Nghiên cứu ứng dụng phương pháp phân tích sàng lọc Calux trong đánh giá mức độ ô nhiễm Dioxin trong môi trường tại một số khu vực ô nhiễm nặng ở Việt Nam

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ******* NGUYỄN THỊ MƠ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH SÀNG LỌC CALUX TRONG ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ Ô NHIỄM DIOXIN TRONG MÔI TRƢỜNG TẠI MỘT SỐ KHU VỰC Ô NHIỄM NẶNG Ở VIỆT NAM VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP XỬ LÝ Ô NHIỄM TẠI KHU VỰC NÀY LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI – 2014 2 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ******* NGUYỄN THỊ MƠ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH SÀNG LỌC CALUX TRONG ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ Ô NHIỄM DIOXIN TRONG MÔI TRƢỜNG TẠI MỘT SỐ KHU VỰC Ô NHIỄM NẶNG Ở VIỆT NAM VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP XỬ LÝ Ô NHIỄM TẠI KHU VỰC NÀY Chuyên ngành: Hóa môi trƣờng Mã số: 60440120 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS. DƢƠNG HỒNG ANH TS. VŨ ĐỨC NAM HÀ NỘI – 2014 3 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới TS. Dương Hồng Anh (Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học quốc gia Hà Nội) và TS. Vũ Đức Nam (Phòng Thí nghiệm Dioxin, Tổng cục Môi trường) người đã giao đề tài, quan tâm và tận tình giúp đỡ, hướng dẫn em hoàn thành luận văn này. Em cũng xin được gửi tới các thầy cô giáo trường Đại Học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, đặc biệt là các thầy cô khoa Hóa học lòng tri ân sâu sắc vì những kiến thức, kĩ năng trau dồi mà các thầy cô truyền đạt cho em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Em xin gửi lời cảm ơn tới các anh chị và các bạn đồng nghiệp phòng thí nghiệm Dioxin, Trung tâm Quan trắc Môi trường, Tổng cục Môi trường đã nhiệt tình giúp đỡ em trong quá trình thực hiện luận văn này. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, những người đã luôn ở bên động viên, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu, hoàn thành tốt nhiệm vụ của mình. Cuối cùng, em xin cảm ơn Ban quản lý Dự án xây dựng Phòng thí nghiệm Dioxin (Tổng cục Môi trường), Đề tài KHCN-33.01/11-15(thuộc chương trình nghiên cứu Khoa học và Kĩ thuật quốc gia KHCN-33/11-15-Nghiên cứu và khắc phục hậu quả lâu dài của chất độc da cam/Dioxin đối với môi trường và sức khỏe con người Việt Nam), Dự ánHợp tác khoa học và công nghệ vì sự phát triển bền vững của Nhật Bản (Science and Technology Research Partnership for Sustainable Development -SATREPS)đã giúp đỡ em hoàn thành luận văn này. Hà nội, 24/11/2014 Học viên Nguyễn Thị Mơ 4 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Cấu trúc hóa học của các chất dioxin và các hợp chất tiêu biểu về độ độc 3 Hình 1.2. Sơ đồ tác động sinh học của dioxin………… …………… …….….8 Hình 1.3. Cơ chế hình thành dioxin trong sản xuất chất diệt cỏ……………….9 Hình 1.4. Sơ đồ nguyên tắc của phƣơng pháp CALUX ………………… ….24 Hình 2.1. Các khu vực ô nhiễm tại sân bay Biên Hòa ……………….……… 31 Hình 2.2. Các khu vực ô nhiễm tại sân bay Đà Nẵng……………… ……… 32 Hình 2.3. Phƣơng pháp lấy mẫu đất dƣới bề mặt ………………………… 34 Hình 2.4. Sơ đồ quy trình chiết tách và làm sạch mẫu đất……… ………… 37 Hình 2.5. Quy trình làm sạch mẫu bằng hệ làm sạch bán tự động ………… 38 Hình 2.6. Quy trình thí nghiệm CALUX…………………………………… 39 Hình 3.1. Đƣờng chuẩn phân tích CALUX ……………………………… … 41 Hình 3.2. Đồ thị tƣơng quan ln[TCDD*100] và RLU của tế bào ………… …43 Hình 3.3. Đồ thị so sánh hai phƣơng pháp HRGCMS và CALUX…….…… 46 Hình 3.4. Sơ đồ vị trí lấy mẫu tại khu vực Pacer Ivy, sân bay Biên Hòa …… 48 Hình 3.5. Biểu diễn nồng độ dioxin tại các vị trí lấy mẫu …………………….50 Hình 3.6. Sơ đồ vị trí lấy mẫu tại sân bay Đà Nẵng …………………….… 52 Hình 3.7. Biểu diễn vị trí đất bị nhiễm dioxin vƣợt ngƣỡng cho phép …… 53 Hình 3.8. Phân bố giá trị nồng độ TEQ tại khu vực phía Tây/Pacer Ivy… … 55 Hình 3.9. Biểu đồ biểu diễn nồng độ phân bố theo chiều sâu của mẫu…… ….56 Hình 3.10. Sơ đồ tiến trình xử lý bằng công nghệ giải hấp nhiệt ………… ….62 Hình 3.11. Sơ đồ cơ sở hệ thống IPTD ………………………………… … 63 Hình 3.12. Sơ đồ đơn giản máy nghiền bi …………………….…………… 68 Hình 3.13. Sơ đồ quy trình công nghệ MCD ……………………………….…68 5 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Các nhóm đồng loại của PCDD và PCDF ……………………….… 4 Bảng 1.2. Giá trị hệ số độc của các PCDD, PCDF tiêu biểu………………… 5 Bảng 1.3. Số lƣợng chất độc hóa học đƣợc sử dụng tại miền Nam Việt nam….15 Bảng 1.4.Các phƣơng pháp sinh học xác định dioxin………………… ….….20 Bảng 3.1. Nồng độ các dung dịch chuẩn dựng đƣờng chuẩn………… …… 40 Bảng 3.2. Kết quả xây dựng đƣờng chuẩn thực tế ………………….… ….….42 Bảng 3.3. Kết quả phân tích xác định LOD/LOQ của phƣơng pháp CALUX ……… …43 Bảng 3.4. Kết quả phân tích kiểm tra chéo giữa Việt Nam và Nhật Bản … 45 Bảng 3.5. Kết quả phân tích mẫu đất tại khu vực Pacer Ivy, sân bay Biên Hoà 49 Bảng 3.6. Kết quả phân tích mẫu đất theo độ sâu tại khu Pacer Ivy sân bay Biên Hoà 51 Bảng 3.7. Kết quả phân tích mẫu đất tại sân bay Đà nẵng 53 Bảng 3.8. Các điểm nóng ô nhiễm dioxin tại sân bay Đà Nẵng ………58 Bảng 3.9. Sàng lọc công nghệ/phƣơng pháp cho xử lý đất nhiễm dioxin tại Việt Nam 59 Bảng 3.10. Nồng độ PCB và dioxin trong đất trƣớc và sau xử lý bằng ISTD……… 65 Bảng 3.11. Nồng độ PCB và dioxin trong đất trƣớc và sau xử lý bằng ISTD tại Mỹ… 65 6 BẢNG KÍ HIỆU VIẾT TẮT Kí hiệu Giải thích ADN Axit DeoxyriboNucleic ARNT Thể vận chuyển AhR trong nhân AhR Aryl hydrocarbon Receptor CALUX Chemical-Activated LUciferase gene eXpression DRE Yếu tố đáp ứng dioxin (Dioxin Responsive Element) HRGC High Resolution Gas Chromatography HRMS High Resolution Mass Spectrometry Hsp90 Protein sock nhiệt 90 kDa ISTD Giải hấp nhiệt tại chỗ (In-Situ Thermal Desorption) IPTD Giải hấp nhiệt trong mố (In-Pile Thermal Desorption) MCD Công nghệ hóa cơ (MechanoChemical Destruction) OCDD Octachlorodibenzo-p-dioxin PCB Polychlorinated biphenyl PCDD Polychlorinated dibenzo-p-dioxin PCDF Polychlorinated dibenzofuran TCDD Tetrachlorodibenzo-p-dioxin TEF Hệ số độc (Toxic Equivalency Factor) TEQ Độ độc tƣơng đƣơng (Toxic Equivalency Quantity) 1 MỞ ĐẦU Dioxin là một nhóm các hợp chất hóa học đƣợc đƣa vào danh sách các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy (Persistant Organic Pollutant-POP) [39] . Dioxin đƣợc sinh ra một cách không chủ định và tồn tại nhƣ là một sản phẩm phụ của các quá trình hoạt động, sản xuất công nghiệp khi cómặt chấtclo. Do phân tử của các chất dioxin có cấu trúc gồm hai mạch vòng và có sự góp mặt của clo nên chúng rất ổn định và do đócó thểtồn tại một cách bền vững trong môi trƣờng. Mặt khác, các phân tửdioxin đều không phân cực; vì thế, chúng không tan trong nƣớc và các dung dịch điện ly, nhƣng lại tan trong dung môi hữu cơ và trong mỡ. Đặc trƣng này làm cho dioxin có một tính chất vô cùng nguy hiểm đối với con ngƣời và động vật là khả năng tích tụ sinh học.Nếu dioxin đi vào cơ thể, chúng sẽ không bị bài tiết ra ngoài mà sẽ tích tụ lại trong các mô mỡ và tế bào cơ thể sống gây ra các tác động đến các quá trình sinh hóa của cơ thể. [10] Tại Việt Nam,trong suốt những năm từ năm 1961 đến năm 1971, quân đội Mỹ đã tiến hành cuộc chiến tranh hóa học lớn nhất trong lịch sử, sử dụng khoảng 80 triệu lít chất độc hóa học trong đó chứa ít nhất 366 kg chất dioxin [26] . Những gì để lại sau cuộc chiến là sự tồn lƣu của dioxin trong môi trƣờng và đặc biệt ở một số khu vực lƣợng dioxin tồn lƣu trong đất là vô cùng lớn với nồng độ cỡ vài nghìn, vài chục nghìn hay thậm chí là hàng trăm nghìn pg-TEQ/g mẫu. Các khu vực này đã trở thành điểm nóng ô nhiễm nặng dioxin tại Việt Nam. Sân bay Biên Hòa, Đà Nẵng và Phù Cát là những khu vực chịu ảnh hƣởng nặng nề nhất của chất độc hóa học/dioxin. Đây là những khu vựctrƣớc đây thuộc căn cứ không quân của quân đội Mỹ và đƣợc sử dụng để tập kết, pha trộn, lƣu trữ và chuẩn bị cho phun rải. Đặc biệt tại đâyđã từng xảy ra những vụ rò rỉ lớn các chất độc hóa học ra môi trƣờng gây hậu quả ô nhiễm nghiêm trọng cho đến tận ngày nay. [9] Vấn đề đánh giá, khảo sát và xử lý ô nhiễm dioxin đang là chủ đề thu hút sự quan tâm đặc biệt của các nhà khoa học, chính phủ cũng nhƣ nhân dân Việt Nam 2 cùngcộng đồng thế giới. Các hoạt động quan trắc và các hội thảo báo cáo các vấn đề liên quan đến dioxin và nghiên cứu, xử lý dioxin đƣợc duy trì thƣờng niên. Tại Việt Nam hiện nay,Chính phủ đã triển khai nhiều hoạt độngquan trắc, khảo sát, đánh giá mức độ ô nhiễm và xử lýô nhiễm dioxin tại các khu vực bị ô nhiễm nặng nhằm giảm thiểu các tác động xấu, mức độ ô nhiễm và phục hồi môi trƣờng tại đây.Các hoạt động này đều yêu cầu một nguồn chi phí rất lớn từ Chính phủ và các tổ chức hợp tác Quốc tế. Nhằm mục đích giảm bớt chi phí và hỗ trợ cho công tác khảo sát và đánh giá ô nhiễm dioxin chúng tôi đã tiến hànhnghiên cứu, phát triển và ứng dụng phƣơng pháp phân tích sàng lọc bằng công nghệ sinh học CALUX (Chemically Activated LUciferase eXpression) để xác định nhanh nồng độ các chất dioxin trong đất tại khu vực điểm nóng và nghiên cứu đề xuất phƣơng án xử lý ô nhiễm thích hợp cho từng khu vực. Vì vậy, với đề tài “Nghiên cứu ứng dụng phương pháp phân tích sàng lọc CALUX trong đánh giá mức độ ô nhiễm dioxin trong môi trường tại một số khu vực ô nhiễm nặng tại Việt Nam và đề xuất giải pháp xử lý ô nhiễm tại khu vực này”, tôi hi vọngcác kết quả đạt đƣợc sẽ đóng góp một phần nhỏ vào lĩnh vực nghiên cứu và xử lý ô nhiễm dioxin tại Việt Nam hiện nay. 3 CHƢƠNG 1 – TỔNG QUAN 1.1. TỔNG QUAN VỀ DIOXIN VÀ CÁC TÁC ĐỘNG CỦA DIOXIN TỚI SỨC KHOẺ CON NGƢỜI VÀ MÔI TRƢỜNG 1.1.1. Khái niệm về Dioxin Các tính chất lý – hóa của dioxin Dioxin đƣợc biết đến nhƣ là tên gọi chung của một nhóm các hợp chất hóa học có cấu tạo chung gồm các nhóm hydrocacbon mạch vòng liên kết với clotồn tại bền vững trong môi trƣờng cũng nhƣ trong cơ thể con ngƣời và các sinh vật khác. Dioxin bao gồm 75 chất đồng loại PCDD (Polyclorodibenzo-p-dioxin) và 135 chất đồng loại PCDF (Polychlorodibenzofuran). [17] Hình 1.1. Cấu trúc hóa học của các chất dioxin và các hợp chất tiêu biểu về độ độc. Tùy thuộc vào số nhóm thế clo trong phân tử mà ngƣời ta chia các hợp chất PCDD/PCDF thành 8 nhóm chất nhƣ sau: 4 Bảng 1.1.Các nhóm đồng loại PCDD và PCDF [17] Số nguyên tử Clo Các đồng loại Số đồng phân Kí hiệu Số đồng phân Kí hiệu Monoclo- Diclo- Triclo- Tetraclo- Pentaclo- Hexaclo- Heptaclo- Octaclo- 2 10 14 22 14 10 2 1 MCDD DCDD TrCDD TCDD PeCDD HxCDD HpCDD OCDD 4 16 28 38 28 16 4 1 MCDF DCDF TrCDF TCDF PeCDF HxCDF HpCDF OCDF Tổng số 75 135 Các chất dioxin là những hợp chất có tính bền vững cao và đƣợc tìm thấy trong không khí, đất, nƣớc, trầm tích, động vật và thức ăn. Độc tính của chúng rất khác nhau tùy vào cấu trúc của mỗi phân tử, các phân tử có độ độc cao là các phân tử chứa nguyên tử clo ở các vị trí thế 2,3,7,8, trong đó bao gồm 7 chất PCDD và 10 chất PCDF. Khái niệm về hệ số độc (Toxicity Equivalency Factor-TEF) của các chất dioxin đƣợc Tổ chức Y tế thế giới (WHO) đƣa ra, hệ số độcđƣợc xác định dựa trêndựa trên những nghiên cứu vềtác dụng của chất dioxin với cơ thể sống và những biểu hiện xấu do nó gây ra. Chất 2,3,7,8-TCDD là chất đƣợc cho là có độc tính cao nhất đƣợc biết đến và đƣợc quy ra hệ số độc cao nhất là 1, tính độc của các dioxin và các hợp chất liên quan khác đƣợc biểu thị dƣới dạng một phân số của độc tính qui cho TCDD. [...]... ít bị rửa trôi, do vậy, những lớp đất có lƣợng mùn cao ở khu vực nhiễm độc dioxin có khả năng tích tụ dioxin nhiều nhất Dioxin có thể chuyển rời ra khỏi những nơi tích tụ ban đầu nếu khu vực đất nhiễm dioxin bị sạt lở, và theo dòng nƣớc cuốn đi xa, tạo thành những khu vực nhiễm độc mới Những nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới đã khẳng định tính khó tiêu huỷ của dioxin trong môi trƣờng với... nay, tại một số khu vực có lƣợng dioxin tồn lƣu trong môi trƣờng còn rất lớn, theo TCVN 8183:2009, ngƣỡng dioxin trong đất và trầm tích lần lƣợt là 1000 pg-TEQ/g và 150 pg-TEQ/g, thì tại các khu vực này có lƣợng dioxin tồn lƣu cao hơn gấp nhiều lần ngƣỡng cho phép và hình thành các điểm nóng về ô nhiễm dioxin Từ nhiều nghiên cứu, các tác giả đã thống kê lƣợng chất độc hóa học mà quân độ Mỹ sử dụng trong. .. là dioxin Tuy nhiên phƣơng pháp này vẫn chƣa từng đƣợc ứng dụng xử lý đất nhiễm dioxin trên quy mô lớn và nó cũng chƣa có bằng chứng xác thực về khả năng xử lý ô nhiễm dioxin một cách hiệu quả 1.3.6 Xử lý bằng công nghệ sinh học Biện pháp sinh học xử lý chất ô nhiễm nói chung và các hợp chất dioxin nói riêng đã đƣợc nghiên cứu ứng dụng từ lâu đã dần trở thành hƣớng đi triển vọng vì đây là một biện pháp. .. ít độc hơn.[8] 1.3.5 Xử lý chôn lấp Xử lý chôn lấp là phƣơng pháp cơ bản và dễ thực hiện nhất đƣợc đề xuất cho xử lý đất bị ô nhiễm dioxin Phƣơng pháp xử lý chôn lấp bao gồm hai hƣớng xử lý chôn lấp thụ động và chôn lấp tích tích cực Phƣơng pháp xử lý chôn lấp thứ nhất làxử lý chôn lấp thụ động hay còn gọi là chôn lấp cô lập Phƣơng pháp nàytrong những năm trƣớc đây (trƣớc năm 2000) cũng đã đƣợc nghiên. .. công cụ Dioxin là nhóm chất có nhiều đồng phân và nồng độ của chúng trong các mẫu môi trƣờng là vô cùng nhỏ (cỡ ppq đến ppb tức 10-15 đến 10-9 g/g) Việc phân tích xác định từng thành phần của chúng trong mẫu là vô cùng phức tạp Phƣơng pháp phân tích yêu cầu phải đáp ứng đƣợc 2 yếu tố :Phân tích riêng rẽ từng đồng phân với hàm lƣợng siêu vết Nhóm các phƣơng pháp phân tích công cụ có thể đáp ứng các yêu... 1969, đầu 1970, một sốtai nạn đã xảy ra, dẫn đến rò rỉkhoảng 28000 lít chất độc da cam và 10000 lít chất độc trắng tại khu vực này Các khu ô nhiễm trong sân bay quân sự Biên Hòa bao gồm :Khu vực Pacer Ivy (Góc phía Tây sân bay); Khu vực Tây Nam (Góc Tây Nam sân bay); Khu Nam Z1 (bao gồm bãi chôn lấp Z1 và vùng xung quanh); Các hồ bên trong và bên ngoài sân bay đƣợc xem là các nguồn ô nhiễm thứ cấp (Hình2.1)... tích, bùn[7]) 1.2 PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH DIOXIN Hiện nay, để xác định nồng độ dioxin trong các mẫu môi trƣờng ngƣời ta có thể dùng hai phƣơng pháp khác nhau bao gồm: phân tích công cụ và phân tích sinh học Tuỳ thuộc vào mục đích và yêu cầu của từng đối tƣợng mẫu mà ngƣời ta lựa chọn phƣơng pháp phân tích thích hợp Về cơ bản, phân tích Dioxin trong mẫu đất gồm các giai đoạn chính gồm tách chiết chất phân. .. là một thông số có thể sử dụng để phân biệt dioxin từ chất da cam với các nguồn khác Tùy thuộc vào thời gian và công nghệ sản xuất của từng nƣớc, từng nhà máy mà hàm lƣợng dioxin trong chất da cam rất khác nhau Theo số liệu nghiên cứu của một số tác giả thì dioxin trong chất diệt cỏ sản xuất trong những năm 60 là rất lớn: 30-40ppm, 70ppm thậm chí đến 100ppm Vì vậy việc đánh giá lƣợng dioxin ở miền Nam. .. các PCDD độc sau 15 ngày, trong khi đó mẫu đối chứng giảm 20,2%, đây là một bằng chứng rõ ràng cho thấy sự phân hủy sinh học một số đồng phân dioxin chọn lọc. [8] Phƣơng pháp thứ hai là kích thích phát triển của vi sinh vật bản địa ngay tại nơi bị ô nhiễm (biostimulation) Một hƣớng nghiên cứu khác là bổ sung một lƣợng lớn chất hữu cơ vào đất để tăng khả năng phân hủy dioxin của vi sinh vật Phân ủ hữu... học là cơ chế loại độc chủ yếu.[8] 29 CHƢƠNG 2 – ĐỐI TƢỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1.ĐỐI TƢỢNG VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1.1 Đối tƣợng nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu của chúng tôi trong đề tài này là các mẫu đất đƣợc thu thập từ các khu vực thuộc sân bay Biên Hòa và Đà Nẵng Theo TCVN 8183: 2009do Bộ Khoa học và Công nghệ công bố thì ngƣỡng dioxin trong đất ở điểm ô nhiễm nặng đƣợc giới hạn . CỨU ỨNG DỤNG PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH SÀNG LỌC CALUX TRONG ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ Ô NHIỄM DIOXIN TRONG MÔI TRƢỜNG TẠI MỘT SỐ KHU VỰC Ô NHIỄM NẶNG Ở VIỆT NAM VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP XỬ LÝ Ô NHIỄM TẠI KHU VỰC. NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH SÀNG LỌC CALUX TRONG ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ Ô NHIỄM DIOXIN TRONG MÔI TRƢỜNG TẠI MỘT SỐ KHU VỰC Ô NHIỄM NẶNG Ở VIỆT NAM VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP XỬ LÝ Ô NHIỄM. tích sàng lọc CALUX trong đánh giá mức độ ô nhiễm dioxin trong môi trường tại một số khu vực ô nhiễm nặng tại Việt Nam và đề xuất giải pháp xử lý ô nhiễm tại khu vực này”, tôi hi vọngcác kết