Khảo sát hàm lượng một số nguyên tố vi lượng và kim loại nặng trong cam vinh bằng phương pháp phố phổ plasma cảm ứng

Vì vậy, gần đây các nhà hóa học và nông học rất quan tâm đến việcnghiên cứu thành phần của nguyên tố vi lượng trong cây trồng cũng như ảnhhưởng của các kim loại nặng đến cây trồng, tạo c

BÙI PHAN HUÂN

KHẢO SÁT HÀM LƯỢNG MỘT SỐ VI LƯỢNG

VÀ KIM LOẠI NẶNG TRONG CAM VINH BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHỐI PHỔ PLASMA

CẢM ỨNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

VINH – 2014

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

BÙI PHAN HUÂN

KHẢO SÁT HÀM LƯỢNG MỘT SỐ NGUYÊN

TỐ VI LƯỢNG VÀ KIM LOẠI NẶNG TRONG CAM VINH BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHỐI PHỔ

LỜI CẢM ƠN

Luận văn này được hoàn thành tại phòng thí nghiệm Hóa Vô cơ - Khoa

Hóa học và Phòng thí nghiệm Phân tích công cụ, Trung tâm Phân tích &

Chuyên giao công nghệ Thực phẩm – Môi trường, Trường Đại học Vinh

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:

- PGS TS Nguyễn Hoa Du đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn cho tôi

trong suốt quá trình hoàn thành luận văn

- TS Đinh Thị Trường Giang, PGS.TS Phan Thị Hồng Tuyết đã đọc và

hướng dẫn tận tình giúp tôi hoạn thiện luận văn

- Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Chủ nhiệm Khoa sau Đại học, Ban chủ

nhiệm Khoa Hóa học – Trường Đại học Vinh cùng các thầy, các cô kỹ thuật

viên phụ trách phòng thí nghiệm đã giúp đỡ tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất,

cung cấp hóa chất thiết bị đầy đủ trong quá trình nghiên cứu

Xin cảm ơn đề tài cấp Bộ B2013-27-05 đã hỗ trợ thực hiện nghiên cứu

này

Xin cảm ơn tất cả những người thân trong gia đình và bạn bè đã động

viên, giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn này

Vinh, tháng 10 năm 2014

Tác giả Bùi Phan Huân

HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỂU

Hình 1.1 Quả cam Vinh trồng tại Quỳ Hợp 4

Hình 1.2 Nguyên tố vi lượng ảnh hưởng đến pha sáng và pha tối trong quá trình quang hợp 10

Hình 1.3 Lá và quả cam khi thiếu Zn 13

Hình 1.4 Các triệu chứng thiếu Cu ở cà chua và cây có hoa 15

Hình 1.5 Các triệu chứng thiếu Bo ở lá cây cà chua và lá cây canola 17

Hình 1.6 Mn tham gia phân li nước tạo ra e cung cấp cho diệp lục P680 18

Hình 1.7 Thiếu Mn ở lá chanh và lá cam 19

Hình 1.8 Triệu chứng thiếu Mo ở cà chua và bí ngô 21

Hình 1.9 Ứng dụng phương pháp phân tích ICP-MS trong các lĩnh vực 31

Hình 1.10 Sơ đồ khối về nguyên tắc cấu tạo của hệ ICP – MS 33

Hình 1.11.Thiết bị khối phổ plasma cảm ứng Aligent 7500a LC – ICP - MS .33

Hình 1.12 Các bộ phận chính của máy ICP – MS 33

Hình 1.13 Bộ tạo sol khí 34

Hình 1.14 Bộ tạo plasma và nhiệt độ các vùng của plasma 34

Hình 1.15 Kiểu hệ lọc khối trường tứ cực 35

Hình 2.1 Độ sâu mẫu của máy ICP – MS 42

Hình 3.1 So sánh hàm lượng B trong lá và quả 48

Hình 3.2 Hàm lượng B trong các mẫu lá 48

Hình 3.3 Hàm lượng B trong các mẫu quả cam 49

Hình 3.4 Hàm lượng Mn trong các mẫu lá và quả cam 50

Hình 3.5 Hàm lượng Mn trong các mẫu lá cam 50

Hình 3.6 Hàm lượng Mn trong mẫu quả cam 51

Hình 3.7 Hàm lượng Cu trong các mẫu lá và quả cam 52

Hình 3.8 Hàm lượng Cu trong các mẫu quả cam 53

Hình 3.9 Hàm lượng Cu trong các mẫu lá cam 53

Hình 3.10 Hàm lượng Zn trong lá và quả cam 55

Hình 3.11 Hàm lượng Zn trong mẫu lá cam 56

Hình 3.12 Hàm lượng Zn trong các mẫu quả cam 57

Hình 3.13 Hàm lượng Mo trong lá và quả cam 58

Hình 3.14 Hàm lượng Mo trong các mẫu quả cam 58

Hình 3.15 Hàm lượng Mo trong các mẫu lá cam 59

Hình 3.16 Hàm lượng As trong các mẫu lá và quả cam 60

Hình 3.17 Hàm lượng As trong các mẫu lá cam 61

Hình 3.18 Hàm lượng As trong các mẫu quả cam 61

Hình 3.19 Hàm lượng Cd trong các mẫu lá và quả cam 62

Hình 3.20 Hàm lượng Pb trong các mẫu lá và quả 63

Hình 3.21 Sự phân bố Cd và Pb trong quả cam 63

Hình 3.22 Sự phân bố Cd và Pb trong lá cam 64

Bảng 1.1 Sản lượng cam năm 2012 của một số nước trên thế giới (FAO) 5

Bảng 1.2 Hàm lượng các nguyên tố thiết yếu trong cây 7

Bảng 1.3 Ngưỡng giới hạn của một số vi lượng trong thực phẩm (mg/kg) 11

Bảng 1.4 Chẩn đoán dinh dưỡng đồng ở cây trồng 15

Bảng 1.5 Chẩn đoán dinh đưỡng Mangan ở cây trồng 20

Bảng 1.6 Qui định lượng ăn vào tối đa cho phép hàng ngày và hàng tuần của Pb, Cd trong thực phẩm 23

Bảng 2.1 Tỷ số khối lượng/điện tích (M/Z) của các kim loại cần phân tích 42

Bảng 3.1 Hàm lượng các nguyên tố trong mẫu lá cam 46

Bảng 3.2 Hàm lượng các nguyên tố trong mẫu quả cam 46

Bảng 3.3 Ý nghĩa của các ký hiệu trong mẫu 47

Bảng 3.4 Hàm lượng Bo trong đất và mẫu cam ở Nghĩa Đàn và Quỳ Hợp 49

Bảng 3.5 Hàm lượng Mn trong đất và mẫu cam ở Nghĩa Đàn và Quỳ Hợp .52Bảng 3.6 Hàm lượng Cu trong đất và mẫu cam ở Nghĩa Đàn và Quỳ Hợp 54Bảng 3.7 Hàm lượng Zn trong đất và mẫu cam ở Nghĩa Đàn và Quỳ Hợp 57Bảng 3.8 Hàm lượng Mo trong đất và mẫu cam ở Nghĩa Đàn và Quỳ Hợp .59Bảng 3.9 Năng suất cam Nghĩa Đàn – Quỳ Hợp các năm 65Bảng 3.10 Kết quả sấy khô mẫu lá và đông khô mẫu quả cam Vinh 65Bảng 3.11 Mức độ tiêu hao các vi lượng do thu hoạch cam 66

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 3

3 Mục tiêu cụ thể 3

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

5 Phương pháp nghiên cứu 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 4

1.1 Cam Vinh và tình hình sản xuất cam trên thế giới và ở Việt Nam 4

1.1.1 Giới thiệu về cam Vinh 4

1.1.2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ cam ở Việt Nam và trên thế giới 5

1.1.2.1 Tình hình sản xuất và tiêu thụ cam trên thế giới 5

1.1.2.2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ cam tại Việt Nam 6

1.2 Nguyên tố vi lượng và vai trò sinh lý của các nguyên tố vi lượng 6

1.2.1 Các nguyên tố thiết yếu và các nguyên tố vi lượng 6

1.2.2 Vai trò sinh lý của các nguyên tố vi lượng 8

1.2.2.1 Vai trò chung 9

1.2.2.2 Vai trò của một số nguyên tố vi lượng 11

1.3 Kim loại nặng và ảnh hưởng của kim loại nặng 21

1.3.1 Độc tính của chì 22

1.3.2 Độc tính của Cadimi 23

1.3.3 Độc tính của asen 24

1.4 Các phương pháp phân tích kim loại vi lượng và siêu vi lượng 24

1.4.1 Phương pháp phổ phát xạ nguyên tử (AES)……… 25

1.4.2 Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)……… 25

1.4.3 Các phương pháp điện hóa 26

1.4.4 Phương pháp phân tích kích hoạt nơtron(NAA) 26

1.4.5 Phương pháp quang phổ khối plasma cảm ứng (ICP-MS) 29

1.5 Giới thiệu về máy quang phổ khối plasma cảm ứng 32

1.5.1 Cấu tạo 32

1.5.2 Kỹ thuật phân tích trên hệ thống khối phổ plasma cảm ứng (ICP - MS) .36

CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 39

2.1 Phương pháp lấy mẫu và xử lý mẫu 39

2.1.1 Phương pháp lấy mẫu 39

2.1.1.1 Lấy mẫu lá 39

2.1.1.2 Lấy mẫu quả 39

2.1.2 Xử lý mẫu 39

2.1.2.1 Xử lý mẫu lá 39

2.1.2.2 Xử lý mẫu quả 39

2.2 Hóa chất, dụng cụ và thiết bị 40

2.2.1 Hóa chất 30

2.2.2 Dụng cụ, thiết bị 30

2.3 Quá trình phân tích hàm lượng một số vi lượng và kim loại nặng bằng phương pháp khối phổ plasma cảm ứng ICP – MS 41

2.3.1 Chuẩn bị mẫu phân tích 41

2.3.2 Dung dịch đường chuẩn 41

2.3.3 Tối ưu hoá điều kiện phân tích bằng ICP – MS 41

2.3.3.1 Chọn đồng vị phân tích 41

2.3.3.2 Độ sâu mẫu (Sample Depth - SDe) 42

2.3.3.3 Công suất cao tần (Radio Frequency Power - RFP) 43

2.3.3.4 Lưu lượng khí mang (Carier Gas Flow Rate - CGFR) 43

2.3.3.5 Thông số máy 43

2.4 Đánh giá phương pháp phân tích 44

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 46

3.1 Kết quả xác định hàm lượng các nguyên tố vi lượng Cu, Zn, Mn, Mo, B và kim loại nặng Pb, Cd, As trong cây cam Vinh bằng phương pháp khối phổ plasma cảm ứng 46

3.2 Thảo luận 47

3.2.1 So sánh hàm lượng nguyên tố Bo trong mẫu lá và mẫu quả 47

3.2.2 So sánh hàm lượng nguyên tố Mn trong mẫu lá và mẫu quả 50

3.2.3 So sánh hàm lượng nguyên tố Cu trong mẫu lá và mẫu quả 52

3.2.4 So sánh hàm lượng nguyên tố Zn trong mẫu lá và mẫu quả 54

3.2.5 So sánh hàm lượng nguyên tố Mo trong mẫu lá và mẫu quả 57

3.2.6 So sánh hàm lượng các kim loại nặng trong mẫu lá và mẫu quả 60

3.2.6.1 Asen 60

3.2.6.2 Chì và cadimi 62

3.3 Đánh giá mức độ tiêu hao vi lượng sau thu hoạch 64

KẾT LUẬN 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

DANH MỤC VIẾT TẮT

ĐC : Đối chứng

ICP- MS : Phương pháp ICP- MS

DTTH : Diện tích thu hoặch

Trong những năm gần đây, diện tích và sản lượng cam ở nước ta ngàycàng được mở rộng, tăng sản lượng

Cây cam (tên khoa học Citrus sinensis, họ cam quýt Rutaceae), là loại

cây ăn quả giàu chất chống oxy hóa và chất phytochemical Theo các nhàkhoa học Anh: “Bình quân trong một trái cam có chứa khoảng 170 mgphytochemicals bao gồm các chất dưỡng da và chống lão hóa” Chuyên giadinh dưỡng Monique dos Santos cho biết cam được yêu thích và có lợi chongười khỏe mạnh cũng như các bệnh nhân Cam giúp giải nhiệt, thỏa mãn cơnkhát cho người có cường độ vận động cao, tăng cường hệ tiêu hóa và hệ miễndịch của cơ thể Giá trị dinh dưỡng trong quả cam bao gồm: Mỗi 100 g quả

cam có chứa 87,6 g nước, 1104 mg Caroten – một loại vitamin chống oxy hóa,

30 mg vitamin C, 10,9 g chất tinh bột, 93 mg kali, 26 mg canxi, 9 mg magie,0,3 g chất xơ, 4,5 mg natri, 7 mg crom, 20 mg phốt pho, 0, 32 mg sắt và giá trịnăng lượng là 48 kcal Không chứa chất béo hay cholesterol, cam nổi tiếng vìchứa nhiều vitamin C và được chứng minh là loại quả có tác dụng chốngviêm, chống khối u, ức chế đông máu và chống oxy hóa mạnh

Cây cam là một cây ăn quả phổ biến trên khắp thị trường và được rấtnhiều người tiêu dùng ưa thích Cây cam được trồng ở nhiều nơi, tùy theo vịtrí địa lý mà chất lượng của quả cam ở những nơi đó cũng khác nhau Ở Nghệ

An cây cam được trồng chủ yếu ở hai huyện Nghĩa Đàn và Qùy Hợp, đây làvùng đất có điều kiện thổ nhưỡng rất phù hợp với cây cam Cây cam đã trởthành cây trồng chủ lực ở nơi đây và đã tạo cho mình một thương hiệu riêng.Nói đến “ cam Vinh” là nói đến đặc sản lâu đời của đất Nghệ An, có hương vịthơm, ngọt đặc trưng được nhiều người ưa chuộng

Cam Vinh có chất lượng và hiệu quả kinh tế cao hơn các nơi khác, điều này có thể do nhiều nguyên nhân như giống cam, kỹ thuật canh tác, kinh

nghiệm chăm sóc, dịch bệnh, và một yếu tố quan trọng không thể thiếu là thổ

nhưỡng Đối với cây trồng, thành phần các nguyên tố vi lượng như Cu, Zn,

Mo, Mn, B… đóng vai trò rất quan trọng trong đời sống thực vật Thiếu hụtnguyên tố vi lượng nào đó có thể làm ảnh hưởng đến hiệu quả, chất lượng vànăng suất cây trồng, khả năng kháng bệnh và chống chịu bất lợi thời tiết củacây Vì vậy, gần đây các nhà hóa học và nông học rất quan tâm đến việcnghiên cứu thành phần của nguyên tố vi lượng trong cây trồng cũng như ảnhhưởng của các kim loại nặng đến cây trồng, tạo cơ sở tìm cách điều chỉnh hàmlượng của chúng cho thích hợp với cây trồng nhằm tăng năng suất và chấtlượng nông sản

Tuy nhiên, theo những tài liệu và nguồn thông tin chúng tôi có được, thìvấn đề nghiên cứu về thành phần nguyên tố vi lượng và kim loại nặng ở câycam Vinh còn chưa được nghiên cứu cụ thể, mặc dù chúng là yếu tố rất quantrọng đối với chất lượng và năng suất nông sản.

Xuất phát từ những lý do trên tôi chọn đề tài: “Khảo sát hàm lượng một

số nguyên tố vi lượng và kim loại nặng trong cam Vinh bằng phương pháp khối phổ plasma cảm ứng”, nhằm góp phần xác định những số liệu cơ bản về

thành phần và sự phân bố của các nguyên tố vi lượng, kim loại nặng trong câycam

2 Mục đích nghiên cứu

Xác định được hàm lượng vi lượng của Cu, Zn, Mo, Mn, B và một sốkim loại nặng như Pb, Cd, As trong lá và quả của cây cam; trên cơ sở đó xácđịnh được sự phân bố của chúng trong các bộ phận này của cây cam Vinh

3 Mục tiêu cụ thể

+ Phân tích xác định hàm lượng các nguyên tố trong các mẫu lá và quả.+ Chỉ ra được đặc điểm sự phân bố hàm lượng của các nguyên tố ở các

bộ phận của cây và vai trò sinh lý của chúng đối với cây

+ Đánh giá được mức độ tích tụ các nguyên tố do sự bón phân vi lượngnghiên cứu

+ Đánh giá được mức độ tiêu hao các nguyên tố do thu hoạch quả, trên cơ

sở đó có thể xác định mức bổ sung cần thiết để duy trì cân bằng dinh dưỡng vilượng cho cây

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

+ Đối tượng nghiên cứu của đề tài: Cây cam Vinh ở xã Minh Hợp huyệnQùy Hợp và Xã Nghĩa Tân huyện Nghĩa Đàn

+ Phạm vi nghiên cứu: Sự phân bố hàm lượng của các nguyên tố vilượng Cu, Zn, Mn, Mo, B và các kim loại nặng Pb, Cd, As trong lá và quả ởcây cam Vinh.

5 Phương pháp nghiên cứu

- Sưu tầm, phân tích, tổng hợp các tài liệu, tư liệu và mẫu cây trồng cóliên quan

- Sử dụng các phương pháp thực nghiệm thường quy trong phân tích

- Xử lý thống kê số liệu thực nghiệm và biểu diễn đồ thị trong phần mềmExcel để rút ra các thông tin cần thiết đánh giá sự phân bố hàm lượng cácnguyên tố vi lượng B, Mn, Cu, Zn, Mo và các kim loại nặng Pb, Cd, As trongcác mẫu thu thập được

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Cam Vinh và tình hình sản xuất cam trên thế giới và ở Việt Nam

1.1.1 Giới thiệu về cam Vinh

Cam Vinh - Nghệ An là một đặc sản lâu đời, có hương vị thơm, ngọt đặctrưng được người tiêu dùng ưa chuộng Việc xây dựng cho đặc sản cam quảNghệ An mang thương hiệu Cam Vinh nhằm nâng cao năng suất, chất lượng

và tăng sức cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường Thương hiệu này đã đượcCục sở hữu trí tuệ cấp giấy chứng nhận đăng ký chỉ dẫn địa lý vào tháng7/2007 Cam Vinh - Nghệ An không được trồng trên đất Vinh mà trồng chủyếu ở hai huyện Nghĩa Đàn và Qùy Hợp, nhưng tập trung buôn bán ở Vinh,thành thị lâu đời của miền đất gió Lào nên Cam được đặt tên theo tên củathành phố

Cam Vinh có 2 dạng: quả tròn và quả tròn dài Dạng tròn dài có năng suấtcao hơn Khối lượng quả trung bình 180-200g, quả chín vàng có 10-12 múi

Quả có hương thơm, hấp dẫn Cây cao 3-4m, lá to, rộng, nhạt màu, tán lá cáchmặt đất 70-1000cm [2]

Hình 1.1 Quả cam Vinh trồng tại Quỳ Hợp

Cam Vinh vào mùa từ tháng 10 dương lịch năm nay đến khoảng tháng 3dương lịch năm sau Trong đó Cam mùa là giống Cam Xã Đoài và Cam Vân

Du chín cây từ đầu tháng 10 dương lịch đến đầu tháng 1 dương lịch, Cammuộn là giống Cam V2 thu hoạch từ tháng 1 dương lịch đến tháng 3 dươnglịch Cây cam cho quả ngon nhất và sản lượng nhiều nhất từ năm đầu tiên thuhoạch cho đến năm thứ 8 (dân địa phương gọi là Cam tơ), các năm tiếp theo

chất lượng và sản lượng cam giảm dần (gọi là Cam già giá)

1.1.2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ cam ở Việt Nam và trên thế giới

1.1.2.1 Tình hình sản xuất và tiêu thụ cam trên thế giới

Năm 2012, sản lượng cam thế giới đạt khoảng 62 triệu tấn, trong đóBrazil 18 triệu tấn với giá trị xuất khẩu đạt khoảng 3.481.071 USD; Mỹ 8,2triệu tấn, Trung Quốc 6,5 triệu tấn; Ấn Độ 5 triệu tấn và Việt Nam xếp thứ20/20 nước có sản lượng cam nhiều nhất thế giới với 542207 tấn

Bảng 1.1. Sản lượng cam năm 2012 của một số nước trên thế giới (FAO) [27]

(nghìn USD)

Sản lượng (tấn)

2 United States of America 1578237 8166480

1.1.2.2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ cam tại Việt Nam

Theo Cục trồng trọt (Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn),hiện nay diện tích cây ăn quả cả nước đạt khoảng hơn 900 nghìn ha,sản lượng khoảng 10 triệu tấn; trong đó diện tích cây ăn quả phục vụ xuấtkhẩu khoảng 255 nghìn ha, sản lượng quả xuất khẩu ước đạt hơn 400 nghìntấn Tổng kim ngạch xuất khẩu ước đạt gần 300 triệu USD/năm Theo quyhoạch, đến năm 2020, diện tích cây ăn quả cả nước đạt 1.1 triệu ha, với tổngkim ngạch xuất khẩu đạt 1.2 tỉ USD/năm [1]

Ở nước ta, cây cam được trồng khắp 3 miền (Bắc-Trung-Nam) với nhiềugiống cam ngon như cam Sành, cam Vinh, cam Canh,… Năng suất cam củaViệt Nam tương đương với các nước trong khu vực khoảng 7-10 tấn/ha đốivới cam, nhưng thấp hơn nhiều so với các nước tiên tiến trên thế giới như: Úc,

Mỹ, Brazil, có năng suất 30-40 tấn/năm

1.2 Nguyên tố vi lượng và vai trò sinh lý của các nguyên tố vi lượng

1.2.1 Các nguyên tố thiết yếu và các nguyên tố vi lượng

Khi phân tích thành phần hóa học của thực vật, người ta phát hiện ra cóđến hơn 74 nguyên tố hóa học có trong thành phần của cây Tuy nhiên chỉ có

một số nguyên tố nhất định là tối cần thiết cho cây được gọi là các nguyên tố

thiết yếu

Theo Arnon and Stout, 1939: “nguyên tố thiết yếu là nguyên tố có vai trò

sinh lý rõ ràng và thiếu nó cây không thể hoàn tất chu kỳ sống bình thườngcủa mình”

Bằng phương pháp trồng cây trong dung dịch và các phương pháp nghiêncứu dinh dưỡng chính xác khác, người ta đã phát hiện ra các nguyên tố dinhdưỡng thiết yếu đối với cây Theo Lincoln Taiz (1998), có 19 nguyên tố thiếtyếu là: C, H, O, N, S, P, K, Mg, Ca, Fe, Cu, Mn, Zn, B, Mo, Cl, Na, Si và Ni,

(bảng 1.2) Khi có đủ các nguyên tố thiết yếu và năng lượng ánh sáng thì cây

có thể tổng hợp tất cả các chất hữu cơ cần thiết cho các hoạt động sinh lý, quátrình sinh dưỡng, phát triển của cây và hoàn thành chu kỳ sống của mình.Ngoài 19 nguyên tố thiết yếu trên, cây cũng cần rất nhiều các nguyên tố thiếtyếu khác, mà nếu thiếu chúng sẽ ảnh hưởng đến sinh trưởng của cây, nhưngcây vẫn hoàn thành chu kỳ sống của mình, vẫn ra hoa kết quả

Hàm lượng của các nguyên tố trong cây khác nhau rất lớn Chúng phụthuộc vào loài cây, vào các bộ phận khác nhau, vào giai đoạn sinh trưởng…

Bảng 1.2 Hàm lượng các nguyên tố thiết yếu trong cây [13]

Nguyên tố thiết yếu Hàm lượng tính theo chất khô

H C O

6 45 45

- Nhóm nguyên tố đa lượng gồm N (đạm), P (lân), K (kali) Đây là các

chất dinh dưỡng thiết yếu mà cây trồng cần lấy vào với số lượng lớn

- Nhóm nguyên tố trung lượng gồm S, Ca,Mg Đây là các chất dinh

dưỡng thiết yếu mà cây trồng lấy đi với số lượng trung bình

- Nhóm nguyên tố vi lượng gồm Fe, Zn, Mn, Cu, B, Mo, Cl và một số

nguyên tố khác được cây trồng hút/lấy đi với số lượng nhỏ Là các nguyên tốdinh dưỡng đóng vai trò rất quan trọng trong hoạt động sống của cây trồngnhưng hàm lượng của chúng trong cây rất ít từ 10-3-10-5 %

Ngoài các chất dinh dưỡng thiết yếu và có ích cho cây, trong đất, nướcthải và một số loại phân bón còn có các nguyên tố kim loại nặng như chì (Pb),thủy ngân (Hg), cadimi (Cd), asen (As)… Đây là các nguyên tố có thể gây độccho cây và ảnh hưởng đến sức khỏe người sử dụng nông sản nếu hàm lượngvượt ngưỡng cho phép [2]

1.2.2 Vai trò sinh lý của các nguyên tố vi lượng

Trong 74 nguyên tố hóa học tìm thấy trong cơ thể thực vật có 11 nguyên

tố đa lượng (chiếm 99,95%), còn hơn 60 nguyên tố còn lại là các nguyên tố vilượng và siêu vi lượng (chiếm 0,05%) Mặc dù vậy, các nguyên tố vi lượng

vẫn đóng một vai trò quan trọng trong đời sống cây trồng Chúng có trongthành phần của vitamin, các men và hocmon Sự thiếu hay thừa các nguyên tố

vi lượng trong đất đều không có lợi cho sự phát triển của thực vật dẫn đến sựsuy giảm về năng suất cũng như chất lượng nông sản Ví dụ thiếu Bo sự nảymầm của hạt phấn khó khăn, bầu nhị bị hạ thấp, giảm năng suất của hạt, giảmkhả năng chống bệnh của cây Thiếu kẽm các cây thân gỗ thường mắc bệnhđốm lá, lá dễ rụng [2]

Trong cơ thể các nguyên tố vi lượng có thể tồn tại ở nhiều dạng khácnhau Nhiều kim loại, trong đó có các nguyên tố vi lượng cần cho cây như: B,

Mn, Zn, Cu, Fe, Mo, Co, đã được tìm thấy dưới dạng các phức hữu cơ khoáng Các phức này có những tính chất cơ bản về mặt hoá học như: tínhchất của các phức khác biệt với tính chất của các thành phần cấu tạo nên nó,phức chất có thể tham gia vào các phản ứng mà các thành phần của nó khôngthể tham gia được

-Nhiều nghiên cứu cho rằng, khi kết hợp với các chất hữu cơ, hoạt tínhcủa các nguyên tố vi lượng tăng hàng trăm, thậm chí hàng triệu lần so vớitrạng thái ion của nó Ví dụ: trong phức chất, Fe không những liên kết với 4vòng pyron mà còn cả với protein đặc thù, nên hoạt tính của nó tăng lên hàngchục triệu lần

1.2.2.1 Vai trò chung

* Các nguyên tố vi lượng và enzyme

Có thể khẳng định rằng: các nguyên tố vi lượng là cơ sở của sự sống, vìhầu hết các quá trình tổng hợp và chuyển hoá các chất được thực hiện nhờ cácenzyme, mà trong thành phần của các enzyme đó đều có các nguyên tố vilượng Hiện nay đã biết khoảng 1000 hệ enzyme và khoảng 1/3 số hệ enzymenày được hoạt hoá bằng các kim loại Kim loại tạo thành phức chất với proteinthông qua các nhóm carboxyl hoặc nhóm amine có những tính chất mới

* Các nguyên tố vi lượng và các chất điều hoà sinh trưởng, các vitamin

Người ta đã biết vai trò của Zn trong quá trình sinh tổng hợp các hợp chấtdạng indol và serin bị kìm hãm Zn còn có tác dụng phối hợp với nhómgibberellin

Mn có tác dụng trợ lực cho hoạt động của nhóm auxin Mn có tác dụngđặc hiệu đến hoạt tính của auxin oxidase

B cũng có lác động tích cực đến quá trình sinh tổng hợp auxin B còn cótác dụng thúc đẩy việc vận chuyển các chất điều hoà sinh trưởng

Về mối liên quan giữa các nguyên tố vi lượng với các vitamin cũng đãđược nghiên cứu Người ta thấy rằng: Mn, Cu, Zn và nhiều nguyên tố vi lượngkhác tập trung trong các cơ quan chứa nhiều vitamin Co trong vitamin B12 B

có liên quan đến minh tổng hợp vitamin C; Mn, B, Zn, Mo, Cu có liên quanđến sinh tổng hợp vitamin nhóm B (B1, B2, B6, B12)

* Nguyên tố vi lượng và các quá trình trao đổi chất.

Các nguyên tố vi lượng có tác dụng sâu sắc và nhiều mặt đối với quátrình quang hợp Sinh tổng hợp chlorophyll không những cần có Fe, Mg, màcòn tập trung trong lục lạp cả Mn, Cu Các nguyên tố Co, Cu, Zn, Mo có ảnhhưởng tốt đến độ bền vững của chlorophyll

Nói chung các nguyên tố vi lượng có ảnh hưởng tích cực đến hàm lượng

và trạng thái các nhóm sắc tố của cây, đến số lượng và kích thước của lục lạp.Các nguyên tố vi lượng là thành phần cấu trúc hoặc tác nhân hoạt hoá cácenzyme tham gia trực tiếp trong pha sáng cũng như pha tối của quang hợp, do

đó tác động rõ rệt đến cường độ quang hợp và thành phần của sản phẩm quanghợp

Hình 1.2: Nguyên tố vi lượng ảnh hưởng đến pha sáng và pha tối trong quá

trình quang hợp

* Nguyên tố vi lượng với tính chống chịu của thực vật.

- Chịu mặn: Các nguyên tố có ảnh hưởng đến tính chịu mặn của cây là

Mn, B, Zn, Cu, Mo, Chúng làm giảm tính thấm của chất nguyên sinh đối vớiCl; làm tăng tốc độ xâm nhập P, Ca, K và tăng tích lũy các chất có tác độngbảo vệ (như globulin, albumin) Trong điều kiện mặn vừa phải độ bền củachlorophyll liên kết với protein trong lục lạp tăng lên mạnh mẽ, làm tăng tínhchống chịu của hệ chlorophyll- protein nhờ có Mn, Co, Mo, Cu

- Chịu hạn: Hạn hán thúc đẩy các quá trình thủy phân trong cây, làm yếu

quá trình tổng hợp protit và dẫn tới sự tích lũy nhiều axitaxit amin tự do làmkìm hãm quá trình sinh trưởng của cây B, Zn, Cu, Mo, Co ảnh hưởng tốtđến sự tổng hợp, chuyển hóa và vận chuyển gluxit từ lá về cơ quan dự trữ làmột trong những nguyên nhân chủ yếu để nâng cao tính chịu hạn và chịunóng của cây

Không nên quá lạm dụng các nguyên tố vi lượng, khi vượt quá mộtnồng độ cho phép thì nó sẽ ảnh hưởng đến sinh trưởng bình thường của câytrồng (gây ngộ độc), đồng thời gây ra lượng tồn dư kim loại nhiều trong sảnphẩm thu hoạch, gây ảnh hưởng không tốt với sức khỏe người tiêu dùng [10]

Bảng 1.3 Ngưỡng giới hạn của một số vi lượng trong thực phẩm (mg/kg)

1.2.2.2 Vai trò của một số nguyên tố vi lượng

a Kẽm (Zn)

Hàm lượng kẽm trong các cây trồng biến động rất rộng từ 1-10.000ppm, tính theo hàm lượng chât khô Ở các loại cây phổ biến, hàm lượng kẽmdao động từ 10-10.000 ppm Trong cây, rễ là bộ phận có hàm lượng kẽm caonhất, sau tới lá và thấp nhất là thân và cành Hàm lượng kẽm ở các phần nonthường cao hơn phần già Tuổi cây càng cao, hàm lượng kẽm càng giảm

Zn có vai trò sinh lý quan trọng trong nhiều mặt của cây trồng: quanghợp và hình thành đường, tổng hợp protein, sinh sản và tạo hạt giống, điềuchỉnh tăng trưởng, bảo vệ chống dịch bệnh

- Zn tham gia hoạt hóa khoảng 70 enzym của nhiều hoạt động sinh lý,sinh hóa của cây Là thành phần bắt buộc của enzyme carboanhydrase xúc tácphản ứng:

H2CO3 CO2 + H2O

Thiếu Zn, cây trồng sẽ tích tụ nhiều axit cacbonic gây cản trở cho tiếntrình oxy hóa làm rối loạn quá trình trao đổi chất Kẽm tham gia tích cực trongquá trình oxy hóa khử, nó là thành phần của các enzym alcoldehydrogenase,glutamatdhydrogenase, lactatdehydrogenase, tham gia trong quá trình chuyểnhoá các hợp chất chứa nhóm HS

Zn đóng vai trò quan trọng trong các quá trình trao đổi photpho, glucit,protein, axit nucleic Thiếu Zn, P vô cơ tích tụ nhiều trong mô, gây cản trở cho

quá trình phosphoryl hóa oxy hóa Thiếu Zn hàm lượng đường khử tăng lên,đường saccazorơ, tinh bột giảm xuống, axit amin tự do tăng lên do tổng hợpprotein bị ức chế và do đó ARN và ADN giảm xuống, hoạt tính enzymeribonuclease tăng lên.

- Zn có tác dụng thúc đẩy tổng hợp các kích thích tố sinh trưởng đặc biệt

là auxin Zn có vai trò tích cực trong quá trình phát triển hạt phấn nhất là lềbào trứng và phôi

- Kẽm được coi như là một trong các nguyên tố vi lượng đầu tiên cầnthiết cho cây trồng Nó thường là một nguyên tố hạn chế năng suất cây trồng.Trong những trường hợp thiếu kẽm ở mức nhẹ đến vừa phải, năng suất câytrồng có thể giảm đến 20% hoặc hơn tuy cây trồng không có những triệuchứng rõ rệt

Tình trạng thiếu kẽm trong cây trồng được thể hiện ở những triệu chứng

dễ thấy như thân cây còi cọc, chiều cao giảm, bệnh úa vàng, lá cây có hìnhdạng khác thường và còi cọc Những triệu chứng này thay đổi tùy theo loạicây trồng và thường chỉ thể hiện rõ ở những cây bị thiếu kẽm nghiêm trọng.Kẽm cũng không được vận chuyển sử dụng lại trong cây nên biểu hiện thiếuthường xảy ra ở những lá non và bộ phân khác của cây [8]

Đối với cam quýt, khi bị thiếu Zn thường xuất hiện những đốm vàng đặctrưng, lá vàng nhạt hoặc trắng nhưng các gân lá còn xanh, chồi thường rấtngắn, lá nhỏ hẹp thẳng đứng, cây sinh trưởng chậm, lá rụng rất sớm Khi câythiếu Zn nghiêm trọng quả nhỏ, vỏ dày mềm, mất màu, mùi vị kém, năng suấtgiảm [5]

Hình 1.3 Lá và quả cam khi thiếu Zn

Trong quá trình cam quýt nở hoa, Zn thúc đẩy phát triển hạt phấn và tếbào trứng trong phôi nên tăng khả năng đậu quả cao, ảnh hưởng đến việc tăngnăng suất cây Cùng với Mo, B, Zn làm tăng hàm lượng đường, vitamin Ctrong quả cam quýt [6]

Nhiều công trình nghiên cứu với cam quýt cho thấy khi thiếu hoặc thừa

Zn đều ảnh hưởng tiêu cực đến cây Theo Reuther (1962), hàm lượng Zn trong

lá cam khoảng 0,0015% chất khô là mức thiếu, từ 0,002% - 0,01% chất khô làmức đủ và 0,03% là mức thừa [7]

b Đồng (Cu)

Là một kim loại nặng nên cần được chú ý khi bón cho cây trồng Nếu đấtthiếu đồng có thể điều chỉnh bằng cách bón đồng sulfat hoặc oxyt Thích hợpnhất là phun chelat hoặc đồng sulfat trung tính lên lá cây đang thiếu dinhdưỡng

Cu tham gia vào thành phần của hệ enzyme oxydase, enzym ascorbic,axit axidase… Thiếu Cu có liên quan đến dinh dưỡng N, Cu có tác dụng lớnđến quá trình tổng hợp protein, tham gia vào giai đoạn đầu của quá trình đồnghóa nitrat Vai trò của Cu đối với tổng hợp protein có liên quan đến quá trìnhtrao đổi axit nucleic (ARN giảm xuống khi thiếu Cu)

Cu góp phần tích cực trong quá trình hình thành và bảo đảm độ bền củachlorophyll, hơn 70% đồng trong cây là ở trong các phần tử diệp lục tố; thiếu

Cu, phân tử diệp lục tố già sớm, cây còi cọc Cu có ảnh hưởng mạnh đến quátrình chuyển hóa glucid, phosphatid, nucleoproteid, quá trình trao đổi vitamin,kích thích tố sinh trưởng Lúc bón phân đạm nhất là NH4+ đòi hỏi Cu cũngtăng lên

Ngoài việc chống lốp đổ, Cu còn tác dụng chống hạn, chống rét và tăngkhả năng giữ nước của mô

Hàm lượng đồng trong cây biến động từ 5-20 ppm Thời kỳ cây con, hàmlượng đồng trong cây là cao nhất, sau đó giảm dần trong quá trình sinh trưởng

và phát triển Đồng phân bố trong cây tùy theo tình trạng đầy đủ hay thiếu hụt.Khi cây đủ đồng, hàm lượng đồng trong chồi và lá non cao hơn lá già và các

bộ phận già Ở những cây thiếu đồng, hàm lượng đồng trong lá non thấp hơn

lá già Những bộ phận non của cây thể hiện cây có thiếu đồng hay không.Thông thường ngưỡng thiếu đồng trong cây là 2-4 ppm và ngưỡng ngộ độcđồng với đa số cây trồng là 20 ppm

Nhiều loại cây rau biểu hiện thiếu đồng với lá thiếu sức trương, rủ xuống

và có mầu xanh, chuyển sang quầng mầu da trời tối trước khi trở nên bạc lá,biến cong và cây không ra hoa được

Các triệu chứng thiếu Cu ở cây cà chua Các triệu chứng thiếu Cu

Hình 1.4: Các triệu chứng thiếu Cu ở cà chua và cây có hoa

Hiện tượng thiếu đồng thường xảy ra trên những vùng đất đầm lầy, ruộnglầy thụt Cây trồng thiếu đồng thường hay có hiện tượng chảy gôm (rất hay

xảy ra ở cây ăn quả), kèm theo các vết hoại tử trên lá hay quả

Bảng 1.4: Chẩn đoán dinh dưỡng đồng ở cây trồng [13].

Cây Bộ phận cây Thiếu Hàm lượng đồng trong cây Bình thường Cao

Tác dụng của Bo đối với cây trồng:

- Bo là nguyên tố vi lượng rất quan trọng với cây trồng, ảnh hưởng đếnhoạt động của một số enzym, nó có khả năng tạo phức với các hợp chấtpolyhydroxy khác nhau Bo làm tăng khả năng thấm ở màng tế bào, làm chothành tế bào vững chắc và việc vận chuyển hydratcarbon được dễ dàng Boliên quan tới quá trình tổng hợp protein, lignin Bo thiết yếu đối với sự phânchia tế bào và quá trình thụ phấn ở cây Nó ảnh hưởng tới sự hấp thu và sửdụng canxi của cây, giúp điều chỉnh tỉ lệ K/Ca trong cây Ngoài ra Bo cũng lànguyên tố điều hòa nitơ trong thực vật Bo cần thiết cho sự nẩy mầm của hạtphấn, sự tăng trưởng của ống phấn, cần thiết cho sự hình thành của thành tếbào và hạt giống Bo cũng hình thành nên các phức chất đường/borat có liênquan tới sự vận chuyển đường và đóng vai trò quan trọng trong việc hìnhthành protein B tác động trực tiếp đến quá trình phân hóa tế bào, trao đổi

hocmon, trao đổi N, nước và chất khoáng khác, ảnh hưởng rõ rệt nhất của B làtới mô phân sinh ở đỉnh sinh trưởng và quá trình phân hóa hoa, thụ phấn, thụtinh, hình thành quả.

- Bo là nguyên tố ít di động nên triệu chứng thiếu Bo thường bắt đầu xuấthiện ở các bộ phận non của cây Ban đầu đỉnh sinh trưởng chùn lại, dần chếtkhô Các lá non thường bị biến dạng, gấp nếp và mỏng với màu xanh nhạt đếnmất màu Trên bề mặt lá thường có những đốm nhỏ màu vàng trắng Trongmột số trường hợp đỉnh sinh trưởng bị chết làm cây mọc thêm nhiều chồi bêngiống như cây bụi Xuất hiện nhiều vết rạn nứt trên thân và cuống quả Thiếu

Bo là nguyên nhân dẫn đến hoa kém phát triển, sức sống của hạt phấn kém, tỷ

lệ đậu quả thấp, tầng rời ở cuống và quả không phát triển đầy đủ nên quả non

dễ bị rụng Thiếu Bo làm sự phát triển của rễ bị ảnh hưởng, các rễ cây nhỏ,mỏng, đầu rễ thường bị chết hoại Khi thiếu B thì chồi ngọn bị chết, các chồibên cũng thui dần, hoa không hình thành, tỷ lệ đậu quả kém, quả dễ rụng, rễsinh trưởng kém, lá dày lên

Các triệu chứng thiếu B ở cây cà chua Lá khoẻ mạnh ở bên phải và lá thiếu B ở bên

trái ở cây canola

Hình 1.5: Các triệu chứng thiếu Bo ở lá cây cà chua và lá cây canola

- Hàm lượng Bo rất khác biệt giữa các loại cây Ở các cây một lá mầmhàm lượng Bo thường thấp hơn so với các cây hai lá mầm Trong cây, hàmlượng Bo cũng khác nhau giữa các bộ phận Hàm lượng Bo trong lá thườngcao hơn trong thân Bo trong cây giảm dần theo tuổi cây Nhu cầu Bo cũng

khác nhau giữa các loại cây Với đa số cây trồng, khi hàm lượng Bo < 15 ppmthì thiếu Bo Tuy nhiên, với cây một lá mầm có thể ngưỡng này thấp hơn Cây

đủ Bo khi đạt 15 – 100 ppm B và ngộ độc Bo trong cây > 200 ppm

- Hiện tượng ngộ độc Bo có thể xuất hiện ở những vùng đất khô hạn, bánkhô hạn và vùng đất mặn Nước tưới giàu Bo hay bón nhiều tro cũng lànguyên nhân ngộ độc Bo ở một số vùng Kiềm tra và cải tạo đất bằng cáchbón vôi là biện pháp khắc phục tình trạng ngộ độc Bo với cây trồng Tănglượng nước tưới sau đó xả nước để rửa trôi Bo cũng là biện pháp làm giảmngộ độc Bo có hiệu quả Bón thêm silic cũng có tác dụng ngăn cản sự hấp thu

Bo của cây ở những tầng đất sâu hơn, từ đó giảm tình trạng ngộ độc Bo vớicây trồng

- Mangan tăng cường sự chín và sự nẩy mầm của hạt khi nó làm tăng sựhữu dụng của Lân và Canxi

- Mangan còn thể hiện vai trò quan trọng trong quá trình sinh tổng hợp,thể hiện rõ nhất ở sự tách nước trong các phản ứng này

Hình 1.6: Mn tham gia phân li nước tạo ra e cung cấp cho diệp lục P680

- Mangan cũng có vai trò quan trọng trong quá trình tổng hợp ascosbic,đồng hóa CO2 và cố định đạm

- Hàm lượng mangan trong cây có sự biến động lớn giữa các loài Hàmlượng mangan trong cây cũng cao hơn so với các nguyên tố vi lượng khác.Bình thường hàm lượng mangan trong cây từ 20-500 ppm tính theo hàm lượngchất khô Hàm lượng mangan trong cây giảm dần theo tuổi cây và tăng dần ởcác bộ phận từ rễ đến lá Hàm lượng mangan dưới 20 ppm là tình trạng thiếu

Mn ở cây, còn tình trạng ngộ độc Mn thường xảy ra khi hàm lượng trong câytrên 500 ppm

Thiếu Mn thì phần lớn Fe trong tế bào chuyển thành dạng khử Fe+2 làmhại cho cây Nếu thừa Mn thì sắt trở thành dạng Fe3+ không có hoạt tính sinh

lý gây vàng úa cho cây Do đó, cây chỉ sinh trưởng bình thường khi tỷ lệMn/Fe thích hợp (từ 1/2 đến l/3)

- Triệu chứng thiếu Mn xuất hiện trước tiên ở các lá non và không giốngnhau ở các loại cây Ở cây có múi, khi thiếu Mn phần thịt lá hai bên gân chínhchuyển sang xanh đậm trong khi gân chính và phần khác màu xanh lợt, về sauxuất hiện các đốm vàng ở phần thịt lá và phát triển thành các vết hoại tử trên

lá

Hiện tượng thiếu Mangan thường xảy ra ở những chân đất giầu hữu cơ,hay trên những đất trung tính hoặc hơi kiềm và có hàm lượng Mangan thấp.Mặc dù hiện tượng thiếu Mangan thường đi với đất có pH cao, nhưng nó cũng

có thể gây ra bởi sự mất cân bằng với các dinh dưỡng khác như Canxi, Magie

và Sắt

Hình 1.7: Thiếu Mn ở lá chanh và lá cam

Hiện tượng thiếu thường xảy ra rõ nét khi điều kiện thời tiết lạnh, trênchân đất giầu hữu cơ, úng nước Triệu chứng sẽ mất đi khi thời tiết ấm và đấtkhô ráo

Bảng 1.5: Chẩn đoán dinh đưỡng Mangan ở cây trồng

định đạm của cây Mo cần thiết cho vi khuẩn cố định đạm cộng sinh ở nốt sầncây họ đậu và azotobacter Mo tham gia quá trình tổng hợp axitaxit amin vàtổng hợp protein đặc biệt làm tăng tỷ lệ N-protein so với N-tổng số.

Mo ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp và vận chuyển gluxit, tổng hợp cácsắc tố, vitamin (đặc biệt là vitamin C), ảnh hưởng đến quá trình đồng hóa P,

Ca và một số nguyên tố khác Mo còn là chất giải độc do thừa Cu, B, Ni, Ca,

Mn, Zn gây ra

Trong các cây nông nghiệp Mo biến động khoảng 0,1 – 2 ppm Cây họđậu, sulơ và cải bắp có hàm lượng Mo cao hơn so với các cây khác Hàmlượng Mo ở rễ cao nhất, sau tới lá và thấp nhất ở thân Hàm lượng Mo giảm đitheo tuổi cây và chuyển vào tích lũy trong hạt

Mặc dù cam quýt ít có nhu cầu về nguyên tố Mo nhưng khi thiếu Mo câycam quýt xuất hiện những đốm vàng

Mo rất cần thiết cho nhiều cây Triệu chứng đói Mo thể hiện ở màu lávàng do đói đạm, cây chậm lớn, trong mô tích lũy nhiều NO3- Thiếu Mo, cây

họ đậu có nốt sần ít, bé và nốt sần màu xám Người ta đã phát hiện thấy trên

40 loài cây đói Mo Mo rất cần cho vi sinh vật có khả năng cố định N2 như

Azotobacter, Chlostridium pasteurianum, tảo lam và vi khuẩn cộng sinh với

cây họ đậu [2]

Các triệu chúng thiếu Mo ở cây cà chuaHình 1.8: Triệu chứng thiếu Mo ở cà chua và bí ngô [2].Các triệu chứng thiếu Mo

1.3 Kim loại nặng và ảnh hưởng của kim loại nặng

Kim loại nặng là thuật ngữ dùng để chỉ những kim loại có khối lượngriêng lớn hơn 5 g/cm3 Chúng có thể tồn tại trong khí quyển (ở dạng hơi), thủyquyển (ở dạng muối hòa tan), địa quyển (ở dạng rắn không tan, khoáng,quặng) và sinh quyển (trong cơ thể người động thực vật)

Trong thực tế, các kim loại nặng nếu ở hàm lượng thích hợp rất cần cho

sự sinh trưởng và phát triển của thực vật, động vật và con người Tuy nhiênnếu hàm lượng của chúng quá cao thì lại rất độc hại

Khi các kim loại nặng xâm nhập vào môi trường sẽ làm biến đổi điềukiện sống, tồn tại của sinh vật trong môi trường đó Kim loại nặng gây độc hạivới môi trường và cơ thể sinh vật khi hàm lượng của chúng vượt quá tiêuchuẩn cho phép Kim loại nặng tồn tại trong môi trường từ nhiều nguồn khácnhau nước thải từ các khu công nghiệp và nước – rác thải sinh hoạt, giaothông, y tế, phân bón, thuốc trừ sâu, khai thác khoáng sản…

Đặc biệt, kim loại nặng nếu tồn tại dư trong thực phẩm với hàm lượngquá cao sẽ gây tác hại cho sức khỏe người tiêu dùng Biểu hiện trước hết làngộ độc mãn tính

- Đối với người:

Gây độc hại cấp tính, thí dụ thủy ngân (Hg) hay asen (As) với liều cao cóthể gây ngộ độc chết người ngay

Gây độc hại mãn tính hoặc tích lũy ví dụ chì (Pb) với liều lượng nhỏhằng ngày, liên tục, sau một thời gian sẽ gây nhiễm độc chì, rất khó chữa, cáckim loại khác gây sỏi thận

- Đối với thức ăn:

Làm hư hỏng thức ăn, thí dụ chỉ cần cho lượng vết đồng sẽ kích thích quátrình oxi hóa và tự oxi hóa của dầu mỡ

Làm giảm giá trị dinh dưỡng của thực phẩm

1.3.1 Độc tính của chì

Chì là kim loại độc thường gặp nhất Hầu như mọi sinh vật đều không

có nhu cầu sinh hóa về chì

Chứng thiếu máu do nhiễm độc chì cũng như thiếu máu do thiếu sắt dokìm hãm enzyme pyrimidin – 5 – nucleosidase vốn có liên quan đến sự tăng

số lượng hồng cầu lưới Ngưỡng chì nhiễm có khả năng ức chế enzyme này là44mg/l

Khi hàm lượng chì trong máu khoảng 0,3 ppm thì nó ngăn cản quá trình

sử dụng oxi để oxi hóa glucoza tạo năng lượng cho quá trình sống, do đó làmcho cơ thể người mệt mỏi Ở nồng độ cao hơn 0,8 ppm có thể gây nên thiếumáu do thiếu hemoglobin Hàm lượng chì trong máu nằm trong khoảng (0,5 –0,8 ppm) gây ra sự rối loạn chức năng của thận và phá hủy não

1.3.2 Độc tính của Cadimi

Độc tính của Cd còn thể hiện rõ trong căn bệnh về xương Bệnh này lầnđầu tiên được miêu tả ở Pháp dưới dạng chứng loãng xương khi chiếu tia X

người ta nhìn thấy những vết thương nứt cân đối thường nằm ở cổ xương đùi.Dạng độc tính này dường như có liên quan đến sự rối loạn của quá trìnhchuyển hóa canxi, vì nó thường xảy ra ở phụ nữ sau khi mãn kinh, gây đau giữdội ở xương chậu và hai chân.

Độc tính cấp là hậu quả của những tác dụng cục bộ: Sau khi ăn vào,những biểu thị lâm sàng là buồn nôn, nôn mửa và đau bụng Các enzym đượcgiải phóng sẽ làn phá hủy không thể phục hồi được các màng tế bào cơ sở củaphế nang, kể cả việc làm gẫy các vách vá sơ hóa các khe, kẽ Những tổnthương mà ta nhìn thấy là phù phổi và các bệnh về phổi

Gần đây người ta còn thấy rõ tính độc của cađimi liên quan đến nguy cơtăng huyết áp và khả năng gây bệnh ung thư

Về nguy cơ gây bệnh ung thư tinh hoàn đã được chứng minh đối vớiđộng vật, còn đối với người các cuộc điều tra dịch tế học cho thấy nhiềutrường hợp mắc bệnh ung thư tuyến tiền liệt và phổi sau khi làm việc trongmôi trường có cađimi vẫn còn là vấn đề còn tranh cãi

Cd là kim loại rất độc, mức mà con người có thể chịu đựng là 10-20mg

Cd/ngày Theo tiêu chuẩn Việt Nam hàm lượng Cd trong nước uống là 0,004mg/l; trong thực phẩm là < 1mg/kg

Bảng 1.6: Qui định lượng ăn vào tối đa cho phép hàng ngày và hàng tuần của

Nhiễm độc Asen gây ung thư da, làm tổn thương gan, gây bệnh dạ dầy, bệnhngoài da, bệnh tim mạch…

Asen xâm nhập vào cơ thể qua 2 con đường:

- Đường tiêu hóa: Nhận được chủ yếu thông qua thực phẩm mà nhiềunhất là trong đồ ăn biển, động vật nhuyễn thể, đặc biệt là động vật nhuyễn thể.Hoặc do tiếp xúc với thuốc bảo vệ thực vật, hóa chất, thuốc, nước uống cóhàm lượng As cao…

- Đường hô hấp: As lắng đọng trong không khí gây tác hại trực tiếp chocon người qua đường hô hấp

Ngoài ra, asen còn xâm nhập vào cơ thể người qua tiếp xúc với da Asen ởcác trạng thái tồn tại khác nhau thì cũng khác nhau về độc tính đối với sứckhỏe con người Hàm lượng asen 0.01mg/kg có thể gây chết người Các hợpchất As(III) có độc tính mạnh nhất ( thường gọi là thạch tín) Khi xâm nhậpvào cơ thể As(III) sẽ kết hợp với các nhóm – SH của Enzim trong người làmmất hoạt tính của chúng

1.4 Các phương pháp phân tích kim loại vi lượng và siêu vi lượng

Ngày nay có nhiều phương pháp khác nhau để xác định hàm lượng cácnguyên tố vi lượng Cu, Zn, Mn, Mo, B , ngoài các phương pháp cổ điển như:phương pháp thể tích, phương pháp đo quang Còn có các phương pháp hiệnđại như: phương pháp khối phổ plasma cảm ứng (ICP – MS), phương phápphân tích kích hoạt nơtron, phương pháp cực phổ, phương pháp quang phổhấp thụ nguyên tử, phương pháp cực chọn lọc ion, phương pháp quang kếngọn lửa, phương pháp so màu quang điện Đối với mỗi phương pháp chúngđều có ưu nhược điểm riêng Trong phạm vi của đề tài, chúng tôi chọn phươngpháp khối phổ plasma cảm ứng (ICP – MS)

1.4.1 Phương pháp phổ phát xạ nguyên tử (AES)

Trong phương pháp phổ phát xạ nguyên tử, việc phân tích định lượngdựa trên cơ sở cường độ vạch phổ phát xạ của nguyên tố cần phân tích trongnhững điều kiện nhất định tỉ lệ tuyến tính với nồng độ của nguyên tố trongmẫu phân tích theo công thức: I = K.C

Trong đó K là hằng số thực nghiệm, phụ thuộc vào điều kiện hoá hơi,nguyên tử hóa mẫu và kích thích phổ của đám hơi nguyên tử tự do

Để xác định các nguyên tố vi lượng bằng phương pháp AES, ta phảichọn các bước sóng phù hợp sao cho mỗi kim loại Phương pháp này đạt độnhạy 1 ppm khi dùng nguồn kích thích là hồ quang điện và 5 ppb khi dùngnguồn kích thích là plasma

Phương pháp này có ưu điểm là rất thích hợp cho quá trình xác định mộtloạt các mẫu của cùng một nguyên tố [16]

1.4.2 Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)

Phương pháp phân tích phổ hấp thụ nguyên tử đã được sử dụng để xácđịnh các kim loại trong các mẫu quặng, đất, đá, nước khoáng, các mẫu của yhọc, sinh học, các sản phẩm nông nghiệp, rau quả, thực phẩm, nước uống, cácnguyên tố vi lượng trong phân bón, trong thức ăn gia súc, v.v Ở nhiều nướctrên thế giới, nhất là các nước phát triển, phương pháp phân tích phổ hấp thụnguyên tử đã trở thành một phương pháp tiêu chuẩn để định lượng nhiều kimloại

Các nguyên tố vi lượng được xác định bằng phương pháp quang phổhấp thụ nguyên tử trong ngọn lửa không khí – axetilen và được đo ở các bướcsóng khác nhau, ví dụ: Đồng được đo tại bước sóng 324,8 nm, kẽm được đotại bước sóng 213,9 nm, [16], [17]

1.4.3 Các phương pháp điện hóa

Phương pháp cực phổ nói chung cho độ nhạy chỉ đạt cỡ 10-4-10-5M.Cường độ dòng phụ thuộc thế điện phân trong dung dịch và thế điện cực.Người ta tiến hành điện phân và đo cường độ dòng với một dãy dung dịchchuẩn biết trước nồng độ Dựa vào đồ thị xác định được nồng độ chất phântích khi biết cường độ dòng Giá trị thế bán sóng cho biết thành phần địnhtính, chiều cao sóng cho biết thành phần định lượng của chất phân tích

Phương pháp cực phổ dòng một chiều hay còn gọi là phương pháp cựcphổ cố điển được áp dụng trên nhiều lĩnh vực của hóa phân tích Ưu điểm cơbản của phương pháp cực phổ là thiết bị tương đối đơn giản mà có thể phântích nhanh nhậy chính xác hàng loạt các chất hữu cơ và vô cơ mà không cầntách riêng chúng khỏi các thành phần hỗn hợp

Để phân tích kim loại bằng phương pháp cực phổ cổ điển, người ta tiếnhành trong một số nền như: HCl, KCl, KCl + KSCN, K2CO3 nhưng phổ biếnnhất là nền NH4OH 1M + NH4Cl

Phương pháp von-ampe hòa tan thích hợp để xác định kim loại trongcác loại nước thiên nhiên, nước sạch và có thể xác định đồng thời nhiều kimloại Người ta thêm dung dịch đệm cacbonat vào dung dịch phân tích (pH =

10 – 10,5) với sự có mặt của natricitrat để ngăn ngừa kết tủa CaCO3 Thêmhỗn hợp dung dịch KOH 1M và dung dịch natricitrat 0,04M vào 10 ml mẫu,thổi khí N2 trong 10 phút Tiến hành làm giàu kim loại trên điện cực thủy ngântrong khoảng 2 – 3 phút sau đó quét thế theo chiều anot Sai số khi sử dụngphương pháp thêm là 5% [17]

1.4.4 Phương pháp phân tích kích hoạt nơtron(NAA)

Phương pháp này khá mới và hiện đại,cho độ tin cậy và độ chính xáccao, có giới hạn phát hiện ppm, một vài trường hợp đạt cỡ ppb.Việc ứng dụngphương pháp kích hoạt nơtron để xác định các nguyên tố vết trong đất rất

quan trọng, đặc biệt là các nguyên tố đất hiếm Các nguyên tố thường đượctách dưới dạng oxalat hoặc florua sau khi chúng được tách khỏi một loạt cácnguên tố khác bằng phương pháp chiết, sắc kí trao đổi ion hoặc sắc kí chiết.Một trong các phương pháp tách tổng hoặc các nguyên tố đất hiếm riêng biệthữu hiệu nhất là phương pháp sắc kí trao đổi ion G.A Wandless đã đưa ra sơ

đồ tách bằng sự kết hợp giữa hai phương pháp kết tủa và sắc kí trao đổi ionnhóm nhóm đất hiếm riêng biệt trong mẫu meteorit có hàm lượng đất hiếm rấtthấp Những năm gần đây dùng hỗn hợp axit-rượu của nhóm rượu aliphatic đểtách hóa chất được nghiên cứu một cách mạnh mẽ, khả năng hấp thụ cácnguyên tố đất hiếm tăng dần với sự tăng nồng độ của rượu và được rửa trôikhỏi cột khi giảm nồng độ rượu theo trình tự giảm dần số nguyên tử trong dãynguyên tố đất hiếm

Nguyên tắc cơ bản của NAA là bắn phá nơtron vào các mẫu nghiên cứu

mà kết quả là các hạt nhân phóng xạ tương ứng được tạo thành theo các kiểuphản ứng sau: (n,); (n,p); (n, ); (n,2n); (n,f)

Như vậy: một phản ứng hạt nhân được viết dưới dạng tổng quát biểu diễn như sau:

- X là hạt nhân của nguyên tố cần phân tích

- X* là nhân của đồng vị phóng xạ tạo thành sau phản ứng

- n là nơtron của nguồn

Do phản ứng (n,) có tiết diện bắt nơtron tương đối lớn và n có khả năngxuyên thâu mạnh (vì không mang điện) nên thường được áp dụng để phân tíchcho đa số các nguyên tố

Khi bị kích hoạt bằng nơtron, số hạt nhân phóng xạ tạo thành và tốc độphân rã của chúng (gọi là hoạt độ) tỷ lệ với số hạt nhân bền ban đầu

Có hai phương pháp phân tích kích hoạt nơtron đó là kích hoạt dụng cụ(INAA) và kích hoạt xử lý mẫu (RNAA).

1 Phương pháp phân tích kích hoạt nơtron dụng cụ (InstrumentalNeutron Activation Analyis - INAA)

Nguyên tắc của phương pháp INAA là mẫu phân tích không bị phá huỷ(không xử lý hóa) và chỉ có thể áp dụng thuận lợi khi tỷ số hoạt độ giữa nền

và nguyên tố quan tâm thấp hoặc bằng không, cũng như không có sự trùnghợp hoặc sai khác rất ít giữa các giá trị chu kỳ bán huỷ (T1/2), năng lượng bức

xạ (E) của nguyên tố cần phân tích với thành phần nền

Phương pháp INAA đặc biệt nhạy đối với các nguyên tố đất hiếm, cácnguyên tố nhóm platin và một số nguyên tố trường lực mạnh

2 Phương pháp phân tích kích hoạt nơtron phóng xạ (RadiochemicalNeutron Activation Analysis - RNAA)

Nhiều nguyên tố nằm trong những vật liệu có thành phần phức tạp, khichiếu xạ chúng bị gây nhiễu bởi các nguyên tố khác có trong vật liệu mẫu,điều này đưa đến việc xác định sẽ khó khăn hoặc không chính xác, hoặckhông thể xác định được, nhất là khi hàm lượng của chúng rất nhỏ (vi lượnghoặc vết) trong khi hàm lượng của các nguyên tố cản trở lại quá lớn, ví dụ khiphân tích mẫu địa chất, vật liệu xây dựng, vết trong các hợp kim … Do vậy,

để giải quyết bài toán này người ta đã kết hợp các phương pháp tách làm giàuvào trong phân tích kích hoạt để đưa đồng vị nghiên cứu về dạng cô lập mộtmặt để tránh sự cản trở và mặt khác để làm giàu hàm lượng của nó Nhờ vậy

mà nâng cao độ nhạy và độ chính xác của phương pháp Các phương pháptách làm giàu có thể được tiến hành trước hoặc sau khi chiếu xạ mẫu, nghĩa làtách trước hoặc tách sau

Khi nồng độ nguyên tố thấp hơn khoảng 2 ppm, sự phân li hoá học có thểphải dùng chiếu bức xạ mẫu Cách phân tích này (RNAA) rõ ràng có lợi thếtăng độ nhạy [18].

1.4.5 Phương pháp quang phổ khối plasma cảm ứng (ICP-MS)

Thuật ngữ ICP (Inductively Coupled Plasma) dùng để chỉ ngọn lửaplasma tạo thành bằng dòng điện có tần số cao (cỡ MHz) được cung cấp bằngmột máy phát Radio Frequency Power (RFP) Ngọn lửa plasma có nhiệt độ rấtcao có tác dụng chuyển các nguyên tố trong mẫu cần phân tích thành dạng ion

MS (Mass Spectrometry) là phép ghi phổ theo số khối hay chính xác hơn

là theo tỷ số giữa số khối và điện tích (m/Z)

Từ khi xuất hiện plasma cảm ứng với các tính năng và ưu điểm về vậnhành hơn hẳn các nguồn hồ quang và tia điện thì một công cụ mới đã dần dầnđược phát triển thành một tổ hợp ICP ghép với một khối phổ kế Hai ưu điểmnổi bật của ICP-MS là có độ phân giải cao và dễ tách các nhiễu ảnh hưởng lẫnnhau do đó có thể phát hiện được hầu hết các nguyên tố trong bảng tuần hoàn.Phương pháp phân tích này dựa trên các nguyên tắc của sự bay hơi, phân tách,ion hóa của các nguyên tố hóa học khi chúng được đưa vào môi trường plasma

có nhiệt độ cao Sau đó các ion này được phân tách ra khỏi nhau theo tỷ sốkhối lượng / điện tích (m/z) của chúng, bằng thiết bị phân tích khối lượng có

từ tính và độ phân giải cao phát hiện, khuyếch đại tín hiệu và đếm bằng thiết

bị điện tử kĩ thuật số [4]

Phương pháp ICP – MS ra đời vào đầu những năm 80 của thế kỉ trước vàngày càng chứng tỏ là kĩ thuật phân tích có ưu điểm vượt trội so với các kĩthuật phân tích khác như quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS), quang phổ phát

xạ plasma cảm ứng (ICP-AES hay ICP-OES)… Phương pháp ICP-MS hơnhẳn các kĩ thuật phân tích kim loại nặng khác ở các điểm sau: có độ nhạy cao,

độ lặp lại cao, xác định đồng thời được hàng loạt các kim loại trong thời gianphân tích ngắn [9].

* Sự xuất hiện và bản chất của phổ ICP-MS

Dưới tác dụng của nguồn ICP, các phân tử trong mẫu phân tích đượcphân li thành các nguyên tử tự do ở trạng thái hơi Các phần tử này khi tồn tạitrong môi trường kích thích phổ ICP năng lượng cao sẽ bị ion hóa, tạo ra đámhơi ion của chất mẫu (thường có điện tích +1) Nếu dẫn dòng ion đó vàobuồng phân cực để phân giải chúng theo số khối (m/Z) sẽ tạo ra phổ khối củanguyên tử chất cần phân tích và được phát hiện nhờ các detector thích hợp

Các quá trình xảy ra trong nguồn ICP:

- Hóa hơi chất mẫu, nguyên tử hóa các phân tử, ion hóa các nguyên tử, sựphân giải của các ion theo số khối sẽ sinh ra phổ ICP-MS:

Hóa hơi: MnXm(r) " Mnxm(k)

Phân li: MnXm(k) " nM(k) + mX(k)

Ion hóa: M(k)0 + Enhiệt " M(k)+

- Thu toàn bộ đám hơi ion của mẫu, lọc và phân ly chúng thành phổ nhờ

hệ thống phân giải khối theo số khối của ion, phát hiện chúng bằng detector,ghi lại phổ

- Đánh giá định tính, định lượng phổ thu được

Như vậy thực chất phổ ICP - MS là phổ của các nguyên tử ở trạng tháikhí tự do đã bị ion hóa trong nguồn năng lượng cao tần ICP theo số khối cácchất

* Ưu điểm của phương pháp phân tích bằng ICP-MS

Phép đo phổ ICP - MS là một kỹ thuật mới, ra đời cách đây không lâunhưng được phát triển rất nhanh và sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khácnhau như :quá trình sản xuất nhiên liệu hạt nhân, xác định đồng vị phóng xạ,nước làm lạnh sơ cấp trong ngành hạt nhân (chiếm tỷ trọng 5%); phân tích