Tiểu luận CÁC KIM LOẠI ĐỘC TRONG MÔI TRƯỜNG

Tiểu luận tập trung vào các vấn đề như nguồn gốc của các kim loại trong môi trường, các nhân tố ảnh hưởng, các kim loại độc trong khí quyển, thủy quyển và các tính độc của một số kim loạ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Viện Khoa học và Công Nghê Môi trường

- -

Tiểu luận

CÁC KIM LOẠI ĐỘC TRONG MÔI TRƯỜNG

Giáo viên hướng dẫn: GS.TS Đặng Kim Chi Người thực hiện: Đỗ Đăng Khoa; Mai Thị Nhâm

Niên khoá: 2008- 2010

Hà Nội, 12-2008

MỤC LỤC

Mở đầu

I Giới thiệu chung

II Nguồn gốc kim loại

IV Các kim loại độc trong khí quyển

V Các kim loại độc trong nước và trầm tích

VI Các kim loại độc trên cạn

VII Tính độc của một số kim loại

7.1 Cơ chế gây nhiễm độc chung của một vài kim loại

7.1.2 Mangan (Mn) và nhôm (Al)

7.2 Các kim loại gây ung thư

Kết luận

Tài liệu tham khảo

MỞ ĐẦU

Độc học môi trường là một khoa học nghiên cứu về lượng chất, các tác động bất lợi của các tác nhân độc lên cơ thể sống Độc chất là những chất khi xâm nhập vào cơ thể sống sẽ gây biến đổi sinh lý, sinh hoá phá vỡ cân bằng, dẫn đến gây rối loạn chức năng sống bình thường và tác động đến trạng thái của một hoặc nhiều cơ quan hay toàn bộ cơ thể Trong tiểu luận này, chúng em chọn các kim loại độc trong môi trường làm đối tượng nghiên cứu, xem xét Tiểu luận tập trung vào các vấn đề như nguồn gốc của các kim loại trong môi trường, các nhân tố ảnh hưởng, các kim loại độc trong khí quyển, thủy quyển và các tính độc của một số kim loại cụ thể khi chúng được hấp thụ vào cơ thể sinh vật

I GIỚI THIỆU CHUNG

Hơn 40 nguyên tố hóa học được phân loại là các kim loại Rất nhiều các nguyên tố, ví dụ như nhóm các kim loại kiềm và một vài nguyên tố vết thì có vai trò thiết yếu cho sự sống trong khi các nguyên tố khác lại là chất độc Các kim loại đóng vai trò là chất dinh dưỡng cơ bản của sự sống như Ca, Mg, Fe, K, và Na Các kim loại này có vai trò rất quan trọng trong việc duy trì sự sống nhưng nó sẽ trở thành chất độc nếu hàm lượng vượt quá mức độ cho phép Các kim loại vết như Cr,

Co, Cu, Mn, Ni, Se, và Zn là một phần quan trọng của các tế bào vì nó là thành phần cấu tạo nên các enzym Tuy nhiên các nguyên tố này cũng trở nên độc nếu nó vượt quá mức độ cho phép trong cơ thể sinh vật (Mailman, 1980; Hayes, 1989) Một vài nguyên tố như Pb, Cd, và Hg có các ảnh hưởng có hại đến sinh vậtd ở bất

kỳ nồng độ nào

Các kim loại độc được biết đến sớm nhất là Pb và Ag Hai kim loại này có lẽ được sử dụng từ trước năn 2000 trước công nguyên Ông Theophrastus, người sống vào khoảng năm 380 trước công nguyên, đã nói về As và Hg trong những bài viết của mình, và Hippocrates có lẽ là người đầu tiên chỉ ra mối liên hệ giữa sự đau bụng với việc tiếp xúc với kim loại (Goyer, 1986) Còn chì thì bị cho là liên quan đến việc suy tàn và đổ vỡ của đế chế La mã do nó được sử dụng trong đường ống dẫn nước Lewis Carroll, trong tác phẩm Alice ở xứ sở thần tiên (Wonderland), giới thiệu một nhân vật đã được biết đến là “Hatter điên” người đã có những triệu chứng tiêu biểu sau khi tiếp xúc với thủy ngân vô cơ trong một giai đoạn dài Tuy nhiên,

sự kiện ở vịnh Minamata - Nhật Bản thì lại liên quan đến việc tăng kim loại nặng trong môi trường (Takeuchi et al., 1959; Tokuomi, 1961; Mailman, 1980; Mance, 1987)

Trong việc phát hiện các mối nguy hại liên quan đến việc tích lũy kim loại nặng trong môi trường, bước quan trọng nhất là việc xác định cơ quan, sinh vật có

sự nhậy cảm nhất Thông thường động vật có mức độ nhậy cảm với kim loại nặng hơn thực vật, và con người được xem là nhậy cảm nhất và cũng là sinh vật quan trọng nhất Tuy nhiên, độ độc của kim loại đến con người chỉ được trình bày sơ lược trong tiểu luận này

II CÁC NGUỒN KIM LOẠI TRONG MÔI TRƯỜNG

Vỏ trái đất là nguồn cơ bản của tất cả các nguyên tố kim loại được tìm thấy trong môi trường Các kim loại không được tạo ra hay bị phá hủy bởi con người nhưng nó lại được phân bổ trong môi trường bởi hai vòng tuần hoàn địa chất và sinh học Các hoạt động công nghiệp và công nghệ của con người làm ngắn các chu trình của kim loại, nó làm tạo ra các hợp chất kim loại mới, và các kim loại được đưa vào

khí quyển chủ yếu qua việc đốt nhiên liệu và nó gây ra sự phát tán mạnh trên quy

mô toàn cầu

1 Công nghiệp

Sự gia tăng tích lũy kim loại trong môi trường không chỉ từ các nguồn tự nhiên, mà còn từ hoạt động công nghiệp của con người Việc đốt cháy các nhiên liệu hóa thạch làm giải phóng khoảng 20 loại kim loại độc hại quan trọng vào môi trường bao gồm asen, beryllium, cacmidi, chì, và niken (Goyer, 1986) Các sản phẩm công nghiệp và việc sử dụng các vật liệu công nghiệp có thể chứa hàm lượng cao các nguyên tố kim loại độc hại Ví dụ, Thủy ngân được sử dụng để sản xuất clo

và soda trong công nghiệp sản xuất giấy và bột giấy, công nghiệp sản xuất pin, bóng đèn huỳnh quang, công tắc điện, sơn và các sản phẩm nông nghiệp, thuốc chữa răng, và dược phẩm (Mailman, 1980)

Cả người lớn và trẻ em đều có thể bị tiếp xúc với bụi chì từ các ngành công nghiệp như công nghiệp sản xuất ắc quy qua việc tiếp xúc với quần áo người lao động, trẻ em thì có thể đưa chì vào cơ thể qua việc đưa vào mồm những miếng vật liệu có sơn bị bong tróc Sự tiếp xúc này sau đó có thể là mối nguy hại chính đối với sức khỏe của trẻ em; Tuy nhiên, nguồn phát thải chì nhiều nhất vào môi trường là từ

sự giải phóng chì ra môi trường từ sự đốt cháy tetraethyl, hoặc từ các ngành các ngành công nghiệp sử dụng nhiên liệu hóa thạch

Cacmidi, một sản phẩm phụ của việc khai khoáng kẽm và chì, là một chất gây

ô nhiễm môi trường quan trọng Nó được sử dụng rất nhiều trong sơn, thuốc nhuộm,

ắc quy, và plastics Ngoài ra nó còn được sử dụng trong chất chống ăn mòn thép, sắt, đồng, đồng thau và các hợp kim khác

2 Các sản phẩm nông nghiệp

Các kim loại nặng có trong các sản phẩm phân bón bao gồm Cacmidi, crom, đồng, mangan, molipden, niken và kẽm Các nguồn chính của asen trong môi trường là từ thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ và các sản phẩm bảo vệ thực vật khác chì

và asen bên cạnh việc sử dụng trong công nghiệp nó còn được sử dụng trong thuốc trừ sâu Thuốc diệt nấm có chứa thủy ngân cũng góp phần làm ô nhiễm môi trường Cuối cùng, rất nhiều các kim loại này tích lũy trong đất nông nghiệp dẫn đến tạo ra

sự nguy hiểm đối với thực vật và động vật

3 Thực phẩm và các phụ gia thực phẩm

Đối với con người, lượng lớn kim loại có trong thực phẩm và các phụ gia thực phẩm có thể được đưa vào cơ thể con người thông qua quá trình ăn uống Sự đưa kim loại vào trong cơ thể qua con đường ăn uống thông thường theo hai con đường chính (Mailman and Sidden, 1980)

- Con đường thứ nhất liên quan đến việc vô tình ăn, uống hoặc tiếp xúc trực tiếp với thức ăn hoặc các vật liệu chứa kim loại Ví dụ điển hình là việc trẻ con ăn, gặm những vật liệu sơn chứa chì Bởi vì 1 cm2 bề mặt được sơn có thể chứa từ 50

mg – 100 mg chì Ngay cả việc đưa vào cơ thể 1 một chút sơn cũng có thể vượt quá mức độ cho phép

Một ví dụ khác của việc sử dụng Pb trực tiếp đó là thời kỳ của đế chế La mã (từ năm 509-476 trước công nguyên) Người Lamã sử dụng ống nước làm bằng chì

để cung cấp đến các hộ gia đình, do đó một lượng lớn chì đã được đưa vào cơ thể thông qua quá trình ăn uống Sử dụng các sản phẩm đồ gốm được tráng loại men chứa chì cũng làm cho chì liên tục đưa vào cơ thể Việc liên tục đưa chì vào cơ thể qua con đường ăn uống này đã dẫn đến những triệu chứng về thần kinh và có lẽ nó cũng nguyên nhân quan trọng trong việc suy tan và đổ vỡ của đế chế Lamã Gần đây hơn, những trường hợp bị ngộ độc chì đã xảy ở Mỹ do việc sử dụng các loại đồ gốm rẻ tiền làm đồ đựng thức ăn tính axit (Mailman, 1980)

- Con đường thứ 2 đưa kim loại vào cơ thể là gián tiếp thông qua chuỗi thức

ăn Bệnh Minamata rất nổi tiếng được biết đến là kết quả của việc ăn quá nhiều cá

có chứa methyl thủy ngân Các vi sinh vật có trong trầm tích đã làm ion thủy ngân liên kết với metal để tạo thành methyl thủy ngân Methyl thủy ngân có thể được tích lũy trong các mô cá khi chúng ăn các thức ăn bị nhiễm bẩn (Stirling, 1980) Sự hấp thụ methyl thủy ngân bởi cá ở vịnh Minamata xảy ra khi các chất thải chất thải công nghiệp chứa các hợp chất thủy ngân thải vào vịnh Các kim loại độc khác như Cd được phát hiện trong thịt, cá và hoa quả Các loài động vật có vỏ như trai, điệp, và hàu là nguồn chính chứa Cd

Khi con người sử dụng bùn thải chứa nitơ, photpho và sulfua cũng như các kim loại nặng như Cd, Cr, Cu, Pb, Hg, Ni, và Zn cho việc cải tạo đất nông nghiệp (Dowdy and Volk, 1983) cũng là nguyên nhân dẫn đến kim loại đi vào chuỗi thức

ăn Mặc dù các kim loại này ít được giữ lại trong đất do qua trình lọc, nhưng thực vật vẫn hấp thụ được các kim loại này và chúng vẫn được đưa vào chuỗi thức ăn, cuối cùng là vào cơ thể con người thông qua con đường ăn uống

III CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TÍNH ĐỘC CỦA KIM LOẠI

Có nhiều nhân tố ảnh hưởng đến sự trao đổi chất và các ảnh hưởng của kim loại Những nhân tố này được coi là những nhân tố chủ đạo bao gồm tuổi tác, chế

độ ăn, sức đề kháng, giới, loài, hệ và nhịp sinh hoc Tính độc của kim loại có thể

bị thay đổi bởi các nhân tố vô sinh như ánh sáng, độ ẩm, tốc độ gió, lượng mưa, tia bức xạ, và sự thay đổi nhiệt độ

3.1 Nhiệt độ

Sự thay đổi nhiệt độ môi trường xung quanh đều ảnh hưởng đến sự trao đổi chất ở cả động vật đẳng nhiệt và biến nhiệt Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tính độc của kim loại có hai loại cơ bản, đó là:

- Độ độc của kim loại tăng khi nhiệt độ môi trường tăng hoặc

- Độ độc của kim loại tăng khi nhiệt độ môi trường giảm(Hodgson, 1987) Đối với động vật không xương sống nước mặn thì phần lớn thì tính độc của các kim loại đều tăng khi nhiệt độ môi trường tăng (Mance, 1987) Tuy nhiên, đối với các loài cá cả ở nước ngọt và nước mặn thì không thể có bất kỳ mối liên hệ đặc biệt nào giữa độ độc của kim loại với nhiệt độ

Tuy nhiên, tính độc của kim loại đến các loài thì thay đổi theo từng loại kim loại và từng loài cá Ví dụ, đối với cá hồi thì độ độc của AgNO3 tăng khi nhiệt độ tăng Tuy nhiên, đối với đồng thì ngược lại Tương tự như vậy, đối với các loài cá không phải họ cá hồi thì độ độc của cacmidi cũng giảm xuống khi nhiệt độ tăng,

trong khi với các loài khác như Oryzias latipes thì lại không như vậy Đối với động

vật đẳng nhiệt có xương sống, trên cạn thì các ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ bị chi phối bởi sự tác động của các hormone, trong khi các loài động vật không xương sống trên cạn và các loài thực vật thì được cho là sẽ tích lũy nhiều kim loại khi môi trường có nhiệt độ cao

3.2 pH

pH là nhân tố vô sinh quan trọng nhất quyết định đến tính linh động của kim loại trong đất Sự phân hủy rác, lá cây làm pH của đất giảm xuống do sự giải phóng các axits hữu cơ (Hopkin, 1989) pH giảm sẽ làm tăng tính linh động của các muối kim loại nặng trong đất (Nordberg et al., 1985) Mưa axit cũng làm tăng tính linh động của cả các kim loại độc và không độc trong nước, đất và nó cũng có thể làm tăng quá trình chuyển đổi một số kim loại thành các dạng mới độc hơn

3.3 Sự thích nghi của sinh vật, và sự phối kết hợp giữa các loại kim loại

Các dữ liệu thử nghiệm về độ độc cấp tính đã chứng tỏ rằng có những sự thích nghi của cơ thể sinh vật trước các tính độc của kim loại Thử nghiệm về độc cấp tính với cá hồi con gairdneri cho thấy rằng khi cho tiếp xúc với đồng trong một khoảng thời gian 21 ngày thì có mối liên quan rõ ràng giữa nồng độ đồng với LC50 Tuy nhiên, các sinh vật như cá hồi con gairdneri khi tiếp xúc với kim loại có độ độc cao thì chúng có những phản ứng của cơ thể trong một khoảng thời gian ngắn và những phản ứng này sẽ không còn khi chúng được đưa vào môi trường sạch Khi có

sự tiếp xúc không liên tục với các kim loại thì sự tử vong có thể đến 30%, những sinh vật sống sót bị giảm quá trình sinh trưởng Trong hầu hết các trường hợp, khi

có sự kết hợp giữa các kim loại chúng sẽ làm tăng thêm tính độc Chỉ một số ít các trường hợp khi một kim loại được thêm vào sẽ làm giảm độc tính của kim loại khác

(Mance, 1987) Ví dụ bạc sẽ làm cản trở những tác động độc hại của Cd lên trứng của cá bơn

IV CẤC KIM LOẠI ĐỘC TRONG KHÍ QUYỂN

Khí quyển là một hệ thống bao gồm 4 vùng đặc biệt là tầng đối lưu, bình lưu, tầng trung gian và tầng nhiêt 4 tầng này được chi thành 3 vùng nghịch nhiệt, được gọi là lớp tạm dừng ở đỉnh tầng đối lưu (tropopause), tầng bình lưu và tầng trung gian (Fergusson, 1990) Tầng ngay sát trái đất là tầng đối lưu và nó liên quan chặt chẽ với với sự vận chuyển của kim loại

Nhiệt độ và gió là ảnh hưởng chính đến tốc độ, thể tích của sự di chuyển các kim loại nặng, vật chất đặc biệt, sol khí hoặc thậm chí là hơi nước trong khí quyển

Sự thay đổi nhiệt độ là nguyên nhân chính của sự đối lưu khí theo phương thẳng đứng Dù là nhiệt độ không khí của tầng đối lưu thông thường giảm khi chiều cao tăng, sự đảo nhiệt cũng có thể xảy ra, là kết quả của việc di chuyển, hòa trộn khí theo phương ngang (Sheet, 1980; Fergusson, 1990) Sự dịch chuyển của không khí theo phương ngang hoặc gió, phát sinh chủ yếu là do kết hợp của 3 nhân tố: gradient áp suất- chênh lệch áp suất, độ nghiên Coriolis, và sự ma sát với bề mặt trái đất Sự chênh lệch áp suất là do sự dịch chuyển không khí từ vùng có áp suất cao đến vùng áp suất thấp Độ chênh Coriolis là do quá trình quay của trái đất xung quanh khối không khí Kết quả là các khối khi di chuyển trực tiếp về phía đông ở bán cầu bắc Sự chênh Coriolis làm cho không khí di chuyển dọc theo đường đẳng

áp hoặc đường khí áp cân bằng, hơn là trực tiếp từ vùng có áp suất cao đến vùng có

áp suất thấp Kết quả là , không khí di chuyển theo chiều ngược chiều kim đồng hồ xung quanh vùng có áp suất thấp và theo chiều kim đồng hộ xung quan vùng có khí

áp cao ở bắc bán cầu (Fergusson, 1990) Không khí di chuyển theo chiều ngược lại

ở nam bán cầu

Một ví dụ rất hay về ảnh hưởng đến khí tượng đó là vụ nổ lò phản ứng hạt nhân Chernobyl năm 1986, các kim loại đã lắng đọng và di chuyển với khoảng cách rất xa Các đám mây phóng xạ đã đi theo 2 hướng khác nhau và che phủ hầu hết Châu âu trong khoảng 2 tuần

Mặc dù các nguyên tố phóng xạ từ các vụ tai nạn hay các vụ nổ hạt nhân thì được lan trên diện rộng, nhưng đối với các hiện tượng tự nhiên có sự phát thải kim loại vào khí quyển thì hoạt động phun trào núi lửa là có nồng độ kim loại cao nhất.(Fergusson, 1990) Antimony, asen, cacmidi, chì và selen được đưa vào khí quyển từ các nguồn núi lửa trong khi một vài nguyên tố kim loại nặng khác thì được đưa vào khí quyển từ các nguồn địa nhiệt khác (Sabadell và Axtmann, 1975) Mặc

dù nồng độ kim loại trong bụi núi lửa rất cao tuy nhiên sự đóng góp lớn nhất kim tổng kim loại nặng trong khí quyển lại từ các hoạt động như cháy rừng, bụi nước

biển, nó đóng góp lượng chì và cacmidi lớn hơn rất nhiều từ hoạt động phun trào núi lửa (Fergusson, 1990)

Nguồn nhân tạo trong việc xả thải kim loại vào trong khí quyển thì thường tập trung ở các vùng đô thị, công nghiệp Những nguồn này bao gồm (1) đó là các hoạt động công nghiệp, các động cơ đốt cháy nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu, và khí tự nhiên, (2) các nhà máy luyện kim và các xưởng đúc, (3) khai thác mỏ và lò nấu kim loại (4) từ lò đốt rác, và (5) nhà máy sản xuất ximăng (Amasa, 1975; Comar và Nelson, 1975; Johnson và cộng sự, 1975; Lindberg và cộng sự, 1975; Hopkin, 1989; Fergusson, 1990) Kim loại nặng trong khí quyển ở vùng nông thôn

và các vùng xa xôi hẻo lánh thì thấp hơn và các nguồn kim loại có trong khí quyển

ở đây chủ yếu là từ các nguồn tự nhiên

Sự đốt than đá hoặc dầu làm giải phóng asen, bismuth, cacmidi, crom, đồng, chì, mangan, thủy ngân, niken, selen và kẽm vào khí quyển dưới dạng sol (Fergusson, 1990)

Các chất gây ô nhiễm có nguồn gốc từ các nguồn trên sẽ được đưa từ khí quyển xuống bề mặt trái đất ở cả trạng thái khô hoặc ướt (qua quá trình giáng thủy) Khi lắng đọng xuống bề mặt trái đất nó sẽ làm ảnh hưởng đến cả môi trường dưới nước và trên cạn

V KIM LOẠI TRONG NƯỚC VÀ TRẦM TÍCH

Thủy quyển chiếm phần diện tích lớn hơn rất nhiều so với thạch quyển trên bề mặt trái đất và chúng được chia ra thành hồ, sông, vùng cửa sông ven biển, đại đương (Fergusson, 1990) Các kim loại tồn tại trong thủy quyển dưới dạng hòa tan

và các hạt lơ lửng hoặc ở dạng trầm tích Trầm tích ở sông, hồ, cửa sông là nguồn chính của kim loại nặng trong thủy quyển Ở cửa sông, các kim loại nặng từ khí quyển và sông được tích tụ dẫn đến các phản ứng lý hóa học xảy ra trước khi nó được cuốn ra ngoài đại dương

Sự lắng đọng từ khí quyển, lọc qua đất, dòng chảy, xói mòn, và sự vỡ vụn của các khoáng trầm tích tất cả đã góp phần làm tăng nồng độ kim loại trong nguồn nước cấp thiên nhiên Các nguồn nhân tạo gồm có từ việc khai thác mỏ, luyện kim, đốt nhiên liệu hóa thạch, rác, từ dòng chảy từ đô thị, nông nghiệp, nước thải

Mức kim loại được phát hiện ở sông thường lớn hơn ở đại dương bởi vì các nguồn xả thải chứa kim loại thường được đưa trực tiếp vào sông Sự thay đổi nồng

độ kim loại ở sông thì được dễ phát hiện bởi vì nó có tốc độ dòng chảy lớn Các kim loại như cacminid, thủy ngân và chì thì liên quan chặt chẽ đến sự thay đổi về mật độ dân cư dọc theo sông và sự thay đổi dòng chảy theo mùa (Rand và Barthalmus, 1980; Fergusson, 1990) Nồng độ kim loại thay đổi ngược lại với tốc độ dòng chảy của sông Tương tự, trầm tích sẽ càng ít kim loại khi nó ở càng xa các nguồn thải

Các nghiên cứu ở sông Rhine ở phía tây Châu âu đã cho thấy rằng nồng độ cacmidi giảm thấp khi có sự gia tăng tốc độ dòng chảy của sông vào mùa đông và nồng độ cacmidi tăng cao khi tốc độ dòng chảy giảm thấp vào mùa hè và mùa thu Nồng độ cacmidi tăng nhanh khi về phía ngã 3 của sông Rhine và sông Ruhr và nó sẽ giảm dần dần ở 50 km kế tiếp

- Trong số các chức năng khác của sông, thì sông Rhine ở phía tây Châu âu đóng chức năng như là nơi chứa chất thải đô thị và công nghiệp cho các nước mà nó chảy qua (Rand và Barthalmus, 1980) Từ hồ Constance đến Biển bắc, sông ranh chảy trên 1230 km qua một số khu công nghiệp hóa ở phía tây châu âu Các kim loại nặng là các dạng rất nguy hiểm đối với sinh vật thủy sinh bởi nó tồn tại ở các dạng hợp chất bền vững Nó rất khó mất đi bởi bất kỳ quá trình tự nhiên nào Các cation kim loại khác như Ca, Na, K, Mg, và Fe tạo thành các muối hòa tan với Cl- , SO42-, NO3-, HCO3- và PO43- Sông Rhine có một lượng lớn muối này là kết quả của việc bào mòn, mưa, và các nguồn thải từ khai thác mỏ và công nghiệp

Các mức kim loại nặng trong nước ở các vùng cửa sông, bờ biển, và trầm tích thay đổi lớn, phụ thuộc vào nguồn vào Rất nhiều nguồn nước vào vùng cửa sông là

có nguồn gốc từ nước khí quyển, và đến 93% kim loại nặng đi vào cửa sông sẽ bị giữ lại (Fergusson, 1990)

Khí quyển là nhân tố phân bố chính của kim loại nặng vào đại dương Đặc biệt

là chì, với 90% lượng chì trong đại dương là có nguồn gốc từ khí quyển (Fergusson, 1990) Chì có trong nước của vùng North Pacific có mối liên hệ với nguồn gốc từ quá trình giải phóng chì do sử dụng xe hơi và luyện kim Nồng độ thủy ngân trong nước bề mặt của biển Atlantic thay đổi theo mùa là do nguyên nhân sự xả thải vào khí quyển của nước Mỹ (Lelan và Kuwabara, 1985)

Nồng độ của các kim loại nặng trong trầm tích đại dương thì thay đổi theo vùng địa lý (Fergusson, 1990) Nồng độ cao thường thấy trong nước ở ven biển vì

bó gần các nguồn xả thải

Sự ô nhiễm môi trường sinh vật thủy sinh bởi kim loại trên toàn cầu Sự ô nhiễm kim loại ở một số dòng sông ở xứ Wales đã được biết đến từ đầu thế kỷ 19, đến đầu thế kỷ 20 một số trong số đó chỉ có các sinh vật không xương sống là có thể tồn tại và không có dấu hiệu nào của cá (Mance 1987) Mặc dù có những số liệu như vậy nhưng người ta vẫn không quan tâm cho đến khi có những sự cố về sự nhiễm độc thủy ngân ở vịnh Minimata và sự cố nhiễm độc cacmidi gây ra bệnh bệnh Itai-Itai, đều xảy ra ở Nhật (Mance, 1987)

Các ảnh hưởng của kim loại lên sinh vật thủy sinh là rất khó xác định chính xác bởi còn rất nhiều các nhân tố khác là các đặc tính lý hóa học cũng làm ảnh hưởng đến sinh vật Ví dụ như tốc độ chảy của dòng sông cũng góp phần làm ảnh

hưởng đến sinh vật thủy sinh Các kích cỡ và bản chất của các hạt trong nước mà các kim loại bám vào cũng ảnh hưởng đến tính độc của nó Các kim loại đi được vào trong cơ thể sinh vật nó phải được các cơ thể sinh vật ăn trực tiếp theo lối thực bào hoặc các kim loại đó phải ở dạng hòa tan trong nước Sự liên kết của kim loại với một phân tử hữu cơ ở dạng chelat có thể làm thay đổi các phản ứng hóa học và tính thấm của màng dó đó nó làm thay đổi khả hấp thu kim loại của sinh vật Các kim loại cũng được hấp thụ vào các hạt keo đất trong nước và do đó nó làm ảnh hưởng đến sự hấp thụ kim loại của sinh vật (Leidy, 1980)

Tính độc của kim loại ảnh hưởng đến môi trường thủy sinh thì ở trên diện rộng, từ sự làm giảm tối đa sự sinh trưởng đến việc làm chết sinh vật Nói chung các giai đoạn còn nhỏ của các sinh vật thủy sinh thì nhậy cảm với kim loại hơn so với giai đoạn trưởng thành (Leland và Kuwabara, 1985; Mance, 1987) Tuy nhiên,

có một vài ngoại lệ đó là trứng của các loài cá nước ngọt thì lại không phải là giai đoạn nhạy cảm nhất đối và ấu trùng côn trùng lại có sức chịu đựng với kim loại tốt hơn so với giai đoạn trưởng thành Hầu hết các kim loại, ngoại trừ chì thì các loài giáp xác, đặc biệt là loài Daphnia, là các sinh vật có mức độ nhạy cảm nhất với kim loại, trong số các loài được thử nghiệm

VI CÁC KIM LOẠI ĐỘC Ở MÔI TRƯỜNG TRÊN CẠN

Rất nhiều các kim loại nặng có trên mặt đất là do quá trình giải phóng kim loại

từ đá gốc qua quá trình phong hóa, nhưng nguồn kim loại từ thiên nhiên lớn nhất là

từ các quá trình phun trào núi lửa (Hopkin, 1989; Fergusson, 1990) Nguồn nhân tạo từ các quá trình đốt nhiên liệu, luyện kim, đúc, công nghiệp ximăng các kim loại cũng đi vào đất từ thuốc trừ sâu, chất thải Các kim loại sẽ đi vào cơ thể thực vật khi chúng được trồng trên các loại bùn thải có chứa kim loại nặng

Các chất gây ô nhiễm là kim loại trong đất điển hình là asen, cacmidi, chì, thủy ngân, và selen tiếp theo là antimony, bismuth, indium, tellurium và thallium Các mức kim loại cao hơn trong bảng 4.1 có thể thấy khi bị nhiễm bẩn bởi các hoạt động khai khoáng, nông nghiệp và các loại đất bị phun thuốc trừ sâu, đất bị bón bùn thải (Fergusson, 1990)

Đất xung quanh khu vực nấu kim loại có hàm lượng kim loại antimony và cacmidi cao, Hàm lượng asen cao trong đất có ở xung quanh khu vực các nhà máy chế biến kim loại và đất bị bón các loại thuốc trừ sâu chứa asen, thì hàm lượng có thể đạt đến 600 µg/ g đất Các nguồn ô nhiễm do chì gồm có từ các nguồn thải của các loại động cơ đốt trong sử dụng xăng pha chì, từ sơn, và từ quá trình luyện kim

Sự nhiễm bẩn thủy ngân trong đất thường liên quan đến các hoạt động khai khoáng,

và việc sử dụng thuốc diệt nấm chứa thủy ngân

Các kim loại nặng có thể đi vào thực vật thông qua việc hấp thụ kim loại nặng

từ đất qua rễ hoặc qua lá (Fergusson, 1990) Cách phổ biến kim loại đi vào thực vật

là qua bộ rễ qua sự vận chuyển thụ động bởi sự chênh lệch gradient nồng độ Các

kim loại được hấp thụ vào rễ bởi sự khuếch tán thụ động qua các lớp màng tế bào

Khi các kim loại đã ở trong cơ thể thực vật chúng sẽ được vận chuyển đến nhiều bộ

phận khác nhau thông qua các xylem sự tích lũy kim loại thường cao nhất ở rễ và

thấp nhất ở trong hạt

Quy trình hấp thụ kim loại qua lá là thông qua lớp biểu bì lá Sự hấp thụ này là

rất đáng kể, đặc biệt khi môi trường chứa các sol khí chứa kim loại

Bảng 4.1 Hàm lượng kim loại trên đất bề mặt trên thế giới

Đối với các loài thực là nguồn thức ăn thì nồng độ kim loại nặng cũng thay đổi

rất lớn, từ 0,001 µg/g đối với thiếc và với 20 µg/g đối với chì Các loài thực vật

khác nhau thì khả năng hấp thụ các kim loại khác nhau là khác nhau, khả năng hấp

thụ kim loại của một số loài được trình bày ở bảng 4.2

Mặc dù rất nhiều loài thực vật không thể sống ở đất có chứa hàm lượng kim

loại nặng cao, nhưng có một số loài vẫn sống và phát triển tốt ở đó Các nghiên cứu

chỉ ra rằng khi chất ô nhiễm tạo ra những điều kiện không tốt có tác động xấu đến

thực vật, một số loài thực vật đặc biệt là các loài cỏ sẽ có những biến đổi về kiểu

gen thích hợp để có thể chịu đựng và thích nghi với điều kiện mới (Moriarty,

1988) Tuy nhiên, khi bị tiếp xúc với các kim loại thì các cây táo được trồng tại một

số vườn táo tại phía tây thuộc bắc Mỹ đã chết vì không có khả năng thích nghi

(Mailman, 1980)

Các loài thực vật ở gần các nhà máy luyện kim thường chứa hàm lượng asen

cao, nó phụ thuộc vào loại hợp chất chứa asen, loài thực vật, loại đất và khí hậu Ví

dụ, các loại rau sẽ tích tụ nhiều asen nếu chúng được trồng ở các loại đất có chứa nhiều chì asenate, nhưng khi trồng ở đất chứa hàm lượng asenic trioxide thì nó lại không tích tụ nhiều asen (Dickerson, 1980) Với sự hàm lượng chì asenic gia tăng, thì các loại rau củ cải đường, rau diếp, củ cải cũng gia tăng sự hấp thụ, trong khi đó các loài rau như : bông cải xanh, cà rốt, cà và cà chua thì lại không bị ảnh hưởng

Ở nồng độ thấp thì cacmidi cũng có khả năng gây độc đối với một số cây lương thực, giống như kẽm, nó có thể đi vào cây một cách dễ dàng (Fassett, 1980)

Ở một số lòai cây thì mức độ tích lũy cacmidi và kẽm trong cơ thể lớn hơn nhiều so với môi trường xung quanh, nếu xét nồng độ của 2 kim loại này trong cơ thể thực vật/đất thì tỉ lệ sẽ là 10 so với 0,6 đối với kẽm, 0,45 đối với đồng, và 0,45 đối với chì Sự hấp thụ cacmidi trong các loại cây có hạt thì lớn hơn trong đậu nành và lúa

mỳ và sự hấp thụ cacmidi ít nhất đối với các loại cây đậu, ngũ cốc và lúa

Sự tích tụ cacmidi trong các loại cây lương thực thì rất đáng chú ý vì một lượng lớn cacmidi được cơ thể con người qua con đường ăn các sản phẩm từ các loại cây này

Bảng 4.2 Sự hấp thụ kim loại của một số loại rau

Đậu Thấp Thấp-Trung bình

Đậu Hà lan Thấp Trung bình - Thấp Thấp

Củ cải Trung bình Thấp-Trung bình Cao

Cà chua Cao Trung bình

Củ cải trắng Trung bình Cao Cao

Con người có thể hấp thụ kim loại từ thực vật vào cơ thể với vai trò là sinh vật tiêu thụ bậc 1 hoặc gián tiếp qua các bậc trung gian trong chuỗi thức ăn Vi khuẩn thì sẽ phân hủy các hợp chất hữu cơ là các xác chết thực vật tốt hơn nhờ vào các loài động vật không xương sống trên cạn như giun đất, động vật nhiều chân, động vật đẳng túc vì trong quá trình sống sự hoạt động của các loài này làm tăng bề mặt tiếp xúc giữa vi khuẩn với các vật chất hữu cơ là xác chết thực vật Các kim loại sẽ được chuyển từ các sinh vật tiêu thụ bậc một là các loài đẳng túc vào cơ thể của sinh vật tiêu thụ bậc hai là các loài động vật nhiều chân và nhện thông qua chuỗi thức ăn

Số lượng và mật độ của các loài trên và các loài động vật không xương sống sống khác ở trên cạn khác sẽ bị suy giảm ở những nơi bị ô nhiễm kim loại do sự phát thải ra môi trường từ các hoạt động công nghiệp và từ các loại thuốc trừ sâu chứa kim loại (Hopkin, 1989) Các sinh vật tiêu thụ bậc 1 này sẽ bị ảnh hưởng bởi các kim loại tích lũy trong lớp đất bề mặt và các lớp lá rụng dưới đất Ví dụ, quần thể giun đất có thể bị tiêu diệt hoàn toàn ở các vườn cây ăn quả hoặc thậm chí ở các sân golf khi chúng ta sử dụng các loại thuốc diệt nấm có chứa kim loại đồng (Barthalmuls, 1980; Hopkin, 1989) Bởi vì giun đất là sinh vật quan trọng nhất trong việc xáo trộn đất, sự vắng mặt của chúng sẽ làm tích tụ các loại các loại lá cây

có chứa kim loại trên lớp đất bề mặt

Asen tồn tại tương đối nhiều trong môi trường tự nhiên và nó được động vật hấp thụ nhanh vào cơ thể qua con đường ăn uống Trong khi đó ở Mỹ thì việc tiếp xúc với asen chủ yếu là do đặc thù nghề nghiệp, đó là những người làm trong các ngành về sản xuất thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, và các sảm phẩm nông nghiệp khác, không có một ví dụ nào về các loài hoang dã trên cạn bị tác hại do ô nhiễm asen từ nguồn thải công nghiệp Tuy nhiên, khi đưa vào cơ thể các loài một liều lượng lớn asen (từ 70-180mg) có thể gây chết cấp tính và điều này có thể giải thích cho nguyên nhân cho cái chết của các con hiêu và vật nuôi sau khi chúng liếm các loài thực vật có chứa natri asenic (Barthalmus, 1980; Dickerson,1980; Goyer,1986)

Độ độc của các hợp chất asen là tương đối thấp nhưng độ độc của chúng thường mang tính chọn lọc đối với các loài Tương tự như vậy, hợp chất đồng – acetoarsenite (Paris xanh) được sử dụng để diệt muỗi vì nó không độc hầu hết các loài khác ngoại trừ ấu trùng muỗi Chim sẽ bị tích lũy một lượng không đáng kể asen khi chúng ăn các loài ấu trùng này (Barthalmus, 1980)

Sự ngộ độc chì của các loài chim hoang dã là vấn đề hết sức nghiêm trọng Một số loài chim bị chết do nhiễm độc chì lớn hơn là các bệnh như bệnh lao ở chim, bệnh trùng cầu, bệnh về tuyến dạ dày, bệnh giun chỉ Các loài chim bị ảnh hưởng bởi chì bao gồm các loài như chim cút, trĩ, ngỗng Canada, vịt trời, chim bồ câu, kền