAN 1.1 KIMLOẠINẶNG 1.1.1 Địnhnghĩa Kim loại nặng định nghĩa kim loại có tỷ trọng lớn 5g/cm3.Với phân loại này, kim loại nặng bao gồm nguyên tố chuyển tiếp kimloại có trọng lượng nguyên tử cao nguyên tố từ nhóm III đến nhóm Vtrong bảng phân loại hệ thống tuần hoàn Chúng bao gồm: As (d = 5,72), Pt (d =21,45),Sn(d=6,99),Cd(d=8,6),Cr(d=7,10),Co(d=8,90),Cu(d=8,96),Pb (d = 11,34), Hg (d = 13,53), Bi (d = 9,78), Ni (d = 8,91), Fe (d = 7,87), Mn (d =7,44),Zn(d=7,10), [170] Trên quan điểm độc học sinh thái dựa chất chúng, kimloạinặngđược chia thành hai nhóm: - Nhómkim loại nặng thiết yếu:b a o gồm nguyên tố c ầ n t h i ế t c h o chức chuyển hóa sinh vật tồn với hàm lượng nhỏ Mn, Co, Cu,Zn, Fe, , chúng gọi nguyên tố vi lượng Tuy nhiên, tồn với hàmlượngcao,cáckimloạinàysẽgâyđộcchocơ thểsinhvật[86] - Nhóm kim loại nặng độc:là kim loại bền, không tham gia vào qtrình sinh hóa thể có tính tích lũy sinh học (chuyển tiếp chuỗi thứcăn vào thể sinh vật) Các kim loại bao gồm: Hg, Ni, Pb, As, Cd, Pt, Cr,Sn, Khi xâmnhậpvàocơthểsinhvật,chúnggâyđộccấptínhvà mãntính[87] 1.1.2 Tínhchất Các kim loại nặng tác nhân ô nhiễm nguy hiểm môi trường, chuỗithức ăn người hầu hết kim loại nặng không phân hủy tồn daidẳng hệ sinh thái Kim loại nặng không độc dạng nguyên tố tự nhưngnguyh i ể m đ ố i v i s i n h v ậ t s ố n g k h i d n g c a t i o n d o k h ả n ă n g g ắ n k ế t v i c c chuỗi cacbon ngắn dẫn đến tích tụ thể sinh vật sau nhiều năm [87] Tínhđộchạicủacáckimloạinặngđược thểhiệnquacácđặc điểmsau: - Một số kim loại nặng bị chuyển từ dạng có độc tính thấp sang dạng cóđộctínhcaohơntrongmộtsốđiềukiệnmơitrường - Sự tích tụ sinh học (bioaccumulation) kim loại qua chuỗi thức ăn cóthể làm tổn hại hoạt động sinh lý bình thường gây nguy hiểm cho sức khỏecủa người Khi kim loại nặng tích tụ sinh học lớn đào thải chậm dẫnđếnhiệntượngkhuếchđạisinhhọc(biomagnification/bioamplification)[5] - Các kim loại nặng phân hủy sinh học Khơng giống thuốctrừsâuhữucơ,kimloạikhơngthểbịphávỡthànhcácthànhphầnkhơnggâyhạ i.Sựtồnlưucủacácchấtơnhiễmkimloạinặngtrongmơitrườngđượcxếpthứnhấttrongcác chấtơnhiễm[5] 1.2 VẤNĐỀƠNHIỄMKIMLOẠINẶNGTRONGMƠITRƢỜNGĐẤT 1.2.1 ThựctrạngônhiễmkimloạinặngtrongmôitrƣờngđấttạiViệtNam Theo thống kê Bộ Tài nguyên Môi trường năm 2014 [35], tổng diệntích đất tự nhiên nước ta 33.096.731 ha, đó, diện tích nhóm đất nơngnghiệp 26.822.953 ha, diện tích nhóm đất phi nơng nghiệp 3.796.871ha diệntíchnhómđấtchưasửdụnglà2.476.908ha.Dohậuquảcủagiaiđoạncơngnghiệphóa, nhiều diện tích đất Việt Nam nhận định nhiễm kim loại nặng.Nhiềucơngtrìnhnghiêncứuđãđượctiếnhànhnhằmkhảosát,đánhgiáhiệntrạn gơnhiễmkimloạinặng trongmơitrườngđất, chẳnghạnnhư: Khinghiêncứuvềchấtlượngmơitrườngđấttạilàngnghềđúcnhơm,đồngởxã ĐạiĐồng,VănLâm,Hưngn,cáctácgiảLêĐứcvàLêVănKhoa(2001) [11] nhận thấy, hàm lượng kim loại nặng đất cao: trung bình hàm lượngcadmi1,0 mg/kg;đồng 41,1 mg/kg;chì39,7 mg/kg;kẽm100,3mg/kg Nghiên cứu Phạm Quang Hà (2001) [15] hàm lượng Cd sốloại đất Việt Nam cho thấy, hàm lượng Cd đất xám thấp (trung bìnhkhoảng0,47ppm),tiếptheolàđấtphùsa(0,82ppm)vàcaonhấtlàđấtđ ỏ (1,24ppm) Ngược lại, hàm lượng Cd mẫu bùn lại cao (giá trị lớn nhấtlà60,30ppm)tạiao củacácthơncóngànhnghềtruyềnthốngnhưđúcđồng,nhơm Năm 2001, phân tích hàm lượng kim loại nặng (đồng, kẽm, chì, thủyngân, crơm, cadmi) 126 mẫu đất trồng lúa bị nhiễm nước tưới từ cáckênhthốtnướccủathànhphốHồChíMinh,NguyễnNgọcQuỳnhvàcáccộngsự [28] đưa nhận định: hàm lượng crơm, chì, thủy ngân, đồng mẫu đấtđều tương đương cao ngưỡng cho phép (TCVN 7209:2002) đất sửdụng cho mục đích nơng nghiệp Đặc biệt, khu vực gần nhà máy khu cơngnghiệp có tích lũy cao cadmi đất với hàm lượng lên đến 9,9 ÷ 10,3mg/kg,vượtquátiêuchuẩnchophép5lần Tác giả Phan Quốc Hưng (2012) [21] khảo sát mức độ ô nhiễm kim loạinặng đất nông nghiệp thôn Đông Mai, xã Chỉ Đạo, huyện Văn Lâm, tỉnhHưng Yên – địa phương có nghề truyền thống tái chế kim loại màu đưa kếtluận: 100% mẫu đất có hàm lượng đồng chì vượt ngưỡng cho phép (hàmlượng tổng số đồng vượt ngưỡng từ 1,5 đến 2,7 lần; hàm lượng Pb tổng số vượtngưỡngt 1 , đ ế n , l ầ n ) ; , % m ẫ u c ó h m l ợ n g k ẽ m v ợ t n g ỡ n g c h o phép,đặc biệtcóđến75%mẫucóhàmlượngchìtrên1000mg/kgđấtkhơ Tác giả Lương Thị Thúy Vân (2013) [39] nghiên cứu trạng ônhiễm Pb As đất khu vực khai thác thiếc xã Hà Thượng (Đại Từ) vàkhai thác chì, kẽm xã Tân Long (Đồng Hỷ), Thái Nguyên đưa nhận định,đất xã Tân Long có chứa hàm lượng cao nguyên tố Pb, Zn Cd khiđất thuộc xã Hà Thượng tập trung nhiều As Hàm lượng kim loại nặng cácmẫu đất nghiên cứu cao tiêu chuẩn cho phép đất nông nghiệp nhiềulần Như vậy, từ kết nghiên cứu nhận thấy tình trạng ônhiễm kim loại nặng đất nông nghiệp diễn biến ngày phức tạp dodân số tăng nhanh, hoạt động sản xuất công nghiệp nông nghiệp khôngngừng phát triển Hậu hoạt động mơi trường đất trở thànhnơichứatấtcảcácloạichấtthải, đócómộtlượnglớncáckimloạinặng 1.2.2 Ngunnhângânhiễmkimloạinặngtrongđất Nguồn gốc gây nhiễm kim loại nặng đất nơng nghiệp từ sựphonghốđámẹtrong qtrìnhhìnhthànhđấtvàcáchoạtđộng nhânsinh 1.2.2.1 Nguồntừqtrìnhphonghóa đámẹ Sự có mặt kim loại nặng trái đất kết phong hóa tựnhiên vỉa quặng Nguồn phụ thuộc nhiều vào đá mẹ, nhiên, hàm lượngcác ion kim loại nặng đá thường thấp, chủ yếu nằm vùng trầmtích giàu oxid, quặng loại đá giàu kim loại magma siêu acid Sự phân bốcủa kim loại nặng số khoáng vật điển hình thể Bảng1.1[23] Bảng1.1.Thành phần kimloạinặngtrongmộtsốkhốngvậtđiểnhình Trạngthái phonghóa Dễbịphonghóa Khốngvật Olivine - Anorthite - Augite - Hornblende Thànhphần kim Hiệndiện loạivết Đámacma Mn,Co,Ni,Cu,Zn Mn,Cu,Sr Đásiêubazơvàbazơ Mn,Co,Ni,Cu, núilửa Zn,Pb Phânbốrộngtrongđá Mn,Co,Ni,Cu,Zn macmavàbiếnchất - Albite Đánhamthạchtrung Cu gian - Biotite Mn,Co,Ni,Cu,Zn - Orthoclase Đámacmaacid Cu,Sr - Muscovite Granite,phiếnthạch, Cu,Sr thủytinh Khảnăngổnđịnh khoángtăng Magnetite Đámacmavàđá Cr,Co,Ni,Zn macmabiếnchất (Nguồn:LêVănKhoa, 2004) 1.2.2.2 Nguồntừhoạtđộngnhânsinh Ngồi nguồn từ q trình phong hóa tự nhiên, có nhiều nguồn khác từcác hoạt động nhân sinh đưa kim loại nặng vào đất, bao gồm: hoạt động cơngnghiệp, khai thác khống sản, luyện kim, hoạt động sản xuất nông nghiệp, chănnuôi, chất thải từ làng nghề, … Các hoạt động đóng góp chủ yếu vào giatănghàmlượngkimloạinặngtrongmôitrường - Hoạtđộng côngnghiệp: Với tốc độ phát triển mạnh mẽ q trình cơng nghiệp hóa, lượng kim loạinặngphátthảivàomôitrườngngàycànggiatăng.Phếthảitừcácngànhcôngnghiệp khai thác than đá, dầu mỏ chứa kim loại chì, cadmi, thủy ngân với hàmlượng cao Nước thải từ khu công nghiệp, đặc biệt ngành công nghiệpthuộc da, nhuộm, chế biến thực phẩm, hóa chất, … có chứa hàm lượng chất gâ nhiễm cao, có kim loại nặng Các chất thải thẳng môitrườngm k h ô n g q u a x l ý đ ã p h t t h ả i m ộ t l ợ n g l n k i m l o i n ặ n g v o m i trườngvàtíchlũytrongđất Ngồi ra, việc đốt nhiên liệu hóa thạch, luyện kim kỹ thuật xử lýkhác có sử dụng hóa chất phát thải hàng kim loại nặng vào khí quyển,mangđihàngdặmvàsaucùnglắngtrênthảmthực vậtvà thâmnhập vào đất[63] - Hoạtđộng nơngnghiệp,chănni: Trong q trình sản xuất nơng nghiệp, nơng dân làm gia tăng đáng kể hàmlượngcáckimloạinặngtrongđấtdosửdụngcácchấthóahọcnhưphânbónhóahọc, thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, … Việc tăng cường sử dụng sản phẩm đãphát thải lượng lớn kim loại nặng vào đất loại thuốc bảo vệ thực vậtthường chứa kim loại nặng chì, cadmi, đồng, …[65] loại phânbónhóahọcthườngchứachì,cadmi,crom,niken,…[49] Kết phân tích hàm lượng cadmi, đồng, chì, kẽm loại phân hóahọc cho thấy: photphat loại phân hóa học chứa hàm lượng kim loại nặng lớn nhất(cadmi 0,1 ÷ 170mg/kg, đồng ÷ 3000mg/kg, chì ÷ 225mg/kg, kẽm 50 ÷ 1400mg/kg),phânnitratechứacadmitừ 0,05đến8,5mg/kg [10] Một số loại thuốc trừ sâu thường sử dụng phổ biến nông nghiệpchứa nồng độ đáng kể kim loại nặng Theo thống kê, khoảng 10% loại thuốctrừsâuvàthuốcdiệtnấmđượcđiềuchếdựatrêncáchợpchấtcóchứaCu,Hg,Mn,Pb,Zn [108] Ngồi ra, tập quán sản xuất, việc sử dụng phân chuồng từ gia súc, gia cầmđểtướichoraucũnglàmtănghàmlượngcáckimloạinặngtrongđấtdocácloạithức ăn tổng hợp dùng chăn ni có chứa nhiều kim loại mangan, sắt,coban, chì, … Kim loại phân xâm nhập vào đất trồng tồn lưu cácloạinôngsản[20] - Chấtthải làngnghề: Hiện nay, nước ta, vấn đề ô nhiễm môi trường đất nước xảy rấtnghiêm trọng làng nghề tái chế kim loại Theo nghiên cứu nhà khoahọc, hàm lượng kim loại nặng nước thải làng nghề tái chế kim loại đềucaohơntiêuchuẩnchophépvàđềuthảitrựctiếpramôitrường màchưaquaxửlý Theo tác giả Lê Đức cộng (2003) [12] nghiên cứu ô nhiễm ởlàng nghề kim khí Phùng Xá, Thạch Thất, Hà Tây, kết luận: hàm lượng đồng,chì, kẽm nguồnnước thải cao, đặcb i ệ t , c h ì t r o n g n c t h ả i c a o g ấ p 0 lầntiêuchuẩnchophép Theo kết khảo sát Trung tâm Quan trắc – Phân tích tài ngun mơitrường Hà Nội điều tra Chi cụcả o v ệ m ô i t r n g H N ộ i t i h n l n g nghề địa bàn thành phố cho thấy, mơi trường nước, khơng khí, đất đai bị ơnhiễm nặng hóa chất độc hại Nguồn nước ngầm có hàm lượng NH4+,phenol, ecoli, coliform, kim loại nặng (As, Hg) vượt ngưỡng cho phép nhiều lần.Hầu hết ao, hồ, kênh mương thủy lợi bị nhiễm độc NH 4+, NO2-¸ PO43-, thủyngân, phenol, dầu mỡ, coliform; mơi trường đất bị nhiễm kim loại nặng nhưđồng,kẽm,… [18] - Ônhiễmdohoạtđộng khai tháckhốngsản: Q trình khai thác khống sản gây nhiễm suy thối mơi trường đất ởmứcđộnghiêmtrọng làmộtthựctếđángbáo độnghiệnnay.Cácdạngơnhiễmmơi