NỘI DUNG
Theo Niên giám thống kê tỉnh Bình Dương năm 2022, Thành phố Thuận
An nằm ở phía nam tỉnh Bình Dương Tính đến năm 2022, Thành phố Thuận An có 10 đơn vị hành chính trực thuộc, bao gồm 9 phường: An Phú, An Thạnh, Bình
Chuẩn, Bình Hòa, Bình Nhâm, Hƣng Định, Lái Thiêu, Thuận Giao, Vĩnh Phú và xã An Sơn (Cổng thông tin điện tử thành phố Thuận An, 2021)
Thành phố Thuận An có diện tích 8.371 ha, trong đó đất sản xuất nông nghiệp và đất chuyên dùng chiếm diện tích lớn nhất với diện tích 2.493 ha và
3.352 ha Dân số năm 2021 của thành phố là 620.426 người, với mật độ dân số đạt
7.412 người/km² Là trung tâm kinh tế và là thành phố lớn nhất tỉnh về dân số
(Niên giám thống kê tỉnh Bình Dương năm 2021)
Hình 1.1 Bản đồ hành chính khu vực nghiên cứu
TỔNG QU N VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Tổng quan về vị trí nghiên cứu
Theo Niên giám thống kê tỉnh Bình Dương năm 2022, Thành phố Thuận
An nằm ở phía nam tỉnh Bình Dương Tính đến năm 2022, Thành phố Thuận An có 10 đơn vị hành chính trực thuộc, bao gồm 9 phường: An Phú, An Thạnh, Bình
Chuẩn, Bình Hòa, Bình Nhâm, Hƣng Định, Lái Thiêu, Thuận Giao, Vĩnh Phú và xã An Sơn (Cổng thông tin điện tử thành phố Thuận An, 2021)
Thành phố Thuận An có diện tích 8.371 ha, trong đó đất sản xuất nông nghiệp và đất chuyên dùng chiếm diện tích lớn nhất với diện tích 2.493 ha và
3.352 ha Dân số năm 2021 của thành phố là 620.426 người, với mật độ dân số đạt
7.412 người/km² Là trung tâm kinh tế và là thành phố lớn nhất tỉnh về dân số
(Niên giám thống kê tỉnh Bình Dương năm 2021)
Hình 1.1 Bản đồ hành chính khu vực nghiên cứu
Khu vực nghiên cứu được thực hiện tại phường Hưng Định Tiếp giáp với
Phường Hưng Định, thuộc thành phố Thuận An, có diện tích 2,87 km² và dân số đạt 13.661 người vào năm 2021, với mật độ dân số là 4.760 người/km².
Hiện nay, phường có khoảng 126 công ty TNHH và doanh nghiệp tư nhân, cùng với 12 cơ sở sản xuất hàng thủ công mỹ nghệ xuất khẩu Khu vực nghiên cứu (Chòm Sao) nằm gần siêu thị Mega Market Bình Dương và khu công nghiệp Việt Hương, với sông Búng chảy qua địa bàn.
Hình 1.2 Vị trí khu vực lấy mẫu nghiên cứu (khu vực màu vàng)
Phường Hưng Định, thuộc Thành phố Thuận An, có khí hậu đặc trưng với nắng nóng, mưa nhiều và độ ẩm cao Nhiệt độ trung bình hàng năm dao động từ 26ºC đến 27ºC (Cổng thông tin điện tử thành phố Thuận An, 2021).
Phường Hưng Định nói riêng và thành phố Thuận An nói chung có ba loại đất chính: đất xám, đất phù sa và đất phèn
Trong những năm qua, thành phố Thuận An đã trở thành một trong những địa phương tiên phong trong sự nghiệp công nghiệp hóa - hiện đại hóa của tỉnh Bình Dương Tốc độ tăng trưởng kinh tế của thị xã luôn duy trì ở mức cao, với thu nhập bình quân đầu người đạt 143,88 triệu đồng/năm Cơ cấu kinh tế chuyển biến tích cực, trong đó tỷ lệ công nghiệp - xây dựng chiếm 79,48%, thương mại - dịch vụ - du lịch chiếm 20,44%, và nông lâm nghiệp chỉ chiếm 0,08% Hiện tại, thị xã có 03 khu công nghiệp (VSIP 1, Việt Hương, Đồng An) và 03 cụm công nghiệp tập trung, thu hút 2.368 doanh nghiệp trong và ngoài nước, trong đó có 400 doanh nghiệp hoạt động trong các khu công nghiệp và cụm công nghiệp.
Theo phân tích, hàm lượng Cd trong đất trồng rau tại phường Thuận Giao vượt quá giới hạn cho phép theo QĐ 106-BNN (Bùi Duy Thông, 2017) Nguyên nhân chủ yếu là do khu vực này có nhiều nhà máy, dẫn đến lượng nước thải và khói bụi cao, gây ô nhiễm đất và rau Địa hình thấp, trũng cũng làm gia tăng quá trình xói mòn, rửa trôi, dẫn đến sự tích tụ Cd Sự phát triển nhanh chóng và thu hút đầu tư trong và ngoài nước mang lại cơ hội nhưng cũng đặt ra thách thức lớn cho công tác bảo vệ môi trường Nếu không có biện pháp xử lý chất thải kịp thời và hiệu quả, tình trạng ô nhiễm sẽ ngày càng nghiêm trọng.
Kim loại nặng (KLN) và các dạng tồn tại của KLN trong đất, nguồn gốc phát sinh
1.2.1 Kim loại nặng và các dạng tồn tại của kim loại nặng trong đất
KLN đề cập đến các nguyên tố có khối lượng riêng lớn hơn 5 g/cm³ và có khả năng gây độc ở nồng độ thấp Mức độ độc hại của KLN còn phụ thuộc vào các dạng tồn tại của chúng trong đất.
Khi nghiên cứu sự tích lũy của kim loại nặng (KLN) trong đất, việc chỉ xem xét hàm lượng tổng số không đủ để đánh giá đúng độ độc của chúng đối với cây trồng và sự biến đổi của chúng trong đất KLN tồn tại ở nhiều dạng khác nhau, chủ yếu là dạng linh động, liên kết với hợp chất hữu cơ, cacbonat, oxit sắt và oxit mangan Theo phương pháp phân loại, KLN được chia thành các hình thái: hình thái trao đổi (EXC-KL), hình thái liên kết với cacbonat (CAB-KL), hình thái liên kết với oxit Fe và Mn (FEM-KL), hình thái liên kết với chất hữu cơ (OM-KL), và hình thái các chất còn lại (RES-KL).
Dạng linh động của các kim loại nặng (KLN) được hấp phụ trên bề mặt hạt đất như hạt sét, oxit sắt, oxit mangan bị solvat hoá và axit mùn Đây là dạng dễ dàng cho cây trồng hấp thụ trong quá trình lấy dinh dưỡng và nước.
Dạng liên kết cacbonat: Các KLN tồn tại dưới dạng các muối cacbonat (CO 3
) trong đất Sự tồn tại và liên kết của các dạng này phụ thuộc rất nhiều vào pH của đất cũng nhƣ lƣợng cacbonat trong đất
Dạng liên kết oxit sắt và oxit mangan dễ hình thành trong đất qua quá trình laterit, đóng vai trò là vật liệu gắn kết giữa các hạt đất Các oxit này có khả năng loại bỏ kim loại nặng hiệu quả nhờ vào quá trình nhiệt động học không ổn định trong điều kiện khử.
Kim loại nặng (KLN) liên kết với các chất hữu cơ trong đất, bao gồm sinh vật đất, sản phẩm phân giải của chất hữu cơ, và lớp chất hữu cơ bao phủ hạt đất Đặc tính tạo phức và peptit hoá của các chất hữu cơ khiến cho kim loại tích tụ trong đất, trong khi quá trình oxy hoá và phân giải các chất hữu cơ dẫn đến sự giải phóng các KLN vào môi trường đất.
Dạng còn lại của các khoáng vật nguyên sinh và thứ sinh chứa các kim loại nặng (KLN) trong cấu trúc tinh thể, rất khó giải phóng ra môi trường trong điều kiện tự nhiên bình thường Tuy nhiên, nhờ vào các quá trình phong hoá, đặc biệt là phong hoá hoá học và phong hoá sinh học, các KLN này dần dần được giải phóng vào môi trường đất.
1.2.2 Nguồn gốc phát sinh kim loại nặng trong môi trường đất
Kim loại trong đất chủ yếu xuất phát từ hoạt động sản xuất của con người, mặc dù một phần được sinh ra từ quá trình địa hóa của khoáng vật mẹ thông qua phong hóa hóa học Tuy nhiên, lượng kim loại do phong hóa hóa học đưa vào đất là không đáng kể.
- Hoạt động sản xuất công nghiệp
+ Công nghiệp nhựa: Co, Cr, Cd, Hg
+ Công nghiệp dệt: Zn, Al, Ti, Sn
+ Công nghiệp sản xuất vi mạch: Cu, Ni, Cd, Zn, Sb
+ Bảo quản gỗ: Cu, Cr, As
+ Mỹ nghệ: Pb, Ni, Cr
- Hoạt động sản xuất nông nghiệp
+ Sử dụng phân bón hoá học: As, Cd, Mn, U, V và Zn trong một số phân Photphat
+ Sử dụng phân chuồng: As, Cu, As, Zn
+ Sử dụng hoá chất bảo vệ thực vật: Cu, Mn và Zn trong thuốc trừ nấm,
As và Pb trong thuốc sử dụng đối với cây ăn quả
+ Nước tưới: có thể thải ra Cd, Pb, Se
- Hoạt động khai khoáng quặng chứa kim loại
Đào, xới và cặn thải gây ô nhiễm môi trường thông qua quá trình phong hóa và xói mòn do gió, dẫn đến sự phát thải các kim loại nặng như As, Cd, Hg và Pb Ngoài ra, cặn thải khếch tán từ sông và trầm tích trên đất do lũ lụt và nạo vét sông cũng góp phần làm gia tăng ô nhiễm với các chất độc hại này.
Vận chuyển quặng trong quá trình khai thác có thể dẫn đến ô nhiễm môi trường do bụi chứa các kim loại nặng như As, Cd, Hg và Pb Việc thải ra đất trong quá trình này không chỉ ảnh hưởng đến chất lượng không khí mà còn gây hại cho sức khỏe con người và hệ sinh thái.
+ Công nghiệp sắt thép: Cu, Ni, Pb
- Do trầm tích từ không khí
+ Nguồn từ đô thị và khu công nghiệp, bao gồm chất thải, thiêu huỷ cây trồng : Cd, Cu, Pb, Sn, Hg, V
+ Công nghiệp luyện kim: As, Cd, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb
+ Khói linh động: Mo, Pb cùng với Br, Cl và V
+ Đốt cháy xăng, dầu (bao gồm các trạm xăng): As, Pb, Sb, Se, U, V, Zn và Cd
- Kim loại từ rác thải
+ Bùn cặn: Cd, Cr, Cu, Hg, Mn, Mo, Ni, Pb, V, Zn
+ Rửa trôi từ đất: As, Cd, Fe, Pb
+ Phế thải: Cd, Cr, Cu, Pb, Zn
+ Đốt rác, bụi than: Cu và Pb
Lượng kim loại nặng trong môi trường đất của khu vực nghiên cứu không chỉ xuất phát từ quá trình phong hóa hóa học của khoáng vật mẹ, mà còn bị ảnh hưởng bởi hoạt động sản xuất nông nghiệp và công nghiệp.
Các phương pháp xử lý ô nhiễm đất
Tại Việt Nam, ô nhiễm kim loại nặng chưa phổ biến nhưng đã xuất hiện cục bộ ở một số khu vực do ảnh hưởng của chất thải độc hại.
Hiện nay có một số phương pháp xử lý ô nhiễm kim loại nặng sau (Nguyễn Xuân Cự và cs, 2008):
Phương pháp xử lý đất đã đào bằng nhiệt có thể loại bỏ một số kim loại nặng và hợp chất như Hg, As, Cd khi nhiệt độ vượt quá 800 °C Tuy nhiên, hầu hết các kim loại nặng này thường giữ lại ở pha rắn và không di chuyển trong xỉ do các cơ chế hóa học và vật lý Chi phí xử lý đất phụ thuộc vào loại đất, hàm lượng nước và loại chất ô nhiễm, ước tính khoảng 100-150 USD/tấn.
Phương pháp xử lý đất bằng tách chiết và phân cấp cỡ hạt là kỹ thuật hiệu quả nhằm loại bỏ kim loại nặng khỏi đất Quá trình này tập trung vào việc rửa sạch các kim loại nặng và các hợp chất chứa chúng, giúp cải thiện chất lượng đất và bảo vệ môi trường.
Phương pháp cải tạo đất bằng điện là một kỹ thuật hiệu quả để tách các chất ô nhiễm ion và các phần tử có tích điện nhỏ trong đất, đặc biệt là kim loại nặng Kỹ thuật này không chỉ giới hạn ở việc tách các kim loại trong đất hòa tan chứa ion, mà còn có khả năng loại bỏ các chất ô nhiễm không ở dạng ion hòa tan trong dung dịch, nhờ vào sự di chuyển điện thẩm thấu của dung dịch đất.
Phương pháp chiết tách hơi tại chỗ là kỹ thuật sử dụng khả năng bay hơi của các chất ô nhiễm để xử lý đất ô nhiễm Phương pháp này đặc biệt hiệu quả cho việc xử lý các hợp chất bay hơi như tricloroetylen, pecloroetylen, toluen, benzen và nhiều dung môi hữu cơ khác.
Phương pháp phân hủy sinh học các chất ô nhiễm tập trung vào việc sử dụng vi sinh vật để chuyển hóa các chất ô nhiễm thành các hợp chất an toàn như H₂O và CO₂ Công nghệ cải tạo sinh học nhằm cải thiện điều kiện cho vi sinh vật phân hủy, trong đó các yếu tố quan trọng bao gồm nhiệt độ, độ ẩm đất, pH, thế oxi hóa - khử, hàm lượng chất ô nhiễm, dạng chất nhận electron, sự hiện diện của vi sinh vật mong muốn và khả năng dễ tiêu sinh học của các chất ô nhiễm.
Phương pháp xử lý đất ô nhiễm bằng thực vật là một kỹ thuật hiệu quả để tách kim loại từ đất ô nhiễm Cây được trồng ở các khu vực ô nhiễm trong điều kiện tối ưu nhằm tối đa hóa khả năng hút thu Sau khi thu hoạch sinh khối, các kỹ thuật khác được áp dụng để tách kim loại từ sinh khối Tuy nhiên, vẫn còn nhiều tranh cãi xung quanh tính hiệu quả và ứng dụng của phương pháp này.
Phương pháp kết tủa hóa học là một kỹ thuật hiệu quả trong việc xử lý kim loại nặng trong pha nước giữa các phân tử đất, với ưu điểm là có thể xử lý các kim loại với hàm lượng cao, tiết kiệm thời gian và đạt hiệu suất cao Tuy nhiên, phương pháp này cũng có nhược điểm, bao gồm việc thải ra môi trường các hóa chất khác và tạo ra một lượng bùn lớn sau xử lý Ngoài ra, việc sử dụng các axit mạnh và chất tạo chelát có thể làm xáo trộn đặc tính của đất do rửa trôi một lượng lớn các chất dinh dưỡng.
Tổng quan về kim loại Cadimi
1.4.1 Giới thiệu chung về Cadimi
Cadimi (Cd) là kim loại nặng nguy hiểm nhất do độc tính cao đối với cơ thể sống, ngay cả khi ở hàm lượng thấp Chất này có khả năng hòa tan trong nước và tính linh động cao, khiến nó trở thành một mối nguy hiểm nghiêm trọng cho sức khỏe.
Cadimi xâm nhập vào đất nông nghiệp chủ yếu từ các nguồn nhân tạo như nước thải công nghiệp, bùn thải, phân bón phốt pho và khai thác mỏ Chất này có khả năng chuyển từ đất sang cây trồng, gây hại cho cây và đe dọa sức khỏe con người qua chuỗi thức ăn Cadimi làm giảm quá trình quang hợp, giảm hàm lượng các nguyên tố thiết yếu và kìm hãm sự phát triển của cây Sự dư thừa cadimi có thể gây ra stress oxy hóa ở thực vật, ức chế sự phát triển và quá trình trao đổi chất bình thường, đồng thời tạo ra một lượng lớn các loại oxy phản ứng (ROS) trong tế bào thực vật.
H 2 O 2, O 2−, OH− và các chất khác có thể dẫn đến sự chết tế bào theo chương trình của rễ lúa (Wrzaczek và Kangasjórvi, 2013) Ngoài ra, sự tích lũy Cd dư thừa trong cơ thể con người có thể gây ra nhiều bệnh nan y, bao gồm bệnh nhuyễn xương (bệnh Itai-Itai), ung thư và bệnh thận (Thi Anh Thu Tran et al, 2018).
1.4.2 Nguồn gốc Cadimi trong tự nhiên
Cadimi có mặt rộng rãi trong lớp vỏ trái đất với hàm lượng trung bình khoảng 0,1 mg.kg^{-1} Tuy nhiên, hàm lượng cao hơn thường được tìm thấy trong các loại đá trầm tích, chẳng hạn như đá trầm tích phosphate biển, có thể chứa tới khoảng 15 mg.kg^{-1}.
1 Hàng năm sông ngòi vận chuyển một lƣợng lớn Cd khoảng 15000 tấn đổ vào các đại dương (GESAMP, 1984 trích trong WHO, 1992) Cũng có nghiên cứu cho rằng hàm lƣợng Cd trong đất hiện diện trung bình 0,06 -1 ; 1 ppm (Phuong et al 2016)
1.4.3 Nguồn gốc Cadimi do con người tạo ra
Cadmium (Cd) được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, bao gồm lớp mạ bảo vệ thép, chất ổn định trong PVC, chất tạo màu trong nhựa và thủy tinh, cũng như trong hợp kim, dẫn đến sự phóng thích Cd vào môi trường Hàm lượng Cd trong phân lân thay đổi tùy thuộc vào nguồn gốc đá phosphate, với phân lân từ Bắc Carolina chứa 0.054 g.kg -1, từ đá Se là 0.012 g.kg -1, và từ đá phosphate Gafsa là 0.07 g.kg -1 Ngoài ra, phân hữu cơ và phân lân cũng chứa một lượng nhất định Cd và các kim loại nặng độc hại khác.
1.4.4 Tác hại của kim loại Cd đối với sức khỏe con người
Cadimi là một nguyên tố không cần thiết cho cơ thể con người và có tính độc hại cao, ngay cả với hàm lượng thấp Nguyên tố này tích lũy sinh học trong cơ thể, đặc biệt là ở thận (33%) và gan (14%) Khi vào cơ thể, cadimi gây tổn hại nghiêm trọng đến thận và xương, dẫn đến rối loạn chức năng thận, thiếu máu, tăng huyết áp, và các bệnh lý như xương thủy tinh và xương giòn Nghiên cứu tại Thụy Điển cho thấy nhiễm độc cadimi có liên quan đến nguy cơ gãy xương gia tăng ở người trên 50 tuổi.
Tổng quan về Selen
1.5.1 Một số khái niệm về Selen
Selen (Se) là nguyên tố vi lượng thiết yếu cho sức khỏe con người, đóng vai trò quan trọng trong các enzyme như glutathione peroxidase và thioredoxin reductase Trong thực vật, Se hoạt động như một chất chống oxy hóa, giúp kích hoạt các cơ chế bảo vệ và giảm căng thẳng oxy hóa.
Khánh Hưng và cs (2022) đã chỉ ra rằng selen (Se) có thể tăng cường khả năng chống chịu của thực vật đối với các điều kiện phi sinh học như kim loại nặng và tia cực tím, gây ra quá trình oxy hóa (Hong Son Bui et al 2022; Wang et al 2021) Một khảo sát toàn cầu về gạo cho thấy 75% mẫu không đủ hàm lượng Se cần thiết cho con người (Huỳnh Việt Khải và cs 2022) Lượng Se trong chế độ ăn uống dưới mức tối ưu có thể làm tăng nguy cơ ung thư, bệnh tim, suy giáp và rối loạn chức năng miễn dịch (Hoang Nam Anh Nguyen et al 2022) Do đó, việc tăng cường sinh học cây lương thực bằng cách ứng dụng Se trên lá hoặc rễ là phương pháp an toàn và hiệu quả để cải thiện lượng Se trong chế độ ăn uống (Pezzarossa et al 2012) Nghiên cứu cũng cho thấy Se có khả năng giải độc kim loại nặng ở người và động vật (Schrauzer et al 2009) và có sự tương tác giữa Se và kim loại nặng trong thực vật (Zhang et al 2011), với selen được báo cáo là có khả năng vượt trội trong việc tạo ra khả năng chịu độc tính của các kim loại nặng khác nhau.
1.5.2 Ảnh hưởng của Se đến môi trường và sinh vật
Selen là một chất vi dinh dưỡng thiết yếu cho động vật, mặc dù có thể gây độc khi sử dụng liều lượng lớn Trong thực vật, selen thường không phải là khoáng chất cần thiết, nhưng một số loài có khả năng tích lũy selen để bảo vệ bản thân khỏi việc bị động vật ăn Ngược lại, một số loài thực vật khác cần selen để phát triển, cho thấy sự hiện diện của nó trong đất Selen là thành phần của các axít amin đặc biệt như selenocystein và selenomethionin Đối với con người, selen đóng vai trò là chất dinh dưỡng dấu vết, hỗ trợ các enzym chống ôxi hóa như glutathion peroxidaza và một số dạng thioredoxin reductaza, mặc dù không phải tất cả các dạng enzym này trong thực vật đều cần selen.
Selen là một chất vi dinh dưỡng thiết yếu, nhưng nếu sử dụng quá mức, nó có thể gây độc Việc tiêu thụ vượt quá 400 microgam/ngày có thể dẫn đến ngộ độc selen, với các triệu chứng như rối loạn tiêu hóa, rụng tóc, bong tróc móng tay chân, mệt mỏi, kích thích và tổn thương thần kinh Trong những trường hợp nghiêm trọng, ngộ độc selen có thể gây xơ gan, phù phổi và thậm chí tử vong Ngược lại, thiếu hụt selen có thể dẫn đến bệnh Keshan, một bệnh có nguy cơ tử vong cao, và cũng góp phần vào bệnh Kashin-Beck khi kết hợp với thiếu hụt iốt.
1.5.3 Cơ chế tương tác Cd-Se
Việc áp dụng Selenium (Se) với liều lượng thích hợp có thể là một chiến lược tiềm năng để loại bỏ kim loại nặng trong đất và thực vật, từ đó giảm thiểu nguy cơ ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng (Thangavel et al 1999) Các cơ chế giải độc kim loại nặng thông qua việc sử dụng Se bao gồm nhiều phương pháp khác nhau.
Ứng dụng của Selenium (Se) giúp giảm sinh khả dụng của kim loại nặng trong đất bằng cách chuyển đổi chúng thành các dạng cố định Nghiên cứu của Huang và cộng sự (2018) chỉ ra rằng Se làm tăng đáng kể hình thái Cadmium (Cd) liên kết với cacbonat (CB-Cd) và hình thái Cd liên kết với oxit sắt và mangan (OX-Cd), đồng thời làm giảm hình thái khác.
Cd có thể trao đổi (EXC-Cd) Những kết luận này có thể được giải thích qua các cơ chế sau: Đối với đất có độ pH thấp, SeO₃²⁻ có xu hướng giảm xuống.
Se 2- , Cd tồn tại chủ yếu dưới dạng ion Cd 2+ ,sau đó hình thành phức hợp CdSe trong vùng rễ (Thảo and Chuyên 2015) Mặt khác, SeO3 2- cũng có thể tạo phức với Cd 2+ để tạo thành phức hợp CdSeO 3 trong đất (Badiello et al 1970)
Ứng dụng Se tạo ra các phức hợp trơ hoặc phức protein trơ tại khu vực rễ, giúp cố định kim loại nặng trên bề mặt đất rễ cây.
Ngăn chặn quá trình hấp thụ kim loại nặng của rễ cây bằng cách tăng cường mảng Fe trên bề mặt rễ và cô lập kim loại nặng vào không bào của tế bào rễ.
Giảm oxy hóa thực vật có thể đạt được bằng cách kích hoạt các hệ thống chống oxy hóa, tăng cường hàm lượng sắc tố quang hợp, giảm thiểu sản phẩm peroxy lipid hóa, hạn chế tổn thương DNA và giảm sự tích tụ protein.
Tổng quan về rơm rạ
Trong những năm gần đây, kinh tế Việt Nam phát triển, dẫn đến việc rơm rạ bị xem như phế thải nông nghiệp với giá trị sử dụng thấp, thường bị đốt ngay trên cánh đồng.
Việc đốt rơm rạ sau mỗi vụ gặt là một tình trạng phổ biến ở nhiều tỉnh như Hà Nội, Hải Phòng, Nam Định, Thái Bình, Hưng Yên và Hà Nam Tỷ lệ rơm rạ bị đốt có thể dao động từ 20-80%, tùy thuộc vào từng khu vực, và ở những vùng nông nghiệp gần đô thị lớn như Hà Nội và Hải Phòng, tỷ lệ này có thể lên tới 90% (Trung tâm Thông tin và Thống kê Khoa học và Công nghệ, 2011).
Hình 1.3 Tỷ lệ phát sinh PPPNN tại các vùng nông thôn Việt Nam năm 2019
Tái sử dụng PPPNN để sản xuất phân bón hữu cơ sinh học, than sinh học và khí sinh học không chỉ giúp giảm ô nhiễm môi trường mà còn cải thiện độ phì nhiêu của đất, tăng năng suất cây trồng và tiết kiệm chi phí Hơn nữa, việc này còn đóng góp quan trọng vào việc giảm phát thải khí nhà kính, bảo vệ môi trường sinh thái và sức khỏe cộng đồng.
Bảng 1.1 Các hình thức sử dụng của PPPNN ở các quốc gia
Phương thức sử dụng Quốc gia
Nguồn năng lƣợng Indonesia, Nepal, Malaysia, Philippins, Thụy Sỹ,
Nigeria, Việt Nam Phân bón Philippins, Israel, Trung Quốc
Thức ăn cho động vật
Lebanon, Pakistan, Syria, Israel, Tanzania, Trung Quốc, Châu Mỹ, Việt Nam
Trồng nấm Trung Quốc, Nhật Bản, Mỹ
Phương thức sử dụng Quốc gia Đốt cháy Trung Quốc, Mỹ, Philippins, Indonesia, Việt Nam
(Nguồn: Trần Thị Hải Tú, 2012)
Rơm rạ, theo dữ liệu thu thập, chủ yếu được sử dụng truyền thống làm chất đốt, vật liệu xây dựng, và làm chất độn chuồng cho gia súc Ngoài ra, ở một số vùng, rơm rạ còn được dùng để làm giá thể nuôi nấm rơm và làm phân bón, thức ăn chăn nuôi.
Rơm rạ có nhiều ứng dụng đa dạng trong các lĩnh vực khác nhau Trong ngành hóa chất, rơm rạ được sử dụng làm nguyên liệu thô để sản xuất các sản phẩm hóa chất Trong công nghiệp và xây dựng, rơm rạ có thể được tận dụng để làm tấm lợp nhà, cách nhiệt, panel tường và giấy Như vậy, rơm rạ có thể được ứng dụng trong nông nghiệp, sản xuất hóa chất, công nghiệp và xây dựng.
Bảng 1.2 Ứng dụng rơm rạ trong nông nghiệp và sản xuất hóa chất
Quy Trình Xử Lý Sản Phẩm
Lớp rơm rạ phủ lên bề mặt đất giúp bảo vệ khỏi xói mòn, giữ ẩm, ngăn cỏ dại và sương muối, đồng thời cung cấp mùn cho đất qua quá trình phân hủy.
Phân ủ Trả lại chất hữu cơ và các chất dinh dƣỡng lại cho đất, tăng độ phì đất
Lót ổ cho gia súc, gia cầm Phổ biến trong chăn nuôi gia súc, gia cầm
Chất nền trong trồng trọt Rơm rạ có thể sử dụng trong sản xuất nhiều loại cây trồng: dƣa chuột, cà chua, cây cảnh,
Quy Trình Xử Lý Sản Phẩm
Nuôi giun (Worm farming) Sử dụng làm vật liệu nuôi giun
Trồng cây cảnh Rơm thô hoặc nghiền đều có thể sử dụng nhƣ giá thể để trồng cây cảnh
Trộn bùn thải Làm vật mang trong ủ và phân hủy bùn cống
Thủy phân Pentaza, gucoza và linhin, các thành phần tan trong nước
Các quá trình nhiệt phân Khí tổng hợp
Xử lý kết hợp Tấm xơ ép và alcohol
Hòa tan xenluloza nhớt Sợi nhân tạo tổng hợp
Linhin bột Chất keo dán
Thủy phân axit – lên men Glucoza, xenluloza hay xiro xyloza
Lên men vi sinh vật Protein đơn bào (Single cell protein – SCP) Quá trình Gulf đường hóa song song và lên men (SSF)
Metan hóa, hay ủ yếm khí, là quá trình sản xuất metan và cacbon dioxit cùng với các khí khác, có ứng dụng quan trọng trong việc giảm ô nhiễm môi trường thông qua việc sử dụng rơm rạ để kiểm soát xói mòn trong khu vực xây dựng Mặc dù có nhiều tiềm năng, việc khai thác rơm rạ vẫn gặp nhiều hạn chế do các trở ngại kỹ thuật và tính khả thi kinh tế, đặc biệt là trong các vấn đề liên quan đến thu hoạch, vận chuyển và bảo quản.
Hiệu quả của việc vùi rơm, rạ vào đất
Việc kết hợp phế phẩm nông nghiệp với phương pháp làm đất thích hợp giúp tăng cường hàm lượng chất hữu cơ trong đất Sử dụng lớp phủ đã thay đổi chế độ thủy nhiệt của đất, theo nghiên cứu của Bhagat và Verma (1991) Thí nghiệm thực địa kéo dài năm năm về quản lý rơm rạ và phân bón trang trại trong điều kiện khí hậu ôn đới ẩm đã chứng minh rằng việc bổ sung rơm rạ cùng với phân chuồng mang lại lợi ích vượt trội cho việc trồng lúa mì trong các hệ thống cây trồng lúa mì/lúa nước, cải thiện cấu trúc đất và tăng cường độ ẩm đất có sẵn.
Nghiên cứu cho thấy rằng việc kết hợp rơm rạ với đất, bao gồm lá và cành cây, giúp tăng khả năng giữ nước trong đất và làm chậm quá trình khô bề mặt Trong tầng sâu của đất lúa, suất dẫn thủy lực không bão hòa cao hơn giúp duy trì độ ẩm lâu hơn nhờ sự di chuyển của nước lên bề mặt Mặc dù việc bổ sung rơm rạ làm tăng hàm lượng cacbon hữu cơ trong đất diễn ra chậm, nhưng lượng cacbon này vẫn tồn tại trong đất dưới dạng các hạt rời rạc và một phần đã tạo ra sự liên kết chặt chẽ với các hạt đất.
Việc vùi rơm rạ vào đất ở Việt Nam phụ thuộc vào cơ cấu cây trồng, đặc biệt là trong canh tác lúa 3 vụ/năm với thời gian đất trống ngắn Sau khi thu hoạch lúa, nông dân thường cày vùi rơm rạ tươi vào đất và tưới nước để kịp thời vụ Tuy nhiên, rơm rạ tươi phân hủy trong điều kiện ngập nước và yếm khí có thể sản sinh ra acid hữu cơ, gây ngộ độc cho rễ lúa Hậu quả là rễ lúa bị ngộ độc có thể chết đen hoặc giảm khả năng hấp thụ dưỡng chất, ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và năng suất của lúa.
Việc vùi phế phẩm nông nghiệp từ vụ trước cho cây trồng vụ sau đã chứng minh là có thể tăng năng suất cho tất cả các loại cây trồng và thời vụ, cũng như trên các nền phân bón khác nhau Mặc dù lượng và chất lượng phụ phẩm không đồng nhất, nhưng các công thức không bón kali mà vẫn vùi phụ phẩm lại mang lại bội thu và hiệu suất cao nhất Điều này cho thấy rằng việc vùi phụ phẩm không chỉ cung cấp đầy đủ chất dinh dưỡng cho cây trồng mà còn bổ sung lượng kali thiết hụt, điều mà đất bạc màu thường không có đủ.
Nghiên cứu cho thấy việc sử dụng phế phẩm nông nghiệp, đặc biệt là rơm rạ, có hiệu quả trong cải tạo đất Chúng không chỉ cố định kim loại nặng mà còn tăng cường chất mùn, góp phần làm tăng độ phì nhiêu cho đất.
NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nội dung nghiên cứu
- Xác định khả năng tăng trưởng của cây cải thìa
- Xác định hàm lƣợng Cd trong rễ và thân cây cải thìa
- Xác định hàm lƣợng Cd trong các hình thái của Cd trong đất
- Xác định mối tương quan giữa các hình thái Cd trong đất với sự hấp thu Cd và sự phát triển của cây cải thìa
- Xác định hàm lƣợng thích hợp của Se và hàm lƣợng rơm rạ để đạt hiệu quả hạn chế độc chất Cd trong cây cải thìa cao nhất
Đối tƣợng nghiên cứu
Cải thìa (Brassica rapa chinensis) là một loại rau thuộc họ cải, cùng họ với cải thảo và cải bẹ xanh Đây là cây rau dễ trồng và cho thu hoạch nhanh chóng, chỉ trong khoảng 30 – 45 ngày Cải thìa không kén đất và có khả năng sinh trưởng tốt, mang lại năng suất cao trên nhiều loại đất khác nhau.
Cải thìa có chiều cao khoảng 23 cm với cuống dày và nhiều gân, chứa nhiều nước Hoa nhỏ màu vàng nở trên các cuống cao Cây cải thuộc loại rễ chùm và có khả năng phân nhánh Bộ rễ phát triển nông, chủ yếu tập trung ở tầng đất màu từ 0-20 cm.
Lá cải mọc đơn, với các lá dưới thường có bẹ to và lá lớn Cải thìa có hàm lượng năng lượng thấp (20 cal/30 gr) nhưng lại giàu acid folic, kali, canxi, vitamin C, vitamin A, và đặc biệt là glucosinolat Đất thí nghiệm được sử dụng là đất trồng rau tại phường Hưng Định, thành phố Thuận An, tỉnh Bình Dương, với đặc điểm là đất thịt pha sét chứa nhiều khoáng chất phyllosilicat, silic, nhôm oxit và nhôm hydroxit.
Phương pháp nghiên cứu
Hình 2.1 Tiến trình nghiên cứu của đề tài
2.3.1 Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp về các vấn đề có liên quan
Tiến hành thu thập thông tin về đặc điểm tự nhiên, vị trí địa lý, khí hậu, thời tiết, lượng mưa, nhiệt độ, độ ẩm và dữ liệu kinh tế xã hội của thành phố Thuận An, tỉnh Bình Dương từ các báo cáo môi trường của phòng tài nguyên môi trường thành phố.
Thu thập dữ liệu và thông tin về các đối tượng Cadmium (Cd) và Selenium (Se) liên quan đến sự tồn tại, độc tính và ảnh hưởng của chúng từ các sách giáo trình và các nghiên cứu trong và ngoài nước.
2.3.2 Phương pháp điều tra, khảo sát và lựa chọn vị trí lấy mẫu
Tiến hành khảo sát khu vực Chòm Sao, phường Hưng Định, thành phố
Thuận An, tỉnh Bình Dương, và lựa chọn vị trí lấy đất trồng cây dựa trên những số liệu đã thu thập đƣợc
Kết quả nghiên cứu Phân tích thống kê
Mẫu đất và trồng cây Thiết kế thí nghiệm
Cd, Se và rơm rạ Chuẩn bị vật liệu thí nghiệm
Mẫu đất thí nghiệm Khảo sát lựa chọn vị trí lấy mẫu
Mẫu cây cải thìa khi thu hoạch
Phân tích hóa học Chuẩn bị mẫu phân tích Mẫu đất trồng cây trước khi thu hoạch
Nguyên liệu và hóa chất sử dụng trong thí nghiệm
- Hạt giống: rau cải thìa của công ty TNHH TM-DV Hạnh Phú Hoà, ở Bến Cát, Bình Dương
- Phân bón: phân urê, phân photphat đƣợc mua tại công ty TNHH TM-DV Hạnh Phú Hoà
Hóa chất 3CdSO₄·8H₂O được cung cấp bởi công ty cổ phần thiết bị hóa chất Bách Khoa tại Thành phố Hồ Chí Minh, trong khi Na₂SeO₃ được mua từ công ty TNHH Khoa học và Công nghệ Alpha Coach ở Hà Nội.
Đất thí nghiệm trồng rau được lấy từ độ sâu 0 đến 20 cm, sau đó được làm khô hoàn toàn ở nhiệt độ phòng và đồng nhất qua rây có đường kính 5 mm Các chỉ tiêu đầu vào của đất được phân tích, cho thấy đất thí nghiệm là đất thịt pha sét với các đặc tính hóa lý cơ bản: tỷ trọng 3,09 g/cm³, mật độ 1,15 g/cm³, độ ẩm 21,1%, pH 5,8, tổng N 0,132%, tổng P₂O₅ 0,032%, tổng cacbon hữu cơ 4,07%, tổng Cd 0,6 mg/kg và Se 0,31 mg/kg.
Trong nghiên cứu này, môi trường ô nhiễm giả định được tạo ra bằng cách thêm Se và Cd vào các mẫu đất thông qua bình phun sương, với hàm lượng Se là 0; 0,5; 1,0 và 2,5 mg/kg (Na2SeO3) và Cd là 0, 1, 3 và 6 mg/kg (3CdSO4.8H2O) Theo quy chuẩn QCVN 03-MT:2015/BTNMT, giới hạn tối đa hàm lượng Cd trong đất nông nghiệp là 1,5 mg/kg.
Thêm 10g rơm rạ đã cắt nhỏ vào mỗi kg đất, dựa trên kinh nghiệm nghiên cứu của giáo viên hướng dẫn và các thí nghiệm đã được thực hiện và nghiệm thu trước đó.
- Sau đó, đất sẽ được cho vào các các chậu nhựa (đường kính: 18 cm; chiều cao:
15 cm) để chuẩn bị trồng cây Đất được ổn định trong 30 ngày trước khi trồng để cân bằng
Các công thức thí nghiệm bón phân cơ bản bao gồm 0,15 g/kg N (urê, AR) và 0,033 g/kg P (monopotassium phosphate, AR) Để duy trì độ ẩm ở mức 70%, đất cần được tưới nước liên tục trong suốt thời gian cân bằng.
Hạt cải thìa được gieo vào từng chậu, sau 10 ngày nảy mầm, tỉa còn 4 cây mỗi chậu để đảm bảo mật độ phát triển Cây được tưới nước định kỳ để duy trì độ ẩm đất ở mức 70% Sau 48 ngày gieo trồng, tiến hành thu hoạch và lấy mẫu đất để phân tích.
Thí nghiệm này được thực hiện hoàn toàn ngẫu nhiên với ba lần lặp lại, bao gồm 96 chậu cho 32 nghiệm thức Mỗi nghiệm thức được trồng trong 3 chậu, trong đó có một nghiệm thức không chứa Se, Cd và RS được sử dụng làm nghiệm thức đối chứng.
Bảng 2.1 Các nghiệm thức Cd, selen và rơm rạ đơn hoặc kết hợp với các hàm lượng khác nhau
Nghiệm thức hàm lƣợng Nghiệm thức hàm lƣợng Nghiệm thức hàm lƣợng Nghiệm thức hàm lƣợng
Cd Se RS Cd Se RS Cd Se RS Cd Se RS
Cd0Se0RS0 0 0 0 Cd1Se0RS0 1 0 0 Cd3Se0RS0 3 0 0 Cd6Se0RS0 6 0 0
The data presents a series of compounds with varying cadmium (Cd) and selenium (Se) ratios, specifically focusing on different compositions and their corresponding properties The compounds include Cd0Se0RS10, Cd1Se0RS10, Cd3Se0RS10, and Cd6Se0RS10, which represent different cadmium concentrations at a fixed selenium level Additionally, variations such as Cd0Se0.5RS0, Cd1Se0.5RS0, Cd3Se0.5RS0, and Cd6Se0.5RS0 highlight the impact of selenium at 0.5 concentration The series continues with compounds like Cd0Se1.0RS0 and Cd1Se1.0RS0, showcasing the effects of a 1.0 selenium concentration, followed by Cd0Se2.5RS0 and Cd1Se2.5RS0, which explore a higher selenium level of 2.5 Each compound is analyzed at both 0 and 10 for the RS parameter, indicating different experimental conditions or applications.
Các mẫu đất được thu từ mỗi chậu và sau đó được bảo quản trong túi nilon kín để ngăn ngừa ô nhiễm chéo Các mẫu này được làm khô hoàn toàn ở nhiệt độ phòng và đồng nhất qua sàng 0,15 mm để phân tích hàm lượng Cd trong các hình thái.
Các mẫu cải thìa sau khi thu hoạch được rửa sạch bằng nước cất và tách rời thân và rễ Chiều cao thân và chiều dài rễ cây cải thìa được đo Sau đó, các mẫu cải được sấy khô ở 90 °C trong 30 phút và giữ trọng lượng không đổi ở 50 °C Cuối cùng, các mẫu cải khô được nghiền thành bột mịn và bảo quản trong phòng tối ở nhiệt độ phòng.
2.3.5 Phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm
Xác định hàm lượng Cd trong đất
Các mẫu đất được phân hủy bằng hỗn hợp axit 4:1 (HNO3 : HClO4) ở 160°C Mỗi mẫu đất 0,5 g được cho vào ống thủy tinh 100ml, sau đó thêm 10ml HNO3 và HClO4, và giữ qua đêm ở nhiệt độ phòng Quá trình phân hủy axit diễn ra trong lò kiểm soát nhiệt độ tự động cho đến khi dung dịch trở nên trong Sau khi phân hủy, dung dịch được làm nguội và pha loãng với nước cất Hàm lượng Cd trong dung dịch phân hủy được đo bằng máy quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS AA-7000, Shimadzu Corporation, Kyoto, Japan) theo Tiêu chuẩn Quốc gia (TCVN 6496: 2009).
Xác định thành phần Cd trong đất
Phân tích hình thái Cd sử dụng phương pháp chiết xuất tuần tự năm bước theo Tessier và cộng sự (1979) cho phép phân loại Cd thành các hình thái khác nhau: hình thái trao đổi (EXC-Cd), hình thái liên kết với cacbonat (CAB-Cd), hình thái liên kết với oxit Fe và Mn (FEM-Cd), hình thái liên kết với chất hữu cơ (OM-Cd), và hình thái các chất còn lại (RES-Cd).
(a) Hình thái trao đổi (EXC-Cd): 0,1 mol/l NH4HAC 25°C, lắc trong 2 giờ, tỷ lệ dung dịch/đất = 10:1; sau đó ly tâm cho ra phần trao đổi
Hình thái liên kết với cacbonat (CAB-Cd) được xác định bằng cách sử dụng dung dịch 1 mol/l NaAc ở nhiệt độ 25°C, lắc trong 2 giờ với tỷ lệ dung dịch/đất là 10:1, sau đó ly tâm để thu được phần liên kết với cacbonat Đối với hình thái liên kết với Fe-Mn oxy hóa (FEM-Cd), quy trình sử dụng dung dịch 0,1 mol/l NH2OH và 0,01 mol/l HCl ở 25°C, lắc trong 0,5 giờ với tỷ lệ dung dịch/đất cũng là 10:1, sau đó ly tâm để tách phần liên kết với Fe-Mn oxy hóa.
