IV. GIỚI THIỆU MỘT SỐ TIÊU CHUẨN, QUY CHUẨN ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG MÔ
c. Các kim loại và á kim loại quan trọng khá
SILIC
Silic tìm thấy trong nước thiên nhiên là do nước tiếp xúc với nham thạch có chứa muối silicate hịa tan hay quá trình phân hủy xác tảo silic (Diatoms), một số nhóm rong biển. Người ta tìm thấy vỏ các thực vật đơn bào này được cấu tạo bởi dioxyde silicium (SiO2). Acid silic là một hợp chất tương đối phức tạp, nó có thể tồn tại ở nhiều dạng khác nhau, H2SiO3 (acid metasilicic), H4SiO4 (acid orthosilicic). Độ hòa tan của silic trong nước phụ thuộc vào nhiệt độ và pH của nước. Khi nhiệt độ gia tăng, độ hòa tan của SiO2 cũng gia tăng. Theo Schoeller (1962) (trích dẫn bởi Boyd, 1990) thì độ hịa tan của SiO2 trong nước ở những giá trị pH khác nhau. H2SiO3 là loại acid yếu, độ hịa tan rất nhỏ có thể bị phân ly, sự phân ly này phụ thuộc vào pH của nước:
HSiO3- = H+ + SiO32- H2SiO3 (rắn) = H+ + HSiO3-
Như vậy, pH của nước càng thấp acid silic ở trạng thái ion càng ít, ở trạng thái keo càng nhiều. Các ion Ca2+ thường thấy trong nước khi kết hợp với acid silic hình thành muối silicat hịa tan. Do đó, ở nền đáy thủy vực hàm lượng SiO2 cao hơn ở tầng mặt. Trong tầng nước mặt của biển đại dương hàm lượng SiO2 dao động trong khoảng 1mg/l ở tầng đáy có thể lên đến vài mg/l, trong nước ngọt hàm lượng SiO2 cao hơn trong nước biển. Các thủy vực giàu dinh dưỡng hàm lượng SiO2 có thể lên đến hàng chục mg/l. Sự có mặt một lượng lớn SiO2 làm cho nước có dạng nhầy.
Bảng 2.24. Dạng và mức độ tồn tại của Silic tại những giá trị pH khác nhau (mg/l)
pH Độ hòa tan của SiO2 (mg/l)
Tỷ lệ phần trăm các dạng tồn tại (%) H2SiO3 HSiO3- SiO32-
2 6 - - - 3 36 - - - 4 60 - - - 5 100 - - - 6 216 100 - - 7 282 99,98 0,02 - 8 318 99,79 0,21 - 9 342 97,9 2,10 - 10 360 82,23 17,68 0,09 11 378 30,68 65,97 3,35
Silic rất cần cho sự hình thành vỏ tảo silic. Lớp vỏ này khơng những có chức năng bảo vệ mà còn cung cấp các dưỡng chất cần thiết cho các tế bào nhờ vào khả năng hấp thu của nó. Hàm lượng SiO2 trong nước cần thiết cho sự phát triển của tảo silic là 0,13 mg/l, SiO2 trong nước thiên nhiên thường vượt xa nồng độ này. Do đó khơng cần bón phân silic cho ao ni cá, ngay cả tảo khuê trong ao phát triển mạnh. Hàm lượng SiO2 trong nước giảm đáng kể khi tảo silic phát triển nhưng SiO2 sẽ được bổ sung nhờ chu chuyển nước từ tầng đáy.
Đối với các cơ thể động vật, silic cần thiết cho sự vận động bình thường của các mơ bì, mơ liên kết, giúp chp chúng có sự chịu đựng tính đàn hồi, tính thẩm thấu thích hợp. Silic cịn giúp cho sự tạo thành các mơ xương, tham dự trong hiện tượng hóa cốt của các xương non. Sự tham gia quan trọng nhất của silic vào tiến trình sống cũng được xác nhận bởi sự hiện diện của nó trong bộ máy di truyền, nghĩa là trong các acid nucleic.
SẮT (Fe)
Trong nước thiên nhiên sắt có thể tồn tại dưới dạng Fe2+ (Ferrous), Fe3+ (Ferric), các hợp chất hữu cơ hịa tan hay khơng hịa tan. Dạng Fe2+ thường gây độc đối với thủy sinh vật, vì q trình oxy hóa nó thành Fe3+ làm tiêu hao nhiều oxy của môi trường và tạo thành các rỉ sắt bám trên mang cá làm cá khơng hơ hấp được. Dạng Fe3+ khơng có những độc tính như trên nhưng nếu hàm lượng quá cao cũng khơng có lợi cho đời sống của thủy sinh vật. Thí dụ, ở hàm lượng 1,5-2 mg/l nó sẽ ức chế sự phát triển của một số loài thực vật phù du.
Sắt là một trong những nguyên tố rất cần thiết cho đời sống của thủy sinh vật mặc dù nhu cầu về nó khơng lớn lắm. Sắt có trong thành hemoglonine của máu sinh vật bậc cao và tham gia vào sự vận chuyển oxy vì có khả năng chuyển từ dạng có hóa trị 3 sang dạng có hố trị 2 và ngược lại. Sự hơ hấp của động thực vật được thực hiện nhờ có xúc tác, trong đó sắt đóng vai trị quan trọng. Chất diệp lục của cây xanh khơng thể tạo thành được nếu khơng có sắt mặc dù trong thành phần diệp lục khơng có sắt. Sắt có mặt thường xun trong cơ thể sinh vật và hàm lượng của nó có thể thay đổi từ vài phần vạn đến vài phần nghìn trọng lượng của cơ thể sinh vật. Khi thiếu sắt làm cản trở sự tạo thành hemoglobine của máu động vật, thể diệp lục của thực vật, hạn chế sự phát triển của tảo. Hàm lượng sắt tổng số (Fe2+ và Fe3+) thích hợp cho các ao ni cá là từ 0,1-0,2 mg/l, giới hạn cho phép là nhỏ hơn hay bằng 0,5 mg/l.
chục mg/l. Hàm lượng các muối sắt hòa tan trong nước tỉ lệ nghịch với pH. pH càng cao các muối hòa tan của sắt càng thấp, do đó khi q trình quang hợp của thực vật phù du trong ao xảy ra mạnh làm pH của nước tăng các muối hòa tan của sắt trong nước hầu như hết hẳn.
MANGAN (Mn)
Trong nước biển, Mn có hàm lượng rất thấp chỉ dao động trong khoảng 0,01 mg/l. Ở nước ngọt hàm lượng của nó cao hơn trong nước biển khoảng 10 lần. Mn trong nước có thể tồn tại ở 2 dạng: ion ở tầng đáy, dạng keo hydroxyde ở tầng mặt. Dạng ion có hoạt tính cao hơn dạng keo. Mangan di vào mơi trường nước do q trình rửa trơi, sói mịn và chất thải cơng nhiệp luyện kim, acquy, phân hóa học…
Với hàm lượng cao mangan gây độc mạnh với nguyên sinh chất của tế bào, đặc biệt là tác động lên hệ thần kinh trung ương, gây tổn thương thận và bộ máy tuần hoàn, phổi, ngộ độc nặng và tử vong. Tiêu chuẩn cho phép của WHO với mangan không quá 0,1mg/l. Mn ở hàm lượng thấp (0,001-0,002ppm) có tác dụng kích thích sự tăng trưởng của thực vật. Hàm lượng Mn thích hợp cho ao ni cá là 0,05-0,2 mg/l (Boyd, 1990).
d. Kim loại nặng
Kim loại nặng (KLN) là các nguyên tố có khối lượng phân tử lớn (tỉ trọng ≥ 5) có khả năng huỷ hoại các cơ thể sống ở nồng độ rất thấp và tích tụ trong chuỗi thức ăn (sổ tay các thuật ngữ môi trường, cơ quan BVMT Mĩ). Ở hàm lượng nhỏ, đa số các KLN cần thiết cho sinh trưởng và phát triển của động thực vật, nhưng khi hàm lượng tăng thì chúng sẽ trở thành độc hại đối với sinh vật và con người thơng qua chuỗi mắt xích thức ăn.
Hầu hết các kim loại nặng tồn tại trong nước ở dạng ion. Chúng có mối liên quan do tính độc hại của chúng đối với vi sinh vật và cuối cùng là con người. Các chất này gồm asen, bari, cadimi, crom, đồng, chì, thủy ngân, niken, selen, bạc và kẽm. Chúng phát sinh từ nhiều nguồn gốc khác nhau, chủ yếu là do các hoạt động công nghiệp. Do chúng không phân rã nên các KLN tích tụ trong các chuỗi thức ăn của hệ sinh thái.. Qúa trình này bắt đầu với nồng độ thấp của các KLN tồn tại trong nước hoặc cặn lắng, rồi sau đó được tích thụ nhanh trong các thực vật và động vật sống dưới nước. Tiếp đến các sinh vật khác sử dụng các thực vật và động vật này làm thức ăn dẫn đến hàm lượng các kim loại nặng được tích tụ trong cơ thể sinh vật trở nên cao hơn. Cuối cùng đến sinh vật bậc cao nhất trong chuỗi thức ăn, nồng độ các kim loại đủ lớn để gây ra độc hại. Trong trường hợp nhiễm độc hàng loạt đầu tiên trong lịch sử hiện đại là bệnh Minamata xảy ra năm 1950 ở Nhật, do ngư dân ở vùng vịnh Minamata đã ăn phải cá có chứa hàm lượng thủy ngân cao (khoảng 100ppm) do một nhà máy nhựa thải vào vịnh.
ĐỒNG (Cu)
Đồng không phải là một chất độc bản chất, ở một lượng nhỏ, nó cần thiết cho cả động vật và thực vật. Một người trưởng thành, mỗi ngày cần khoảng 2 mg đồng cho việc sản xuất các enzym quan trọng: oxydaza, tirozinaza, uraza, galactoza... Đồng được sử dụng cực kỳ rộng rãi trong đời sống, từ các dụng cụ thiết bị sử dụng hàng ngày đến hóa chất, dược phẩm, thuốc trừ sâu, thuốc diệt nấm tảo... Bên cạnh đó, khai thác đồng liên quan đến việc tuyển sử dụng nước, gạn lọc... nên dễ đưa Cu vào trong hệ sinh thái nước.
Đồng thường tồn tại ở dạng phức chất, tồn tại bền trong mơi trường do hình thành các hạt keo vơ cơ có độ bền hóa học cao. Cu cịn có thể liên kết với axit mùn (Cu-humic) trong nước. Ở giá trị pH trung tính (6 – 8), đồng tan kém, phức chất của đồng cũng ít độc. Thực vật cực kỳ mẫn cảm với Cu, Cu được dùng làm chất kìm hãm rêu tảo ngay ở nồng độ rất thấp (< 1 ppb). Động vật chống chịu với nồng độ cao của Cu tốt hơn so với thực vật (lên đến 3 ppm vẫn chưa có biểu hiện triệu chứng ở nhiều lồi).
KẼM (Zn)
Kẽm là nguyên tố vi lượng với thực vật, động vật và con người, đóng vai trị quan trọng trong trao đổi chất. Zn cấu thành lên các enzym hydrogenaza, anhidraza xúc tác cho nhiều phản ứng thủy phân quan trọng. Zn được sử dụng rộng rãi trong mạ điện, thuốc diệt nấm, sợi tổng hợp, khai thác khoáng sản...
Zn gây ảnh hưởng tới động thực vật nếu nồng độ cao hơn giới hạn an toàn (thường là 1 ppm). Nếu Zn trong nước lớn (5mg/l) nước sẽ có vị khó chịu, trong trường hợp nồng độ quá lớn sẽ hình thành các bọt trắng khó tan.Zn tích lũy mạnh trong hệ sinh thái: trong các thủy vực ô nhiễm Zn, hàm lượng Zn trong cơ thể cá cao gấp 863 lần so với cá nước ngọt và 6700 lần so với cá nước mặn ở những thủy vực không ô nhiễm.
Bảng 2.25. Nguồn gốc và tác hại của các nguyên tố vết trong nước
Nguyên tố Nguồn gốc Tác hại
As Khoáng, thuốc BVTV, chất thải hố học Ðộc, có khả năng gây ung thư Be Than đá, chất thải công nghiệp Độc
Cd Chất thải công nghiệp, quặng, mạ kim loại Thay thế đồng hình với kẽm, gây huyết áp cao, đau thận, phá huỷ mô tế bào máu
Cr Mạ kim loại, sản phẩm gốc Crom Viêm ngứa da, nổi mụn Bo Than, chất tẩy nước, công nghiệp Nhiễm độc một số thực vật Cu Mạ kim loại, tuyển khoáng, khai mỏ Nhiễm độc thực vật và tảo F Địa chất, chất thải công nghiệp Gây hỏng răng, mềm xương I Muối, nước biển, chất thải Độc khi đi vào phức chất
Mn Chất thải công nghiệp mỏ Ðộc với thực vật ở hàm lượng cao Mo Tự nhiên, chất thải công nghiệp Độc với động vật
Pb Cơng nghiệp, mỏ, than dầu khí Ðộc, ảnh hưởng tới thận và thần kinh Hg Công nghiệp than, thuốc BVTV Rất độc
Se Nguồn nước, quặng sunfua, than Độc với hàm lượng cao
Zn Công nghiệp mạ, ống dẫn nước Độc cho thực vật ở hàm lượng cao
CHÌ (Pb)
Chì: có nguồn chính do đốt cháy nhiên liệu xăng pha chì, sản xuất pin, ác quy chì, luyện kim, cơng nghiệp sơn, chất dẻo tổng hợp, khai mỏ, lọc dầu và hóa dầu (làm chất chống rung trong nhiên liệu), sản xuất hóa chất… Ngồi ra, chì cịn được tìm thấy trong các khống vật tự nhiên: đá vơi có chứa chì, galen (PhS).
Chì ít linh động trong mơi trường tự nhiên kể cả đất và trong nước, ít hịa tan trong nước. Trong thành phần chất rắn của nước, các hợp chất của chì cũng tồn tại ở dạng huyền phù dễ lắng đọng, dạng hạt bơng có thể tăng dần kích thước trong q trình vận chuyển của nước. Dạng hịa tan của chì có thể qua được giấy lọc mịn, nhưng nồng độ thường ở mức rất thấp (< 20 µg/l).
Chì có độc tính đối với não (tác động tới sự tổng hợp máu dẫn đến phá vỡ hồng cầu) và có thể gây chết nếu nhiễm độc nặng. Chì cịn được đưa vào mơi trường nước từ nguồn khơng khí bị ơ nhiễm do khí thải giao
thơng. Chì có khả năng tích lũy trong cơ thể, gây độc thần kinh, gây chết nếu bị nhiễm độc nặng. Chì cũng rất độc đối với động vật thủy sinh. Các hợp chất chì hữu cơ độc gấp 10 – 100 lần so với chì vơ cơ đối với các loại cá.
THỦY NGÂN (Hg)
Thuỷ ngân: sinh ra trong quá trình sản xuất Cl2 và NaOH bằng phương pháp điện phân, pin thuỷ ngân, đèn hơi thủy ngân, các loại thuốc chống nấm chứa thủy ngân, hố chất sử dụng trong nơng nghiệp có chứa metyl thuỷ ngân. Trong tự nhiên, thủy ngân được đưa vào mơi trường từ nguồn khí núi lửa. Ở các vùng có mỏ thủy ngân, nồng độ thủy ngân trong nước khá cao. Nhiều loại nước thải cơng nghiệp có chứa thủy ngân ở dạng muối vô cơ của Hg(I), Hg(II) hoặc các hợp chất hữu cơ chứa thủy ngân.
Thủy ngân là kim loại nặng rất độc đối với con người. Vào thập niên 50, 60, ô nhiễm thủy ngân hữu cơ ở vịnh Minamata, Nhật Bản, đã gây tích lũy Hg trong hải sản. Hơn 1000 người đã chết do bị nhiễm độc thủy ngân sau khi ăn các loại hải sản đánh bắt trong vịnh này. Đây là một trong các sự cố môi trường nghiêm trọng nhất trong lịch sử hiện đại. Thủy ngân cũng rất độc với các động vật khác và các vi sinh vật. Nhiều loại hợp chất của thủy ngân được dùng để diệt nấm mốc.
Về độc tính, thủy ngân gây phá hủy hệ thần kinh trung ương, phá vỡ nhiễm sắc thể và ngăn cản sự phân chia tế bào. Gây hại cho tài nguyên thuỷ sinh và sức khoẻ con người ngay ở nồng độ thấp. Năm 1967, ở Thuỵ Điển và Nhật Bản người ta cấm bán cá có hàm lượng thuỷ ngân lớn hơn 1mg/kg cá. Theo kết quả điều tra của Thụy Điển, nếu cứ 1 ngày người ta ăn vào khoảng 0,3 mg thuỷ ngân thì trong 1 năm cơ thể người đó có 1 lượng thuỷ ngân khoảng 30 mg. Hàm lượng có thể đầu độc cơ thể người này một cách dễ dàng.
ASEN (As)
Asen: thường có mặt trong các loại thuốc diệt nấm, diệt cỏ, các khống giàu As, As có thể bị giải phóng ra mơi trường nước do q trình khai thác khống sản, nước thải rửa quạng, nước thải luyện kim... Asen thường có mặt trong nước dưới dạng asenit (AsO33-), asenat (AsO43-)hoặc asen hữu cơ (các hợp chất loại methyl asen có trong mơi trường do các phản ứng chuyển hóa sinh học asen vô cơ).
Asen và các hợp chất của nó là các chất độc mạnh (cho người, các động vật khác và vi sinh vật), nó có khả năng tích lũy trong cơ thể và gây ung thư. Độc tính của các dạng hợp chất asen: As (III) > As (V) > Asen hữu cơ. Về độc tính, Asen làm đơng tụ protein, phá hủy q trình photpho hóa, có khả năng gây ung thư.
+ Nồng độ As cho phép trong nước tiểu <10μg/l (Châu Âu)
+ Nồng độ As trong tóc bình thuờng là 0,02-0,2 mg/kg. Nồng độ As trong tóc người ở West Bengan (Ấn Độ) phổ biến trong khoảng 3-10 mg/kg, đây là nơi có nồng độ As trong nước uống cao.
Bảng 2.26. Nồng độ As trong mẫu nước, nước tiểu và tóc được thu thập ở Thượng cát và Vạn phúc, Hà nội.
Thông số
Nước ngầm (μg/l) Tóc (mg/l) Nước tiểu (μg/l)
Thượng cát Vạn phúc Thượng cát Vạn phúc Thượng cát Vạn phúc
Số mẫu Lớn nhất Nhỏ nhất TB 20 141 <1 9,6 21 357 <1 132 21 0,47 0,06 0,25 29 2,75 0,01 0,05 20 25,36 0,25 9,19 30 56,02 1,32 14,56
Nguồn: Research Center for Enviromental Technology and Sustainable Development (CETASD). Swiss Federal Institute for Enviromental Science and Technology (EAWAG), 2003.
CADIMI (Cd)
Cadimi đi vào môi trường nước thông qua các nguồn tự nhiên như núi lửa, bụi đại dương, quặng, đá chứa cadimi phong hóa nhờ gió… Ngồi ra, cadimi cịn xuất phát từ chất thải khai thác khống sản, chất thải cơng nghiệp (đặc biệt là mạ kim loại). Cd thường là nguyên tố độc thay thế đồng hình Zn trong mơi trường cũng như trong cơ thể sinh vật. Đa phần các sản phẩm tự nhiên của Zn và tất cả những sản phẩm nhân tạo của Zn đều có Cd.
Cadimi gây các bệnh huyết áp, suy thận, phá hủy mơ tinh hồn, tế bào hồng cầu ở con người. Cd thay thế đồng hình Zn trong các enzym gây ra các rối loạn trao đổi chất bất thường và các bệnh mãn tính khác.
CROM (Cr)
Hợp chất của crom có thể thải ra ngồi mơi trường từ hoạt động mạ điện, nhuộm len, thuộc da, chất nổ,