CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.2. Ảnh hưởng của đồng đến hệ sinh thái đất và sức khỏe con người
1.2.1. Ảnh hưởng của đồng đến các quá trình chuyển hóa sinh học trong đất
Mặc dù Cu được biết đến là một ngun tố vi lượng có vai trị sinh hóa đặc biệt quan trọng trong thực vật và là nguyên tố vết không thể thiếu được trong chu trình tổng hợp các Coenzim của VSV. Tuy nhiên ở hàm lượng Cu cao đã tác động lớn đến hệ sinh vật đất, làm suy giảm đa dạng sinh học và hoạt động sinh học, đáng chú ý là q trình khống hóa cacbon, nitơ, phốt pho, cố định nitơ sinh học.
Trong hệ sinh thái đất, VSV rất nhạy cảm đối với sự có mặt của các độc chất, đặc biệt là các kim loại nặng như Cu, Zn, Cd, Pb, Hg và Ni làm giảm quá trình tổng hợp ARN và protein ở Escherichia coli, nhưng ở hàm lượng Cu, Zn 5 - 10 ppm lại kích thích sự phát triển của vi khuẩn này. Trong đất hữu cơ chua bị ơ nhiễm Cu ở phía Bắc Canada có sinh khối vi khuẩn giảm 44%, cịn trong đất kiềm thấp hơn 36% so với đất không bị ô nhiễm (Dẫn theo Lê Đức và cộng sự, 2011).
Theo Merington và cộng sự (2002), tỷ lệ giữa sinh khối cacbon và cacbon hữu cơ (Cmic:Corg) thấp hơn ở trong đất trồng bơ bị ô nhiễm Cu. Hô hấp của đất là 6,04 và 5,57 mg CO2-C/kg/ngày, cao hơn so với đất đối chứng là 3,04 mg CO2-C/kg/ngày và hệ số trao đổi chất cũng cao hơn đáng kể, cho thấy quần thể vi khuẩn ở trong đất ô nhiễm Cu đã bị tác động mạnh.
Bên cạnh những ảnh hưởng bất lợi đến khu hệ VSV đất, Cu còn làm giảm mạnh số lượng quần thể giun đất. Do vậy, khi đất bị ô nhiễm Cu đã tác động mạnh đến sức khỏe và sự sống của các sinh vật. Thông qua các hoạt động ăn và đào hang, giun đất thúc đẩy các quá trình phân hủy và gắn kết chất hữu cơ, cải thiện tính thấm của đất, giúp trao đổi khơng khí và tăng hoạt động của vi sinh vật. Sự vắng mặt quần thể giun đất trong các khu vực ô nhiễm Cu ở các vườn bơ tại miền Bắc New South Wales, Australia đã ức chế q trình khống hóa cacbon đất, gây tích lũy một lớp chất hữu cơ dày (10-30 cm), phân tầng rõ ràng trên bề mặt đất (Merington, 2002). Theo Van Zwieten và cộng sự (2004), ở hàm lượng Cu tổng số trong khoảng 180 - 338 ppm làm giảm số lượng và sinh khối của giun đất.
1.2.2 Ảnh hưởng của đồng đến sự phát triển của thực vật
Đồng là nguồn dinh dưỡng vi lượng, cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển bình thường của thực vật do chúng tham gia vào hầu hết các q trình sinh hố. Cu là một trong những thành phần thiết yếu trong hơn 30 loại emzym và protein hơ hấp, xúc tác cho các phản ứng oxy hóa khử (Adrees và cộng sự, 2015). Đồng thời đóng vai trị quan trọng trong q trình chuyển hóa nitơ, tổng hợp diệp lục, đồng hóa CO2 và tổng hợp ATP (Innaculada Yruela, 2005). Theo Mantovi và cộng sự (2003), nhu cầu của Cu đối với sự phát triển của cây khỏe mạnh thay đổi theo các giai đoạn sinh trưởng. Cả sự thiếu hụt và dư thừa Cu đều ức chế sự phát triển của cây, làm thay đổi các q trình sinh hóa quan trọng và có thể gây chết cây từ lúc cây còn non.
Sự thiếu Cu trong dinh dưỡng thực vật có thể được gây ra bởi nồng độ Cu thấp trong đất, hoặc điều kiện hóa học đất mà ức chế sự hấp thu Cu (ví dụ, đất kiềm hoặc hữu cơ cao). Khi Cu được lấy khỏi đất bằng cách loại bỏ sinh khối thực vật liên tiếp có chứa Cu, đất có thể bị thiếu Cu. Một số cây trồng (cây lanh) rất dễ bị thiếu Cu, trong khi những cây khác (cải dầu) hiếm khi có dấu hiệu thiếu Cu. Theo Hristozkova và cộng sự (2006), thiếu Cu làm ảnh hưởng mạnh đến hoạt động của các enzym khử nitrat và tổng hợp glutamin tham gia vào giai đoạn đầu của q trình đồng hóa nitrat. Đồng (CuSO4 hoặc Cu-EDTA) khi phun lên lá hoặc bổ sung vào đất làm giảm sự
thiếu hụt Cu. Do đó, sự thiếu hụt Cu trong đất có thể phản ánh sự thiếu hụt Cu trong thực vật và trong động vật (cừu, dê và gia súc) được chăn thả trên đồng cỏ địa phương. Hàm lượng Cu ở mức cao sẽ gây độc cho thực vật, ảnh hưởng đến các quá trình sinh hóa và sự phát triển của thực vật ở tất cả các giai đoạn. Thực vật phát triển trên đất ô nhiễm Cu có thể bị giảm năng suất, phiến lá nhỏ lại, giảm sự nảy mầm của hạt và sự
phát triển của rễ, giảm khả năng hút thu các dinh dưỡng khống khác (Hình 1.6).
Hình 1.6. Ảnh hưởng độc tính của Cu đến thực vật
(Nguồn: Muhammad Adrees, 2015)
Theo Singh và cộng sự (2007), tại hàm lượng Cu 100 ppm, tỷ lệ nảy mầm của hạt giảm 40% so với đối chứng sau 14 ngày thí nghiệm. Ahsan và cộng sự (2007) cũng đã chỉ ra Cu có tính độc cao đối với sự nảy mầm của lúa (Oryza sativa L.), sự nảy mầm của hạt lúa giảm tuyến tính cùng với sự tăng của Cu (0,2 - 1,5 mM), phát triển ở điều kiện bóng tối trong 4 ngày. Theo Iseri và cộng sự (2011), độc tính của Cu trong cà chua (Solanum lycopersicum L.) và dưa chuột (Cucumis sativus L.) trong 7 ngày xử lý được tìm thấy trên rễ cây. Chiều dài rễ của cả hai loài giảm theo mức tăng của hàm lượng Cu trong thí nghiệm và Cu gây độc đối với rễ cây dưa leo cao so với cà chua ở cùng hàm lượng. Tại hàm lượng Cu trên 100 g/ha làm giảm diện tích, đường
kính và chiều dài của lá ngơ (Barbosa và cộng sự, 2013). Phơi nhiễm Cu ở hàm lượng 100 μM trong 8 ngày làm giảm trọng lượng chồi và rễ của cây ngô khoảng 70 - 80% so với đối chứng (Dresler và cộng sự, 2014). Sinh khối chồi và rễ của cây lúa mì giảm đáng kể khi bị phơi nhiễm với hàm lượng Cu từ 5 - 40 ppm trong 2 tuần ở điều kiện thủy canh (Al-Hakimi và Hamada, 2011).
Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của Cu đến sự phát triển cây cam non, Inmaculada (2005) đã chỉ ra, khi cây thiếu Cu làm giảm các enzym oxi hóa trong cây, ngược lại nếu thừa Cu sẽ gây độc cho cây như: tăng hiện tượng nứt vỏ, chảy gôm, làm rụng lá các cây trưởng thành và giảm tỷ lệ nảy mầm của hạt cũng như sự phát triển chiều cao cây. Theo Trần Thị Tuyết Thu và Nguyễn Ngọc Linh (2016), nghiên cứu sự nảy mầm của hạt bưởi được gieo trong các bầu đất chứa 144,2; 244,2; 444,2; 744,2 và 1044,2 ppm Cu sau 15, 30, 45 ngày thí nghiệm đã chỉ rõ mức tăng ô nhiễm Cu trong đất gây ức chế sự nảy mầm của hạt bưởi. Ở thời điểm 45 ngày, tỷ lệ nảy mầm cao nhất ở CT0 (mẫu đối chứng: Cu - 144,2 ppm) là 100%, còn ở CT4 (Cu - 1044,2 ppm) gây chết hồn tồn hạt bưởi. Trong khi đó chiều dài rễ cao nhất ở CT0 là 6,8 cm, thấp nhất ở CT3 (Cu - 744 ppm) 0,6 cm, chiều dài thân lá phát triển tốt nhất ở CT0 4,2 cm, CT3 không phát triển được thân lá, sinh khối khô cao nhất ở CT0 0,4 mg, thấp nhất ở CT3 0,12 mg.
Bên cạnh những ảnh hưởng bất lợi đến các q trình sinh hố của thực vật thì sự tồn lưu Cu trên bề mặt lá hoặc cam quả có thể nguy hại cho các quá trình tổng hợp diệp lục cũng như chất lượng cam thương phẩm. Nghiên cứu của Schutte Gerhardus và cộng sự (2012) về thời gian tồn lưu của các thuốc diệt nấm chứa Cu trên lá và cam quả Valencia (vườn 17 năm tuổi) và cam Navel (21 năm tuổi) ở Nam Phi trong thời gian 2008-2010 cho thấy rằng sau 8 tuần (56 ngày) quan trắc, thời gian tồn lưu của Cu khi phun dạng CuO bám trên bền mặt lá cam Valencia trưởng thành nhiều hơn so với Cu(OH)2 và Cu2(OH)3Cl. Tuy nhiên ở lá cam Navel lại có sự tích luỹ Cu khi phun ở dạng Cu(OH)2 nhiều hơn so với CuO và Cu2(OH)3Cl (Hình 1.7: phun Cu2(OH)3Cl (A và B), CuO (C và D) trên cây cam Valencia).
Hình 1.7. Sự tích luỹ Cu trên bề mặt lá và cam quả Valencia
Kết quả nghiên cứu trên cam quả đã chỉ ra hàm lượng Cu tồn lưu trên bề mặt cam quả giảm một nửa sau thời gian phun 14 ngày, sau đó giảm chậm ở ngày thứ 14 đến 28 và có liên quan mật thiết với sự tăng chậm kích thước cam quả nghiên cứu.
1.2.3 Ảnh hưởng của đồng đến sức khỏe con người
Khi hàm lượng Cu trong đất và trong sinh khối cây trồng vượt quá giới hạn cho phép đều có thể gây ảnh hưởng đến an toàn thực phẩm và nguy hại cho sức khỏe của con người. Nếu người sử dụng lâu dài các loại rau hoặc cây trồng bị ơ nhiễm Cu có thể làm tăng sự tích tụ Cu trong thận và gan, gây rối loạn các q trình sinh hóa trong cơ thể. Bên cạnh đó, Cu cũng có thể đi vào cơ thể người thơng qua q trình hít thở đặc biệt là những người công nhân làm việc trong ngành hóa chất và các ngành cơng nghiệp có liên quan đến sản xuất đồng, mạ kim loại, và các ngành khác (Philip Wexxler, 2014). Trong cơ thể người có nhiều enzym cần có sự tham gia của đồng bao gồm tyrosinaza (có liên quan đến sự hình thành sắc tố melanin) và các oxidaza khác nhau (ví dụ, cytochrome oxidaza, superoxit dismutaza, amin oxidaza và uricaza). Đồng
đóng một vai trị quan trọng trong việc kết hợp sắt vào “heme” của hemoglobin. Hàm lượng Cu trong cơ thể người thay đổi theo độ tuổi. Đồng thường được bài tiết qua mật, đóng vai trị chính trong cân bằng đồng nội mô. Ngộ độc cấp tính do ăn quá nhiều muối Cu dẫn đến các triệu chứng như miệng vị kim loại, buồn nôn và nơn, đường tiêu hóa có thể bị tổn thương do loét (Philip Wexxler, 2014).
Các triệu chứng nghiêm trọng trong ngộ độc đồng bao gồm hạ huyết áp, hôn mê, vàng da và tử vong, hoại tử gan cũng đã được quan sát, điều trị bằng hợp chất Cu có thể gây thiếu máu. Đồng gây lỗi di truyền của quá trình trao đổi chất gồm hai bệnh điển hình: bệnh Menke có liên quan đến sự thiếu đồng nghiêm trọng, do một khiếm khuyết trong gen ATPaza dẫn đến việc khơng có đường tiêu hóa hấp thụ Cu. Nó là một đặc điểm liên quan đến giới tính đặc trưng bởi tóc đặc biệt, khơng phát triển mạnh, suy thoái thần kinh nghiêm trọng trong não và tử vong trước 3 tuổi. Vỏ não và chất trắng thối hóa; sự chậm phát triển và bệnh tâm thần xảy ra trước khi chết; bệnh Wilson hoặc thối hóa hạt nhân gan, có liên quan đến dư thừa đồng nặng, do một khiếm khuyết trong một gen ATPase khác dẫn đến sự khơng có khả năng của gan để bài tiết đồng trong mật. Nó được đặc trưng bởi một nồng độ bất thường của Cu trong não, thận, giác mạc, và đặc biệt là ở gan (Philip Wexxler, 2014).
1.3. Biện pháp kiểm sốt ơ nhiễm đồng trong đất
1.3.1. Căn cứ đánh giá ô nhiễm
Theo thông tư 35/2014/TT-BTNMT, ô nhiễm đất là sự gia tăng hàm lượng của một số chất, hợp chất so với tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN), quy chuẩn Việt Nam (QCVN) cho phép làm nhiễm bẩn đất.
Năm 2015, Việt Nam đã có quy chuẩn kỹ thuật quốc gia (QCVN 03- MT:2015/BTNMT) về giới hạn cho phép của kim loại nặng trong đất (Bảng 1.4). Theo đó, nếu hàm lượng Cu ≥ 100 ppm trong đất nông nghiệp và Cu ≥ 150 ppm trong đất lâm nghiệp thì đất được coi là bị ơ nhiễm Cu. Mặc dù đến nay chưa có tiêu chí phân cấp mức độ ô nhiễm đất nhưng trong điều 9 thông tư số 04/2012/TT-BTNMT đã chỉ rõ cơ sở gây ô nhiễm mơi trường nghiêm trọng về chất thải rắn nếu có hành vi chơn lấp, thải vào đất các chất gây ơ nhiễm ở thể rắn làm ít nhất một thơng số mơi
trường khu vực tiếp nhận chất thải rắn gồm hoá chất, kim loại nặng vượt quy chuẩn kỹ thuật về môi trường từ 3 lần trở lên. Như vậy, nếu nguồn chất thải rắn nào đưa hàm lượng các kim loại nặng vào môi trường đất lớn hơn 3 lần QCVN 03- MT:2015/BTNMT thì được khẳng định là gây ơ nhiễm môi trường đất nghiêm trọng.
Bảng 1.4. Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia (QCVN 03-MT:2015/BTNMT) về giới hạn cho phép của kim loại nặng trong đất
Thông số Đất nông
nghiệp Đất lâm nghiệp Đất dân sinh Đất thương mại Đất công nghiệp
Asen (As) 15 20 115 20 25 Cadimi (Cd) 1,5 3 2 5 10 Đồng (Cu) 100 150 100 200 300 Chì (Pb) 70 100 70 200 300 Kẽm (Zn) 200 200 200 300 300 Crôm (Cr) 150 200 200 250 250
(Nguồn: Bộ Tài nguyên và Môi trường, 2015)
Do dạng tồn tại và độc tính của kim loại nặng trong mơi trường đất phụ thuộc vào các yếu tố mơi trường đất, trong đó đáng chú ý là thành phần cơ giới, độ chua, hàm lượng chất hữu cơ. Vì vậy, để quản lý an tồn các vùng đất bị ơ nhiễm kim loại nặng, căn cứ vào thuộc tính của mỗi loại đất (Bảng 1.5) Ba Lan đã đưa ra tiêu chí đánh giá mức độ ơ nhiễm đất gồm 5 cấp. Mức 0: Khơng ơ nhiễm; Mức I: Ơ nhiễm nhẹ; Mức II: Ơ nhiễm trung bình; Mức III: Ô nhiễm tương đối nặng; Mức IV: Ô nhiễm nặng; Mức V: Ô nhiễm rất nặng.
Bảng 1.5. Đánh giá mức độ ô nhiễm kim loại nặng trong đất mặt ở Ba Lan
Nguyên tố Nhóm đất Loại ơ nhiễm (ppm)
0 I II III IV V
Cu
a 15 30 50 80 300 > 300
b 25 50 80 100 500 > 500
c 40 70 100 150 750 > 750
Ghi chú:
Nhóm đất a: Đất có TPCG nhẹ và trung bình, pH < 5,5 Nhóm đất b: Đất có TPCG trung bình và nặng, pH < 5,5
Nhóm đất c: Đất có TPCG nặng và giàu chất hữu cơ, pH = 5,5 - 6,5
Trên cơ sở quan trắc đánh giá được được hiện trạng và phân cấp mức độ ô nhiễm KLN ở mỗi loại đất sẽ phù hợp cho từng mục đích khai thác sử dụng đất. Trong đó, với mức ô nhiễm (I) vẫn có thể canh tác, không trồng rau cho trẻ nhỏ và trẻ sơ sinh; mức ô nhiễm (II) được sử dụng trồng ngũ cốc, củ cải đường, khoai tây, trồng cỏ, … nhưng cấm trồng rau cải, rau diếp; mức ô nhiễm (III) không được trồng trọt, cần phải có biện pháp kiểm sốt ơ nhiễm ảnh hưởng đến sức khỏe con người và động vật; mức ô nhiễm (IV) nên sử dụng để trồng cây công nghiệp, trồng rừng và cuối cùng là mức ô nhiễm (V) không được sử dụng cho mục đích nơng nghiệp.
Để có thể có biện pháp quản lý an tồn các vùng đất đã bị ô nhiễm KLN, đặc biệt là đưa ra các giải pháp xử lý ô nhiễm sinh học hiệu quả, các nhà khoa học trên thế giới đã thực hiện nhiều nghiên cứu thực nghiệm để xác định các ngưỡng đánh giá rủi ro ơ nhiễm có thể gây ảnh hưởng bất lợi đến sức khoẻ con người và sinh vật. Dẫn theo tài liệu của Antoniadis và cộng sự (2017) thì việc đánh giá mức độ ơ nhiễm KLN nói chung trong mơi trường đất được dựa trên hệ số ơ nhiễm đất (kí hiệu là K).
K = [KLN] hiện trạng
[KLN] theo quy chuẩn giới hạn cho phép của mỗi quốc gia K < 1 Không ô nhiễm 3 K 6 mức đáng quan tâm 1 K 3 Ơ nhiễm trung bình K ≥ 6 mức cao, nguy hiểm
Trên cơ sở đó, trong các đất ơ nhiễm Cu có thể xác định hệ số ô nhiễm K cho đất sản xuất nơng nghiệp theo cơng thức tính như sau:
K = [Cu] hiện trạng
[Cu] theo QCVN 03-MT:2015/BTNMT (100 ppm)
Căn cứ theo ngưỡng đánh giá này thì đất bị ơ nhiễm KLN ở mức trung bình cần phải có biện pháp quản lý và bảo vệ, tránh trồng rau và các cây lương thực, còn ở mức ơ nhiễm đáng quan tâm thì cần phải áp dụng các phương pháp sinh học trong xử lý làm sạch đất ô nhiễm, trong trường hợp đất bị ô nhiễm ở mức cao, nguy hiển
thì cần phải có giải pháp khoanh vùng, quản lý ô nhiễm, tránh để các chất ô nhiễm lan truyền vào nước mặt, nước ngầm và tuyệt đối khơng sử dụng đất cho mục đích sản xuất nông nghiệp.
Hàm lượng Cu ở dạng linh động trong dung dịch đất ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng hút thu và tích lũy Cu trong thực vật, từ đó ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng. Mức độ ơ nhiễm KLN nói chung và Cu linh động nói riêng được trình bày trong Bảng 1.6. Theo đó, Obukhov (1992) đã chỉ ra đất bị ơ nhiễm Cu ở mức trung bình đến rất cao khi hàm lượng Cu linh động lớn hơn 10 ppm.
Bảng 1.6. Thang đánh giá ô nhiễm KLN chiết bằng CH3COONH4 1 N, pH = 4,5