Hoá học môi trường - C4.pdf

Hoá học môi trường

ĐỊA QUYỂN VÀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG ĐẤT

4.1 Khái niệm về đất

Đất là một lớp mỏng khoáng vật trên bề mặt Trái đất đã bị phong hóa kết hợp với thành phần hữu cơ Thực vật phát triển trên đất, vì vậy đất là một trong những yếu tố căn bản đối với nông nghiệp Với con người và hầu hết các sinh vật trên cạn, đất là thành phần tối quan trọng của địa quyển Mặc dù chỉ là một lớp rất mỏng so với kích thước của Trái đất, song đất lại là môi trường sản sinh ra lương thực, thực phẩm cho hầu hết các dạng sinh vật

Bên cạnh vai trò sản xuất lương thực thực phẩm, đất còn là nơi tiếp nhận một lượng lớn các chất gây ô nhiễm Một số chất được con người đưa vào đất như phân bón, hóa chất bảo vệ thực vật,… cũng góp phần làm ô nhiễm môi trường đất, nước và không khí

Vì vậy, có thể nói đất là khâu quan trọng trong chu trình hóa học môi trường

Đất được tạo thành do sự phong hóa đá gốc, đây là một quá trình tự nhiên bao gồm các quá trình địa chất, thủy văn và sinh học kết hợp lại Đất xốp và phân thành các tầng theo

độ sâu Sự phân tầng này là sản phẩm của quá trình thấm nước xuống đất, quá trình sinh học bao gồm sự tạo thành và phân hủy sinh khối

Có thể nói rằng đất là vật thể thiên nhiên được tạo thành nhờ sự kết hợp của sáu yếu tố

là đá, sinh vật (gồm động vật và thực vật), khí hậu, địa hình, nước và thời gian Các loại đá cấu tạo nên vỏ Trái đất, dưới tác dụng của khí hậu, địa hình, nước, sinh vật, trải qua một thời gian lâu dài, dần dần bị phá hủy, vụn ra thành đất Nhiều nhà nghiên cứu cho rằng khi có loài người, thì con người là yếu tố đặc biệt quan trọng tác động đến sự hình thành và thoái hóa của đất

Đất là một hệ mở, hệ này thường xuyên trao đổi chất và năng lượng với khí quyển, thủy quyển và sinh quyển

Trên quan điểm sinh thái học và môi trường, có thể xem đất là một cơ thể sống vì trong nó có nhiều sinh vật khác như: vi khuẩn, nấm, tảo, thực vật, động vật Do đó, đất cũng tuân thủ các quy luật sống: phát sinh, phát triển, thoái hóa và già cỗi

Thực tế con người chỉ quan tâm tới vỏ ngoài Trái đất có độ sâu khoảng 16 km

4.2 Bản chất và thành phần của đất

Đất là hỗn hợp các chất khoáng, chất hữu cơ và nước, có khả năng duy trì sự sống cho thực vật trên bề mặt Trái đất Trong đất có chứa không khí, nước và chất rắn

Chất rắn là thành phần chủ yếu của đất, chiếm gần 100% khối lượng đất và chia thành hai loại: chất rắn vô cơ và chất rắn hữu cơ

Đất canh tác khô thường có chứa khoảng 5% chất hữu cơ và 95% chất vô cơ Một số loại đất, như đất than bùn có thể chứa đến 95% chất hữu cơ Một số loại đất khác chỉ chứa khoảng 1% chất hữu cơ

Hợp phần hữu cơ của đất chứa:

− Sản phẩm phân hủy ở các giai đoạn khác nhau của sinh khối động thực vật,

− Vi khuẩn, nấm mốc và động vật như côn trùng, giun đất,…

Thông thường đất phân bố thành các tầng theo độ sâu Các tầng đất được hình thành

do các sự tương tác phức tạp giữa các quá trình xảy ra trong suốt quá trình phong hóa Nước mưa thấm qua đất kéo theo các chất tan và các hạt keo rắn xuống các tầng khác bên dưới và tích tụ lại Các quá trình sinh học, ví dụ sự phân hủy sinh khối thực vật dưới tác dụng của vi sinh vật tạo ra CO2, các axit hữu cơ, các hợp chất tạo phức Sau đó, các chất này bị nước mưa lôi kéo xuống các tầng đất bên dưới, ở đó chúng phản ứng với đất sét hoặc các loại khoáng khác và làm thay đổi tính chất của các loại khoáng này

Tầng đất trên cùng dày khoảng vài đến vài chục centimet, được gọi là tầng A, hay còn gọi là tầng đất mặt Đây là lớp đất chứa nhiều chất hữu cơ nhất và cũng là vùng đất có vi sinh vật hoạt động mạnh nhất Ion kim loại và các hạt sét trong tầng A rất dễ bị cuốn theo nước Tầng đất tiếp theo được gọi là tầng B, hay tầng đất cái Tầng này tiếp nhận chất hữu cơ, các loại muối, hạt sét từ tầng đất mặt Tầng C được tạo thành từ đá gốc đã phong hóa (sản phẩm

từ đó hình thành đất)

Hình 4.1 Các tầng đất

Có nhiều loại đất có đặc tính khác nhau, do đó có thể sử dụng các loại đất vào các mục đích sử dụng riêng, ví dụ đất canh tác, đất làm đường, đất làm bãi chôn lấp Loại đá gốc từ đó tạo thành đất quyết định thành phần và tính chất chính của đất tạo thành

4.2.1 Các thành phần vô cơ của đất

Các chất rắn vô cơ là thành phần chủ yếu của đất, chiếm 97 - 98% đất khô [14] Thành phần các nguyên tố hóa học có mặt trong đất được trình bày trong Bảng 4.1 Năm nguyên tố cuốí bảng là H, C, S, P và N rất cần cho cây trồng, các nguyên tố này chứa trong đá ít hơn trong đất Cacbon trong đất nhiều hơn trong đá đến 20 lần, nitơ gấp 10 lần, chính vì vậy mà đất trồng nuôi sống được cây

Ion oxalat, tạo thành do quá trình đồng hóa của nấm mốc, tồn tại trong đất dưới dạng muối canxi; nước trong đất chứa ion oxalat hòa tan được một số khoáng, do đó thúc đẩy quá trình phong hóa, làm gia tăng các ion dinh dưỡng cho thực vật Phản ứng tạo phức giữa ion oxalat và các ion sắt hay nhôm trong khoáng được biểu diễn bằng phương trình phản ứng sau:

3H+ + M(OH)3(r) + 2CaC2O4(r) ⇌ M(C2O4)2−(dd) + 2Ca2+(dd) + 3H2O

trong đó, M là Al hay Fe

Khoáng vật chứa các nguyên tố thường gặp trong vỏ Trái đất như oxy, silic, nhôm, sắt, canxi, natri, kali và magiê là thành phần khoáng chính của đất Các loại khoáng phổ biến trong đất là thạch anh (SiO2), orthoclase (KAlSi3O8), albite (NaAlSi3O8), epidote (4CaO.3(AlFe)2O3.6SiO2.H2O), geothite (FeO(OH)), magnetite (Fe3O4), canxi và magiê cacbonat (CaCO3, CaCO3.MgCO3) và các oxit mangan và titan Các khoáng sét là loại khoáng

Thực vật

Đá gốc Tầng C (tầng đá gốc đã bị phong hóa)

Tầng A (tầng đất mặt)

Tầng B (tầng đất cái)

quan trọng của đất Khoáng sét có công thức chung là nSiO2.Al2O3.mH2O; khoáng sét kaolinite có tỷ lệ n:m = 2:2; khoáng sét montmorillonite có tỷ lệ n:m = 4:2; khoáng sét illite là dạng trung gian của 2 loại khoáng trên, nhưng gần với montmorillonite hơn Các khoáng này hấp thụ mạnh các cation như Ca2+, Mg2+, Na+, K+, NH4+, nên các cation này có thể không bị nước rửa trôi mà được giải phóng dần vào đất làm thức ăn cho cây

Một trong những sản phẩm cuối cùng của quá trình phong hóa đá gốc là các hạt keo

vô cơ Các hạt keo này đóng một vai trò rất quan trọng trong đất Hạt keo này giữ nước và các chất dinh dưỡng cho thực vật hấp thụ Ngoài ra, các hạt keo đất có bản chất vô cơ còn hấp thụ các chất độc trong đất, vì vậy chúng đóng vai trò như những tác nhân làm giảm độc tính của các chất gây độc cho thực vật Bản chất và mật độ của các hạt keo vô cơ là các yếu tố rất quan trọng để xác định năng suất sinh học của đất

Sự hấp thụ chất dinh dưỡng của rễ cây thường liên quan đến các tương tác phức tạp với nước và pha vô cơ của đất Ví dụ, chất dinh dưỡng bị các hạt keo vô cơ giữ phải vượt qua

bề mặt phân cách khoáng/nước, sau đó là bề mặt phân cách nước/rễ cây Quá trình này thường

bị ảnh hưởng mạnh bởi cấu trúc ion và các chất vô cơ trong nước

Bảng 4.1 Hàm lượng các nguyên tố hóa học trong đá và đất (‰ w/w) [6]

Lưu huỳnh 0,09 0,08 Photpho 0,08 0,09

4.2.2 Các thành phần hữu cơ của đất

Mặc dù chỉ chiếm ít hơn 5% trong thành phần của đất canh tác, nhưng hợp phần hữu

cơ đóng một vai trò rất quan trọng và là yếu tố quyết định chất lượng về mặt năng suất sinh học Các chất hữu cơ trong đất là nguồn thức ăn của vi sinh vật, chúng tham gia vào các phản ứng hóa học như phản ứng trao đổi, đồng thời cũng ảnh hưởng đến tính chất vật lý của đất

Một số chất hữu cơ còn tham gia vào quá trình phong hóa các chất khoáng tạo thành đất Một số nấm mốc trong đất có thể tạo ra axit citric và các axit hữu cơ có khả năng tạo phức, các chất này phản ứng với khoáng silicat, giải phóng kali và các ion kim loại khác cần cho thực vật Một số vi khuẩn trong đất có thể tạo ra axit 2-ketogluconic có khả năng tạo phức mạnh do đó có thể hòa tan nhiều ion kim loại làm phong hóa các khoáng vật Axit này còn hòa tan được các hợp chất photphat không tan, giải phóng ion photphat

Trong đất còn chứa một số hợp chất hữu cơ hoạt động sinh học như các polysaccarit, các đường amino, nucleotic, các hợp chất hữu cơ chứa lưu huỳnh, photpho

Điều rất đáng chú ý là sự có mặt của các hợp chất đa vòng ngưng tụ (PAH), như fluoranthene, pyrene và chrysene trong đất Các hợp chất này được xếp vào loại chất có khả năng gây ung thư Các hợp chất này phát sinh trong đất do cả nguồn tự nhiên (đồng cỏ cháy) lẫn nguồn nhân tạo (đốt chất thải, hoặc các nguồn thải gây ô nhiễm khác)

Sự tích tụ các chất hữu cơ trong đất phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ và lượng oxy Ở các vùng có nhiệt độ thấp, chất hữu cơ bị phân hủy sinh học chậm và tích lũy trong đất nhiều hơn Trong nước và đất úng nước, các chất hữu cơ không có đủ oxy để phân hủy Vì vậy, ở các vùng đất úng nước có nhiều thực vật phát triển và phân hủy, thành phần hữu cơ trong đất có thể lên đến 90%

Khi chiết đất bằng hỗn hợp ete và rượu sẽ thu được dung dịch chứa các sắc tố b-carotein, chlorophyll và xanthophyll

Bảng 4.2 Các loại hợp chất hữu cơ chính trong đất [14]

Mùn Phần còn lại khó phân hủy của xác

thực vật Chủ yếu chứa C, H và O.

Là thành phần hữu cơ phổ biến nhất, cải thiện tính chất vật lý của đất, khả năng trao đổi chất dinh dưỡng, nơi lưu giữ lượng N sinh ra do cố định đạm.

Chất béo, chất nhựa

và sáp

Các chất béo có thể chiết được bằng dung môi hữu cơ.

Thường chỉ chiếm vài % so thành phần hữu cơ, có hại cho đất vì không thấm nước, có thể độc hại đối với cây trồng.

Saccarit Cellulose, tinh bột, hemi-cellulose,

chất gôm.

Nguồn thức ăn chính cho vi sinh vật, làm ổn định độ liên kết của đất.

Hợp chất hữu cơ

chứa N

Mùn chứa N, amino axit, đường amino, các chất khác.

Cung cấp nitơ làm cho đất màu mỡ

Hợp chất photpho Các este photphat, các inositol

photphat (axit phytic), các photpholipit.

Nguồn cung cấp P cho thực vật

Dưới tác động của không khí, nước, nhiệt độ và vi sinh vật, các chất hữu cơ từ xác động vật và thực vật có thể bị biến đổi theo hai quá trình: quá trình khoáng hóa và quá trình mùn hóa

• Quá trình khoáng hóa

Khoáng hóa là quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ để tạo thành các chất vô cơ đơn giản, như các muối khoáng, các khí CO2, H2S, NH3, H2O

• Quá trình mùn hóa

Quá trình tạo thành mùn được gọi là quá trình mùn hóa

Mùn là thành phần hữu cơ quan trọng nhất của đất Mùn là sản phẩm còn lại của sự phân hủy xác thực vật do vi khuẩn và nấm mốc có trong đất

Mùn gồm phần hòa tan được trong kiềm là axit humic, axit fulvic và phần không tan gọi là humin Sinh khối thực vật chứa cellulose có thể bị phân hủy và lignin (là một hợp chất cao phân tử chứa nhiều cacbon hơn cellulose) khó bị phân hủy

Trong quá trình mùn hóa, vi sinh vật chuyển hóa các chất hữu cơ thành CO2 và lấy năng lượng từ quá trình này Vi sinh vật còn liên kết nitơ với các hợp chất tạo thành trong quá trình phân hủy Tỷ lệ nitơ/cacbon tăng từ 1/100 trong sinh khối thực vật tươi đến 1/10 trong mùn khi quá trình mùn hóa kết thúc Vì vậy, mùn chứa nhiều hợp chất nitơ hữu cơ

Mặc dù chỉ chiếm vài phần trăm trong thành phần của đất, nhưng những hợp chất trong mùn có ảnh hưởng mạnh đến tính chất của đất:

− Có khả năng liên kết mạnh với các ion kim loại, do đó có thể giữ các nguyên tố kim loại vi lượng trong đất

− Có tính axit bazơ nên còn đóng vai trò là tác nhân đệm pH trong đất

− Mùn liên kết các hạt đất và làm tăng khả năng giữ ẩm cũng như khả năng hấp thụ các chất hữu cơ của đất

4.3 Nước và không khí trong đất

4.3.1 Nước trong đất

Thông thường, do các hạt đất có kích thước nhỏ, đồng thời trong đất còn có các mao quản và lỗ xốp nhỏ, nên nước trong đất không tồn tại hoàn toàn độc lập với phần chất rắn của đất Thực vật chỉ sử dụng được nước trong các lỗ xốp lớn của đất, loại nước này có thể chảy thoát khỏi đất Nước chứa trong các lỗ xốp nhỏ giữa các lớp khoáng sét bị giữ chặt hơn, thực vật khó hấp thụ phần nước này

Đất chứa nhiều chất hữu cơ thường giữ một lượng nước nhiều hơn các loại đất khác, nhưng thực vật khó sử dụng lượng nước này, do nó bị hấp phụ vật lý và hóa học lên các thành phần hữu cơ

Nước tương tác rất mạnh với khoáng sét trong đất Nước bị hấp phụ lên bề mặt các hạt sét Do có diện tích bề mặt riêng lớn nên các hạt keo sét giữ được một lượng nước khá lớn Nước còn bị giữ bởi các lớp sét biến tính, như khoáng sét montmorillonite

Khi bị úng nước, tính chất lý, hóa, sinh của đất sẽ bị biến đổi:

− Oxy trong đất sẽ bị suy kiệt nhanh chóng do hoạt động hô hấp của vi sinh vật khi tham gia quá trình phân hủy các chất hữu cơ

− Liên kết giữa các hạt keo đất bị bẻ gãy, cấu trúc đất bị phá vỡ

− Nước dư thừa trong đất gây hại cho cây trồng, lúc này đất không chứa đủ lượng không khí cần thiết cho rễ cây Ngoại trừ lúa, hầu hết các cây lương thực khác không thể phát triển được trong đất úng nước

− pE của đất giảm (chuyển sang môi trường khử) do tác dụng của các chất khử hữu cơ dưới tác dụng xúc tác của vi sinh vật pE giảm mạnh xuống chỉ còn khoảng 1 hoặc nhỏ hơn (so với giá trị 13,7 ở pH 7 trong điều kiện nước cân bằng với không khí)

Hậu quả của sự thay đổi này chính là sự di động của sắt và mangan, do các oxit không tan ở mức oxy hóa cao hơn của chúng bị khử về dạng sắt (II) và mangan (II) tan được:

MnO2 + 4H+ + 2e− → Mn2+ + 2H2O Fe2O3 + 6H+ + 2e− → Fe2+ + 3H2O Mangan tan dưới dạng ion Mn2+, còn sắt (II) tan thường tồn tại dưới dạng ion phức tích điện âm với các phối tử hữu cơ Do sắt (II) tạo phức mạnh với axit fulvic trong đất, nên sắt (III) dễ bị khử thành sắt (II) hơn trong điều kiện này

Cùng với một số ion khác, Fe2+ và Mn2+ ở nồng độ cao là các ion độc hại với thực vật Quá trình oxy hóa các ion này tạo thành các oxit không tan Fe2O3, MnO2 gây ra hiện tượng

“nước phèn” hoặc đóng thành váng trên mặt đất (“đóng phèn”).

4.3.2 Không khí trong đất

Trong các loại đất thông thường, các lỗ xốp chứa không khí chiếm khoảng 35% tổng thể tích đất Thành phần không khí trong đất hoàn toàn khác không khí bình thường (chứa khoảng 21% O2 và 0,03% CO2 tính theo thể tích) Nguyên nhân của sự khác biệt này được giải thích do sự phân hủy các chất hữu cơ trong đất:

{CH2O} + O2 → CO2 + H2O Quá trình này tiêu thụ oxy và tạo thành CO2 Do đó hàm lượng oxy của không khí trong đất giảm xuống còn khoảng 15%, trong lúc đó hàm lượng CO2 tăng lên đến khoảng vài phần trăm Sự phân hủy này cũng làm tăng CO2 trong nước ngầm, làm giảm pH và làm tăng

sự phong hóa các khoáng cacbonat, đặc biệt là khoáng canxi cacbonat CO2 còn làm chuyển dịch cân bằng hấp thụ các ion kim loại của rễ cây [10]:

Đất}Ca2+ + 2CO2 + 2H2O ⇌ Đất}(H+)2 + Ca2+(rễ cây) + 2HCO3−

Khi quá trình trao đổi chất giữa đất và khí quyển không tốt thì bên cạnh CO2, không khí trong đất còn chứa các khí khác như NO2, NO, H2, CH4, C2H4, H2S

4.4 Dịch đất

Dịch đất là phần nước trong đất chứa các chất tan tạo thành từ các quá trình hóa học

và sinh học trong đất, cũng như từ các quá trình trao đổi giữa đất với thủy quyển và sinh quyển Dịch đất vận chuyển các chất hóa học đến và đi khỏi các hạt đất Ngoài tác dụng cung cấp nước cho sự phát triển của thực vật, dịch đất còn tạo điều kiện cần thiết cho quá trình trao đổi các chất dinh dưỡng giữa rễ cây và các hạt đất

Rất khó thu được dịch đất vì phần lớn dịch đất được giữ trong các mao quản hoặc tạo thành lớp màng mỏng trên bề mặt hạt đất Một trong những cách trực tiếp để lấy dịch đất là thu nước rỉ từ đất Ngoài ra, có thể tách dịch đất từ đất ẩm bằng cách thay thế nước với các chất lỏng không trộn lẫn với nước, hoặc dùng các biện pháp cơ học như ly tâm, nén ép hay xử

lý bằng chân không

Hầu hết các chất khoáng hòa tan trong dịch đất tồn tại ở dạng ion Các cation chủ yếu thường là H+, Ca2+, Mg2+, K+, Na+ Các ion Fe2+, Mn2+, Al3+ thường chỉ có mặt với nồng độ rất thấp, chúng thường ở dưới dạng hydrat hóa như FeOH+, hay dạng tạo phức với các hợp chất hữu cơ trong mùn Các anion trong dịch đất thường gặp là HCO3 −, CO3−, SO4−, Cl− và F− Các anion cũng có thể tạo phức với các ion kim loại, như AlF2+ Các cation và anion đa hóa trị

có thể kết hợp tạo thành các cặp ion hoặc các hợp chất như CaSO4, FeSO4

4.5 Phản ứng axit-bazơ và phản ứng trao đổi ion trong đất

4.5.1 Sự tạo thành axit vô cơ trong đất

Khoáng pyrite (FeS2) có mặt trong một số loại đất khi tiếp xúc với không khí có thể bị ôxi hóa thành axit sulfuric

FeS2 + 7/2O2 + H2O ⇌ Fe2+ + 2H+ + 2SO4− + 7H2O

lúc này đất chứa nhiều sulfat và axit do đó được gọi là đất sulfat-axit (acid-sulfate soil).

Các vùng đất được hình thành từ trầm tích biển trung tính chứa FeS2, có thể bị chuyển thành đất sulfat-axit khi tiếp xúc với không khí Các mỏ khoáng sản có chứa FeS2 đã ngừng hoạt động cũng tạo thành loại đất tương tự như đất sulfat-axit từ trầm tích biển

Nếu không được xử lý thích hợp thì không thể canh tác được trên đất sulfat-axit do loại đất này chứa các yếu tố bất lợi như có pH thấp, nồng độ H2S cao gây hại cho rễ cây, chứa ion Al3+ rất độc đối với thực vật

4.5.2 Điều chỉnh độ axit của đất

Hầu hết các loại thực vật chỉ phát triển tốt trên đất có pH gần trung tính

Đất chua thường được xử lý bằng vôi hoặc CaCO3:

Đất}(H+)2 + CaCO3 ⇌ Đất}Ca2+ + CO2 + H2O

Ở các vùng có lượng mưa thấp, đất có thể có môi trường kiềm do chứa các muối bazơ

Có thể xử lý đất kiềm bằng muối nhôm hoặc sắt sulfat, các muối này khi tan vào nước thì bị

thủy phân và tạo ra môi trường axit

2Fe3+ + 3SO4 − + 6H2O ⇌ 2Fe(OH)3 (r) + 6H+ + 3SO4− Cũng có thể sử dụng lưu huỳnh để xử lý đất kiềm Vi khuẩn trong đất ôxi hóa lưu huỳnh thành axit sulfuric Đây là một phương pháp có hiệu quả về mặt kinh tế, do lưu huỳnh

sử dụng ở đây chính là sản phẩm phụ rất dồi dào của công nghệ tách loại lưu huỳnh ra khỏi nhiên liệu hóa thạch (nhằm mục đích giảm thiểu ô nhiễm không khí do SO2)

4.5.3 Cân bằng trao đổi ion trong đất

− Khả năng trao đổi các cation là một trong những tính chất quan trọng của đất Nhờ quá trình trao đổi cation của đất mà trong đất có các ion đa lượng như kali, canxi, magiê và các ion vi lượng khác cho thực vật Khi ion kim loại được rễ cây hấp thụ, H+ sẽ thay thế vị trí của ion kim loại, ví dụ:

Đất}Ca2+ + 2CO2 + 2H2O ⇌ Đất}(H+)2 + Ca2+(rễ) + HCO3−

Do quá trình này nên khi canxi, magiê và các ion kim loại khác trong đất bị nước chứa axit cacbonic rửa trôi thì đất sẽ bị chua hóa

Để đánh giá khả năng trao đổi cation của đất người ta sử dụng thông số CEC

(cation-exchange capacity: khả năng trao đổi cation) CEC là số mili đương lượng gam (meq) cation

mang điện tích +1 có thể trao đổi trên 100 g đất khô CEC của đất thay đổi theo pE và pH

Cả các khoáng sét và thành phần hữu cơ trong đất đều có khả năng trao đổi cation CEC của các loại đất có thành phần hữu cơ khác nhau thường dao động trong khoảng 10 – 30 meq/100 g Mùn có khả năng trao đổi cation rất cao CEC của than bùn có thể lên đến 300 – 400 meq/100 g

− Trên bề mặt các oxit trong khoáng của đất còn có thể xảy ra quá trình trao đổi các anion

Cơ chế của quá trình này được giải thích bằng ví dụ minh họa với kim loại M trình bày dưới đây

Ở pH thấp, bề mặt các oxit kim loại có thể có các điện tích dương, do đó chúng có thể giữ được các anion (ví dụ Cl−) bằng lực hút tĩnh điện:

Ở pH cao, trên bề mặt oxit kim loại có các điện tích âm, do các phân tử nước bị giữ trên bề mặt oxit mất H+ và tạo thành OH−:

Lúc này anion như HPO4 − có thể thay thế vị trí của OH− để liên kết trực tiếp lên bề mặt oxit:

M

O

M

O

OH− + HPO42 − ⇌ OPO3H2 − + OH−

O M

H+

OH2 Cl

O

M OH

4.6 Chất dinh dưỡng vi lượng và đa lượng trong đất

Cung cấp các chất dinh dưỡng đa lượng và vi lượng là chức năng quan trọng nhất của đất Chất dinh dưỡng đa lượng là các chất có mặt trong thực vật hay dịch thực vật ở mức nồng

độ khá cao Trong lúc đó, các chất dinh dưỡng vi lượng chỉ có mặt ở mức nồng độ rất thấp nhưng lại cần thiết cho hoạt động của các enzim của thực vật

4.6.1 Chất dinh dưỡng đa lượng

Cacbon, hydro, ôxi, nitơ, photpho, kali, canxi, magiê và lưu huỳnh được xem là các chất dinh dưỡng đa lượng đối với thực vật

Thực vật hấp thụ cacbon, hydro và ôxi từ khí quyển Các nguyên tố đa lượng khác được hấp thụ từ đất Trong số đó, nitơ, photpho và kali là các chất dinh dưỡng rất quan trọng ảnh hưởng đến sự phát triển của thực vật, năng suất của vụ mùa, nhưng thường không có đủ trong đất nên phải được bổ sung dưới dạng phân bón

Thường rất ít gặp loại đất thiếu canxi Bón vôi để xử lý đất chua cũng đã cung cấp một

lượng đáng kể canxi cho thực vật Đất chua có thể vẫn chứa một lượng lớn canxi, nhưng do

sự cạnh tranh giữa ion canxi và ion hydro nên thực vật không thể hấp thụ được lượng canxi này Xử lý độ chua của đất sẽ khắc phục được tình trạng thiếu canxi này Trong đất kiềm, các ion natri, magiê, và kali có mặt ở nồng độ lớn có thể cạnh tranh với canxi, gây ra tình trạng thiếu canxi

Hầu hết magiê trong vỏ Trái đất (2,1%) được liên kết rất bền với các khoáng Thục vật

chỉ có thể hấp thụ được dạng magiê trao đổi liên kết với các chất hữu cơ hay khoáng sét Magiê trong đất có đủ cho thực vật hay không còn phụ thuộc vào tỷ số Ca/Mg Nếu tỷ số này quá cao, đất sẽ bị thiếu magiê Tương tự như vậy, nếu đất có chứa nhiều natri, kali cũng sẽ gây ra thiếu magiê

Thực vật hấp thụ lưu huỳnh dưới dạng SO4− Ngoài ra, ở những vùng không khí bị ô nhiễm SO2, lưu huỳnh còn có thể được cây hấp thụ qua lá

Thực vật phát triển chậm ở những vùng đất thiếu lưu huỳnh do nguyên tố này là thành phần của một số amino axit cần thiết, thiamin và biotin Ion sulfat thường tồn tại trong đất dưới dạng khoáng sulfat di động không tan, hoặc dạng muối tan Không như trường hợp kali, sulfat bị đất hấp thụ một phần (liên kết theo kiểu trao đổi ion), nên một mặt ngăn chặn được tình trạng rửa trôi, mặt khác vẫn cung cấp được sulfat cho thực vật hấp thụ

Nhiều vùng đất thiếu lưu huỳnh được phát hiện trên toàn thế giới Trong khi đó, hầu hết các loại phân bón trên thị trường lại không chứa, hoặc chứa rất ít lưu huỳnh Cùng với xu hướng sử dụng phân bón thiếu lưu huỳnh hiện nay, khả năng lưu huỳnh trở thành yếu tố dinh dưỡng giới hạn có thể xảy ra ở một số nơi

Như đã trình bày ở trên, FeS2 phản ứng với axit trong đất sulfat-axit có thể giải phóng H2S rất độc với cây trồng, H2S cũng có khả năng tiêu diệt nhiều vi sinh vât có lợi Khí H2S độc hại có thể được tạo thành từ phản ứng khử ion sulfat bởi các chất hữu cơ, dưới tác dụng xúc tác của vi sinh vật Có thể ngăn chặn sự tạo thành H2S trong đất ngập nước bằng các tác nhân oxy hóa, KNO3 là chất ôxi hóa được sử dụng hiệu quả nhất

4.6.1.1 Nitơ

Hình 4.2trình bày sự chuyển hóa của nitơ trong đất Trong hầu hết các loại đất, trên 90% nitơ tồn tại dưới dạng nitơ hữu cơ Các hợp chất hữu cơ chứa nitơ là các sản phẩm sơ cấp của quá trình phân hủy xác động, thực vật Các sản phẩm này cuối cùng bị phân hủy thành NH3, NH4+, sau đó bị oxy hóa dưới tác dụng của các vi khuẩn trong đất thành NO2− rồi NO3−

Phân đạm Nitơ được cố định

do sấm chớp hoặc các đám cháy

Đề nitrat hóa

Nitrat hóa

N hữu cơ

Phân Nước tiểu Xác

Thực vật

cố định đạm Xác thực vật

Động vật

NH4+ {đất}

Rễ cây

hấp thụ

Trao đổi ion, Giữ NH4+

N2 N

2 O

NO

2

−

NO3− NH4+

Thấm thất thoát

Hình 4.2 Sự chuyển hóa của nitơ trong đất

Không như photpho và kali, quá trình phong hóa không tạo ra nhiều các hợp chất nitơ Các loại vi sinh vật có khả năng cố định đạm cũng không cung cấp đủ nitơ cho nhu cầu phát triển tối đa của thực vật Vì vậy, hiện nay một lượng lớn phân bón chứa nitơ đang được sử dụng trong nông nghiệp

Các hợp chất nitơ vô cơ từ phân bón hoặc từ nước mưa rất dễ bị thất thoát do rửa trôi

Do được gắn kết chặt chẽ với mùn trong đất, nên nitơ trong các hợp chất của mùn đóng vai trò rất quan trọng đối với độ phì của đất Mùn là nguồn chứa các hợp chất nitơ của đất Các hợp chất này bị phân hủy từ từ, giải phóng vừa đủ lượng nitơ cần thiết cho thực vật hấp thụ Quá trình phân hủy này xảy ra gần như song song với sự phát triển của thực vật, nhanh vào mùa

ấm (lúc thực vật phát triển mạnh) và chậm vào các tháng mùa Đông

Thực vật và ngũ cốc phát triển trên đất có giàu nitơ không những chỉ cho năng suất cao mà còn cung cấp sản phẩm giàu protein và chất dinh dưỡng

Thông thường thực vật hấp thụ nitơ ở dạng nitrat Một số loại thực vật, ví dụ cây lúa,

có thể hấp thụ nitơ ở dạng amoni Khi bón phân ở dạng amoni, vi khuẩn có trong đất sẽ chuyển hóa amoni thành nitrat Thực vật có thể hấp thụ và tích lũy một lượng dư nitrat, hiện tượng này thường xảy ra đối với loại đất được bón quá nhiều phân trong điều kiện khô hạn và

được gọi là hiện tượng tăng tích lũy (hyperaccumulation) Thức ăn từ loại thực vật hấp thụ

quá nhiều nitrat có thể độc hại đối với động vật nhai lại như trâu, bò, cừu Khi sử dụng kỹ thuật ủ chua để chế biến thức ăn cho gia súc từ các loại thực vật này, người chế biến cũng có thể bị ngộ độc do NO2 sinh ra từ quá trình khử nitrat Trong thực tế, người ta đã ghi nhận nhiều trường hợp tử vong do nguyên nhân này

Khoảng 30 đến 40% [14] lượng nitơ được thực vật hấp thụ là nitơ tổng hợp có liên quan đến các nguồn nhân tạo, bao gồm các loại phân bón, nitơ cố định được từ việc đốt nhiên liệu có chứa nitơ và cả việc tăng cường canh tác các cây họ đậu có khả năng cố định đạm Trước khi có phân bón nhân tạo chứa nitơ, nitơ trong đất được cung cấp chủ yếu từ quá trình

cố định đạm của các cây họ đậu Vi khuẩn cộng sinh trên rễ các loại cây này (đậu tương, cỏ linh lăng, cỏ ba lá,…) có khả năng cố định nitơ từ khí quyển Lượng nitơ cố định được qua con đường này cũng rất lớn, 10 pound/mẫu Anh.năm (≈ 11,2 kg/ha.năm) [14], tương đương

với lượng nitơ từ phân bón nhân tạo sử dụng trong nông nghiệp.

Việc sử dụng nhiều phân bón nitơ đã gây ra một số hậu quả về mặt môi trường Các hợp chất của nitơ bị các vi sinh vật trong đất chuyển hóa thành N2O, NO và NO2 gây ô nhiễm không khí Nguồn nước mặt và nước ngầm ở các vùng nông nghiệp có thể bị ô nhiễm do nitrat Hậu quả của các tác nhân gây ô nhiễm này đã được trình bày trong các chương về ô nhiễm không khí và ô nhiễm nước

4.6.1.2 Photpho

Mặc dù chỉ chiếm một tỷ lệ nhỏ trong thành phần sinh khối thực vật, nhưng photpho là chất dinh dưỡng không thể thiếu được đối với thực vật Cũng như nitơ, photpho chỉ được cây trồng hấp thụ dưới dạng vô cơ Thực vật hấp thụ các dạng octophotphat khác nhau Ở pH của hầu hết các loại đất, octophotphat thường tồn tại chủ yếu ở dạng H2PO4− và HPO4 − Thực vật hấp thụ octophotphat tốt nhất ở pH gần trung tính Người ta cho rằng, trongđất chua, octophotphat vẫn có thể tạo kết tủa với Al(III) và Fe(III) Trong đất kiềm, octophotphat phản ứng với canxi cacbonat tạo thành hydroxyapatite ít tan:

3HPO4− + 5CaCO3(r) + 2H2O → Ca5(PO4)3(OH)(r) + 5HCO3− + OH−

Do phản ứng này mà phân bón photpho ít bị rửa trôi Vì vậy, việc sử dụng phân bón photpho ít gây ra tình trạng ô nhiễm nước

4.6.1.3 Kali

Để phát triển thực vật cần hấp thụ một lượng lớn kali Kali cần thiết cho hoạt động của một số enzim và đóng một vai trò rất quan trọng trong cân bằng nước của thực vật Nguyên tố này cũng rất cần cho một số chuyển hóa cacbohydrat Khi đất thiếu kali, năng suất cây trồng

sẽ giảm mạnh Sản lượng thu hoạch càng cao thì kali trong đất càng bị giảm sút Sử dụng nhiều phân nitơ để tăng năng suất cây trồng cũng làm giảm kali của đất Vì vậy, kali có thể trở thành yếu tố dinh dưỡng giới hạn khi đất được bổ sung nhiều chất dinh dưỡng khác

Kali là một trong số các nguyên tố rất phổ biến trong lớp vỏ Trái đất (chiếm 2,6%), tuy vậy do kali thường liên kết chặt trong các khoáng silicat, ví dụ trong khoáng leucite K2O.Al2O3.4SiO2, do đó thực vật không thể hấp thụ được Thực vật chỉ hấp thụ được các dạng kali trao đổi liên kết trong khoáng sét

4.6.2 Chất dinh dưỡng vi lượng

Bo, clo, đồng, sắt, mangan, molipden và kẽm là các nguyên tố vi lượng cần thiết cho

sự phát triển của thực vật, tuy nhiên ở nồng độ cao chúng lại gây hại cho cây trồng

Hầu hết các nguyên tố này tham gia vào thành phần của các enzim quan trọng Mangan, sắt, clo và kẽm có liên quan đến quá trình quang hợp của thực vật Natri, silic và coban cũng là các nguyên tố vi lượng cần thiết đối với một số thực vật

Một số loại thực vật có thể tích lũy một lượng rất lớn các nguyên tố kim loại vi lượng

Nguyên tố vi lượng được gọi là tích lũy cao (hyperaccumulators) khi hàm lượng của nó trong sinh khối thực vật khô lớn hơn 1 mg/g Một số loài thực vật có thể tăng tích lũy (hyperaccumulate) niken và đồng Một trong những ví dụ điển hình cho hiện tượng này là loại cây Aeolanthus biformifolius DeWild, phát triển trên vùng đất có hàm lượng đồng cao ở vùng

Shaba, Zaire có thể tích lũy đến 1,3% đồng tính theo khối lượng khô, do đó hoa của nó được gọi là “Hoa đồng”

Hiện tượng tăng tích lũy một số nguyên tố kim loại của thực vật đã làm nảy sinh ý tưởng sử dụng thực vật có khả năng tích lũy cao để xử lý đất bị ô nhiễm kim loại Cải bắp

Trung Hoa (Brassica juncea và Brassica chinensis) khi phát triển trên đất bị ô nhiễm uranium

có thể tích lũy đến 5 mg uranium trong 1 g bắp cải khô Đặc biệt khi thêm citrat vào đất, ion này sẽ tạo được phức tan với uranium nên thực vật còn có thể tích lũy được một lượng