1.5.1. Ô nhiễm nitơ trong đất
Nitơ tự nhiên chiếm phần lớn trong khí quyển, qua quá trình cố định sinh học thành các dạng nitơ khác nhau. Nguồn nitơ tự nhiên tồn tại trong thành phần khoáng vật đất đá, vật liệu hữu cơ... Nguồn nitơ nhân tạo từ hoạt động nông nghiệp do việc sử dụng nhiều phân bón hóa học, thuốc trừ sâu, đây là nguyên nhân quan trọng làm tăng cao hàm lượng nitơ tổng số, gây ô nhiễm.
Nitơ tổng số gồm các dạng hợp chất như: nitơ hữu cơ, nitơ amoni (NH4+) nitơ nitrit (NO2-), nitơ nitrat (NO3-). Trong đó amoni, nitrat là nguồn cung cấp nitơ chủ yếu cho cây trồng, nhưng khi hàm lượng nitrat, nitrit quá lớn sẽ trở nên độc hại, tác động xấu đến môi trường và sinh vật. Nitơ trong đất được coi là ô nhiễm khi hàm lượng nitơ tổng số vượt quá cao so với quy chuẩn cho phép.
(Nguồn: TCVN 7373: 2004) Hình 1.14. Giá trị cho phép của nitơ trong đất
1.5.2. Nguồn cung cấp nitơ trong môi trường địa chất.
Nitơ tồn tại trong môi trường địa chất từ các nguồn: thành phần khoáng vật của đá, thành phần hóa học của đất, quá trình phân hủy sinh vật, quá trình lắng đọng từ khí quyển, quá trình bón phân, xả thải từ hoạt động kinh tế của con người và quá trình rửa trôi vận chuyển các chất. Cụ thể:
Thành phần khoáng vật của đá: Giá trị Clark của nitơ trong các loại đá siêu bazơ, bazơ, axit, trung tính lần lượt là 6x10-4, 1.8x10-3, 2.2x10-3, 2x10-3. Nitơ chiếm hàm lượng thấp trong các đá thành phần từ siêu bazơ đến axit.
Thành phần hóa học của đất: Thành phần vô cơ, chất keo, hữu cơ. Nitơ trong đất tồn tại chủ yếu dưới dạng hữu cơ từ nhóm chất mùn chiếm 80-85% nitơ và nhóm các hợp chất chứa nitơ chiếm 10-15% nitơ trong đất. Lượng nitơ trong đất ở dạng vô cơ rất ít, ở tầng đất mặt chỉ chiếm 1%-2% lượng nitơ tổng số, ở tầng dưới có thể chiếm tới 30% lượng nitơ tổng số. Dạng nitơ vô cơ trong đất chủ yếu là amoni và nitrat, là sản phẩm hoạt động của vi sinh vật dựa trên chu trình chuyển hóa nitơ tự nhiên.
Quá trình lắng đọng từ khí quyển được thực hiện nhờ quá trình cố định sinh học tự nhiên. Hàng năm trên toàn thế giới có khoảng 120-160 triệu tấn nitơ khí quyển được cố định và chuyển hóa thành nguồn phân đạm dưới các dạng khác nhau (EK James, 2017).
Các quá trình rửa trôi, vận chuyển các chất từ dòng chảy mặt giúp giải phóng các hợp chất của nitơ trong thành phần vật liệu, giúp cung cấp một lượng nitơ trong đất.
Nitơ không ngừng chuyển hóa và biến đổi thành những dạng hợp chất khác nhau nhờ các nhóm vi sinh vật thông qua chu trình chuyển hóa nitơ tự nhiên.
1.5.3. Nguồn thâm nhập nitơ trong nông nghiệp
Nguồn ô nhiễm trong nông nghiệp chủ yếu phát sinh từ hoạt động chăn nuôi, trồng trọt với dư lượng lớn thuốc bảo vệ thực vật, phân bón hóa học. Các chất ô nhiễm sẽ tích lũy, chuyển hóa dần trong đất, thâm nhập sâu vào tầng chứa nước dưới đất gây ảnh hưởng đến môi trường và sức khỏe cộng đồng.
Nitơ là nguyên tố dinh dưỡng khoáng thiết yếu của thực vật và được cây trồng hấp thụ dưới dạng hợp chất amoni, nitrat. Hàm lượng nitơ và hợp chất chứa nhiều trong các loại phân bón hóa học như:
Phân NPK: Phân hỗn hợp chứa 3 nguyên tố N,P,K.
Phân Đạm: Cung cấp Nitơ dưới dạng NH4+ NO3-. Độ dinh dưỡng của phân đạm được đánh giá bằng hàm lượng phần trăm nitơ trong phân.
Phân đạm amonium: Gồm các muối amoni: NH4Cl (25% nitơ), (NH4)2SO4 (21%
nitơ), NH4NO3 (35% nitơ),...
Phân đạm amoni clorua: chứa 24% – 25% nitơ nguyên chất.
Phân đạm amoni sunfat: Chứa 20-21% Nitơ nguyên chất.
Phân đạm nitơrat: Gồm các muối Nitrat (NaNO3, Ca(NO3)2…). Tỉ lệ phần trăm nitơ thấp.
Phân photphat đạm: Là loại phân vừa có đạm, vừa có lân. Hiệu quả nhanh.
Đạm ure, phân ure: Có tỉ lệ Nitơ cao nhất. Được dùng nhiều trong nông nghiệp.
Tại những vùng đất trồng trọt, hoạt động canh tác đào xới, sử dụng phân bón hóa học làm tăng cao hàm lượng nitơ trong đất. Đồng thời các hợp chất không ngừng biến đổi và chuyển hóa, một phần được thực vật hấp thụ, còn lại sẽ bị rửa trôi và tích lũy trong đất dưới dạng amoni, nitrat. Nitrate ở dạng rất linh động và dễ hòa tan trong nước.
Khi nước mưa, nước bề mặt qua đới rễ cây thấm và cuốn theo nitrat đi xuống đến đới không bão hòa, đới bão hòa. Đây được coi như một nguyên nhân gây suy giảm chất lượng nước dưới đất.
1.5.4. Chu trình chuyển hóa nitơ tự nhiên
Chu trình nitơ là một quá trình mà theo đó nitơ bị biến đổi qua lại giữa các dạng hợp chất hóa học. Trong đó quá trình amoni hóa, nitrat hóa, khử nitơ đóng vai trò quan trọng vào việc chuyển hóa amoni, nitrat thành nitơ phân tử.
Hình 1.15. Chu trình chuyển hóa nitơ tự nhiên
Quá trình amoni hóa (fixation of ammonium) là quá trình phân hủy và chuyển hoá các hợp chất hữu cơ phức tạp thành NH3 dưới tác dụng của vi sinh vật, và chuyển hóa thành NH4+ khi gặp nước. Khi pH tăng thì quá trình amoni hóa cũng tăng do tác động của các enzyme (Yaying Li và cộng sự, 2018).
Quá trình nitrat hóa (nitrification) NH4+ được hình thành từ quá trình amoni hóa sẽ được tiếp tục chuyển hóa thành NO2- rồi thành NO3- dưới tác dụng của Oxi và vi sinh vật. pH có tác động mạnh đến quá trình nitrat hóa vì nó không chỉ ảnh hưởng đến tốc độ tăng trưởng của vi khuẩn mà còn ảnh hưởng đến cân bằng NO2/HNO2 và NH4+/NH3 và do đó ảnh hưởng đến tính sẵn có của chất nền cho AOB (các chất oxi hóa amoni) và NOB (các chất oxi hóa nitrite) (Fabian Beeckman, 2018). Quá trình nitrat hóa có thể xảy ra ở các giá trị pH thấp tới 2,8. Môi trường thích hợp cho quá trình nitrate hóa là pH > 6 (tối ưu ở pH = 7-8).
Hình 1.16. Ảnh hưởng của pH đất đến quá trình nitrate hóa (Nguồn: Yaying Li và cộng sự, 2018)
Quá trình khử nitơ (denitrification) giúp chuyển hóa nitơ từ dạng nitrat về dạng nitơ phân tử , diễn ra ở hầu hết các điều kiện pH, khi pH tăng thì quá trình khử nitơ cũng tăng (Jinyang Wang và cộng sự, 2018).
1.5.5. Yếu tố ảnh hưởng đến sự thâm nhập của nitơ vào môi trường địa chất Nước được xem như một dung môi vận chuyển các hợp chất nitơ, nước từ lớp đất bề mặt, nước mưa, ảnh hưởng đáng kể đến sự dịch chuyển của nitrate vào sâu môi trường đất (Bijay Singh, 1978). Tốc độ thấm của nước phụ thuộc nhiều vào đặc điểm thạch học, thành phần vật liệu của khu vực nghiên cứu (Habib Smida và cộng sự, 2010).
Thành phần vật liệu là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự thâm nhập của nitơ trong đất. Những khu vực thành tạo trầm tích có thành phần thạch học với hàm lượng bụi sét cao, tốc độ thấm nước rất nhỏ sẽ là nơi làm giảm và ngăn chặn sự thâm nhập của nitơ vào sâu môi trường địa chất. Ngược lại, những khu vực thành tạo trầm tích có thành phần thạch học là cát, cuội, sỏi, hạt bở rời, thoát nước rất nhanh, sẽ là
những nơi rất dễ cung cấp nitơ vào sâu môi trường địa chất và có thể đến tầng chứa nước.
pH đất đóng vai trò giúp quá trình chuyển hóa nitơ tự nhiên xảy ra nhanh chóng.
Khi pH môi trường trung tính-kiềm sẽ rất thuận lợi cho quá trình biến đổi nitơ về dạng nitơ phân tử. Ngược lại khi pH môi trường thấp hoặc quá cao quá trình chuyển hóa nitơ diễn ra chậm hơn, hàm lượng amoni, nitrat dễ tích lũy trong đất hơn.
Yếu tố địa hình ảnh hưởng đến quá trình lan truyền, vận chuyển chất ô nhiễm từ dòng chảy mặt và yếu tố địa chất thủy văn, dòng chảy nước dưới đất sẽ ảnh hưởng đến sự thấm, lan truyền của nitơ đến tầng chứa nước.
Hình 1.17. Yếu tố ảnh hưởng đến nitơ trong môi trường địa chất
CHƯƠNG 2