CHƯƠNG I : TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.7. Tổng quan một số nghiên cứu về Cadimi trong đất, cây trồng và môi trường trên
trường trên thế giới
Ngay từ những năm 50 của thế kỷ trước vấn đề ô nhiễm môi trường do chất thải công nghiệp, sinh hoạt, hạt nhân... đã được các nhà khoa học ở các nước có nền cơng nghiệp phát triển quan tâm để ý. Một trong những vấn đề được quan tâm nhất hiện nay đó là ô nhiễm môi trường do kim loại nặng, đặc biệt là mơi trường đất do mơi trường đất có những tác động, ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng nông sản, mặt khác khi đất bị ơ nhiễm địi hỏi các công nghệ xử lý lâu dài và rất tốn kém.
Theo Rietra, R. P. J. J và cộng sự (2017) nghiên cứu đánh giá tác động của việc giảm lượng Cd trong đất dựa trên các mơ hình tốn liên quan đến Cd trong đất và Cd trong cây lương thực. Dựa trên số liệu phân tích, ước tính khoảng 55% tổng lượng Cd trong thức ăn liên quan đến Cd trong đất. Việc giảm lượng Cd trong đất xuống 50% được ước tính sẽ làm giảm tổng lượng Cd con người sử dụng khoảng 18%, kết quả nghiên cứu mở ra nhiều triển vọng đối với những chiến lược bảo vệ môi trường ở những vùng ô nhiễm Cd và KLN trên thế giới.
Các số liệu phân tích đất ở Canada, Hà Lan, Tây Đức cho thấy hàm lượng Cd của lớp đất tầng mặt sau nhiều năm bón phân hữu cơ có thể cao lên nhiều lần, có thể đạt từ 7-57mgCd/kg đất khơ (M.J. McLaughlin, 2002).
Theo M. J. McLaughlin, (2002) sưu tầm và nghiên cứu hàm lượng Cd trong đất mặt tại một số quốc gia trên thế giới (bảng 1.9).
Bảng 1.9. Hàm lượng Cd trong đất mặt tại một số Quốc gia trên thế giới
Stt Quốc Gia/Khu vực Cd (ppm) 1 Úc 0,20 2 Bỉ 0,33 3 Đan Mạch 0,24 4 Pháp 0,74 5 Đức 0,52 6 Italia 0,53
Stt Quốc Gia/Khu vực Cd (ppm)
7 Hà Lan 1,76
8 Na Uy 0,95
9 Tây Ban Nha 1,70
10 Anh 0,70
11 Scốt len 0,47
12 Thụy Điển 0,22
13 Phần Lan 0,53
Nguồn Mc. Laughlin 2002
Qua bảng 1.9 cho thấy: hàm lượng Cd trong đất mặt rất khác nhau. Hàm lượng Cd trong đất mặt tại Hà Lan và Tây Ban Nha cho kết quả khá cao 1,70-1,76ppm. Hàm lượng Cd trong đất ở các quốc gia như Thụy Điển, Úc, Bỉ, Đan Mạch cho kết quả thấp nhất (Cd dao động từ 0,20-0,33ppm), các quốc gia còn lại có hàm lượng Cd trong đất đạt trung bình.
Nguy cơ bị nhiễm bẩn Cd từ phân bón là rất cao, nhất là trong phân lân được sản xuất từ quặng phốt phát. Hàm lượng Cd trong các quặng phốt phát ở các quốc gia hay vùng khác nhau cho kết quả rất khác nhau (bảng 1.10) hàm lượng Cd trong quặng phốt phát khu vực tây Mỹ từ 60-340ppm, Nga là 0,2ppm, Trung Quốc là 5ppm... Các sản phẩm được sản xuất thành phân bón, sử dụng vào canh tác nông nghiệp tất yếu sẽ làm cho lượng Cd tích luỹ trong đất tăng lên (McLaughlin, 2002).
Bảng 1.10. Hàm lượng Cd trong quặng phốt phát tại một số nước trên thế giới
Stt Quốc Gia/Khu vực Cd (ppm) 1 Nga 0,2 2 Nam Phi 4 3 Trung Quốc 5 4 Jóc đa ni 6 5 Úc 7 6 Mê hi cô 8 7 Ai Cập 9 8 Pê ru 11 9 Isarel 12-32 10 Ma rốc 12 11 Tuy ni di 38 12 Ai Len 43 13 Bắc Carolina 47-51
14 Sê nê gan 90
15 Tây Mỹ 60-340
Theo McLaughlin (2002) khi nghiên cứu hàm lượng Cd trong đất nông nghiệp tại Úc cho thấy; ở đất nơng nghiệp khơng sử dụng phân bón có hàm lượng Cd từ 0,05- 0,97 mg/kg đất và ở đất nơng nghiệp có sử dụng phân bón có hàm lượng Cd cao hơn đạt > 0,09 mg/kg đất.
Trong các lớp đá mẹ, Cd thường chỉ đạt ở mức 0,2 mg/kg. Các thành phần đá mẹ có nguồn gốc núi lửa hoặc trầm tích có hàm lượng Cd lớn hơn. Trong các lớp đất tầng mặt các giá trị Cd xác định được từ 0,01-0,7mg/kg đất (Alina Kabata Pendias, 2007).
Theo hai tác giả Alina Kabata Pendias (2010) và Jack E. Fergusson (1991) phân tích hàm lượng Cd trên một số mẫu chất hình thành đất, kết quả được chỉ ra ở bảng 1.11 và bảng 1.12.
Bảng 1.11. Hàm lượng Cd trong một số loại đất trên thế giới
Stt Loại đất Cd (ppm) Địa điểm
1 Đất podzon và đất thịt 0,07 Ba Lan 2 Đất thịt nhẹ và sét 0,64 Canada 3 Đất phù sa 0,37 Úc 4 Đất phù sa 1,10 Anh 5 Đất nâu 0,33 Áo 6 Đất mùn 1,05 Đan Mạch 7 Đất mùn 0,73 Mỹ 8 Đất Rendzinas 0,62 Ba Lan
Nguồn: Alina Kabata Pendias 2010
Kết quả phân tích của Alina Kabata Pendias (2010) thể hiện trên bảng 1.11 cho thấy hàm lượng Cd trong đất tại các quốc gia nghiên cứu đạt khá cao, hàm lượng Cd đạt cao nhất trên đất phù sa ở Anh 1,10ppm và thấp nhất là đất podzon Ba Lan đạt 0,07mg/kg.
Hàm lượng Cd trong đất phụ thuộc rất lớn vào hàm lượng Cd trong mẫu chất hình thành đất hay loại mẫu chất hình thành nên loại đất đó. Hàm lượng Cd trung bình trong đá bazơ là 0,13 mg/kg, đá axit là 0,09, trầm tích là 0,17mg/kg, trong vỏ phong hoá là 0,11mg/kg; khoảng dao động của hàm lượng Cd trong mẫu chất là 0,01-2mg/kg (bảng 1.12).
Bảng 1.12. Hàm lượng Cd và một số nguyên tố trong mẫu chất hình thành đất (mg/kg)
Nguyên
tố bazơ Đá Đá axit Đá trầm tích phong Vỏ
hố
Dao động
trong đất Trung bình trong đất
As 1,5 1,5 7,7 1,5 0,1-40 6
Cd 0,13 0,09 0,17 0,11 0,01-2 0,35
Hg 0,012 0,08 0,19 0,05 0,01-0,5 0,06
Pb 3 24 19 14 2-300 19
Nguồn Jack E. Fergusson, 1991
Trong một phẫu diện đất, các nhân tố có thể ảnh hưởng đến hàm lượng của các kim loại nặng gồm có: bản chất của đá mẹ, các quá trình thổ nhưỡng, hàm lượng chất hữu cơ, hàm lượng sét, tỷ lệ các khống có chứa Fe, pH, địa hình, lượng mưa, hoạt động của vi sinh vật và mức độ ô nhiễm. Hàm lượng Cd trong đất Chernozem và Luvisols ít di chuyển theo chiều sâu của phẫu diện. Trong phẫu diện đất hàm lượng của Cd biến đổi giống với hàm lượng mùn (Jack E. Fergusson, 1991).
Một trong những nguyên nhân nguy hiểm làm nhiễm bẩn KLN cho mơi trường đất đó là từ chất thải cơng nghiệp, trong đó bao gồm khói bụi, nước thải và chất thải rắn. Năm 1984 tai vùng Taoyuan phía bắc Đài Loan tại hai ngôi làng Taoyaun và Chung Fu đã có hơn 100 ha đất nông nghiệp bị ô nhiễm Cd do ảnh hưởng của hai nhà máy hố chất và nhựa đóng trên địa bàn. Nhóm các nhà khoa học của khoa hố học nơng nghiệp của trường đại học Đài Loan đã lấy mẫu và phân tích đất ở độ sâu 0- 10cm, kết quả cho thấy hàm lượng Cd trong đất đạt rất cao từ 7,2 – 28,6 mg/kg đất. Để làm sạch lượng Cd ô nhiễm trong đất, nhóm nhà khoa học này đã trồng một số loại cây trồng và nghiên cứu khả năng hấp thụ Cd từ đất, kết quả được thể hiện trên bảng 1.13 (A. Elliott, M.R.Lliberali and P. Huang, 1996).
Kết quả nghiên cứu cho thấy có một số loại cây trồng có khả năng hấp thụ rất mạnh Cd trong đất như (cỏ doi ngựa, cây bong nước, cẩm chướng) có hàm lượng Cd hấp thu được trong cây đạt từ 20 đến trên 40mgCd/kg, khả năng hấp thụ Cd từ đất đạt từ 50-56gCd/ha/năm. Cây bóng nước có khả năng hấp thu và tích luỹ Cd từ 1,8- 41,5mgCd/kg trong vòng 5 tuần đầu và hấp thu Cd từ đất đạt 50gCd/ha/năm. Cây cẩm chướng có khả năng hấp thu và tích luỹ Cd từ 1,6-115mgCd/kg trong năm tuần đầu và sức hút Cd từ đất có thể đạt đến 90gCd/ha/năm mà trạng thái cây trồng phát triển vẫn bình thường. Trong khi đó một số loại cây trồng thơng thường khác như mía, thuốc lá,
hải đường... có sức hút Cd rất kém 1-2mgCd/kg, nhưng sinh trưởng và phát triển rất kém. Các nghiên cứu này cũng mở ra một triển vọng mới trong việc xử lý đối với những vùng đất bị ô nhiễm Cd cũng như bị nhiễm bẩn các KLN độc hại khác bằng phương pháp sinh học (A. Elliott, M.R.Lliberali and P. Huang, 1996).
Bảng 1.13. Hàm lượng Cd được cây trồng hút tại Đài Loan
Stt Loại cây Hàm lượng Cd trong cây (mg/kg)
Cd hấp thu từ đất (g/ha/năm)
Trạng thái cây trồng
0 ngày 3 tuần 5 tuần
1 Mào gà 2,3 23,0 86,7 56 úa vàng
2 Cúc van thọ tây 1,3 11,8 12,6 2 bình thường
3 Cỏ roi ngựa 1,4 6,1 41,9 24 bình thường
4 Cúc Zinia 0,9 1,4 10,2 2 úa vàng 5 Đỗ quyên 3,7 2,8 2,1 1 bình thường 6 Ngải đắng 1,3 10,1 12,3 2 bình thường 7 Ngũ tinh 1,4 11,6 43,6 50 bình thường 8 Cứt lợn 0,5 3,8 6,6 1 bình thường 9 Dành dành 0,4 0,5 1,8 1 úa vàng
10 Mía 0,9 1,6 1,8 1 Khơ héo
11 Cây bóng nước 1,8 49,3 41,5 50 úa vàng
12 Cẩm chướng 1,6 55,8 115 90 bình thường
13 Cây dừa cạn 0,9 12,5 25,3 24 Teo
14 Cây hải đường 0,6 2,2 2,6 1 bình thường
15 Thuốc lá 0,6 3,3 10,1 2 bình thường
Nguồn: A. Elliott, M.R.Lliberali and P. Huang, 1996
Nhằm góp phần giảm thiểu nguy cơ gây ô nhiễm bởi Cd và các kim loại nặng khác từ nước thải, nhóm hai nhà nghiên cứu Kanazawa (Khoa công nghệ môi trường Đại học Kagoshima) và Keita Mori (Nhà máy bia Shiga) Nhật Bản đã nghiên cứu khả năng phân lập và cố định Cd, trong nghiên cứu này họ đã phân lập được những chủng vi khuẩn có khả năng phân huỷ Cd khá cao và trong thời gian từ 24 - 48 giờ như
Flavobacterium.SP, Comanonasebacterium, Methylobacterium (A. Elliott and P.
Huang, 1996).
Quá trình thâm canh trong một thời gian dài cùng với lượng lớn phân bón, đặc biệt là nhóm phân phốt phát cũng góp phần làm tăng hàm lượng Cd trong đất và trong cây trồng ảnh hưởng đến môi trường đất và sức khoẻ con người. Các nghiên cứu của nhóm các nhà khoa học thuộc trung tâm phát triển phân bón Quốc tế tại Mỹ sau nhiều năm nghiên cứu đã cảnh báo và chỉ ra rằng lượng Cd hấp thu trong đất và trong ngô tỷ
lệ thuận với lượng bón phân phốt phát, hàm lượng Cd hấp thu cịn phụ thuộc vào hàm lượng Cd tổng số trong loại phân phốt phát sử dụng (McGraw Hill, 1993).
Cd trong đất tồn tại ở các dạng như: CdCl+, CdOH+, CdHCO3-, CdCl3-, CdCl42-, Cd(OH)3-, Cd(OH)42-. Tuy nhiên trạng thái hoá trị của Cd trong môi trường tự nhiên là Cd2+, một trong những nhân tố quan trong quyết định dạng tồn tại của Cd trong đất là pH của đất và trạng thái oxi hoá. Trong điều kiện oxi hoá Cd gần như ở trạng thái khống CdO, CdCO3. Nhân tố chính quyết định hàm lượng Cd trong đất là do thành phần cấu tạo hố học của đá mẹ hình thành nên đất. Trung bình hàm lượng Cd trong đất trong khoảng từ 0,06-1,1ppm (Alina Kabata Pendias, 2010).
Alina Kabata Pendias (2010) nghiên cứu hàm lượng Cd trong đất nông nghiệp tại một số quốc gia, kết quả thể hiện qua bảng 1.14.
Bảng 1.14. Hàm lượng Cd trong đất nông nghiệp tại một số Quốc gia
Loại đất Quốc gia Cd (mg/kg)
Khoảng Trung bình Podzols và đất cát Rumani 0,2-2,7 0,9 Balan 0,01-0,24 0,07 Mỹ 0,08-0,47 0,21 Canađa 0,10-1,8 0,43 Nga 0,10-1,8 0,32 Đất mùn và đất sét Balan 0,08-0,58 0,26 Rumani 0,5-1,6 0,9 Canađa 0,12-1,61 0,64 Mỹ 0,13-0,55 0,27 Phù sa Úc 0,21-0,52 0,37 Anh 0,41-2 1,10 Balan 0,24-0,36 0,30 Bungari 0,42 - Đất gley Phần Lan 0,14-0,96 0,50 Đất nâu Úc 0,22-0,49 0,33 Rumani 0,3-1,4 0,7 Mỹ 0,05-0,71 0,61 Đất chernozem Balan 0,18-0,58 0,38 Bungari 0,55-0,71 0,61 Nga - 0,32 Đất rừng Mỹ 0,5-1,5 0,73
Nguồn: Alina Kabata Pendias, 2010
Nhìn chung, các loại đất nghiên cứu cho thấy hàm lượng Cd trong đất là khá thấp, an toàn đối với sản xuất nông nghiệp. Ở đất Podzols hàm lượng Cd đạt từ 0,01 - 1,8mg/kg, ở đất phù sa 0,21 - 2mg/kg cao hơn so với đất Podzols. Đất nâu 0,05 -
1,4mg/kg, đất mùn 0,8 - 1,61mg/kg, ở đất Chernozerm 0,18 - 0,71mg/kg và đất rừng ở Mỹ là 0,5 - 1,5mg/kg.
Khi đất bị ô nhiễm bởi Cd, các loại cây trồng sinh trưởng trên đó sẽ hấp thu Cd từ đất, Cd tích luỹ trong cây trồng khác nhau tuỳ thuộc vào loại cây trồng và mức độ ô nhiễm Cd trong đất. Trong đất, Cadimi cũng có ái lực rất mạnh với lưu huỳnh, ở điều kiện khử (yếm khí, ngập nước) các hợp chất lưu huỳnh trong đất bị các vi khuẩn khử sulfat khử thành các hợp chất sulfua, hình thành các ion Sulfua kết hợp với Cd thành CdS khó tan. Việc hút Cadimi của lúa gặp khó khăn, giảm nhiều sau khi tháo nước vào ruộng và ngược lại, như vậy canh tác lúa trong điều kiện ngập nước cũng có thể làm giảm ảnh hưởng của Cd trong đất đối với tích luỹ Cd trong thóc.
Gặp điều kiện oxy hoá các vi khuẩn sulfat hoá hoạt động mạnh, lưu huỳnh và các hợp chất có lưu huỳnh trong đất bị oxy hoá thành sulfat. Độ chua của đất cũng tăng lên, các hợp chất Cadimi khơng tan trở nên hồ tan, Cadimi hoạt động mạnh hơn nên độc hơn. Trong đất khi Cd kết hợp với gốc cacboxyl hay gốc clo để tạo thành ion phức thì hoạt độ của Cađimi cũng tăng, cây dễ bị ngộ độc Cd. Việc đồng hoá Cadimi phụ thuộc vào bản chất sinh lý của cây, trong cùng một cây hàm lượng Cd ở mỗi bộ phận một khác. Đối với lúa, hàm lượng Cd giảm dần theo thứ tự sau đây:
Rễ > thân > lá > hạt thóc > hạt gạo.
Khi hàm lượng Cd trong mơi trường cao thì hàm lượng Cd trước hết tăng ở rễ. Thậm chí hàm lượng Cd trong rễ cao gấp 100 lần trong lá. Việc hút Cd còn thay đổi theo nguồn Cd cung cấp cho cây. Nói chung Cd do con người đưa vào được cây đồng hoá mạnh hơn Cd vốn có trong đất (Blum, 1997).
Bảng 1.15. Hàm lượng Cd trung bình trong một số cây thực phẩm (ppm)
Loại cây Bộ phận lấy mẫu Theo chất tươi Trong tro
Ngô ngọt hạt 0,007 - 0,012 1,00
Đậu cô ve quả 0,020 - 0,024 0,34
Cải bắp lá 0,02 - 0,05 - Rau diếp lá 0,11 - 0,42 3,00 Cả rốt củ 0,03 - 0,15 2,10 Hành củ 0,01 - 0,05 1,20 Khoai tây củ 0,001 - 0,090 1,80 Cà chua quả 0,02 - 0,11 1,00 Táo quả 0,003 - 0,030 0,19 Cam quả 0,002 - 0,001 0,14 Nguồn: Blum, 1997
Nguồn ô nhiễm Cd của đất không phải chỉ từ nước thải mà cịn đến qua khí quyển và phân bón. Ở những nơi đất bị ơ nhiễm (vùng khai khống, cơ sở chế biến kim loại, nơng trại tưới bằng bùn thải, nơi khơng khí bị ơ nhiễm bụi) hàm lượng Cd trong: củ cà rốt có thể đạt (3,7ppm); ngơ hạt có thể đạt (35ppm); lá rau diếp có thể đạt (5,2 - 70ppm); hạt lúa mì có thể đạt (14,2ppm); lá cải bắp có thể đạt (1,7 - 3,8 ppm); hạt gạo có thể đạt (5,2 ppm); đối với lá lúa mì có thể đạt (47ppm) và ở rễ lúa mì có thể đạt (397 - 898ppm). Hàm lượng Cd tích luỹ trong cây cao có thể gây chết hoặc kìm hãm quá trình sinh trưởng và phát triển của cây trồng, ở mức độ thấp hơn Cd tích luỹ trong sản phẩm thu hoạch và ảnh hưởng đến sức khoẻ của con người và sinh vật thông qua con đường ăn uống (Blum, 1997).
Theo M.C. Grath (1987) nghiên cứu về việc sử dụng bùn thải làm phân bón compost dùng trong sản xuất nông nghiệp tại vùng (Voburn, Anh) trong giai đoạn từ 1960 – 1980 cho thấy: Tổng lượng KLN lấy đi do cây trồng hút đạt từ 0,06-0,57% so với tổng lượng KLN đưa vào đất thông qua việc sử dụng phân bón có nguồn gốc từ bùn thải. Trong đó sức hút Zn của cây trồng đạt lớn nhất (0,57%) và sức hút Pb của cây trồng chỉ đạt (0,06%). Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy việc sử dụng bùn thải trong sản xuất nông nghiệp đã gây tích luỹ (Cu, Zn, Cd, Pb) là rất lớn, cần mất thời gian tới 3.700 năm đối với Zn; 7.500 năm đối với Cd và 35.000 năm đối với Pb để làm sạch và đưa hàm lượng các KLN này về trạng thái ban đầu, khi chưa sử dụng phân bón compost ủ từ bùn thải trong sản xuất nông nghiệp.
Bảng 1.16. Khối lượng kim loại nặng đã được cây trồng lấy đi sau thu hoạch liên quan đến khối lượng bổ sung từ bùn thải và thời gian tồn dư ước tính