a. Trong môi trường đất:
1.3.2. Nguyên tố kẽm [13,14,36]
a. Vị trí, cấu tạo và tính chất của kẽm
Kẽm có ký hiệu hóa học là Zn (tên Latin: zincum), có số hiệu nguyên tử Z = 30, thuộc nhóm IIB, chu kỳ 4 trong bảng hệ thống tuần hoàn. Khối lượng nguyên tử là 65,37 đvC. Thế ion hóa 17,96 eV, nhiệt độ nóng chảy 419,50C, nhiệt độ sôi 9060C, khối lượng riêng 7,13 g/cm3, nhiệt thăng hoa 140 kJ/mol, độ dẫn điện là 16. Kẽm có 8 vạch phổ λ (nm) đặc trưng để định tính: 636,234; 481,053; 472,216; 468,014; 334,502; 330,259; 328,233; 213,856 (theo George R. Harrison).
Trữ lượng trong thiên nhiên của kẽm là khoảng 5.10-3% khối lượng vỏ trái đất, 1,5.10-3% tổng số nguyên tử của vỏ trái đất, tức là nguyên tố tương đối phổ biến.
Kẽm trong tự nhiên là hỗn hợp của 4 đồng vị ổn định Zn64, Zn66, Zn67, và Zn68
với đồng vị 64 là phổ biến nhất (48,6% trong tự nhiên). 22 đồng vị phóng xạ được biết đến với phổ biến hay ổn định nhất là Zn65 với chu kỳ bán rã 244,26 ngày, và Zn72 với chu kỳ bán rã 46,5 giờ. Các đồng vị phóng xạ khác có chu kỳ bán rã nhỏ hơn 14 giờ và phần lớn có chu kỳ bán rã nhỏ hơn 1 giây.
Trong nước biển kẽm tồn tại chủ yếu ở dạng ion tự do Zn2+ và chiếm khoảng 5.10-6 % khối lượng.
Khoáng vật chứa kẽm là quặng blen kẽm (ZnS), calamin (ZnCO3), phranclinit hay ferit kẽm (Zn(FeO2 )2), ngoài ra còn có zincit (ZnO).
Kẽm là một kim loại màu trắng xanh nhạt ở nhiệt độ thường nhưng khi nấu đến 100 – 1500C nó trở nên mềm, dẻo, dễ dát mỏng, dễ kéo dài. Trong không khí, nó bị phủ bởi một lớp oxit nên mất tính ánh kim.
Kẽm là kim loại tương đối hoạt động, song ở nhiệt độ thường kẽm bền với nước vì có màng oxit bảo vệ.
b. Ứng dụng của kẽm
Kẽm là kim loại được sử dụng phổ biến hàng thứ tư sau sắt, nhôm, đồng tính theo lượng sản xuất hàng năm. Kẽm được sử dụng để mạ kim loại, chẳng hạn như thép để chống ăn rỉ. Kẽm được sử dụng trong các hợp kim như đồng thanh, niken trắng, các loại que hàn, bạc Đức v.v. Đồng thanh có ứng dụng rộng rãi nhờ độ cứng và sức kháng rỉ cao. Kẽm được sử dụng trong dập khuôn, đặc biệt là trong công nghiệp ô tô. Kẽm dạng cuộn được sử dụng để làm vỏ pin. Ôxít kẽm được sử dụng như chất liệu có màu trắng trong màu nước và sơn cũng như chất hoạt hóa trong công nghiệp ô tô. Sử dụng trong thuốc mỡ, nó có khả năng chống cháy nắng cho các khu vực da trần. Sử dụng như lớp bột mỏng trong các khu vực ẩm ướt của cơ thể (bộ phận sinh dục) của trẻ em để chống hăm. Clorua kẽm được sử dụng làm chất khử mùi và bảo quản gỗ. Sulfua kẽm được sử dụng làm chất lân quang, được sử dụng để phủ lên kim đồng hồ hay các đồ vật khác cần phát sáng trong bóng tối.
Methyl kẽm (Zn(CH3)2) được sử dụng trong một số phản ứng tổng hợp chất hữu cơ. Stearat kẽm được sử dụng làm chất độn trong sản xuất chất dẻo (plastic) từ dầu mỏ. Các loại nước thơm sản xuất từ calamin, là hỗn hợp của hydroxycacbonat kẽm và silicat, được sử dụng để chống phỏng da. Trong thực đơn hàng ngày, kẽm có trong thành phần của các loại khoáng chất và vitamin. Người ta cho rằng kẽm có thuộc tính chống ôxi hóa, do vậy nó được sử dụng như là nguyên tố vi lượng để chống sự chết yểu của da và cơ trong cơ thể (lão hóa). Trong các biệt dược chứa một lượng lớn kẽm, người ta cho rằng nó có tác dụng làm nhanh lành vết thương. Gluconat glycin kẽm trong các viên nang hình thoi có tác dụng chống cảm.
c. Độc tính của kẽm
Kẽm ít độc tính. Hàm lượng trong thức ăn thấp, một khẩu phần ăn hàng ngày cung cấp từ 0,17 – 0,25 mg kẽm/kg thể trọng. Do có giới hạn đảm bảo giữa nồng độ kẽm có thể gây ngộ độc do tích luỹ nên hàm lượng kẽm được giới hạn trong thức ăn (từ 5 – 10 ppm) không gây ảnh hưởng đến sức khoẻ tiêu dùng.
Ăn vào hơn 150 mg kẽm mỗi ngày có thể gây rối loạn chuyển hóa đồng và sắt, nhưng chỉ có ý nghĩa khi các ion này bị giới hạn. Một liều rất cao (450mg/ngày) làm thiếu đồng và gây thiếu máu nguyên bào sắt, liều nhập quá cao có thể gây suy giảm chức năng miễn dịch. Quá liều có thể gây buồn nôn, phát ban, sự khử nước và loét dạ dày. Kẽm làm giảm hấp thu tetracycline. Nên tránh điều trị kẽm trong thai kỳ và cho con bú.
Ngộ độc kẽm cũng là ngộ độc cấp tính, do ăn phải một lượng lớn kẽm (3 - 5g ZnCl2 hoặc 5 - 10g ZnSO4) có thể gây chết người với triệu chứng như có vị kim loại khó chịu và dai dẳng trong miệng, nôn, ỉa chảy, mồ hôi lạnh, mạch đập khẽ, chết sau 10 đến 48 giây.
d. Tác dụng sinh hóa của kẽm [25]
Kẽm đóng vai trò sinh học không thể thiếu đối với sức khỏe con người, cho dù kẽm chỉ chiếm khoảng vài phần triệu trọng lượng khô của cơ thể. Người ta cũng đã phát hiện được nhiều căn bệnh liên quan đến sự thiếu hoặc thừa kẽm. Theo các nhà khoa học, lượng kẽm cần cho người trưởng thành hằng ngày là 10 – 15 mg. Nhưng nhu cầu về kẽm còn tùy thuộc vào độ tuổi và trạng thái sinh lí của cơ thể. Ví dụ trẻ dưới 1 tuổi cần 8 mg/ngày, trẻ từ 1 – 10 tuổi cần đến 2 – 25 mg kẽm/ngày.
Kẽm được đưa vào cơ thể chủ yếu qua đường tiêu hóa, được hấp thụ phần lớn ở ruột non. Vì vậy, những người có bệnh ở đường tiêu hóa thường bị thiếu kẽm. Nó được thải ra ngoài với một lượng lớn qua dịch ruột, dịch tụy (2 – 5 mg), còn lại qua nước tiểu (0,5 – 0,8 mg) và mồ hôi (0,5 mg). Khi vào cơ thể, phần lớn kẽm tập trung trong tế bào, chỉ một lượng nhỏ trong huyết tương, dạng gắn kết với albumin và 2- macropolysaccaride.
Kẽm tham gia vào thành phần cấu trúc tế bào và đặc biệt là tác động đến hầu hết các quá trình sinh học trong cơ thể. Kẽm có trong thành phần của hơn 80 loại enzym khác nhau, đặc biệt có trong hệ thống enzym vận chuyển, thủy phân, đồng hóa, xúc tác phản ứng gắn kết các chuỗi trong phân tử ADN, xúc tác phản ứng oxi hóa cung cấp năng lượng. Ngoài ra kẽm còn hoạt hóa nhiều enzym khác nhau như amylase, pencreatinase ...
Đặc biệt, kẽm có vai trò sinh học rất quan trọng là tác động chọn lọc lên quá trình tổng hợp, phân giải axit nucleic và protein – những thành phần quan trọng nhất của sự sống. Vì vậy, các cơ quan như hệ thần kinh trung ương, da, niêm mạc, hệ tiêu hóa, hệ tuần hoàn... rất nhạy cảm với sự thiếu hụt kẽm. Nếu thiếu kẽm, trẻ sẽ biếng ăn.
Một vai trò cũng rất quan trọng khác của kẽm là vừa cấu trúc vừa tham gia vào duy trì chức năng của hàng loạt cơ quan quan trọng. Kẽm có độ tập trung cao trong não, đặc biệt là vùng hải mã (hippocampus), vỏ não. Nếu thiếu kẽm ở các cấu trúc thần kinh có thể dẫn đến nhiều loại rối loạn thần kinh và có thể là yếu tố góp phần phát sinh bệnh tâm thần phân liệt.
Vai trò hết sức quan trọng nữa của kẽm là nó tham gia điều hòa chức năng của hệ thống nội tiết và có trong thành phần các hormon (tuyến yên, tuyến thượng thận, tuyến sinh dục...). Hệ thống này có vai trò quan trọng trong việc phối hợp với hệ thần kinh trung ương, điều hòa hoạt động sống trong và ngoài cơ thể, phản ứng với các kích thích từ môi trường và xã hội, làm cho con người phát triển và thích nghi với từng giai đoạn và các tình huống phong phú của cuộc sống. Vì thế thiếu kẽm có thể ảnh hưởng đến quá trình thích nghi và phát triển của con người.
Ngoài ra, các công trình nghiên cứu còn cho thấy kẽm có vai trò làm giảm độc tính của các kim loại độc như nhôm (Al), asen (As), cadimi (Cd)... Góp phần
vào quá trình giảm lão hóa, thông qua việc ức chế sự oxi hóa và ổn định màng tế bào. Khả năng miễn dịch của cơ thể được tăng cường nhờ kẽm, bởi nó hoạt hóa hệ thống này thông qua cơ chế kích thích các đại thực bào, tăng các limpho T... Vì vậy, khi thiếu kẽm nguy cơ nhiễm khuẩn ở bệnh nhân sẽ tăng lên.
Cũng cần nói thêm rằng, kẽm không chỉ quan trọng trong hoạt động sống với vai trò độc lập mà còn quan trọng hơn khi sự có mặt của nó sẽ giúp cho quá trình hấp thu và chuyển hóa các nguyên tố khác cần thiết cho sự sống như đồng (Cu), mangan (Mn), magie (Mg)... Do vậy, khi cơ thể thiếu kẽm sẽ kéo theo sự thiếu hụt hoặc rối loạn chuyển hóa của nhiều yếu tố, ảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe.
1.3.3. Nguyên tố cadimi [13,14,36]
a. Vị trí cấu tạo và tính chất của cadimi
Cadimi có ký hiệu hóa học là Cd (tên Latin: cadmium), có số hiệu nguyên tử Z = 48, thuộc nhóm IIB, chu kỳ 5 trong bảng hệ thống tuần hoàn. Trạng thái oxi hóa phổ biến của cadimi là +2, nhưng có thể tìm thấy các hợp chất mà nó có số oxi hóa +1. Cadimi là kim loại nặng, mềm, màu trắng xanh, dễ nóng chảy, có khối lượng nguyên tử là 112,41 đvC, khối lượng riêng 8,63 g/cm3, nhiệt độ nóng chảy 3210C, nhiệt độ sôi 7670C, nhiệt thăng hoa 112 kJ/mol, độ dẫn điện 13. Cadimi có 5 vạch phổ λ (nm) đặc trưng để định tính: 643,847; 361,051; 346,620; 340,365; 228,812 (theo George R. Harrison).
Cadimi là một nguyên tố hiếm, chiếm 8.10–6% khối lượng vỏ Trái Đất. Cadimi thường có trong các khoáng vật chứa kẽm và là sản phẩm phụ quá trình sản xuất kẽm, đồng và chì. Thí dụ, khoáng vật chứa cadimi là grenokit (CdS), thường tồn tại lượng nhỏ trong quặng kẽm là: blen kẽm (ZnS), và calamin (ZnCO3) có chứa khoảng 3% cadimi, hoặc trong quặng thủy ngân là xinaba thần sa (HgS). Cadimi còn tồn tại trong quặng đa kim với chì và đồng. Cadimi có 8 đồng vị, Cd106 đến Cd116, trong đó Cd111 (12, 8%), Cd114 (28,7%).
Trong không khí ẩm, cadimi dần dần bị bao phủ bởi lớp oxit nên mất tính ánh kim và không bị gỉ. Cadimi là kim loại tương đối hoạt động, nó tác dụng được với oxi, halogen, lưu huỳnh và photpho.
Cadimi là một kim loại độc hiện đại. Nó chỉ mới được phát hiện như một nguyên tố vào năm 1817 và được sử dụng trong công nghiệp vào khoảng 50 năm trước. Hiện nay, cadimi là một kim loại rất quan trọng trong nhiều ứng dụng khác nhau, đặc biệt cadimi được sử dụng chủ yếu trong mạ điện, vì nó có đặc tính không ăn mòn. Ngoài ra cadimi còn được sử dụng làm chất màu cho công nghệ sơn và công nghệ chất dẻo và là catot cho các nguồn pin Ni – Cd, sản phẩm phụ của công nghệ luyện chì và kẽm.
b. Ứng dụng của cadimi
Cadimi dùng sản xuất sơn, phẩm màu công nghiệp, ổn định chất nhựa (PVC), làm điện cực pin (Ni - Cd), dùng mạ điện (trong sản xuất máy bay), dùng sản xuất thép - mạ đồng, chống ăn mòn, dùng làm chấm lượng tử (dạng Cd - Se) phát quang theo kích thích tia UV, dùng trong "ống màu sắc hình ảnh" trong kỹ thuật truyền hình, dùng phủ mặt trống quang dẫn (photoconductive) trong kỹ thuật làm ảnh, dùng trong lò phản ứng áp lực nước (dạng hợp kim Ag- Id - Cd), dùng làm chất bán dẫn (dạng Te – Hg - Cd) trong sản xuất tế bào quang điện nhạy cảm với tia hồng ngoại. Cao hơn nữa còn dùng để kiểm soát notron trong phân hạch hạt nhân, dùng trong kỹ thuật sinh học phân tử. Ngoài ra cadimi còn có mặt trong phân bón và một số thuốc trừ sâu bởi độc tính để diệt nấm và côn trùng.
c. Độc tính của cadimi
Ảnh hưởng của Cd trên động vật và người: sử dụng liều cao Cd có thể gây ảnh hưởng tới sức khỏe người và động vật vì Cd có khả năng tích lũy do chu kỳ bán hủy khá lâu ở động vật có vú. Gan, thận là hai cơ quan nhạy cảm nhất với Cd. Cd có thể gây ngộ độc cấp tính khi ăn liều rất cao, có thể tử vong do hệ thống phân phối rất rộng. Trên động vật thí nghiệm, nếu cho ăn dài ngày Cd, thấy có những thay đổi ở tổ chức tế bào thận, kể cả gây tổn thương tế bào thận, xơ hóa kẽ, tổn thương tế bào ống thận và biểu hiện tổn thương này về sinh hóa học là giảm trọng lượng phân tử protein nước tiểu, đường niệu, các acid amin niệu. Ngoài ra còn thấy giảm trọng lượng thai động vật, rối loạn cấu tạo xương, tăng tỷ lệ tử vong bào thai. Chuột thí nghiệm tiếp xúc với Cd còn bị ảnh hưởng đến hệ thống miễn dịch. Nhiều nghiên
cứu trên người thấy có liên quan giữa phơi nhiễm Cd và bệnh tật, đặc biệt đến rối loạn chức năng thận, tỷ lệ tử vong và chuyển hóa canxi. Cd tích lũy ở thận và vì có chu kỳ bán hủy khá dài ở người, nên sau khoảng 40 năm, sẽ tích lũy rất nhiều ở vỏ thượng thận. Các nghiên cứu ở Nhật, EU, Trung Quốc, Mỹ đã nghiên cứu liều lượng và đáp ứng của việc phơi nhiễm với Cd với các rối loạn chức năng thận. Trên 1000 người ở Thụy Điển, tuổi 16 - 80 đã tham gia nghiên cứu có tên OSCAR thấy ở nhóm người có hàm lượng Cd bài tiết qua nước tiểu hằng ngày 0,5 - 1 microgam/g creatinin thì tỷ lệ bài tiết protein nước tiểu tiểu quản cao gấp 3 lần nhóm có bài tiết Cd nước tiểu dưới 0,3 microgam/g creatinin...
Một số nghiên cứu thấy có sự liên quan giữa phơi nhiễm với Cd và ảnh hưởng đến chuyển hóa canxi ở xương và có nguy cơ gây loãng xương và giảm khoáng xương. Cũng trong nghiên cứu OSCAR, thì đậm độ xương tăng gấp hai lần ở những người có hàm lượng Cd máu từ 0,6 - 1,1 microgam/l, tăng gấp 3 lần ở người có hàm lượng Cd máu trên 1,1 microgam/l. Như vậy, theo quy định về giới hạn tối đa (ml) có trong 1 kg gạo của CODEX, loại gạo thơm hương nhài Jasmine, sản xuất tại tỉnh Tak - Thái Lan, có hàm lượng Cd gấp khoảng hơn 40 lần quy định, và có nguy cơ gây hại cho sức khỏe. Khuyến cáo của Cục an toàn vệ sinh thực phẩm đối với người tiêu dùng, trong khi chờ đợi công văn trả lời của FDA Thái Lan và chờ kết quả kiểm tra, kiểm nghiệm mẫu gạo hương nhài Jasmine của Thái Lan lưu thông trên thị trường Việt Nam là: Không sử dụng loại gạo hương nhài Jasmine nguồn gốc từ Thái Lan và các loại gạo chưa công bố chất lượng an toàn vệ sinh tại Cục an toàn vệ sinh thực phẩm - Bộ y tế. Tốt nhất nên sử dụng các loại gạo thơm của Việt Nam. Đối với cây trồng: Rau diếp, cần tây, củ cải, cải bắp có xu hướng tích lũy cadimi khá cao, trong khi đó củ khoai tây, bắp, đậu tròn được tích lũy số lượng cadimi nhiều nhất trong các loại thực phẩm, lá cà chua được tìm thấy tích lũy cadimi khoảng 70 lần so với lá cà rốt trong cùng biện pháp trồng trọt. Trong cây, cadimi tập trung cao trong rễ cây hơn các bộ phận khác ở các loài yến mạch, đậu nành, cỏ, hạt bắp, cà chua nhưng các loài này sẽ không phát triển được khi tích lũy cadimi ở rể cây. Tuy nhiên, trong rau diếp, cà rốt, cây thuốc lá, khoai tây cadimi
được chứa nhiều nhất trong lá. Trong đậu nành, 2 % cadimi được tích lũy hiện diện trong lá và 8 % ở các chồi. Cadimi trong mô cây thực phẩm là một yếu tố quan trọng trong việc giải thích sự tích lũy chất cadimi trong cơ thể con người.
Sự tập trung cadimi trong mô thực vật có thể gây ra thông tin sai lệch của quần thể. Cadimi dễ dàng chuyển từ đất lên rau xanh và bám chặt ở đó. Khi xâm nhập vào cơ thể.