nghiên cứu ảnh hưởng của các độc chất trong bùn đáy kênh rạch tại tp.hcm lên quá trình sinh trưởng và phát triển của cây rau muống

1.2 Mục tiêu - Nghiên cứu ảnh hưởng của độc chất bùn đáy ở một số kênh rạch của thànhphố Hồ Chí Minh đến quá trình sinh trưởng của cây rau muống và quá trình tíchluỹ chất độc trong các

1.1 Giới thiệu

Hiện nay, hệ thống kênh rạch ở thành phố Hồ Chí Minh đang bị nhiễm bẩn nặng.Một trong những nguyên nân chính là hiệu quả thoát nước thải của hệ thống kênhrạch này hiện quá thấp Theo số liệu thống kê của đài khí tượng thuỷ văn khu vựcNam Bộ, mỗi ngày các kênh rạch ở thành phố tiếp nhận trên 700.000 m3 nướcthải không được xử lý của gần 5 triệu dân, hơn 700 cơ sở sản xuất công nghiệp vàhơn 20000 cơ sở sản xuất tiểu thủ công nghiệp Hàng trăm ngàn tấn rác thải hàngngày ném xuống kênh rạch Khoảng 26000 hộ với khoảng gần 220000 người sốngdọc theo hai bên bề kênh rạch đang hàng ngày thải mọi thư’xuống dòng kênh

Hiện tại, hơn 60% chiều dài kênh rạch bị lấp, hơn 50% kênh rạch không có oxyhoà tan, vì vậy nước có mùi hôi thối, ô nhiễm nặng Theo số liệu thống kê của sởgiao thông công chánh thành phố Hồ Chí Minh, tại kênh Tàu Hũ – Bến Nghé cókhoảng 10000 hộ và khoảng 1600 hộ sống ở trên và ven sông Tham Lương – BếnCát Các kênh này đều nằm ở trung tâm khu vực thành phố , nên có mật dộ dânsố cao, tải lượng chất thải đổ ra lớn, trong khi đó lưu thông nước kém nên bị ứ khitriều lên và lưu giữ nhiều chất thải, đặc biệt là kim loại nặng Như chúng ta đãbiết , các kim loại nặng này rất dễ bị hấp phụ trên bề mặt các chất lơ lửng dạnghữu cơ và vô cơ Khi các chất này lắng xuống đáy kênh tạo thành bùn lắng thì cáckim loại này cũng bị tích tụ trong bùn Các kim loại nặng có thể kể đến như: Cd,

Hg, Zn, Cu, Pb, Fe, Tuy nhiên, không phải tất cả các kim loại nặng đều gâynguy hiểm cho đời sống vi sinh vật mà ngược lại có một số kim loại nặng giữ vaitrò quan trọng trong cơ thể vi sinh vật như Zn, Cu, Fe, chúng là những nguyêntố cần thiết cho cơ thể sống của vi sinh vật cũng như của con người Tuy nhiên,các nguyên tố này nếu vượt quá cần thiết hoặc quá thiếu đối với cơ thể thì chúnggây nguy hiểm nhất là khi các nguyên tố đó ở dạng hợp chất Tính độc của các

kim loại phụ thuộc vào trạng thái liên kết và thành phần của kim loại đó có trongphân tử Ngoài kim loại nặng, trong bùn đáy còn có các độc chất khác như: PAHs,PCBs một lượng lớn các dư lượng của của nhiều loại thuốc trừ sâu như : DDT,DDE, DDD.

Có hiện tượng bùn lắng trong các kênh rạch là do sự lắng đọng của các chất lơlửng trog nước, các chất này có thể có nguồn gốc tự nhiên hoặc nhân tạo Đó làhiện tượng tự nhiên, đồng thời cũng là hệ quả tất yếu do các tác động của conngười Một số nguyên nhân chính tạo nên bùn lắng, gây bồi đắp lòng kênh như:

- Xói lở hai bên bờ kênh

- Nước mưa chảy tràn bề mặt lôi cuốn đất, đá, cát, bụi, rác rưởi, xuốngkênh rạch và lắng đọng ở đáy kênh

- Thuỷ triều đưa phù sa trong các con sông lớn vào kênh và lắng đọng lại khigặp các điều kiện thuận lợi

- Việc xả nước thải sinh hoạt và công nghiệp chưa được xử lý vào nguồn nướcmang theo nhiều cặn bã vô cơ, hữu cơ, kim loại nặng và các tác nhân gây ônhiễm khác Khi gặp điều kiện thuận lợi các chất này sẽ lắng đọng lại xuống đáykênh rạch

- Việc vứt bỏ rác vô tội vạ từ các căn nhà lụp sụp xây cất ven kênh và trênkênh, từ các ghe xuồng neo đậu và vận chuyển trên kênh rạch Theo thời giancác chất phân huỷ được sẽ phân huỷ tạo thành bùn và phần cón lại không phânhuỷ được tạo thành rác trong bùn

- Thành phần và tích chất của bùn đáy vì thế sẽ chịu ảnh hưởng đồng thời củacác yếu tố trên Trong đó, nước thải công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp chưa quaxử lý và rác thải là nguyên nhân đầu tiên phải kể đến khi nói tới nguyên nhângây ô nhiễm bùn đáy ở kênh rạch trong thành phố

Với mức độ phát triển nhanh chóng của dân số (ước tính đến năm 2020 sẽ thêmkhoảng 10 triệu người và công nghiệp tăng hơn 10% trên một năm) thì lượngnước thải và chất thải đổ xuống hệ thống kênh rạch thành phố Hồ Chí Minh sẽrất lớn Và như vậy, tình trạng ô nhiễm kênh rạch nếu không sớm được khắc phụcsẽ ngày càng trầm trọng, ảnh hưởng đến sự phát triển của thành phố.

Theo các chuyên gia môi trường, việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường kênh rạchthành phố Hồ Chí Minh có thể chia làm 4 nhóm: xử lý nước thải trước khi đổ rakênh rạch, tăng cường khả năng thoát nước của hệ thống kênh rạch, tiến hànhnạo vét, loại trừ các nguồn bẩn tồn đọng ở lòng kênh, quy hoạch lại hệ thốngkênh rạch

Không chỉ riêng những người dân đang sống trong khu vực lân cận các dòng kênhchịu cảnh ô nhiễm mong mỏi thành phố sớm triển khai các giải pháp hiệu quả cảitạo các dòng kênh nội độ, tạo nên nét đẹp rất riêng cho thành phố Hồ Chí Minh

Từ tính cấp thiết của nạn ô nhiễm kênh rạch, đề tài này sẽ phân tích kỹ hơn cácđộc chất có trong bùn đáy tại một số kênh rạch ở thành phố Hồ Chí Minh thể hiệnqua quá trình sinh trưởng và phát triển của cây rau muống

1.2 Mục tiêu

- Nghiên cứu ảnh hưởng của độc chất bùn đáy ở một số kênh rạch của thànhphố Hồ Chí Minh đến quá trình sinh trưởng của cây rau muống và quá trình tíchluỹ chất độc trong các bộ phận của cây

- Góp phần đánh giá tác động do ộ nhiễm kim loại nặng trong môi trường đấtđối với một số cây trồng nông nghiệp

- Xây dựng cơ sở khoa học cho các nghiên cứu về khả năng tích lũy của cáckim loại nặng trong thực vật.

1.3 Tính cấp thiết của đề tài

- Vấn đề rau sạch đang là đang là vấn đề nóng bỏng ở nước ta do hiện tượngrau bị nhiễm thuốc bảo vệ thực vật hay tích luỹ quá nhiều kim loại nặng

- Hệ thống kênh rạch thành phố đang bị ô nhiễm nặng bởi hàm lượng kim loạinặng có trong bùn đáy

- Nước ta vẫn chưa có biện pháp tốt nhất để xử lý hàm lượng kim loại nặngnày

- Chiến lược Bảo vệ môi trường Quốc gia 2001 – 2010 đã đề ra mục tiêu xử lýtriệt để 90% các nguồn gây ô nhiễm nước nghiêm trọng tại các khu công nghiệp,cải tạo 40% ( vào năm 2005) các dòng sông, kênh, hệ thống tiêu thoát nước

- Chương trình nghị sự Agenda 21 có bàn về hiện trạng chất thải rắn và sự ônhiễm do chất thải công nghiệp và sinh hoạt thải ra trên các dòng kênh, và đề rabiện pháp để khắc phục

- Nhiệm vụ phát triển kinh tế – xã hội năm 2006 do Chính Phủ Quốc Hội đề ra(18/10/2005) có bàn về việc bảo vệ môi trường và các dự án nhằm cải thiện môitrường

1.4 Nội dung nghiên cứu

- Thu thập tài liệu có liên quan đến ảnh hưởng của độc chất trong bùn đáy

- Điều tra thực địa nghiên cứu

- Bố trí thí nghiệm

- Phân tích mẫu tại phòng thí nghiệm

khu vực nuôi trồng.

- Nghiên cứu khả năng tích luỹ của kim loại nặng trong các bộ phận của cây

- Xử lý số liệu thống kê bằng phần mềm Stagraphics, Excel

1.5 Giới hạn của đề tài

- Khảo sát, nghiên cứu các độc chất do nước thải sinh hoạt và công nghiệp có

ở trong bùn đáy ở kênh Tàu Hũ – Bến Nghé, kênh Tham Lương – Bến Cát vàkhả năng tích luỹ kim loại nặng trong cây cải xanh

- Do kinh phí có hạn nên mẫu phân tích còn ít, chỉ phân tích hàm lượng một sốKLN trong mẫu và khả năng tích lũy KLN trong than và lá của thực vật khảo sát

1.6 Phương pháp nghiên cứu

1.6.1 Phương pháp luận

Nước ta ngày càng phát triển, quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa ngày càngđược đẩy mạnh, nhiều nhà máy xí nghiệp ra đời Trong quá trình hoạt động vàsản xuất, các khu công nghiệp, nhà máy đã thải ra một lượng lớn chất ô nhiễm,đặc biệt quan trọng nhất là hàm lượng các chất KLN khá lớn có trong nước thải.Lâu dần các KLN này tích tụ lại trong bùn đáy và môi trường đất, nếu sử dụngđất này trồng cây nông nghiệp thì các KLN sẽ theo chuỗi thức ăn xâm nhập vào

cơ thể động thực vật và con người và gây tác động xấu đấn sinh vật và con người

Còn ở những vùng nông thôn người dân thường sử dụng trực tiếp nguồn nước mặt( sông, ao, hồ… ) để ngâm ủ hạt giống trước khi gieo trồng và tưới tiêu cho câytrồng Do quá trình lan truyền chất ô nhiễm những nguồn nước này có thể sẽ bị ônhiểm KLN, khi người dân sử dụng nguồn nước bị ô nhiễm KLN để ngâm, ủ hạt

giống thì những kim loại hòa tan trong nước nó sẽ tích lũy trong hạt giống,sau đótheo dây chuyền thức ăn gây tác động đến người và động thực vật.

Trong môi trường đất này, có hai nhóm độc chất đối với cây trồng, đó là chất độcbản chất và chất độc không bản chất Nhóm 1 là những ion thiết yếu cho sự sinhtrưởng và phát triển của cây, nếu vượt quá một giới hạn nhất định nào đó thìchúng sẽ là chất độc Nhóm 2 không đóng góp vai trò như nhóm 1, nếu ít chúngkhông ảnh hưởng nhưng nhiều chúng sẽ gây độc cho cây trồng

Để tìm ra giới hạn gây độc của các kim loại nặng trong môi trường bùn đáy,trước tiên chúng ta phải xem xét ảnh hưởng cùa các kim loại nặng này đến môitrường bùn đáy như thế nào Các đề tài trước đây chỉ tập trung nghiên cứu ảnhhưởng của các kim loại nặng trong môi trường dung dịch gây nhiễm hay nuôitrồng trong cát nhưng có các dưỡng chất và ion độc cần thiết Tuy nhiên, xét vềmặt thực tiễn thì các khảo sát đó có những mặt hạn chế nhất định vì cây trồngnông nghiệp không sống trong môi trường nước mà sống trong môi trường đất –

đây là hệ thống phức tạp hơn nhiều, bởi vì những tính chất của đất và các đặc

trưng hoá, lý, sinh học biến đổi rất lớn giữa các hệ thống đất khác nhau Vì thế tôichọn phương pháp nuôi trồng thực vật khảo sát ( cây rau muống ) trong môitrường đất bị nhiễm KLN và thí nghiệm được tiến hành ngoài trời có các biệnpháp khống chế các điều kiện tự nhiên hỡp lý, nhằm tạo điều kiện thuận lợi chocây trồng phát triển trong điều kiện bình thường, điều này rất sát với thực tế vì đasố người dân trồng rau ở điều kiện tự nhiên, đồng thời phương pháp này cũngkhống chế được một số tác động xấu từ môi trường bên ngoài

Việc chọn đối tượng nghiên cứu là bùn đáy ở hai kênh Tham Lương – Bến Cát và

ngày càng nhiều và chứa khá lớn hàm lượng KLN ( trong đó nhiều nhất là Cd,

Cu, Pb, Hg ), gây ô nhiễm nguồn nước và môi trường đất Mặt khác, kênh ThamLương-Bến Cát là kênh tiếp nhận chủ yếu nguồn nước thải công nghiệp, cònkênh Tàu Hũ-Bến Nghé tiếp nhận chủ yếu nguồn nước thải sinh hoạt Qua việckhảo sát độc tính của từng loại bùn đáy ta có thể so sánh được hai loại bùn đặctrưng cho công nghiệp và sinh hoạt

Cây rau muống là cây lương thực chủ yếu ở nước ta, được trồng khắp nơi, lại làcây có khả năng tích lũy hàm lượng KLN khá cao cả từ nguồn trong đất và trongkhông khí Rau muống là loại rau ăn lá và thân, đây cũng là một trong những bộphận chứa nhiều KLN, nên rất đáng quan tâm vì các KLN sẽ theo dây chuyềnthực phẩm tác động đến con người

Mặt khác, ở Việt Nam tiêu chuẩn về hàm lượng KLN trong đất vẫn còn khá mớimẻ và chưa đầy đủ, hay mới chỉ là các tiêu chuẩn tạm thời do Bộ Y tế và Bộnông nghiệp và Phát triển Nông thôn đưa ra dựa hoàn toàn trên tiêu chuẩn của

quốc tế Với đề tài “ Nghiên cứu ảnh hưởng của các độc chất trong bùn đáy kênh rạch tại TP HCM lên sự sinh trưởng và phát triển của cây rau muống “

sẽ cung cấp thêm những tư liệu cần thiết cho quá trình xây dựng bộ tiêu chuẩn vềhàm lượng KLN trong đất

Sơ đồ nghiên cứu

Lấy mẫu đất

Đất sạch( Mẫu đối chứng ) Đất bùn có chứa kim loạinặng

Khảo sát quá trình sinh

trưởng của cây cải trưởng và khả năng tích luỹKhảo sát quá trình sinh

các ion khảo sát trong các

bộ phận cây

So sánh để đưa

Lấy mẫu bùn

Xử lý mẫu bùn

Nuôitrồng thửnghiệm

Lựa chọn khu vực

nghiên cứu chất

lượng bùn đáy

So sánh

1.6.2 Phương pháp thực tế

- Tổng hợp biên hội tài liệu : thu thập các tài liệu về điều kiện tự nhiên, kinh

tế xã hội, hiện trạng môi trường tại khu vực khảo sát ( đặc biệt là vấn đề nướcthải và chất thải rắn từ các khu công nghiệp ven các kênh) Các tông tin được tậphợp và xử lý theo chủ đề nhằm xây dựng cơ sờ dữ liệu cho quá trình nghiên cứu

- Điều tra thực tế tại khu vực lấy mẫu: khảo sát nền môi trường tự nhiên,

điều tra về hoạt động sản xuất của các nhà máy ven các kênh, tập quán trồng trọtcủa người dân nơi đây

- Lấy mẫu bùn và đất để sử dụng cho quá trình nghiên cứu: lấy mẫu đất tại

khu vực trồng rau của người dân ven kênh ( Quận 12 ), lấy mẫu bùn ở nhiểu điểmkhác nhau trên 2 kênh Tham Lương- Bến Cát và Tàu Hũ- Bến Nghé

- Phân tích mẫu bùn và đất tại phòng thí nghiệm: phân tích các chỉ tiêu :

OM, mùn, độ chua, các dạng tồn tại của Fe và nhôm trong mẫu nghiên cứu

- Tiến hành nuôi trồng thực vật :lựa chọn và ủ giống, xây dựng mô hình thí

nghiệm, tiến hành gieo trồng, theo dõi sự sinh trưởng và phát triển từng bộphận của thực vật khảo sát

- Ưùng dụng các phần mềm tin học trong việc xử lý số liệu: phần mềm Excel,

Stagraphics

- Đánh giá ảnh hưởng của bùn đáy đến quá trình sinh trưởng, phát triển của

rau muống và quá trình tích lũy một số KLN trong thân, lá cây rau muống

- Trao đổi ý kiến với chuyên gia và giáo viên hướng dẫn: thảo luận về kết

quả nghiên cứu

1.7 Đối tượng nghiên cứu

- Bùn đáy ở kênh Tàu Hũ – Bến Nghé và kênh Tham Lương – Bến Cát.

- Cây rau muống

1.8 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Ý nghĩa khoa học:

- Góp phần nghiên cứu ảnh hưởng của các độc chất trong bùn đáy đối với cây

rau muống

- Khả năng tích luỹ của một số kim loại nặng trong các bộ phận của cây

Ý nghĩa thực tiễn:

- Đánh giá khả năng sử dụng bùn làm phân bón cho cây trồng

- Đánh giá mức độ ô nhiểm KLN của bùn đáy kênh TL-BC và TH-BN

- Đánh giá khả năng sử dụng rau trồng ven các kênh TL-BC và TH-BN

1.9 Phương hướng phát triển của đề tài

- Mở rộng khu vực nghiên cứu đối với các kênh rạch khác của thành phố Hồ Chí Minh

- Nghiên cứu ảnh hưởng của các độc chất trong bùn đáy đến quá trình sinh trưởng và phát triển của cây trồng nông nghiệp

1.10 Bố cục của luận văn

Luận văn gồm 6 chương:

+ Chương 1: Mở đầu

+ Chương 2: Tổng quan tài liệu

+ Chương 3: Nội dung và phương pháp nghiên cứu

+ Chương 4: Kết quả nghiên cứu và thảo luận

+ Chương 5: Đánh giá một số tiêu chuẩn KLN trong đất và rau

+ Chương 6: Kết luận và kiến nghị

+ Phần phụ lục: Kết quả phân tích, kết quả xử lý thống kê số liệu, một số hình

ảnh khi tiến hành

2.1 Tổng quan về kim loại nặng:

2.1.1 Khái niệm về bùn đáy

Bùn đáy là sản phẩm phụ của quá trình ô nhiễm và xử lý nước thải đô thị Bùnđáy có thành phần chính là hữu cơ và có chứa hàm lượng đáng kể các dưỡng chất

đa lượng như nitơ và photpho Thành phần chính của nó là hữu cơ, vô cơ, kimloại…, tất cả chúng tạo thành hỗn hợp giữa bùn, mùn, cát, khí, nước, vi sinh vật vàxác bã động thực vật… Chính vì thế bùn đáy có đầy đủ các loại ô nhiễm: hữu cơhiếm khí gây thối rữa, PAHs, PCBs, hợp chất hữu cơ chứa clo (DDT, DDE, DDD),hợp chất hóa chất, KLN, ô nhiễm dầu, dư lượng thuốc bảo vệ thực vật, các chấtdẻo hóa, hợp chất hữu cơ đa vòng và các ô nhiễm vi sinh mà điển hình là E Colivà Coliform Trong đó, các KLN như Al, Fe, Cd, Zn, Hg, Cu, Pb…là dạng gây ônhiễm cho môi trường nặng nề và lâu dài nhất

PAHs là các hợp chất hữu cơ đa vòng thơm thuộc loại ô nhiễm vi lượng nhưng cókhả năng gây ung thư, gây biến đổi gen Hiện nay, trong số các PAHs được phântích có 02 nhóm: LPAH (các hợp chất hữu cơ đa vòng thơm có khối lượng phân tửthấp: Napthalene, Acenaphatene, Fluorence, Phenalthene và Anthracence) vàHPAH (các hợp chất hữu cơ đa vòng thơm có khối lượng phân tử cao:Fluoranthene, Pyrene, Benzo(a)anthracence, Chrysene,…) Các nguồn phát sinh

ra PAHs:

 Sự cố tràn dầu (PAHs chiếm 2.8% khối lượng dầu)

 Công nghiệp sản xuất thép

 Sản xuất điện nhôm

 Xúc tác phản ứng trong công nghiệp dầu mỏ

 Sản xuất carbon đen, than

 Chất thải rắn của quá trình đốt

 Chất thải từ động cơ đốt trong

PAHs có thể phát thải vào trong môi trường ở dạng rắn, lỏng hoặc khí Do khảnăng hoà tan thấp trong nước nên PAHs dễ dàng bám vào các hạt vô cơ và bềmặt rắn, sau đó các hạt này lắng xuống và tích lũy trên bề mặt bùn PAHs có thểliên kết vơi lượng oxi nghèo nàn trong lớp bùn mặt nên nồng độ trong bùn thườngrất cao

PCBs là các hợp chất polychlorbiphenyl được sử dụng chủ yếu trong công nghệsản xuất dầu thủy lực, các phụ gia chống cháy nổ, dung môi rửa giải hữu cơ, dungmôi cách điện trong máy biến thế, sơn và mực in,… Nhờ tính trơ về mặt vật lýcũng như hoá học nên PCBs tồn tại bền vững trong môi trường và có độc tính cao.Hiện nay, việc sử dụng các chất chứa PCBs đã bị cấm ở trên thế giới nhưng vẫnđược sự quan tâm rất lớn của toàn thế giới vì khi đốt các hợp chất này chúng cóthể chuyển thành các hợp chất dioxin cực độc

Hàm lượng PCBs tăng dần trong chuỗi thức ăn Chúng thường tồn tại trong cáchạt lơ lửng và bùn trầm tích ở dạng các cấu tử PCBs như: PCB 28, 52, 101, 118,

138, 149, 153, 170 và 180

Các hợp chất hữu cơ chứa clo tiêu biểu: DDT, DDE và DDD Thông thường, cáchợp chất hữu cơ được halogen hoá để tăng trọng lượng phân tử từ đó làm tăngtrọng lượng riêng, điểm sôi, điểm nóng chảy và áp suất của chất đó

DDT, DDE và DDD là các hoá chất được sử dụng rộng rãi trong nông nghiệptrước đây Ở nước ta, các hợp chất DDTs đã bị cấm sản xuất và sử dụng mặc dùcó tác dụng diệt côn trùng nhanh, bảo vệ cây trồng DDE và DDD được sử dụnglàm thuốc diệt nhện và là sản phẩm tạo thành từ DDTs do khả năng phân hủy

sinh học của sinh vật DDTs và các hợp chất của nó rất ít tan trong nước lênchúng dễ dàng kết dính với các chất lơ lửng trong nước để trầm ích xuống đáykênh, sông.Thông thường các hợp chất này có nồng độ thấp hơn trong nước vàcao hơn trong bùn đáy, đất do quá trình lắng tụ.

Chỉ một phần rất nhỏ gọi là “ dinh dưỡng vi lượng “ trong tổng lượng nguyên tốđộc trong bùn cống có lợi cho cây Sự phát triển cây phụ thuộc vào khả năng traođổi cation và pH của đất, số lượng bùn sử dụng, thành phần nguyên tố của nó vàloài hoặc giống cây Sự tăng lên của các kim loại trong đất được xử lý với bùncống và những nghiên cứu khác cũng cho những kết quả tương tự ( Page, 1974 ).Những cây trồng trên đất bùn cống có thể tăng hàm lượng và độc tính kim loạitrong mô của chúng ( Cunningham et at, 1975 ) Các kim loại được đồng hóa cóthể vào thức ăn của người và ăn vào trực tiếp hay gián tiếp khi ăn thịt gia súcđược nuôi trồng từ các loại cây trồng trên

Nói chung tùy theo mức độ nguy hiểm mà ta có thể chia bùn đáy ra thành ba loại:

- Loại không ô nhiễm hoặc ít ô nhiễm không cần xử lý trước khi sử dụng

- Loại ô nhiễm cần phải được xử lý trước khi sử dụng để ngăn chặn hậu quảxảy ra cho môi trường Mức độ nhiễm có thể chia thành 4 loại: nhẹ, trungbình, nặng và rất nặng

- Loại bùn lắng ô nhiễm hữu cơ có chứa hàm lượng N, P, K khá cao Đây làchất dinh dưỡng cho cây trồng có thể tận dụng làm phân bón

Rõ ràng là nghiên cứu kim loại nặng trong bùn cống rãnh dùng cho đất canh tác,dẫn đến sự ô nhiễm đất và cây trồng, nhất là ở nước ta, khi chưa có nhiều nghiêncứu , là rất quan trọng và cấp bách

2.1.2 Nguồn gốc của KLN

Đá mẹ là nguồn cung cấp đầu tiên các nguyên tố khoáng và có vai trò quan trọngtrong việc tích luỹ các kim loại nặng trong đất Trong những điều kiện xác định,phụ thuộc vào các loại đá mẹ khác nhau mà các đất được hình thành có chứa hàmlượng khác nhau các kim loại nặng

Đã có nhiều bằng chứng chứng minh nguy hiểm độc hại của kim loại nặng trongmôi trường đất đến thực vật, động vật ăn thực vật và con người mà biểu hiện rõ làảnh hưởng của Pb, Cd, Hg Trong quá trình sản xuất con người đã làm tăng đángkể các nguyên tố kim loại nặng trong đất Các loại thuốc bảo vệ thực vật thườngcó chứa các kim loại nặng như As, Pb, Hg Các loại phân bón hoá học, đặc biệtlà phân photpho thường chứa nhiều As, Cd, Pb Các loại bùn nước thải thành phốcũng là nguồn có chứa nhiều các kim loại nặng khác nhau như As, Pb, Cd, Bi, Hg,Sn

Các nguyên tố kim loại nặng tồn tại và luân chuyển trong tự nhiên thường cónguồn gốc từ chất thải của hầu hết các ngành sản xuất công nghiệp trực tiếp hoặcgián tiếp sử dụng kim loại nặng ấy trong quá trình công nghệ hoặc từ các chấtthải sinh hoạt của con người Sau khi phát tán vào môi trường dưới dạng nói trên,chúng lưu chuyển trong tự nhiên bám dính vò các bề mặt, tích luỹ trong đất vàgây ô nhiễm các nguồn nước sinh hoạt Đó là nguyên nhân dẫn đến tình trạng ônhiễm đất

Bảng 2.1 : Nguồn gốc của kim loại nặng

1 Từ các chất trừ sâu vô cơ Pb, Asen, Hg…

2 Từ bùn cống rãnh Cadmi, Cu, nicken, Zn…

3 Từ quá trình khai thác và sản xuất

kim loại

Fe, Al, Zn, Cu…

4 Từ các lò nấu kim loại Nicken, Cu, Pb, Zn…

6 Từ khói thải giao thông Pb, Cadmi, Crôm, Cu, Nicken, Vanadi…

Bảng 2.2: Hàm lượng một số kim loại nặng trong đá và trong đất (ppm)

Đá trầmtích

Vỏphonghoá

Dao độngtrong đất

Trung bìnhtrong đất

7.70.40.170.190.044191.20.42

< 0.10.95

1.50.0480.110.050.049140.20.050.0050.6

0.1-400.1-0.40.01-20.01-0.50.2-0.52-3000.2-100.01-1.2-

0.1-0.8

60.20.350.060.21910.4-0.2

(Nguồn : Tack E.Fergusson, 1987)

Bảng 2.3: Hàm lượng một số kim loại nặng trong các sản phẩm dùng làm phân bóntrong nông nghiệp (ppm)

Đá vôi Bùn

cốngthải

Phânchuồng

Nướctưới

Thuốcbảo vệthực vậtAs

<0,1 – 9-

0,3 – 3

2 – 120-

-

-0,1 – 24-

<0,05-0,1-

-20 - 1250-

<0,1-

2 – 30

<1– 1002– 3000

<1 – 562– 7000

2 – 44

1 – 77-

<1 – 25-

<0,1 – 0,8

<0,001-0,20,4 – 16

<0,1 – 0,50,2 – 2,40,2

<10-

<0,05-

<20 0,05-

3 – 30 0,6 – 6

11 – 26-

-

(Nguồn : Hồ Tấn Quốc, 2001)

Bảng 2.4: Hàm lượng các nguyên tố trong bùn- nước cống rãnh đô thị

84 – 17000

10 – 99000

80 – 33500

1000 – 1540000,6 – 56

32 – 98700,1 – 214

2 – 5300

13 – 360002,6 – 3291,7 – 17,2

101 - 19000

1010308005002601700062604805001451700

( Nguồn: Logan, 1900)

Hàm lượng KLN tổng số trong đất là kết quả của việc nhập lượng kim loại từnhiều nguồn khác nhau: đá me, sự lắng đọng khí quyển, phân bón, hoá chất nôngnghiệp, các chất thải hữu cơ và các chất ô nhiễm vô cơ khác … Điều này đượcdiễn tả bằng công thức sau:

M tổng = ( Mp + Ma + Mf + Mae + Mow + Mip) – ( Mcr + Ml)

Trong đó:

-M là kim loạ nặng; p: vật liệu đá mẹ; a: sự lắng đọng khí quyển

- f : phân bón; ac: hoá chất nông nghiệp; ow: các chất thải hữu cơ

2.1.3 Sơ lược về các kim loại nặng: Cd, Pb, Hg, Cu

a Chì(Pb):

Chì là một nguyên tố vi lượng (< 0.1% khối lượng) trong đá và đất tự nhiên Bánkình ion Pb là 124pm và nó thay thế đồng hình K ( bán kính 133pm) trong mạnglưới aluminsilicate Hàm lượng chì trong đất, đá tăng tự nhiên do hoạt động củanúi lửa tạo thành đá núi lửa Chì có ái lực mạnh với S và trong tự nhiên hìnhthành các loại quặng chì như PbS, PbCO3, PbSO4

Chì là một loại độc bản chất có ảnh hưởng quan trọng trong môi trường sinh thái.Chì là nguyên tố thuộc nhóm IV trong bản hệ thống tuần hoàn của nguyên tố hoáhọc Chì có hai trạng thái oxy hoá bền chính là Pb (II) và Pb (IV) và có bốn đồng

vị bền là 204Pb, 206Pb, 207Pb và 208Pb Trong môi trường nó tồn tại chủ yếu dướidạng ion Pb trong các hợp chất vô cơ và hữu cơ Chì là kim loại nặng ( M = 207,1; d =11.3g/cm3) màu xám xanh, nóng chảy ở nhiệt độ 327 0C và sôi ở nhiệt độ

17440C, hơi thì có vị ngọt ở họng Chì đun nóng đỏ bốc hơi và bị oxy hoá từngphần theo cách đun nóng Về mặt hoá học, Chì khó bị tác dụng bởi HCL, H2SO4loãng Nhưng H2SO 4 đặc đun nóng tác dụng với chì cho PbSO4 và toả khí(aerosol) SO3 chì tan trong HNO3 tạo thành chì nitrat và khí NO2 Chì có tínhmềm, dễ dát mỏng, dễ cắt và dễ định hình Chính vì vậy mà chì được ứng dụngnhiều trong công nghiệp và trong cuộc sống ngay từ thời xưa

Trong sản xuất, chì được dùng dưới hai dạng là chì vô cơ và chì hữu cơ Các hợpchất vô cơ của chì như: PbO ( massicot và litharge), Pb( OH)2, Pb3O4, PbO2, PbS,PbCl2, PbSO4, PbCO3, PbCrO3 chì hữu cơ thường được sử dụng là chì tetraethyl[Pb(C2H5)4]

Chì có nguồn gốc từ khói thải xe cộ, từ khai mỏ và luyện quặng chì, từ bùn cốngrãnh, từ việc sản xuất và sử dụng ăc quy chì, sơn công nghiệp có chứa chì, menđồ gốm, từ các loại thuốc trừ sâu vô cơ…chì tồn tại trong môi trường đất trongdung dịch đất, trên những bề mặt hấp thụ của mùn sét trao đổi tạo phức, dạng kếttủa, liên kết với Fe – Mn oxides thứ cấp, dạng kiềm cacbonate và trong mạngtinh thể aluminsilicate.

Ngoài những tác dụng tích cực cũng cần phải nói đến những tác hại của chì Độctính của chì cao, nó có thể gây tác hại cho toàn cơ thể như: tác hại đến hệ thốngtạo huyết của cơ thể, hệ tống thần kinh, thận, tiêu hoá, tim mạch và một số ảnhhưởng khác như: sinh sản, nội tiết, thể nhiễm sắc

b.Cadmium (Cd):

Cadmium (Cd) thuộc nhóm (IIB), chu kỳ 5, có khối lượng nguyên tử trung bìnhbằng 112,411 (đvc) trong bản hệ thống tuần hoàn, là một kim loại quý hiếm, đượcxếp thứ 67 trong thứ tự của nguyên tố dồi dào Cd là một kim loại rất độc, nó làsản phẩm của công nghiệp luyện kẽm và chì Cd là một lim loại màu trắng dịu, ítkhi tìm thấy ở dạng Cd2+. Nó dễ kéo dãng, dễ dát mỏng Tỷ trọng ( so với nước) :8,65 ; nóng chảy ở 3210C, sôi ở 7780C

Cd không có chức năng về sinh học thiết yếu nhưng lại có tính độc hại cao đối vớithực vật và động vật Tuy nhiên dạng tồn lưu của Cd thường bắt gặp trong môitrường khọng gây độc cấp tính Theo Fassett (1980) thì nguy hại chính đối với sứckhoẻ của con người từ Cd là sự tích tụ mãng tính của nó trong thận Nếu hàm

năng thận, giảm số lượng hồng cầu trong máu; suy yếu tỷ xương; rối loạn chứcnăng trao đổi của Ca2+ gây ra chức năng loãng xương, gẫy xương, giảm chiều cao

cơ thể ( nguyên nhân của căn bệnh Itai – Itai tại Nhật, 1947) Cd có khả năng tấncông và lấn át vị trí của Zn trong cấu trúc của enzyme Carboxypeptidase A vàlàm rối loạn chức năng trao đổi chất

Thức ăn là con đường chính để Cd đi vào cơ thể nhưng bên cạnh đó việc hútthuốc lá và hơi khói có chưa nhiều CdO, cũng là nguồn quan trọng đưa Cd vàotrong cơ thể Tổ chức Lương Nông Quốc Tế (FAO) và Tổ Chức Y Tế Thế Giới( WTO) đề nhị lượng Cd có thể chấp nhận được đưa vào cơ thể tối đa 400 – 500

g/tuần, tương đương koảng 70 g/ngày Theo thống kê của Page, Bingham vàChang (1981), lượng Cd vào cơ thể trung bình trên thế giới hiện nay khoảng từ 25–75 g/ngày Đây rõ ràng có vấn đề vì lượng Cd xâm nhập vảo cơ thể con ngườiđang xấp xỉ ở ngưỡng trên tiêu chuẩn cho phép Chính vì vậ những người hútthuốc lá có thể thêm vào cơ thể một lượng Cd dư thừa từ 20 – 35 g Cd/ngày

Nguồn gây ô nhiễm cadium: từ đá núi lửa, từ phân bón (phân photphat), từ sựlắng đọng ở bầu khí quyển của hoá chất Cd, từ bùn cống rãnh, các mỏ… Ô nhiễmmôi trường do Cd đã và đang gia tăng nhanh trong những thập niên gần đây là dohậu quả của việc phát triển công nghiệp ồ ạt và đặc biệt là việc gia tăng sử dụng

Cd trong công nghiệp Mặt khác, do quá trình khai thác các mỏ kim loại gia tăngvà quá trình thải chất thải bừa bãi dẫn đến ô nhiễm Cd trong môi trường là điềukhó tránh khỏi

c.Thuỷ ngân (Hg):

Người ta đã sử dụng thuỷ ngân cách đây khoảng 3500 năm Ngày xưa, người LaMã đã sử dụng Hg để chế tạo chất màu đỏ của thần sa Các hợp chất thuỷ ngân lànhững chất độc mạnh và nhiễm độc Hg đã được biết từ thế kỷ XVI, nhất là ởnhững người sử dụng thuốc có Hg để điều trị bệnh gian mai

Thuỷ ngân là kim loại thể lỏng duy nhất ở 00C, màu trắng bạc, tỷ trọng 13.6, M =200,61 trong thiên nhiên, Hg có trong các quặng sun fua với hàm lượng 0,1 – 4%,để trong không khí Hg bị xạm đi, đó là do thuỷ ngân bị oxy hoá tạo thành oxitthuỷ ngân rất độ, ở dạng boat rất mịn, rất dễ xâm nhập cơ thể

Trên thế giới, nhiễm độc thuỷ ngân khá phổ biến ( sau chì và benzen), cả trongsinh hoạt và trong sản xuất công nghiệp Bệnh nhiễm độc Hg nghề nghiệp ở nước

ta là một bệnh được bảo hiểm Việc tiếp xúc nghề nghiệp với Hg và hợp chất Hgngày càng nhiều, những phát hiện nhiễm độc Hg còn rất ít

Thuỷ ngân có thể tồn tại ở dạng linh động, không tan hoặc bay hơi ( CH3)2Hg.Trong đất kiềm (pH >= 7) bị kết tủa ở dạng Hg(OH)2 các dạng hợp chất thườnggặp như: Hg - chất hữu cơ (RhgOH) Trong điều kiện khử Hg có thể gặp ở dạngHgS Các hợp chất Hg thường gặp trong công nghiệp như: HgO, HgCl2, HgI2,Hg2I2, [(Hg(NO3)2.8H2O)], [(Hg(CN)2)], HgS, [Hg(CNO)2], Neptal, Merurocrom

Trước đây một số hợp chất hữu cơ cũng được dùng làm hoá chất trừ dịch hại nhưtrừ nấm ( ví dụ để xử lý nấm ở thóc giống trước khi gieo hạt…) nhưng vì các hoáchất đó gây nhiễm độc cho người dùng và lưu tồn lâu dài trong môi trường tự

các nguyên tố độc chất cho con người và nhiều độc vật bậc cao Mặc dù Hg cótính độc dưới dạng ion, muối thuỷ ngân có tính độc cao với các sự nguy hiểmkhác nhau Vài loại thuỷ ngân hữu cơ, đặc biệt, như Ankyl Hg thì được xem nhưrất độc đối với con người do ảnh hưởng đến hệ thần kinh, đặc biệt là Metyl Hgcó ảnh hưởng rất mạnh Tuy nhiên, việc nghiên cứu tính độc hại của thuỷ ngân vàcác hợp chất của nó trong mội trường là một vấn đề gần đây mới trở nên nổi cộm.Trường hợp đầu tiên được biết ở Nhật Bản, trong suốt năm 1950, khi mà ngườidân một tỉnh nhỏ Miramata đã ngộ độc khi ăn cá có chứa mức Hg metyl cao, hoặclà một vài trường hợp thú hoang dại bị ngộ độc khi ăn lá cây có chứa nhiều metyl

Hg ở Đức 1948 – 1965

d Đồng(Cu)

Cu là nguyên tố vi lượng cần thiết cho con người và động vật Trong thiên nhiên

Cu ở nhiều hình thức: Sulphides, Sulphate, cacbonate, hợp chất khác Cu có lợicho cây trồng khi ở dạng Cu(OH)2, {Cu(H2O)6}2+, nghiên cứu của các tác giảCanada, lượng Cu trong chất thải thô 0,31 ppm, trong đó giai đoạn đầu là 0,21ppm, giai đoạn sau là 0,08 ppm

Cu tích lũy với nồng độ cao sẽ trở thành độc chất, lượng Cu hòa tan khoảng 5mg/

kg làm gia tăng khử chất đạm ở đất có pH cao nếu thêm lượng Cu vào sẽ làm đất

bị nitrate hóa Khi có nhiều Cu trong đất, các hợp chất từ Fe khác và hợp chất nitơảnh hưởng lên sự thay đổi của vi sinh, gia súc có thể chịu ảnh hưởng mạnh bởilượng lớn Cu trong bùn Các nhà khoa học cho biết, độc tính của Cu càng tăng khisự háp thụ Mo, Zn, SO42- của sinh vật càng thấp

Baker và Chesnin cho biết lượng Cu có trong khí quyển trung bình 70mg/kg.Trong đất từ 2-100mg/kg với chỉ số trung bình được chọn 20mg/kg Lượng Cu dưthừa trong đá bazan lớn hơn trong đá ranite và thấp hơn trong các loại đácacbonate Gabbo và đá bazan có hàm lượng Cu cao nhất, ranic và ranodionic cólượng Cu thấp nhất.

Cu từ không khí được đưa vào đất do mưa và các chất thải khô, theo các chất thảicông nghiệp chứa Cu và các kiểu các chất có trong bụi Theo UK (nghiên cứu củaAnh) tổng lượng chất thải chứa Cu hàng năm từ bụi khoảng 100-480g/ha

Trên bề mặt đất, trên các cánh đồng lượng Cu khoảng 60mg/kg chúng có khuynhhướng ngăn chặn các quy trình sinh học làm màu mỡ đất, làm ảnh hưởng đấn sứckhỏe của gia súc trên các đồng cỏ

Sự thiếu hụt Cu làm ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm mùa màng làm trái câykích thước nhỏ hơn, sự mất màu và kết cấu xốp của củ hành, sự mất màu ở cà rốt,dạng suy yếu của rau, lượng protêin giảm, sự thay đổi cấu trúc aminoaxit

Ở động vật, Cu cùng với iốt và vitamin B12 tham gia quá trình tạo huyết sắc tốtrong máu, là thành phần của một ố enzyme Thiếu đồng trong khẩu phần Giasúc mắc bệnh thiếu máu, kém ăn, chậm lớn, xương chậm phát triển, rối loạn chứcnăng sinh sản và tiêu hóa, lông mất màu Cu trong thức ăn gia súc hấp thu khoảng30%-50%, Cu ở dạng muối sunphat tiêu hóa và hấp thu tốt hơn Tăng hàm lượngcanxi trong khẩu phần sẽ làm giảm mức độ hấp thu đồng

Nguyên nhân dẫn đến nghộ độc Cu của con người có thể là do: uống nước thông

chocolate, nho, nấm, tôm…; bơi trong các hồ bơi có sử dụng thuốc diệt tảo có chứađồng để làm vệ sinh hồ Sự thiếu hụt cũng như dư thừa Cu cũng đều ảnh hưởngnghiêm trọng tới sức khỏe Bệnh thiếu máu do thiếu hụt sắt ở trẻ em đôi khi cũngđược kết hợp với sự hiếu hụt Cu.

2.1.4 Khả năng lan truyền ô nhiễm của kim loại nặng (KLN)

Khả năng lan truyền ô nhiễm là tích luỹ, phát tán các kim loại nặng trong đất vàlàm ô nhiễm trực tiếp đến đất, cây trồng, vật nuôi và cả con người khi ăn phảithức ăn bị nhiễm kim loại nặng Khi các kim loại nặng xuất hiện trong đất thì khảnăng lan truyền của chúng rất nhanh Nó gây độc cho tất cả những gì xung quanh:đất, nước, không khí, động thực vật, hệ sinh thái, con người

Các kim loai nặng(Cd, Hg, Pb,Cu) trong đất bị ô nhiễm sẽ có ảnh hưỏng rất lớnđến thực vật và cây trồng thông qua dây chuyền thực phẩm sẽ lại tác động lênsức khoẻ con người và động vật Tuỳ theo từng chất mà nó có những tác độngkhác nhau đến các bộ phận của cơ thể

Hầu hết các kim loại nặng(Hg, Pb, Cd, Cu) được xâm nhập vào cơ thể qua đườnghô hấp, đường miệng, đường tiêu hoá, qua da…và được tích luỹ ở phổi, thận, gan,tụy, tuyến giáp Sau đó chúng được thải loại qua kết tràng và thận Một tỷ lệ nhỏđược thải qua da và nước bọt (dó là do cọ thể sinh vật có khả năng bài tiết thảiloại độc chất) Nhưng nếu tích tụ với một hàm lượng lớn trong cơ thể thì có thểdẫn đến nhiều căn bệnh lạ, nặng hơn nữa có thể dẫn đến cái chết

Tổng lượng kim loại có trong đất không phản ánh được các nguyên tố được vậnchuyển đến rễ, có khi nó chỉ là một phần nhỏ cần thiết cho cây trồng Mặt khác,

hàm lượng kim loại nặng trong đất thấp hơn hàm lượng mà cây trồng hấp thu,chính vì thế, một phần lớn các kim loại nặng có đặc tính sinh học tồn tại ở pharắn.

Tuỳ vào mức độ linh động của chúng và dung dịch đất mà dung dịch đất có thểtồn tại ở 4 dạng khác nhau Hai dạng tồn tại đầu, kim loại ở dạng ion và có trongdung dịch, dạng thứ ba, mặc dù tồn tại ở pha rắn nhưng có thể đi vào dung dịchkhi cần thiết và trở nên có sẵn khi cây trồng sinh trưởng Ở dạng thứ tư, kim loại

bị liên kết chặt với các hợp chất vô cơ hoặc hữu cơ khác và không có sẵn trongcây Sự hấp thu hay tích luỹ kim loại nặng cây trồng bị ảnh hưởng bời rất nhiềuthông số như: pH, Eh, hàm lượng chất hữu cơ, cân bằng dinh dưỡng, nồng độ củacác ion kim loại nặng khác cũng như độ ẩm và nhiệt độ

2.1.5 Các yếu tố ảnh huởng đến tính độc của KLN trong đất

`Keo đất cấu tạo bởi 4 lớp từ trong ra ngoài là: nhân, lớp ion quyết định thế

thưòng là điện tích âm, lớp ion không di chuyển mang điện tích trái dấu với lớpion mang điện tích thế và lớp ion có khả nặng trao đổi điện tích với mối trườngbên ngoài Với cấu trúc này keo đất fcó khả năng hấp thụ trao đồi ion giữa bềmặt của keo đất với dung dịch đất bao quanh nó Sự xâm nhập của độc chất vàomôi trường đất được thực hiện thông qua hoạt tính của keo đất và dung dịch đất

đối với loài sinh vật hay còn gọi là tính “ kỵ sinh vật” Tính độc củacác chất này quyết` định bởi cấu tạo và hoạt tính của chúng

b Nồng độ và liều lượng của các độc

chất có tương quan thuận đối với tính độc Nồng độ và liều lượng càngcao thì càng độc

tính độc càng mạnh (trừ khi nó ở điểm phân huỷ của độc chất) Cũngnhư khi có nhiệt độ đất quá cao cío thể làm phan huỷ độc chất

vật khác nhau có ngưỡng chịu độc khác nhau Sinh vật non trẻ thì mẫncảm đôí với chất độc, ngưõng chịu độc thấp, sinh vật cao tuổi thìngưỡng chịu độc cao, nhưng tuổi già lại chịu độc kém Giới tính cũngảnh hưởng đến ngưỡng chịu độc Giống cái và phái nữ dễ mẫn cảm vớichất độc hơn là phái nam và giống đực

chế độ nước, độ ẩm, độ chua trong đất có ảnh hưỏng đến sự cung cấpoxy để giải độc và phân bố lại nồng độ của hơi độc Sự lan truyền ônhiễm và đề ra kế hoạch cải tạo, bảo tồn đất nông nghiệp gặp khó khăntrong quá trình tập trung chất ô nhiễm nặng Có thể dùng vi sinh vật đểphân giải một số độc chất sinh ra từ các chất ô nhiễm có quy mô lớngây ảnh hưởng đến các hoạt động trồng trọt Những chất độc không cóthuốc đặc trị là nguyên nhân để chất ô nhiễm hoà tan vào nước gây ratình trạng lan rộng ô nhiễm thành các mảng ô nhiễm Màng tế bào tạo

ra các mảng ô nhiễm hữu cơ chứa các vi sinh vật hữu cơ Kết quả cácmàng này làm cho những chất ô nhiễm tăng tính thấm qua màng Quátrình quang hợp ở 140C của các tế bào của tảo làm mất đi kali trong tảo

và vi khuẩn Sự phát triển củachất độc do ô nhiễm hữu cơ làm phá vỡcân bằng sinh học và gây độc lý hoá.

2.1.6 Aûnh hưởng của KLN

2.1.6.1 Quá trình hấp thụ kim loại nặng của thực vật

Quá trình xâm nhập KLN vào trong cây trải qua 4 giai đoạn sau :

a KLN đi vào vùng tự do của rễ cây

Sự di chuyển của các ion kim loại nặng không bị giới hạn tại bề mặt rễ cây Tạivùng màng của các tế bào có khả năng dễ dàng cho dung dịch xâm nhập (vùng tựdo), tại đây các ion dương có thể khuyếch tán tự do (khu vực nước di chuỷên tựdo) hoặc bị bẫy vào những tế bào mang điện âm, ví dụ trên màng có gắn nhómcacboxylic của các đơn vị polygalacturonic.( Marschner, 1986), ion kim loại cókhả năng tích luỹ trong khu vực tự do của rễ cây, một số bị bám dính chặt vàomặt tế bào rễ Chúng liên kết mạnh với các nhóm axit cacboxylic theo thứ tự Pb >

Cu > Cd > Zn ( Morel và cộng sự, 1985), sự liên kết này đóng một vai trò quantrọng đối với sự tích luỹ các kim loại nặng trong rễ cây và gia tăng lượng hấp thuliên tục của kim loại nặng vào tế bào rễ Kim loại được vận chuyển vào khối hìnhcầu thân rễ (rhizosphere) – vùng rộng khoảng 1 – 2 mm giữa rễ và đất xungquanh Mycorrhizae là nấm cộng sinh làm gia tăng một cách hiệu quảkhu vực hấpthu của rễ và có thể trợ giúp việc nhập lượng các ion dinh dưỡng nhưorthphosphate và các nguyên tố vi lượng Cơ chế hấp thu có thể biến đổi với cácion khác nhau, nhưng những ion được hấp thu vào trong rễ bởi cùng một cơ chế sẽcạnh tranh với nhau ( ví dụ: sự hấp thu của Zn được hạn chế bởi Cu và H+ nhưngkhông bị hạn chế bởi sắt và mangan)

b Kim loại nặng (KLN) ở trong tế bào của rễ

Các KLN bị hấp thu trong tế bào, có thể bị mất tính linh động hay tính độc trongtế bào chất, thông qua quá trình kết hợp tạo phức với các phân tử hữu cơ (acid vô

cơ, aminoacid, phytochelation) ( Stefens, 1990; Rauser, 1990; Verkleij và Sehat,

1989) hoặc bị sa lắng xuống các khu vực giàu electron (electron – densegranules) Phức chất tạo bởi các phân tử hợp chất hữu cơ là cơ sở chiếm ưu thế cóliên quan đến các KLN trong tế bào chất ( ví dụ: Cd, Co, Fe, Mn và Zn) (Weigelvà Jager, 1980) cho biết, KLN cũng có thể được chuyển vào trạng thái tự do hoặctrong trạng thái phức chất, đây là dạng làm cho KLN bị sa lắng ở trong tế bào rễ (chủ yếu là liên kết với các acid hữu cơ citric, malic) ( Wagner và Krotx, 1989).

c Sự vận chuyển KLN đến các mầm chồi

Các kim loại ở trong tế bào chất có thể được chuyển từ tế bào này sang tế bàokhác thông qua con đường tổng hợp sẽ đi vào mao dẫn rễ là nguyên nhân gây racác dòng thở ( sự di chuyển khối – dòng chảy khối|) Các cation tự do có thể phảnứng với các nhóm mang điện âm của thành tế bào, mao dẫn rễ, đây chính là lý docản trở sự vận chuyển của kim loại nặng hay làm quá trình trao đổi bị chậm lại.Ngoài ra, các nhóm tạo phức với kim loại tự do như các acid hữu cơ, aminoacidtrong mao dẫn rễ sẽ làm giảm mức độ linh động của KLN và cho phép chúngchuyển vào các mầm non Sự xuất hiện của các màng điện trái dấu với kim loạigóp phần đẩy nhanh quá trình đưa độc chất kim lọai vào mầm non

d Sự tích luỹ KLN trong các bộ phận cây

Với sự góp mặt của kim loai trong cây làm biến đổi dị hoá các yếu tố gen( Cataldo và cộng sự, 1981; Sheppard và cộng sự, 1992) và sự mất linh động củakim loại trong rễ Kim loại nặng tích luỹ trong rễ chiếm 80 –90% tổng lượng kimloại hấp thu (Javis và cộng sự, 1976) Hầu hết các kim loai được tích luỹ trong rễcây đều ở trong gian bào và được liên kết vào các hợp chất pectin và protin của

thành tế bào Ngoài ra, một số loại cây có khả năng tích luỹ ở phần trên của cây (

ví dụ: thuốc lá, >= 80% Cd trong lá) (Mench và cộng sự 1989)

2.1.6.2 Cơ chế gây độc của KLN trong môi trường đất

Độc chất từ môi trường xâm nhập vào cơ thể thực vật qua sự hấp thu của rễ khilấy chất dinh dưỡng nuôi cây Giai đoạn đầu cây hấp thu, trao đổi chủ động đếnkhi cây cảm nhận ra chất độc, có phản ứng bằng hạn chế sự hấp thu Giai đoạn kếtiếp, chất độc nhập phá vỡ màng tế bào đi vào các cơ quan và dòng nhựa trên câylên thân, lá – giai đoạn này cây hấp thụ bị động Cũng có thể là sự xâm nhập đơnthuần từ nồng độ cao trong dung dịch nuôi trồng vào cơ thể thực vật Cơ quanquan trọng nhất hấp thu, tiếp xúc với độc tố là hệ rễ Khi rễ phát triển và hoạtđộng thì khảo sát ảnh hưởng độc chất mới có ý nghĩa

Cây non trồng trong môi trường bất lợi sẽ kém phát triển, hạn chế khả năng sinhtrưởng Nếu môi trường sống có nồng độ tác nhân cao vượt quá ngưỡng chốngchịu của cây, cây sẽ chết Nếu môi trường sống có tính tích luỹ độc chất dần dầntừ thấp đến cao thì gây biến động sinh lý cơ thể để thích nghi với điều kiện biếnđộng cơ thể gây nên như:

+ Rễ cây ít phát triển hoặc phát triển theo hướng khác ít chịu ảnh hưởngbởi độc chất;

+ Tăng cường khả năng chống chịu như tiết các acid, hoá chất trung hoàđộc chất;

+ Tích luỹ độc tố ở một bộ phận riêng biệt trong cơ thể để nuôi các bộphận khác Như tích luỹ Al, Fe ở rễ cây vùng đất phèn, tích độc trong vùngmô thân, vỏ…;

+ Có khuynh hướng đào thải ra ngoài qua một con đường riêng biệt hoặc

+ Gây chết một số vùng phát triển ở lá, ngọn để hạn chế nhu cầu dinhdưỡng khi cây hút vào nguyên tố độc

Chúng ta biết rằng, kim loại nặng được quan tâm nhiều ở chỗ chúng được sử dụngrộng rãi trong một số hoạt động công nghiệp trên hầu hết các quốc gia Mặt khác,chúng được coi là những yếu tố vi lượng cần thiết cho cây trồng và gia súc Tuynhiên, chúng cũng được coi là chất ô nhiễm đến môi trường sinh thái nếu chúngtồn tại ở nồng độ vượt quá mức nhu cẩu sử dụng của sinh vật Hiện nay kim loạinặng trong đất đang được quan tâm đúng mức bởi sự phát triển của khoa học vàvấn đề ô nhiễm môi trường đất đã được coi trọng

Các nguyên tố kim loại nặng thuộc nhóm vi lượng khi ở nồng độ thấp, vừa phảithì có tác dụng kích thích sự sinh trưởng và phát riển của thực vật Tuy nhiên, mộtkhi nó tồn tại ở nồng độ thấp hơn “nhu cầu sinh lý” hoặc cao hơn “ngưỡng chịuđộc” đều có ảnh hưởng lên sự sinh trưởng và phát triển của cây

2.1.6.3 Aûnh hưởng có lợi của KLN đến thực vật

Các kim loại nặng được xem như là một nguyên tố vi lượng thiết yếu cho sự pháttriển bình thường của cây trồng và động vật Người ta biết được 1/3 tổng sốenzyme có chứa kim loại hoặc được 17 kim loại khác nhau hoạt hoá trong đó

Các kim loại nặng được sử dụng như một loại phân vi lượng để bón cho cây trồng

ở một lượng nhỏ vừa phải thì không những năng suất cây trồng tăng rõ rệt màphẩm chất các sản phẩm nông nghiệp cũng được cải thiện đồng thời khắc phụcđược nhiều loại bệnh của cây trồng và gia súc như bệnh: thối củ cải đường, nhũncủ khoai tây, nhũn xương trâu bò…Ngoài ra, các kim loại nặng này còn là tácnhân hoạt hoá không đặc thù của hàng loạt enzym đã làm tăng hoạt tính xúc táccủa mỗi thành phần đó lên gấp bội Chẳng hạn, họat tính oxy hoá khử của cáchợp chất đồng tăng gấp hàng nghìn lần thậm chí gấp hàng vain lần Cu ở trạngthái tự do trong mọi khâu của quá trình trao đổi nitơ là nhânb tố chính cho sự sinhtrưởng của cây trồng

2.1.6.4 Tác động có hại của KLN đối với cây trồng

Các kim loại độc hại có thể tồn tại trong đất ở nhiều dạng khác nhau, hấp phụ,liên kết với các hợp chất vô cơ, hữu cơ hoặc tạo thành các chất phức hợp Nhiềunguyên tố kim loại nặng có ý nghĩa quan rọng trong đời sống của sinh vật vàđược biết là nguyên tố vi lượng Nó có tác dụng sâu sắc và nhiều mặt đối với quátrình quan hợp, điều hoà sinh trưởng Ngoài ra, nó còn ảnh hưởng đến quá trìnhhấp thu nước, thoát hơi nước và vận chuyển nước trong cây Nhưng khi có hàmlượng quá cao thường trở nên độc hại Khả năng độc hại của các kim loại nặngđối với sinh vật cũng khác nhau

Bảng 2.5: Tính độc hại của các nguyên tố kim loại nặng đối với sinh vật

Vi khuẩn khoáng hoá nitơ

Hg > Cu > Cd > Fe > Cr > Zn > Ni > Co > Mn

Ag > Hg > Cu > Cd > Cr > Ni > PB > Co > Zn

Hg > Pb > Cu > Cd > Cr > Ni > Zn

( nguồn: Richardon và Nieboer, 1980)

Đối với đa số sinh vật đất, tính độc hại giảm dần theo thứ tự Hg > Cd > Cu > Zn >

Pb Dựa vào tính độc hại của kim loại nặng Ouxbury (1985) đã chia ra ba nhóm.Nhóm có độc tính cao (Hg) nhóm có độc tính trung bình (Cd) và nhóm có độc tínhthấp hơn ( Cu, Ni, Zn) Hàm lượng độc tố trong thực vật cao sẽ là nguyên nhângây ra ngộ độc thực phẩm kim loại nặng ( Cd, Pb, Hg) Các chất độc này thườngtập trung nhiều ở rễ

2.1.7 Khả năng làm phân bón của kim loại nặng:

Ơû Mỹ, trong một năm có 5.6 x 106 tấn sản phẩm bùn cống, khoảng 42% đượcdùng cho đất trang trại; ở Tây Aâu thì có 5.9 x 106 tấn sản phẩm bùn cống dùngnhư phân bón trong một năm (Brown và Jacobson, 1987) Ở hầu hết các nướccông nghiệp, bùn cống được tái sử dụng sau khi đã được xử lý

Bùn đáy có KLN gây ra các vấn đề về mỹ quan và kinh tế đối với một vùng đất

bị bỏ hoang hay một lãnh thổ Nước rỉ từ các bãi chôn lấp rác có thể là nhữngnguồn chính gây ô nhiễm kim loại nặng đối với nước và đất khu vực có bãi rác.Các vườn cây hình thành trên các bãi rác cũ thuờng có hiện tượng làm tăng pHtrong nhựa cây, cùng với làm tăng khả năng giảm độc kim loại nặng, giảm sựthiếu hụt dinh dưỡng, kết hợp các chất hữu cơ để cải thiện cấu trúc đất và tăngkhả năng giữ nước để rồi từ đấy, có thể trồng nhiều loài cây khác nhau Peters(1984) cho thấy, ở Sudbury, một lò nấu kim loại có thể thải ra 54000 tấn chất thảicó kim loại nặng trong một ngày, lượng chất thải này dưới dạng như bùn, phântán vào các lớp đất mặt trong khu vực Khối lượng chất thải này làm xơ xácphong cảnh nơi đây Cũng theo Peters, vào năm 1983, có khoảng 1120ha đất khuvực này đã được chuỵển mục đích sử dụng, 485ha được quy hoạch trồng rau và600ha trồng cỏ

2.2 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước

2.2.1 Các kết quả nghiên cứu ngoài nước

Hiện nay, nhiều tác giả trên thế giới đã và đang nghiên cứu sâu hơn về cơ chếsinh lý do tác động của độc chất KLN trên thực vật U.Avenhaus, U Ebben, V.Glavac, R Mayer đã nghiên cứu ảnh hưởng của KLN và Al lên sự phát triển củarễ cây Nhóm tác giả đã sử dụng hộp 4 lít bằng gốm để đặt rể cây sống vào, thínghiệm được cung cấp các dưỡng chất cần thiết Thực vật khảo sát là cây dẻ gaivà cây tùng Các rễ cạn gần mặt đất thuộc hệ thống rễ của cây được đào lên cẩnthận, rửa bằng nước khử ion, nhuộm bằng mêtyl tím và cho vào trong các hộp rễ,cho phát triển trong điều kiện có kiểm soát Mỗi loại cây đều có hộp đối chứng –không thêm kim loại nặng Ơû pH = 3.8, sau 2 – 5 tháng, nhóm tác giả lấy rễ rakhỏi hộp, khảo sát phần mới mọc (không nhuộm) để xác định các chỉ tiêu: số rễ,

chiều dài rễ, trọng lượng khô và so sánh với trọng lượng rễ khô lúc bắt đầu thínghiệm Dùng trace nghiệm Wilcoxon để xử lý từng cặp khác biệt Các tác giảnhận thấy, ở nồng đô thấp (10g/L), Cd có tác dụng kích thích rễ ra dài, nhưng ởnồng độ 500g/kg đất, cả rễ cây dẻ gai và rễ cây tùng đều bị ứng chế Ơû nồng độ100g Cd/L, chỉ có rễ cây tùng bị ứng chế nhẹ nhưng không có ý nghĩa về mặtthống kê.

Với hỗn hợp 2 g Cd + 25 g Pb + 10 g Cu +200 g Zn/L, sự phát triển của chóprễ bị giảm

Hỗn hợp 5 g Cd + 50 g Pb + 20 g Cu +700 g Zn/L, ức chế rễ mọc dài

Hỗn hợp 20 gCd + 500 g Pb + 100 g Cu + 3000 g Zn/L, làm giảm tất cả cácchỉ tiêu theo dõi sự phát triển của rễ

Những nghiên cứu về độc chất học sinh thái của KLN do nhóm các nhà khoa học

ở New Zealand tiến hành đối với cây trồng trong môi trường đất đã cho thấy mộtsố kết uqả khá quan trọng Nhóm đã làm một số thí nghiệm sử dụng KLN với dãynồng độ khảo sát: Cu (II) (0, 600, 1200, 1800); As( 0, 25, 50, 100, 200) trên mộtsố cây: rau diếp, cây kê Qua thí nghiệm đã xác định được các giá trị như NOEC,LOEC, EC 50, LC50, số liệu được sử lý sử dụng phân tích phương sai ANOVA

Một số các nghiên cứu trước đây của các chuyên gia nước ngoài cho thấy Pb2+,

Hg2+, Cd2+, Cu2+ là những chất ô nhiễm chính do hoạt động của con người tạo nên.Ngoài ra, chúng cũng là nhân tố có ảnh hưởng trực tiếp làm giảm sinh khối visinh vật đất và trọng lượng khô của cây trồng Theo M Barajas Aceves (1994)

Nhóm nghiên cứu của Chen Tong Bin ( Viện nghiên cứu Tài nguyên và khoa họcđịa lý, thuộc Viện Khoa học Trung Quốc ) bắt đầu điều tra tình trạng ô nhiễmKLN của đất trên toàn quốc từ năm 1997, đến năm 1999 họ đã phát hiện ra câydương xỉ – loài cây đầu tiên trên thế giới được biết đến có khả năng siêu hút chấtthạch tín Cho đến nay, họ đã phát triển được 3 kỹ thuật có bản quyền sở hữu trítuệ về trồng cây phục hồi đất và đánh giá độ ô nhiễm của đất, họ cũng đã tìmđược 16 loại cây khác cũng có khả năng hấp thu kom loại nặng trên lãnh thổTrung Quốc Loài cây dương xỉ phân bố trên diện rộng ở miền nam Trung Quốc,hàm lượng thạch tín ở trên lá của cây lên tới 8%o , vượt xa so với hàm lượngđạm, lân có trên thân cây mà cây vẫn phát triển tươi tốt Khả năng hút thạch tíncủa loài cây này không ngừng tăng mạnh theo sự phát triển của cây, chúng còncó thể di truyền đặc tính này cho các cây thế hệ sau Hiện nay, nhóm nghiên cứulần đầu tiên dùng kỹ thuật bức xạ đồng bộ và kính hiển vi điện tử scan môitrường để phân tích cơ chế chịu thạch tín của loài cây này trên thân cây sống.Nghiên cứu của nhóm này cũng đã phát hiện ra các sợi lông tơ trên cây dương xỉcó khả năng tập hợp thạch tín rất đặc biệt, những sợi lông có nước chính là nơitích trữ chủ yếu của thạch tín, nó có tác dụng cách biệt rất rõ ràng đối với thạchtín, vì thế loại độc tố này bị “nhốt kín” ở một nơi an toàn trong thân cây nênkhông hề ảnh hưởng đến sự phát triển của cây.

Các nhà khoa học thuộc ĐH Purdue, West Lafayette, Mỹ, đã tập trung nghiêncứu và tìm ra những loại thực vật có khả năng thẩm tách và lưu giữ một số lượngrất lớn KLN trong thân, chúng được gọi là hyperaccumulators Họ đã nghiên cứuhơn 20 loài thực vật hoang dại có họ với cây cải bắp Dựa trên số lượng thực vậtđó, họ lựa chọn ra một số loài cải xoang, có tên khoa học là thlaspi caerulescens

Loài cải xoang này rất dễ trồng và mọc được ngay trong phòng thí nghiệm Hơnthế nữa, chúng được xếp vào những thực vật dòng hyperaccumulators.

Nicckel, kẽm và cadimium là những “món ăn ưa thích” của chúng Trên thực tế,khả năng “ăn kim loại” của cải xoang đã được phát hiện từ rất lâu, năm 1865.Khi những người nông dân tiến hành phát quang đất đai để trồng trọt đã phát hiện

ra trong thân cải xoang có chứa một lượng lớn kẽm Kể từ đó, rất nhiều loại thựcvật dòng hyperaccumulators được tìm thấy và được sử dụng để loại bỏ kim loạinặng ra khỏi đất Tuy nhiên, việc sử dụng chúng mới dừng lại ở mức như mộtcách truyền bá kinh nghiệm Hiểu sâu và có thể lai tạo được các giống thực vậtnày thì vẫn chưa được quan tâm đúng mức Loài thực vật dòng hyperaccumulatorscó thể mọc được trên neền đất nông nghiệp hoặc công nghiệp bị nhiễm bẩn kimloại nặng Các nhà khoa học hy vọng rằng với nghiên cứu của họ về dòng thựcvật này, có thể những vùng đất rộng lớn bấy lâu bị bỏ hoang có thể được phụchồi Tuy nhiên, để áp dụng được thành tựu này với quy mô tương đối lớn, chắcchắn cần thêm những nghiên cứu sâu hơn nữa

Một loạt nhũng nghiên cứu của các nhà khoa học khác cũng cho thấy ảnh hưởngcụ thể của KLN đối với cây trồng như sau:

- Koji IIMURA – Trường đại học Tottori và Hedefumi ITO – Trại thínghiệm nông nghiệp quốc gia Chugoku của Nhật Bản (1975-1976), đã nghiên cứuảnh hưởng của Cd đến cây lúa cho rằng khả năng hút Cd của cây lúa tỉ lệthuậnvới Cd nhiễm trong dung dịch trồng Cd tích lũy trong rễ gấp 17,5 lần so với thânvà gấp 140 lần trong hạt Khả năng hút Cd của cây lúa phụ thuộc vào pH ĐộpH=6 là thích hợp nhất cho cây lúa hấp thụ Cd Nếu pH trên hoặc dưới ngưỡngnày thì khả năng hút Cd sẽ giảm

- Alloway (1988) đã phát hiện thấy vùng đất nông nghiệp sử dụng bùn thảiđể bón có hàm lượng Cd và Pb lần lượt là 64.2 ppm và 938 ppm tương ứng vớihàm lượng của chúng ở trong rau diếp ( 16,8 mg Cd/kg rau khô ), trong cảiSpinarch ( 8mg/kg rau khô ).

- Mahler (1978 ) phát hiện hàm lượng Cd có trong bắp 96,3 mg Cd/kh khôvà 53,2 mg Cd/kg khô củ cải Thụy Sỹ trên vùng đất trước đây có bón bùn thải

- Kyoung-Won Min và cộng sự (1999) đã nghiên cứu khả năng hấp thụ kimloại nặng ( Cd và Pb ) của một số loại cây và đưa ra một thứ tự giảm dần về khảnăng hấp thụ: thuốc lá> cải > bắp > tiêu > lúa…

Không riêng gí các nhà khoa học, Bộ Nông Lâm Thủy – Nhật Bản cũng đã cóphân tích khảo sát với 465 mẫu đất ruộng lúa và 8,163 mẫu gạo lức, cho rrằnghàm luợng Cd trong nước sông trung bình là 0,1 ppm: trong đất trồng lúa là 0,45ppm ( cao nhất là 2,53); trong gạo lức là 0,09 ppm ( cao nhất là 0,88 ppm) Cdtrong: nước : đất : gạo xấp xỉ tỉ lệ: 1 : 5000 : 1000

2.2.2 Các kết quả nghiên cứu trong nước

Ở Việt Nam, chúng ta đã có bộ tiêu chuẩn về các chất độc trong môi trường nước,không khí nhưng trong môi trường đất chỉ có giới hạn cho phép của dư lượngthuốc bảo vệ thực vật Gần đây, cuối năm 2003, Bộ Nông nghiệp và Phát triểnNông thôn đã đưa ra giới hạn cho phép của một số KLN trong đất nhưng khôngkhông chỉ rõ loại đất nào Chính vì thế, đề tài sẽ kiểm chứng tính đúng đắn củatiêu chuẩn và bổ sung thêm một vài thông số độc chất đối với một số loại đấtchính ở Việt Nam

Lịch sử nghiên cứu kim loại nặng gắn liền với việc tìm ra và ứng dụng chúng Sựphát triển của khoa học vật lý và hoá học, kim loại nặng được nghiên cứu chi tiếthơn KLN cũng được nghiên cứu trong sinh học: vi sinh vật, thực vật, động vật vàKLN đối với con người Trong những thập niên gần đây, nghiên cứu về tài nghiên– môi trường phát triển khá mạnh mẽ; trong đó nghiên cứu về KLN – vai trò sinhlý, tác động động gây độc của chúng đối với sinh vật ngày càng nhiều.

Các đề tài nghiên cứu về ảnh hưởng của KLN trong đất đối với cây trồng nôngnghiệp ở Việt Nam hiện nay còn rất hạn chế Các đề tài tập trung chủ yếu vàophân tích hàm lượng các KLN trong đất ( ô nhiễm hay không ô nhiễm) rồi so sánhvới các tiêu chuẩn KLN trong đất của nước ngoài Điều này tạo ra sự lung túngtrong đánh giá chất lượng đất vì đất là một môi trường rất phức tạp và phụ thuộcvào nhiều các yếu tố Lê Huy Bá và cộng sự (1994) khi nghiên cứu về KLN ởtrong đất đã cho thấy, ô nhiễm KLN trong môi trường đất không chỉ là hấp phụtrao đổi với keo đất mà chủ yếu dưới dạng liên kết với các axít humic và fulvic.Tổng lượng hấp phụ theo thứ tự: Zn (3575 ppm) > Mn(120ppm) > Cr (100 ppm)

>CU (60ppm) >Ni (37 ppm) > Cd (1.3ppm) nhóm tác giả khi thử nghiệm ảnhhưởng của Cd và Pb đối với lúa trong duing dịch gây nhiễm đã tahy61 ảnh hưởngcủa Cd lên lúa mạnh hơn Pb Ngoài ra, Lê Huy Bá và Nguyễn Văn Đệ (1998) khithực hiện đề tài “ nghiên cứu ô nhiễm KLN trong môi trường đất, nước ở Nhà bè

do nước thải công nghiệp và ảnh hưởng của nó đến cây lúa và giun đất “ cho biếthàm lượng KLN tích luỹ trong giun đất – được xem là chỉ thị đánh giá – chưa gâyảnh hưởng gì đến quá trình sinh trưởng của giun đất Cây lúa non có thể chịuđựng được ảnh hưởng của Cd trong nước nhưng bị chết hoàn toàn ở nồng độ 0.32ppm