1.3. Kim loại nặng và ô nhiễm do kim loại nặng trong đất
1.3.1. Kim loại nặng trong đất
1.3.1.1. Khái niệm kim loại nặng
Thuật ngữ kim loại nặng (KLN) được từ điển hóa học định nghĩa là các kim loại có tỷ trọng lớn hơn 5. Đối với các nhà độc tố học, thuật ngữ Kim loại nặng chủ yếu dùng để chỉ các kim loại có nguy cơ gây nên các vấn đề môi trường bao gồm:
Cu, Zn, Pb, Hg, Ni, Mn, Cr, Fe, Mn, Ti, Fe, Ag, Sn. Ngoài ra, các phi kim như As và Se cũng được xem là các kim loại nặng (Bjerregaard et al., 1991).
Các nguyên tố này thường ở dạng vết trong môi trường đất tự nhiên. Các kim loại nặng phổ biến nhất là: Cd, Cr, Cu, Zn, Pb, Hg. Trong đó Cu và Zn là các nguyên tố vi lượng có vai trò quan trọng đối với quá trình trao đổi chất trong tế bào và là thành phần, cấu trúc của các protein và enzym. Tuy nhiên các nguyên tố vi lượng nói riêng và các KLN nói chung ở hàm lượng cao là yếu tố cực kì độc hại đối với quá trình trao đổi chất của tế bào. Vì vậy ô nhiễm đất bởi tác nhân KLN có thể dẫn đến mất cân bằng của các loài động, thực vật bậc cao, đặc biệt trong môi trường đất bị ô nhiễm KLN với hàm lượng cao, thực vật phát triển kém, độ che phủ bề mặt thấp, hậu quả là các KLN sẽ xâm nhập vào nguồn nước mặt và nước ngầm (Lombi et al., 2001).
Trong những năm gần đây, ô nhiễm KLN trong đất đã thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học vì tính chất bền vững của chúng. Độc tính của kim loại đối với sinh vật liên quan đến cơ chế oxy hóa và độc tính gen (Collins et al., 1989). Sự tích tụ các chất độc hại, các KLN trong đất sẽ làm tăng khả năng hấp thụ các nguyên tố có hại trong cây trồng, vật nuôi và gián tiếp gây ảnh hưởng xấu tới sức khoẻ con người, làm thay đổi cấu trúc tế bào, gây ra nhiều bệnh di truyền, bệnh về máu, bệnh ung thư. Tác hại của KLN đối với động vật và con người là làm tổn hại hoặc giảm chức năng của hệ thần kinh trung ương, giảm năng lượng sinh học, tổn hại đến cấu trúc của máu, phổi, thận, gan và các cơ quan khác. Tiếp xúc với KLN trong thời gian dài có thể ảnh hưởng mãn tính đến thể chất, cơ và quá trình thoái hóa hệ thần kinh dẫn đến biểu hiện các bệnh Parkinson, bệnh teo cơ, bệnh đa xơ cứng, ung thư…Hơn nữa KLN còn làm tăng các tương tác dị ứng và gây nên đột biến gen, cạnh tranh với các kim loại cần thiết khác trong cơ thể ở các vị trí liên kết sinh hóa và phản ứng như các kháng sinh giới hạn rộng chống lại cả vi khuẩn có lợi và có hại. Độc tính KLN trong chuỗi thức ăn là một trong những vấn đề bức xúc về môi trường và sức khỏe cộng đồng trong xã hội công nghiệp ngày nay (Nguyễn Thế Đặng và cs., 2016).
Các kim loại nặng tồn tại trong môi trường đất thông qua các quá trình tự nhiên và nhân tạo, gây ra nhiều tác động độc hại đối với hoạt động sinh học đất gây ảnh hưởng không nhỏ đến các quá trình chuyển hóa trao đổi chất cũng như chức năng của hệ sinh thái (Nguyễn Hữu Thành. 2008).
1.3.1.2. Nguồn gốc kim loại nặng trong đất a, Nguồn gốc từ khoáng vật và đá mẹ
Kim loại nặng tồn tại trong đất theo con đường tự nhiên liên quan đến các quá trình phong hóa đá và khoáng vật. Đá macma và đá biến chất là các nguồn tự nhiên phổ biến đưa KLN vào đất. Đất hình thành từ đá macma bazơ có lượng Cr, Mn, Co và Ni cao, trong khi đó đất hình thành từ đá trầm tích, phiến sét có lượng Cr, Co, Ni, Zn và Pb cao nhất (Antonio et.al., 2008).
Đối với các loại đất có nguồn gốc đá mẹ khác nhau thì có hàm lượng KLN khác nhau. Đất phát triển trên đá phiến thạch sét hoặc các khoáng vật giàu sét thường có hàm lượng Cu cao, dao động từ 2 - 100 ppm. Hàm lượng Pb trong đất thường dao động từ 10 - 33 ppm, tăng theo thứ tự: đá bazan < đá cát kết < đá trầm tích < đá vôi, trong đó hàm lượng Pb trong đá bazan có hàm lượng trung bình 3 ppm và đá cát kết 19 ppm (Vernet, 1991).
Mức độ phong hóa các khoáng vật ảnh hưởng đến sự xâm nhập các nguyên tố này vào đất. Theo độ sâu phẫu diện đất, hàm lượng các nguyên tố Mn, Ni và Cr tích lũy ở tầng dưới nhiều hơn ở tầng trên (Trích theo Lê Đức, Trần Khắc Hiệp, 2006).
b, Nguồn gốc từ hoạt động của con người
Hoạt động khai khoáng, sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải là các nguồn chính phát thải chất ô nhiễm và các kim loại nặng được tích tụ lại trong môi trường đất thông qua quá trình sử dụng phân bón, hóa chất, đổ bỏ chất thải rắn, tiếp nhận nước thải và lắng đọng từ khí quyển. Trong đó, các lĩnh vực luyện kim và khai khoáng, sản xuất và sử dụng thuốc trừ sâu, phân bón, nhựa, giấy, pin, chế biến gỗ được cho là nguyên nhân quan trọng góp phần làm gia tăng nguy cơ gây ô nhiễm đất (Nguyễn Thế Đặng và cs., 2016).
Số liệu bảng 1.2 cho thấy khoảng 50 % chất thải trong công nghiệp là dạng rắn (than, bụi, chất hữu cơ, xỉ quặng), trong đó 15 % có khả năng tồn lưu lâu dài trong đất, điển hình là các kim loại Pb, Cd, Hg, As,… Một số nguồn gây ô nhiễm KLN tại bảng 1.2 còn cho thấy hoạt động khai thác khoáng sản để lại cho đất số lượng lớn kim loại nặng, nhất tại các khu vực hứng nước từ hoạt động khai khoáng.
Bảng 1.2. Các nguồn kim loại nặng từ một số hoạt động sản xuất công nghiệp
TT Nguồn gây ô nhiễm Nguyên tố kim loại
1 Công nghiệp khai khoáng, luyện kim As, Cd, Hg, Pb, Ni, Cr, Zn, Cu, ...
2 Công nghiệp nhựa Co, Cr, Cd, Hg
3 Công nghiệp vi điện tử Cu, Ni, Cd, Zn, Sb
4 Bảo quản gỗ Cu, Cr, As
5 Lắng đọng từ khí quyển As, Cd, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb, Zn, ...
6 Phân bón hoá học Cd, Pb, As, Cu, Mn
7 Bùn thải Cd, Cr, Cu, Hg, Mn, Ni, Pb, Zn