y = 0.0147x + 1.1713R2 = 0.7625 R2 = 0.7625 y = 0.0581x - 0.7944 R2 = 0.9598 0 4 8 12 16 0 50 100 150 200 250 300 U trong thân+lá cải canh
U trong rễ cải canh
Đất ACf y = 0.0196x - 0.2464 R2 = 0.9884 y = 0.028x - 0.3786 R2 = 0.9943 0 2 4 6 8 0 50 100 150 200 250 300
U trong thân+lá cải canh
U trong rễ cải canh Đất FLt
y = 0.014x + 1.2971R2 = 0.9659 R2 = 0.9659 y = 0.0952x - 2.8661 R2 = 0.8808 0 5 10 15 20 25 0 50 100 150 200 250 300
U trong thân+lá cải canhU trong rễ cải canh U trong rễ cải canh
Hình 3.3. Mối tương quan giữa hàm lượng urani trong cải canh và trong đất Từ hình 3.3 cũng nhận thấy hệ số tương quan giữa hàm lượng U trong đất và hàm lượng urani trong rễ cao hơn so với hệ số tương quan giữa hàm lượng U trong đất và hàm lượng urani trong thân+lá. Hệ số tương quan (R2) của phương trình tương quan [U]đất – [U]rễ thay đổi trong khoảng từ 0,76 đến 0,99, trong khi đó giá trị R2 của phương trình tương quan [U]đất – [U]thân+lá thay đổi từ 0,56 đến 0,98. Điều
H àm lư ợng ura ni trong cả i c anh (m g/ kg)
84
này cho thấy quan hệ giữa hàm lượng U trong thân và lá với hàm lượng U trong đất là phức tạp hơn so với mối quan hệ giữa [U]rễ và [U]đất.
3.3.1.4. Tương quan giữa hàm lượng urani trong cải canh và tính chất của đất
Mối tương quan giữa hàm lượng urani trong thân+lá và rễ cải canh với các tính chất của đất đã được xác định bằng chạy chương trình xử lý số liệu “Correlation” trong phần mềm SPSS. Bảng số liệu để chạy chương trình gồm bốn hàng tương ứng với bốn loại đất và 11 cột là hàm lượng các thành phần hóa học, thành phần vật lý của đất và hàm lượng urani trong thân+lá rau hoặc hàm lượng urani trong rễ rau. Trong số các thành phần hóa học của đất chỉ lựa chọn một số chỉ tiêu tiêu biểu được xem là có ý nghĩa quan trọng đối với quá trình hấp thu và tích tụ urani của rau. Thành phần hóa học đất được lựa chọn là thành phần sét (có tính trao đổi ion tốt), CEC, SOM, pH, Fe, K, P, Mo, Zn và V. Các nguyên tố K và P là dinh dưỡng đa lượng cần thiết cho sự phát triển của cây đồng thời cũng có vai trò hỗ trợ để cây có thể hấp thu tốt các khoáng chất, kể cả kim loại nặng.
Kẽm (Zn) được coi là một trong các nguyên tố vi lượng rất cần thiết cho cây trồng. Thiếu hụt Zn trong thành phần vi lượng của đất sẽ làm sụt giảm năng suất cây trồng. Kẽm hỗ trợ cho quá trình tổng hợp các chất sinh trưởng và các hệ thống enzyme cần thiết cho sự tăng cường một số phản ứng trao đổi chất trong cây. Nó là xúc tác của quá trình tổng hợp diệp lục và carbohydrat [5, 13]. Chính vì lý do đó mà kẽm có thể có mối tương quan chặt chẽ với quá trình hấp thu và tích tụ urani vào rễ và phần ăn được của rau cải.
Sắt có vai trò là chất xúc tác để hình thành nên diệp lục và hoạt động như là một chất mang oxy. Nó cũng giúp hình thành nên một số hệ thống men hô hấp. Thiếu sắt gây ra hiện tượng bạc lá có thể phân biệt rõ ràng giữa những gân lá mầu xanh và khoảng giữa mầu vàng. Vì sắt không được vận chuyển giữa các bộ phận trong cây nên biểu hiện thiếu Fe xuất hiện trước tiên ở các lá non gần đỉnh sinh trưởng của cây.
Molipden (Mo) và vanadi (V) là các nguyên tố cần thiết để tổng hợp các men khử nitrat. Loại men này có chức năng khử nitrat thành ammonium trong cây. Molipden có vai trò quan trọng trong tổng hợp đạm cộng sinh của vi khuẩn
85
Rhizobia trong nốt sần cây họ đậu. Molipden cũng cần thiết cho việc chuyển hóa lân
từ dạng vô cơ sang hữu cơ trong cây.
Hàm lượng urani trong thân+lá rau cũng như trong rễ rau được lấy cho trường hợp hàm lượng urani bổ sung cho cả bốn loại đất là 100 mg/kg đất. Kết quả chạy chương trình “Correlation” với bảng số liệu 4 hàng và 11 cột như trình bày ở trên được đưa ra trong bảng 3.5 và 3.6.
Bảng 3.5. Các hệ số tương quan cặp giữa các tính chất đất và hàm lượng urani trong thân+lá cải canh
Uthân+lá clay CEC SOM pH Fe K P Mo Zn V
Uthân+lá 1 clay 0,26 1 CEC -0,38 -0,09 1 SOM -0,11 0,81 -0,38 1 pH 0,67 0,29 -0,93 0,37 1 Fe 0,03 0,42 -0,84 0,79 0,73 1 K 0 67 0,83 -0,51 0,65 0,74 0,56 1 P 0 72 -0,43 -0,05 -0,75 0,23 -0,47 -0,01 1 Mo 0 41 0,77 -0,71 0,83 0,79 0,84 0,91 -0,28 1 Zn 0 98 0,27 -0,54 -0,00 0,80 0,21 0,73 0,65 0,53 1 V 0,23 0,51 -0,87 0,78 0,83 0,97 0,71 -0,33 0,92 0,39 1
Kết quả bảng 3.5 cho thấy hàm lượng urani trong thân và lá rau cải canh có mối tương quan thuận khá rõ ràng với pH (R2=0,67), với kali (R2=0,67), với photpho (R2=0,72) và với kẽm (R2=0,98) (bảng 3.5). Có thể cũng có mối tương quan thuận giữa [U]thân+lá với molipden, nhưng mối tương quan này không chặt chẽ như các mối tương quan cặp đã nêu ở trên, hệ số tương quan R2 trong trường hợp Mo chỉ là 0,41 (bảng 3.5). Hàm lượng urani trong thân và lá rau hầu như không có liên quan đến thành phần sét, hàm lượng SOM, CEC và V vì hệ số tương quan cặp với [U]thân+lá là thấp, R2 <0,4.
86
rau cải với pH là do độ pH trong đất có khả năng điều chỉnh mức linh động của ion uranyl làm cho ion này được hấp thu tốt vào phần ăn được.
Đúng như dự kiến, vi lượng kẽm đóng vai trò kích thích phát triển enzyme tăng cường sinh trưởng của rau và do đó làm tăng khả năng hấp thu dinh dưỡng cũng như vi lượng của thực vật. Mối tương quan đồng biến giữa hàm lượng Zn trong đất và urani trong thân và lá rau có hệ số R2 cao nhất (0,98) so với các mối quan hệ khác đã minh chứng cho giả thuyết đã nêu.
Mối tương quan giữa hàm lượng urani trong thân và lá rau với CEC và hàm lượng SOM là không chặt chẽ, hệ số tương quan tương ứng là -0,38 và -0,11. Tuy nhiên, giá trị âm của R2 chứng tỏ hai chỉ tiêu này có vai trò hạn chế mức linh động của urani trong đất, đúng như những phân tích đã trình bày trong phần tổng quan. Năng lực trao đổi cation hoặc hàm lượng SOM càng lớn thì mức linh động của urani càng thấp theo cơ chế hấp phụ hoặc cơ chế bao bọc.
Bảng 3.6. Các hệ số tương quan cặp giữa các tính chất đất và hàm lượng urani trong rễ cải canh
Urễ clay CEC SOM pH Fe K P Mo Zn V
Urễ 1 clay -0,27 1 CEC -0,20 -0,09 1 SOM -0 60 0,81 -0,38 1 pH 0 0,29 -0,93 0,37 1 Fe -0,31 0,42 -0,84 0,79 0,73 1 K 0,18 0,83 -0,51 0,65 0,74 0,56 1 P 0 -0,43 -0,05 -0,75 0,23 -0,47 -0,01 1 Mo -0,07 0,77 -0,71 0,83 0,79 0,84 0,91 -0,28 1 Zn 0 0,27 -0,54 -0,00 0,80 0,21 0,73 0,65 0,53 1 V -0,15 0,51 -0,87 0,78 0,83 0,97 0,71 -0,33 0,92 0,39 1 Số liệu của bảng 3.6 cho thấy hàm lượng urani trong rễ cải canh có mối tương quan tuyến tính thuận với phốt pho và kẽm tương ứng với hệ số tương quan R2=
87
0,97 và 0,79. Giá trị pH của đất cũng một phần nhỏ có vai trò tăng cường mức linh động của urani trong đất nhưng thể hiện không rõ ràng và do đó hệ số tương quan tương đối thấp R2 =0,41. Hệ số tương quan cặp của SOM - [U]rễ là -0,60 phản ánh đúng bản chất của SOM là giảm linh động của kim loại do cơ chế bao bọc bởi các cấu trúc giả mixel của các hợp chất hữu cơ đất.
Một điều đáng ngạc nhiên là kali trong đất không thể hiện vai trò tăng cường năng lực hút urani của rễ rau, hệ số tương quan giữa [K]đất và [U]rễ rất thấp (R2=0,18). Vai trò dinh dưỡng tăng cường năng lực hút kim loại nặng của bộ rễ chỉ thể hiện ở photpho với hệ số tương quan giữa [P]đất và [U]rễ rất cao, R2 = 0,97. Kết quả bảng 3.5 và 3.6 cho thấy vai trò của kali, có lẽ, chỉ là tác nhân làm hoạt hóa một số enzyme để tổng hợp men ATP (Adenosine TriPhosphate) nhưng không tham gia trực tiếp thúc đẩy hấp thu khoáng chất. Men ATP là nguồn năng lượng quan trọng cho nhiều quá trình tổng hợp hóa học trong các mô của thực vật. Cùng với kali, lân là nhân tố để tạo ra ATP, do đó lân (P) có vai trò thúc đẩy phát triển bộ rễ làm cho nó hút được nhiều khoáng chất hơn, trong đó có cả kim loại nặng và urani. Điều này giải thích vì sao giữa P và U trong thân và lá có mối tương quan rất chặt chẽ (R2 = 0,97).
Bảng 3.5 và 3.6 là mối tương quan cặp giữa hàm lượng urani trong thân+lá và trong rễ rau cải canh với một số thành phần hóa học và vật lý quan trọng của đất. Tuy nhiên, trong thực tế mức hấp thu và tích tụ của urani trong các thành phần của cây rau cải được chi phối tổng hợp và tương hỗ của tất cả các thành phần và tính chất của đất. Để xác định sự phụ thuộc giữa hàm lượng urani trong thân+lá và rễ với các tính chất của đất trong mối tương hỗ tổng hợp đã tiến hành xử lý số liệu bằng phương pháp hồi quy nhiều biến. Phương pháp xử lý được triển khai trên cơ sở bảng số liệu như đã thiết lập để xử lý theo chương trình tương quan (correlation) nhưng trong trường hợp này sử dụng chương trình hồi quy (regression) đối với bảng số liệu có 4 hàng tương ứng với bốn loại đất và 11 cột ứng với 11 thành phần đại diện cho tính chất đất. Hàm số là hàm lượng urani trong thân+lá hoặc trong rễ và các biến là 11 thành phần đã chọn của đất. Bảng 3.7 và 3.8 trình bày kết quả xử lý số liệu theo chương trình “regression” trong phần mềm SPSS.
88
Bảng 3.7. Mối quan hệ giữa hàm lượng urani trong thân+lá cải canh và các tính chất của đất Hệ số hàm hồi quy (Coefficients) Cận dưới (Lower) 95% Cận trên (Upper) 95% Hệ số tự do -0,70 -0,70 -0,70 clay 0 0 0 CEC 0 0 0 SOM 0 0 0 pH 0 0 0
Fe -12,26E-05 -12,26E-05 -12,26E-05
K 27,88E-05 27,88E-05 27,88E-05
P 0 0 0
Mo 0 0 0
Zn 0,046 0,046 0,046
V 0 0 0
Bảng 3.8. Mối quan hệ giữa hàm lượng urani trong rễ cải canh và các tính chất của đất
Hệ số hàm hồi quy (Coefficients) (Lower) 95% Cận dưới (Upper) 95% Cận trên
Hệ số tự do 2,858 2,858 2,858
clay 0 0 0
CEC 0 0 0
SOM 0 0 0
pH 0 0 0
Fe -3E-05 -3E-05 -3E-05
K -39E-05 -39E-05 -39E-05
P 0 0 0
Mo 0 0 0
Zn 0,016 0,016 0,016
89
Từ bảng 3.7 ta có biểu thức mô tả sự phụ thuộc giữa hàm lượng urani tích tụ trong thân và lá rau cải canh vào các thành phần hóa học của đất ở mức đất bị ô nhiễm 100mg U/kg đất là:
[U]thân+lá = 27,88.10-5[K]đất - 12,26.10-5[Fe]đất + 0,046[Zn]đất - 0,7 (3.1) với khoảng tin cậy 95%.
Từ bảng 3.8 ta có biểu thức mô tả sự phụ thuộc giữa hàm lượng urani tích tụ trong rễ rau và các thành phần hóa học của đất ở mức đất bị ô nhiễm 100mg U/kg đất là:
[U]rễ = 2,858 - 3.10-5[Fe]đất - 39.10-5[K]đất + 0,016[Zn]đất (3.2) trong khoảng tin cậy 95%.
Trong các biểu thức (3.1) và (3.2) hàm lượng của các nguyên tố thành phần đất là hàm lượng tổng số được xác định bằng phương pháp XRF hoặc kích hoạt bởi chùm tia gamma. Đơn vị của hàm lượng các nguyên tố là mg/kg đất khô. Hàm lượng urani trong thân + lá và trong rễ rau được tính bằng mg/kg khô.
Nếu số liệu thực nghiệm được xử lý theo chương trình “correlation” là một chương trình đơn giản chỉ để tìm mối tương quan theo cặp giữa hàm lượng các ion trong đất với hàm lượng urani trong thân thì không thấy sắt thể hiện rõ vai trò làm giảm hoặc tăng cường mức hấp thu urani trong thân và lá cây rau cải (bảng 3.5 và bảng 3.6). Nhưng nếu số liệu thực nghiệm được xử lý theo chương trình hiện đại hơn, đó là chương trình “regression” để tìm mối quan hệ giữa hàm lượng urani trong cây trong mối tương quan tương hỗ của tất cả các thành phần trong đất thì thấy sắt có vai trò rõ rệt làm giảm mức tích tụ urani trong thân, lá và rễ rau. Mô hình hồi quy mô tả hàm lượng urani trong thân và rễ rau trồng trên bốn loại đất khác nhau với thành phần đất khác nhau có hệ số hồi quy của sắt là -12,26.10-5 (bảng 3.7 và biểu thức 3.1). Như vậy, sự có mặt của các khoáng vật chứa sắt trong đất đã làm tăng mức hấp phụ uranyl và làm giảm mức linh động của ion này. Đây là cơ chế làm giảm mức tích tụ của urani trong thực vật khi hàm lượng sắt trong đất tăng cao.
Biểu thức (3.1) cho thấy mức tích tụ urani trong thân và lá rau cải được tăng cường bởi kali và kẽm. Vai trò của kali đối với sự phát triển của cây và lá thực vật được khẳng định trong nhiều tài liệu [78, 107] và cũng đã được bàn luận ở phần
90
trên. Sinh khối của cây phát triển tốt sẽ làm tăng khả năng vận chuyển khoáng chất từ rễ lên thân và lá.
Theo biểu thức (3.1) thì kẽm có vai trò thúc đẩy hấp thu urani vào thân và lá rau vì hàm lượng urani trong thân và lá rau đồng biến với hàm lượng kẽm trong đất. Đối với kẽm, hệ số hồi quy là +0,046. Điều này có thể được giải thích là do kẽm có vai trò làm xúc tác tổng hợp diệp lục làm cho sinh khối phát triển tốt. Thực vật nếu thiếu vi lượng kẽm thì lá kém phát triển kéo theo suy giảm năng suất [13]. Đây là nguyên nhân vì sao kẽm lại có khả năng làm tăng mức vận chuyển urani từ đất vào rễ rồi đến thân và lá rau.
Phần dư không giải thích được trên cơ sở tương quan với hàm lượng sắt, kali và kẽm của mô hình (3.1) với giá trị -0,7 biểu thị rằng urani không thể vận chuyển được từ rễ lên thân và lá rau, nếu trong đất không có kali và không có kẽm. Trong trường hợp này nếu trong thân và lá rau có urani được lấy từ một nguồn nào khác đất, thí dụ từ rơi lắng trong khí quyển và hấp thụ vào rau qua lá, thì phần urani này sẽ bị đào thải ngược trở lại đất.
Như vậy, theo quan điểm bảo vệ an toàn bức xạ, tức là làm sao hàm lượng urani phóng xạ trong rau thấp để không gây ảnh hưởng đến sức khỏe qua đường thực phẩm thì trên cơ sở biểu thức (3.1), rau cải trồng trên nền đất có hàm lượng urani cao không nên bón phân kali, nếu hàm lượng kali tổng số trong đất cao hơn mức 750 mg/kg đất khô, ngang bằng hàm lượng kali trong đất ACf lấy từ Bắc Giang. Đồng thời phải có biện pháp giảm hàm lượng kẽm nhưng cần bổ sung sắt. Đã có một số công trình khoa học công bố sử dụng bột sắt để xử lý asen ô nhiễm trong nước ngầm thông qua cơ chế hấp phụ, ví dụ như [9, 43].
Biểu thức (3.2) cho thấy sắt và kali làm giảm mức linh động của urani trong đất nên phần urani tập trung được vào rễ rau nghịch biến với hàm lượng Fe và K trong đất. Các hệ số hồi quy đối với Fe và K tương ứng là -3.10-5 và -39.10-5 (bảng 3.9 và biểu thức 3.2). Sắt có tính hấp phụ cao đối với cation uranyl và do đó cố định, không cho kim loại vận chuyển vào rễ rau. Theo mô hình (3.2) thì kali không có vai trò kích thích phát triển bộ rễ để cây hút được nhiều dinh dưỡng hoặc khoáng chất mà có lẽ kali là cation cạnh tranh với uranyl trong quá trình vận chuyển từ đất