7. Bố cục của luận án
2.1. THIẾT BỊ, DỤNG CỤ VÀ HÓA CHẤT
2.1.1. Thiết bị, dụng cụ
- Máy đo pH HM- 16S của hãng TOA (Nhật Bản).
- Cân phân tích Moden GP 150 -3P, Sartorius (Đức), độ chính xác 0,1mg. - Máy cất nước 2 lần của hãng Bibby (Anh).
- Hệ thiết bị chiết Soxhlet.
- Thiết bị cô quay Buchi (Thụy Sĩ).
- Máy sắc kí khí GC-MS Varian 3800 (Mỹ) có gắn detector ECD, cột mao quản Rtx-5 có đường kính trong Φ0,32 mm, lớp dầu silicone 0,25 µm, chiều dài 30 m.
- Ống Supelco của hãng Aldrich (Đức): là một ống nhựa polyetylen tỷ trọng cao (HDPE) sản xuất đặc biệt không có chất hóa dẻo cũng như không có chất chống lão hóa như các loại nhựa HDPE thông dụng khác.
- Cột sắc ký bằng thủy tinh nhồi Florisil đường kính 1 cm, chiều cao 20 cm. - Các loại bình định mức 5; 10 ; 25; 50; 100; 1000ml và pipet các loại. - Giấy lọc băng xanh 390 (Đức), màng lọc 0,45m.
- Miếng giấy nhôm. 2.1.2. Hóa chất
Trong luận án này, đều sử dụng các loại hóa chất có chất lượng cao như sau: - Na2SO4 (khan): tinh khiết dùng cho phân tích (PA) của hãng Merck (Đức) - Các dung môi n-hexan (C6H8), diclometan (CH2Cl2) đều siêu tinh khiết dùng cho phân tích dư lượng nông hóa (pesticide grade, PG) của hãng Merck (Đức) hoặc hãng Prolabo (Pháp).
- Bột Cu để khử các hợp chất hữu cơ chứa lưu huỳnh, được chuẩn bị cho từng mẻ phân tích bằng cách cho dung dịch CuSO4.5H2O (PA, Merck) tác dụng với bột Zn (PA, Merck). Sản phẩm bột Cu của phản ứng được xử lý bằng dung dịch H2SO4 loãng để hòa tan hết bột Zn dư, sau đó rửa kỹ bằng nước khử ion (điện trở > 18 Mohm). Bột Cu được bảo quản trong lọ có nắp khít và ngâm trong nước.
- Bột Florisil (MgO) của hãng Merck được hoạt hóa ở 500oC qua đêm. Hôm sau lấy ra khỏi lò, để nguội và giảm hoạt hóa bằng 4% (theo khối lượng) nước khử ion. Florisil được chuẩn bị cho hàng tuần.
2.2. CHƯƠNG TRÌNH ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG
Chương trình đảm bảo chất lượng bao gồm: điều kiện phòng thí nghiệm phải sạch để tránh ô nhiễm chéo. Vận chuyển mẫu từ thực địa về phòng thí nghiệm có kèm theo mẫu trắng.
2.2.1. Phòng thí nghiệm sạch
Xung quanh phòng thí nghiệm phân tích dư lượng POP không có bất kỳ hoạt động nào liên quan đến sử dụng các hợp chất hữu cơ như: Hàn điện, gia công chất dẻo và đặc biệt không có các hoạt động nông nghiệp bên ngoài hàng rào phòng thí nghiệm…
Định kỳ nửa năm một lần, phòng thí nghiệm phải kiểm tra mức phông của POP trong không khí bằng cách hút không khí qua cột nhồi Florisil để hấp phụ các chất hữu cơ, sau đó rửa giải và phân tích sắc ký. Mức phông POP trong không khí của phòng thí nghiệm phải ở mức LOD, tức là không cao hơn 1 ppb tổng các POP.
2.2.2. Vận chuyển mẫu trắng
Mẫu trắng là loại mẫu được coi là hoàn toàn không có POP, được vận chuyển từ hiện trường về phòng thí nghiệm và ngược lại. Trong trường hợp này
mẫu trắng là loại nước tinh khiết đóng chai của hãng La Vie hoặc Aquafina. Các
mẫu trắng được vận chuyển cùng mẫu phân tích và được xử lý chiết POP tại phòng thí nghiệm tương tự như mẫu hiện trường. Cần phải chứng minh rằng trên đường vận chuyển mẫu không bị ô nhiễm chéo.
2.3. LẤY MẪU HIỆN TRƯỜNG
2.3.1. Vị trí lấy mẫu và tiêu chí quyết định số mẫu cần lấy cho nghiên cứu Các vị trí lấy mẫu được lựa chọn đảm bảo đủ đại diện về phương thức phát triển Các vị trí lấy mẫu được lựa chọn đảm bảo đủ đại diện về phương thức phát triển kinh tế, xã hội của địa phương, đó là khu công nghiệp, khu canh tác nông nghiệp, khu
đông dân cư trong nội đô, khu thưa dân cư vùng ngoại ô, trong phần đất liền và dọc bờ biển. Tổng số vị trí lấy mẫu lựa chọn là 12. Sơ đồ lấy mẫu trình bày trên hình 2.1.
TT Địa danh 1 Nước + bùn sông Cu Đê
2 Nước + bùn KCN Hòa Khánh (mương) 3 Nước + bùn KCN Hòa Khánh (hồ
nước)
4 Nước sông + bùn suối Đa Cô 5 Nước sông + bùn chân cầu Đa Cô 6 Nước sông + bùn sông Hàn (đầu sông) 7 Nước vịnh + sa lắng sông Hàn (cống
thải từ khu dân cư)
8 Nước vịnh + bùn từ cống thải khu dân cư Thanh Bình ra vịnh Đà Nẵng 9 Nước + bùn/sa lắng cửa sông Phú Lộc 10 Nước + bùn bãi rác Khánh Sơn
11 Nước + bùn kênh thoát nước khu nghĩa trang Hòa Khương
12 Nước + bùn kênh thoát nước xa Hòa Khương (gần khu nghĩa địa)
Hình 2.1. Bản đồ TP Đà Nẵng và 12 vị trí lấy mẫu nước và bùn vào mùa khô (tháng 3) và mùa mưa (tháng 8) năm 2012 và 2013
Thành phố Đà Nẵng có diện tích là 1.256 km2 và dân số là 926.000 người vào năm 2010 [41]. Như vậy mật độ lấy mẫu theo diện tích là 104,67 km2/mẫu và theo dân số là 77.167 người/mẫu. Theo khuyến cáo của các tác giả [65], để đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố môi trường đất đến sức khỏe cộng đồng dân cư, số mẫu cần lấy cho từng địa phương để nghiên cứu đánh gía tác động môi trường tối thiểu phải đạt 400 km2/mẫu theo diện tích và theo dân số tối thiểu phải là 120.000 người/mẫu. Đây chính là tiêu chí mà NCS quyết định chọn 12 vị trí lấy mẫu phân tích POP đối với thành phố Đà Nẵng.
2.3.2. Lấy mẫu bùn và sa lắng
Mẫu bùn, sa lắng được lấy ở lớp bề mặt, tức là ở độ sâu từ 0 ÷ 5 cm, vì kết quả nghiên cứu của một số tác giả, thí dụ như [17,22], bằng kỹ thuật đánh dấu đồng vị cho thấy ở các độ sâu > 5 cm, thì bùn hoàn toàn không có POP. Điều này được giải thích là do các hoạt động của các chủng vi sinh vật yếm khí đã phân hủy hết các hợp
chất POP có hàm lượng thấp trong môi trường bùn/sa lắng.
Dụng cụ lấy mẫu là thìa inox. Các loại dụng cụ bằng plastic không được sử dụng, vì trong plastic có chứa các phụ gia như chất hóa dẻo, chất chống lão hóa v.v…có thể gây nhiễm sang mẫu môi trường. Các phụ gia trong plastic là những hợp chất có khả năng chiết cùng POP trong mẫu, nhưng rất khó tách và làm sạch do vậy sẽ làm cao đường nền (gây nhiễu) trong phép định lượng nhiều hợp chất POP.
Mỗi mẫu bùn/sa lắng được lấy khoảng 50 g (ướt). Mẫu đựng trong lọ thủy tinh màu được xử lí bằng hỗn hợp sunfo-cromic, tráng rửa bằng nước khử ion và sau cùng là bằng n-hexan (PG), cuối cùng sấy ở 130oC qua đêm. Lọ chứa mẫu, sau khi lấy ở từng vị trí, được đậy nắp kín, đánh dấu địa danh vị trí, ngày, tên người lấy mẫu theo quy định của chương trình đảm bảo chất lượng. Bảng 2.1 trình bày danh sách cùng ký hiệu mẫu và tọa độ của các vị trí lấy mẫu.
Bảng 2.1. Kí hiệu mẫu phân tích và tọa độ tại Đà Nẵng
TT Mẫu phân tích Kí hiệu mẫu nước Kí hiệu mẫu bùn Tọa độ 1 Nước + bùn sông Cu Đê NĐN1 BĐN1 16o07.240N
108o07.406E
2 Nước + bùn KCN Hòa Khánh (mương nước thải)
NĐN2 BĐN2 16o05.842N 108o08.000E 3 Nước + bùn KCN Hòa Khánh (hồ nước) NĐN3 BĐN3 16o04.409N 108o08.255E
4 Nước sông + bùn suối Đa Cô NĐN4 BĐN4 16o03.612N 108o09.756E
5 Nước sông + bùn chân cầu Đa Cô NĐN5 BĐN5 16o03.298N 108o09.698E
6 Nước sông + bùn sông Hàn (đầu sông)
NĐN6 BĐN6 16o01.017N 108o10.947E
7 Nước vịnh + sa lắng sông Hàn (cống thải từ khu dân cư)
NĐN7 BĐN7 16o03.407N 108o10.774E
8 Nước vịnh + bùn từ cống thải khu dân cư Thanh Bình ra vịnh Đà Nẵng
NĐN8 BĐN8 16o04.401N 108o12.058E
9 Nước + bùn/sa lắng cửa sông Phú Lộc NĐN9 BĐN9 16o04.562N 108o16.609E 10 Nước + bùn bãi rác Khánh Sơn NĐN10 BĐN10 16o07.656N
108o09.495E 11 Nước + bùn kênh thoát nước khu
nghĩa trang Hòa Khương
NĐN11 BĐN11 15o56.523N 108o08.070E 12 Nước + bùn kênh thoát nước xa Hòa
Khương (gần khu nghĩa địa)
NĐN12 BĐN12 15o56.523N 108o08.070E
2.3.3. Lấy mẫu nước
Mấu nước được lấy là các mẫu nước mặt của các kênh tưới-tiêu, sông và mép biển. Mẫu nước đều lấy ở độ sâu không quá 0,5 m ngay tại vị trí lấy mẫu bùn, sa lắng. Lượng mẫu nước được lấy tại từng vị trí là khoảng 1 lít.
Các mẫu nước được chứa trong chai thủy tinh màu nâu, đã được xử lý kỹ như trên và sấy ở 130oC qua đêm. Sau khi để nguội, chai mẫu được đóng nút chặt cho vào hộp và vận chuyển đi thực địa cùng với các lọ chứa mẫu bùn.
2.4. QUY TRÌNH XỬ LÍ MẪU TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM 2.4.1. Xử lí mẫu bùn/sa lắng 2.4.1. Xử lí mẫu bùn/sa lắng
a. Tách các hợp chất POP trong mẫu bùn/sa lắng bằng chiết Soxhlet - Xử lí mẫu sơ bộ:
Tại phòng thí nghiệm mẫu bùn-sa lắng được rây lỏng qua rây bằng đồng kích thước lỗ < 1 mm để loại bỏ các lá và rễ cây, hạt sỏi v.v…Mẫu được để lắng rồi gạn kiệt hết nước và để khô trong không khí ở phòng thí nghiệm. Trước khi chiết tách lấy POP, mẫu được làm khô bằng kỹ thuật đông khô hoặc bằng cách trộn với Na2SO4 khan với tỷ lệ: mẫu/Na2SO4 = 1/3. Công đoạn làm khô là quan trọng để đảm bảo dư lượng POP không bị giữ lại trong các lỗ hổng cấu trúc, trong lòng các hạt sa lắng do nước bọc xung quanh.
- Chiết các POP trong mẫu:
Lượng mẫu bùn đem chiết là từ 1 ÷ 3 g (khối lượng khô), tùy từng loại bùn. Nếu bùn có nhiều cát thì phải lấy lượng mẫu nhiều hơn, ngược lại nếu bùn có hàm lượng sét cao, hữu cơ nhiều thì chỉ cần 1 g là đủ. Khối lượng mẫu phân tích cần được cân chính xác (±10 µg), sử dụng cân phân tích Satorius.
Sau khi cân, mẫu được cho thêm 100 ng 2,3,5-TCB và 100 ng -HCH là hai chất nội chuẩn cho hai nhóm POP là: Nhóm PCB và nhóm thuốc trừ sâu. Hai hợp chất 2,3,5-TCB và -HCH được chọn làm nội chuẩn vì đáp ứng được ba yêu cầu là không có trong môi trường, có tính chất tương tự như các hợp chất cùng phần tích vì hai hợp này là đồng đẳng và là đồng phân tương ứng của nhóm PCB và HCH, đồng thời chúng không gây phản ứng hóa học với các chất cần phân tích. Mẫu được gói vào giấy lọc băng xanh sau khi đã chiết rửa bằng n-hexan và sấy khô từ trước. Lượng n-hexan sử dụng cho mỗi lần chiết là 250 ml.
Dư lượng các POP trong mẫu được chiết vào dung môi n-hexan trên thiết bị chiết Soxhlet trong vòng 8 giờ ở nhiệt độ sôi của n-hexan với tốc độ quay vòng dung môi 5 phút/lần. Nhiệt độ chiết được duy trì bằng các bể nước nóng. Thông thường hệ thiết bị chiết Soxhlet cần có 9 ống chiết để có thể xử lý đồng thời ba mẫu với ba lần lặp.
b. Làm giàu các hợp chất POP sau chiết và xác định lượng hữu cơ trong n-hexan Dung dịch sau khi chiết được chuyển vào bình chưng cất của thiết bị cô quay (Buchi, Thụy Sĩ). Các hợp chất POP cũng như phần hữu cơ trong mẫu đã chiết vào n-hexan được làm giàu bằng cô quay dưới áp suất âm nhẹ, ở nhiệt độ 30 ÷ 35oC để đuổi dung môi đến còn < 10 ml. Chuyển vào bình định mức 10 ml, tráng rửa lại cẩn thận bình chưng cất để lấy hết các thành phần đã chiết từ mẫu. Định mức đến vạch 10 ml bằng n-hexan. Hút 100 µl bằng micro pipet và cho lên một miếng giấy nhôm đã cân bì trước. Đợi cho dung môi bay hơi hết trong điều kiện phòng thí nghiệm. Cân lại khối lượng miếng giấy nhôm để biết hàm lượng các chất hữu cơ đã chiết ra bằng dung môi n-hexan (hexane extractable organic matter, HEOM).
mHC chiết = (mHC chiết + mAl) - mAl
Số liệu này cho ta ý niệm liệu tất cả POP trong mẫu đã được chiết hết chưa? Nếu thành phân HEOM tương đương hàm lượng hữu cơ trong mẫu thì POP đã chiết hết khỏi mẫu bùn, ngược lại nếu HEOM chỉ chiếm 10 ÷ 15% so với hàm lượng hữu cơ của mẫu thì hiệu suất chiết không cao cần cải tiến quy trình chiết. Trong trường hợp nếu hiệu suất chiết thấp thì kết quả sẽ bị đánh giá thấp hơn thực tế (underestimate), mặc dù phương pháp nội chuẩn đang được áp dụng.
c. Loại bỏ các hợp chất hữu cơ chứa lưu huỳnh trong dịch chiết bằng bột Cu
Hiệu suất thu hồi dư lượng POP từ mẫu bùn được kiểm tra bằng cách chiết 3 mẫu bùn đã thiêu kết ở 550oC trong 4 giờ để làm cháy hết các hợp chất hữu cơ, trong đó có dư lượng các POP. Trước khi chiết, mẫu bùn được trộn với 50 ng 2,3,5- TCB làm chỉ thị đánh giá hiệu suất thu hồi. Quy trình chiết và làm sạch đúng như đã mô tả trong mục 2.4.1 a, b, c. Kết quả cho thấy hiệu suất thu hồi của quy trình chiết và làm sạch dư lượng các POP là đạt từ 95% ÷ 105% và được trình bày chi tiết trong chương 3.
d. Làm sạch mỡ (lipid) trong mẫu và phân tách nhóm các hợp chất POP
Sau khi làm sạch các chất hữu cơ lưu huỳnh, mẫu phải được làm sạch khỏi các hợp chất mỡ cùng bị chiết theo với POP, đồng thời tách thành hai nhóm là nhóm PCB và nhóm thuốc trừ sâu (trong đó có DDT và lindan) bằng kỹ thuật sắc ký cột nhồi. Đây là sắc ký rắn-lỏng. Pha rắn là Florisil (oxit MgO) đã được sấy ở nhiệt độ 120oC qua đêm, để nguội trong bình hút ẩm và được giảm hoạt hóa bằng 4% nước theo khối lượng. Bột Florisil được chuẩn bị theo tuần. Cột sắc ký bằng thủy tinh, đường kính 1 cm, chiều cao 20 cm. Trước khi nhồi vào cột, bột Florisil được khuấy vào n-hexan rồi đổ vào cột để bột tự rơi theo trọng lực và lấp đầy theo từng lớp trên cột. Cách làm này là để bột Florisil tự sắp xếp khít với nhau làm cho hiệu quả tách và làm sạch mẫu là cao nhất. Sau khi toàn bộ bột Florisil đã nạp lên cột, cho thêm một lớp khoảng 1 ÷ 2 cm tinh thể Na2SO4 khan lên trên Florisil để hút
phần nước có trong bột đồng đã đưa vào mẫu (bước 2.4.1.c). Toàn bộ dung môi n- hexan trong cột được tháo bỏ cho vừa đến bề mặt lớp chất rắn (Chú ý: không bao
giờ được để bột khô). - Phân đoạn I
Dội dung dịch mẫu lên cột và tháo cho dung môi chảy khỏi cột sao cho dung môi vừa đến bề mặt pha rắn, bỏ phần dung môi này. Rửa giải bằng 75 ml n-hexan. Toàn bộ PCB cùng aldrin, o,p-DDE, p,p’-DDE sẽ được rửa giải bằng n-hexan trong phân đoạn I này.
Phân đoạn I được cô quay đuổi dung môi đến còn khoảng 5 ml thì chuyển vào ống đựng mẫu có chia vạch rồi dùng dòng khí N2 khô và sạch đuổi tiếp dung môi đến còn đúng 1 ml.
- Phân đoạn II
Rửa giải tiếp cột Florisil bằng hỗn hợp dung môi: 25 ml diclormetan (CH2Cl2) trong 50 ml n-hexan. Dư lượng thuốc trừ sâu nhóm DDT và lindan sẽ được rửa giải trong phân đoạn II này.
Phân đoạn II được cô quay đuổi hết dung môi rồi tráng rửa bình bằng 5 ml n- hexan sau đó chuyển sang ống đựng mẫu khắc vạch và đuổi tiếp dung môi bằng dòng khí nitơ sạch cho đến đúng vạch 1 ml. Hai phân đoạn đã được chuẩn bị cho sắc ký.
Toàn bộ các bước của quy trình xử lý mẫu bùn/sa lắng để định lượng dư lượng các hợp chất POP được mô tả trên hình 2.2.
Hình 2.2. Sơ đồ quy trình xử lý mẫu bùn/sa lắng tại phòng thí nghiệm để phân tích dư lượng các hợp chất POP
2.4.2. Xử lí mẫu nước
Đối với các mẫu nước quy trình phân tích đơn giản hơn. Mẫu nước được lọc qua màng lọc milipore kích thước lỗ 0,45 µm để loại các chất lơ lửng, huyền phù. Lọc mẫu nước trước khi xử lý là khâu rất quan trọng nhằm loại bỏ triệt để phần lơ lửng trong mẫu. Phần lơ lửng là những tâm hấp phụ các hợp chất hữu cơ rất mạnh, trong đó có cả các hợp chất POP. Hệ số phân bố POP giữa pha nước và pha lơ lửng