Nghiên cứu sự phân bố hàm lượng của các ion kim loại nặng (Cu2+,Pb2+,Zn2+)lên sinh khối một số loại rau (cà rốt,khoai tây,bó xôi,xà lách mỡ)...

MỞ ĐẦU Với nhiệm vụ xác định thành phần, hàm lượng, tính chất và cấu trúc của mọi đối tượng vật chất, hóa phân tích đóng vai trò là ngành khoa học cơ sở cho rất nhiều ngành khoa học khác nhau, bao gồm: hóa học, sinh học, địa chất học, môi trường, y học, … Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, hóa học phân tích ngày càng khẳng định được vị trí của mình đối với sự phát triển của khoa học, công nghệ, sản xuất và đời sống xã hội. Đặc biệt, trong giai đoạn hiện nay, khi các vấn đề khoa học mới đặt ra yêu cầu sự liên kết các ngành khoa học với nhau để giải quyết thì hóa học phân tích không thể tách rời mối quan hệ ấy. Với chức năng của mình, hóa học phân tích hoàn toàn có khả năng cung cấp một nguồn dữ liệu đáng tin cây, tạo nền tảng cho các ngành khoa học khác nghiên cứu và giải quyết các vấn đề mang tính đa ngành. Vì vậy, hoàn thiện các phương pháp phân tích và sử dụng hóa phân tích như một công cụ để tạo bộ dữ liệu hoàn chỉnh về một vấn đề mới cung cấp cho các ngành khoa học khác vẫn đang là mối quan tâm lớn của các nhà phân tích hóa học. Hiện nay, một trong những vấn đề sinh thái nghiêm trọng mà thế giới đang phải đối mặt là sự ô nhiễm kim loại nặng trong đất nông nghiệp. Vấn đề này là hậu quả của tình trạng ô nhiễm môi trường, việc chôn lấp rác thải công nghiệp và việc lạm dụng hóa chất bảo vệ thực vật cũng như phân bón hóa học trong sản xuất nông nghiệp. Kết quả của nhiều công trình nghiên cứu đã chứng minh, việc canh tác trên môi trường đất bị ô nhiễm kim loại sẽ dẫn đến sự hấp thu, tích lũy kim loại nặng trên nông sản. Vì vậy, ô nhiễm kim loại nặng trong nông sản đang ngày càng trở thành vấn đề đáng lo ngại đối với nhiều quốc gia trên thế giới, trong đó có Việt Nam bởi độc tính, tính bền vững và khả năng tích lũy sinh học của chúng. Sự thâm nhập của các kim loại nặng từ đất lên cây trồng trong điều kiện ô nhiễm là một quá trình quan trọng do đây được coi là con đường chính để các kim loại nặng có khả năng gây độc xâm nhập vào chuỗi thức ăn. Do vậy, đánh giá lượng kim loại nặng thâm nhập từ đất vào cây trồng là việc làm hết sức cần thiết. Trên cơ sở bộ dữ liệu về mức độ tích lũy kim loại nặng trong sinh khối cây trồng khi canh tác trên môi trường đất ô nhiễm mà hóa học phân tích cung cấp, có thể đề xuất các giải pháp tạm thời như thay thế loại cây trồng, điều chỉnh chế độ canh tác, ... và hướng đến giải pháp bền vững là giải quyết triệt để tình trạng ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường canh tác dựa trên sự kết hợp giữa các ngành sinh học, nông lâm, môi trường, ... Do mức độ cấp thiết của vấn đề, ở Việt Nam cũng như trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu về sự tồn tại của các kim loại nặng trong môi trường đất và sự tích lũy của chúng lên cây trồng. Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu đều quan tâm đến việc xác định hàm lượng kim loại nặng trong các loại cây được trồng trên nền đất ô nhiễm kim loại nặng nhưng chưa khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp thu và tích lũy ion kim loại nặng trong cây. Trong khi đó, quá trình tích lũy các kim loại nặng từ đất lên cây trồng chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố như đặc điểm cơ hóa lý của nền đất, chế độ canh tác, loài và đặc điểm sinh lý thực vật cũng như sự tương tác, cạnh tranh giữa các kim loại nặng trong quá trình hấp thụ lên cây trồng. Từ các lý do trên, luận án “Nghiên cứu sự phân bố hàm lượng của các ion kim loại nặng (Cu 2+ , Pb 2+ , Zn 2+ ) lên sinh khối một số loại rau (cà rốt, khoai tây, bó xôi, xà lách mỡ) được trồng trên nền đất chuyên canh rau Đà Lạt” được thực hiện với mục tiêu nghiên cứu bao gồm: - Tối ưu hóa quy trình xử lý mẫu nhằm giảm thiểu thời gian và hóa chất. - Đánh giá khả năng tích lũy đồng, chì và kẽm từ đất trồng bị ô nhiễm các ion kim loại này lên sinh khối các loại rau: cà rốt, khoai tây, bó xôi, xà lách mỡ. - Đánh giá ảnh hưởng của chế độ canh tác bao gồm việc sử dụng vôi, các loại phân bón hóa học N, P, K và lượng của các loại phân bón này đến khả năng tích lũy đồng, chì và kẽm lên sinh khối các loại rau trên. - Đánh giá khả năng hấp thu cạnh tranh giữa các ion Cu 2+ , Pb 2+ và Zn 2+ khi tích lũy từ đất trồng lên sinh khối các loại rau trên. Để đạt được các mục tiêu đã đề ra, nội dung nghiên cứu của luận án tập trung vào các vấn đề sau: - Thiết kế mô hình thực nghiệm. - Triển khai mô hình thực nghiệm, ghi nhận sự phát triển của các loại rau nghiên cứu trên nền đất canh tác được gây ô nhiễm các ion kim loại Cu 2+ , Pb 2+ và Zn 2+ ở các mức hàm lượng khác nhau. - Thu hoạch và xử lý sơ bộ mẫu phân tích. - Tối ưu hóa quy trình xử lý mẫu rau sau thu hoạch và các thông số của thiết bị phân tích. - Đề xuất quy trình tối ưu xác định hàm lượng đồng, chì, kẽm trong các mẫu nông sản bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử. - Xác định hàm lượng đồng, chì, kẽm trong các mẫu rau sau thu hoạch. - Xử lý số liệu. - Đánh giá kết quả nhận được. Ý nghĩa khoa học của luận án Kết quả của luận án sẽ góp phần về mặt lý luận giải thích mối tương quan giữa hàm lượng kim loại nặng trong môi trường canh tác và hàm lượng kim loại nặng tích lũy trong sinh khối thực vật. Việc làm rõ ảnh hưởng của bản chất kim loại nặng, đặc điểm sinh lý thực vật, chế độ canh tác, sự cạnh tranh giữa các kim loại nặng khi cùng tồn tại trong môi trường đến sự tích lũy kim loại nặng trong sinh khối thực vật sẽ cung cấp cơ sở cho phép dự báo mức độ tích lũy kim loại nặng từ đất lên cây trồng. Bộ dữ liệu về mức độ tích lũy các kim loại nặng từ đất ô nhiễm lên cây trồng, ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau sẽ cung cấp cơ sở triển khai hướng nghiên cứu đa ngành – xu thế mới của khoa học hiện đại. Ý nghĩa thực tiễn của luận án Quy trình xử lý mẫu sau khi tối ưu hóa sẽ rút ngắn được thời gian, tiết kiệm hóa chất cho phép xử lý một lượng lớn mẫu trong thời gian ngắn với hiệu suất thu hồi cao.

MỞ ĐẦU

Với nhiệm vụ xác định thành phần, hàm lượng, tính chất và cấu trúc của mọi đối tượng vật chất, hóa phân tích đóng vai trò là ngành khoa học cơ sở cho rất nhiều ngành khoa học khác nhau, bao gồm: hóa học, sinh học, địa chất học, môi trường, y học, … Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, hóa học phân tích ngày càng khẳng định được vị trí của mình đối với sự phát triển của khoa học, công nghệ, sản xuất và đời sống xã hội Đặc biệt, trong giai đoạn hiện nay, khi các vấn

đề khoa học mới đặt ra yêu cầu sự liên kết các ngành khoa học với nhau để giải quyết thì hóa học phân tích không thể tách rời mối quan hệ ấy Với chức năng của mình, hóa học phân tích hoàn toàn có khả năng cung cấp một nguồn dữ liệu đáng tin cây, tạo nền tảng cho các ngành khoa học khác nghiên cứu và giải quyết các vấn

đề mang tính đa ngành Vì vậy, hoàn thiện các phương pháp phân tích và sử dụng hóa phân tích như một công cụ để tạo bộ dữ liệu hoàn chỉnh về một vấn đề mới cung cấp cho các ngành khoa học khác vẫn đang là mối quan tâm lớn của các nhà phân tích hóa học

Hiện nay, một trong những vấn đề sinh thái nghiêm trọng mà thế giới đang

phải đối mặt là sự ô nhiễm kim loại nặng trong đất nông nghiệp Vấn đề này là hậu quả của tình trạng ô nhiễm môi trường, việc chôn lấp rác thải công nghiệp và việc lạm dụng hóa chất bảo vệ thực vật cũng như phân bón hóa học trong sản xuất nông nghiệp Kết quả của nhiều công trình nghiên cứu đã chứng minh, việc canh tác trên môi trường đất bị ô nhiễm kim loại sẽ dẫn đến sự hấp thu, tích lũy kim loại nặng trên nông sản Vì vậy, ô nhiễm kim loại nặng trong nông sản đang ngày càng trở thành vấn đề đáng lo ngại đối với nhiều quốc gia trên thế giới, trong đó có Việt Nam bởi độc tính, tính bền vững và khả năng tích lũy sinh học của chúng Sự thâm nhập của các kim loại nặng từ đất lên cây trồng trong điều kiện ô nhiễm là một quá trình quan trọng do đây được coi là con đường chính để các kim loại nặng có khả năng gây độc xâm nhập vào chuỗi thức ăn Do vậy, đánh giá lượng kim loại nặng thâm nhập từ đất vào cây trồng là việc làm hết sức cần thiết Trên cơ sở bộ dữ liệu

về mức độ tích lũy kim loại nặng trong sinh khối cây trồng khi canh tác trên môi trường đất ô nhiễm mà hóa học phân tích cung cấp, có thể đề xuất các giải pháp tạm thời như thay thế loại cây trồng, điều chỉnh chế độ canh tác, và hướng đến giải pháp bền vững là giải quyết triệt để tình trạng ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường canh tác dựa trên sự kết hợp giữa các ngành sinh học, nông lâm, môi trường,

Do mức độ cấp thiết của vấn đề, ở Việt Nam cũng như trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu về sự tồn tại của các kim loại nặng trong môi trường đất và sự tích lũy của chúng lên cây trồng Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu đều quan tâm đến việc xác định hàm lượng kim loại nặng trong các loại cây được trồng trên nền đất ô nhiễm kim loại nặng nhưng chưa khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp thu và tích lũy ion kim loại nặng trong cây Trong khi đó, quá trình tích lũy các kim loại nặng từ đất lên cây trồng chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố như đặc điểm cơ hóa lý của nền đất, chế độ canh tác, loài và đặc điểm sinh lý thực vật cũng như sự tương tác, cạnh tranh giữa các kim loại nặng trong quá trình hấp thụ lên cây trồng

Từ các lý do trên, luận án “Nghiên cứu sự phân bố hàm lượng của các ion kim loại nặng (Cu 2+ , Pb 2+ , Zn 2+ ) lên sinh khối một số loại rau (cà rốt, khoai tây, bó xôi, xà lách mỡ) được trồng trên nền đất chuyên canh rau Đà Lạt” được thực hiện

với mục tiêu nghiên cứu bao gồm:

- Tối ưu hóa quy trình xử lý mẫu nhằm giảm thiểu thời gian và hóa chất

- Đánh giá khả năng tích lũy đồng, chì và kẽm từ đất trồng bị ô nhiễm các

ion kim loại này lên sinh khối các loại rau: cà rốt, khoai tây, bó xôi, xà lách mỡ

- Đánh giá ảnh hưởng của chế độ canh tác bao gồm việc sử dụng vôi, các

loại phân bón hóa học N, P, K và lượng của các loại phân bón này đến khả năng tích lũy đồng, chì và kẽm lên sinh khối các loại rau trên

- Đánh giá khả năng hấp thu cạnh tranh giữa các ion Cu 2+ , Pb 2+ và Zn 2+

khi tích lũy từ đất trồng lên sinh khối các loại rau trên

Để đạt được các mục tiêu đã đề ra, nội dung nghiên cứu của luận án tập

trung vào các vấn đề sau:

- Thiết kế mô hình thực nghiệm

- Triển khai mô hình thực nghiệm, ghi nhận sự phát triển của các loại rau

nghiên cứu trên nền đất canh tác được gây ô nhiễm các ion kim loại Cu 2+

, Pb 2+ và

Zn 2+ ở các mức hàm lượng khác nhau

- Thu hoạch và xử lý sơ bộ mẫu phân tích

- Tối ưu hóa quy trình xử lý mẫu rau sau thu hoạch và các thông số của

thiết bị phân tích

- Đề xuất quy trình tối ưu xác định hàm lượng đồng, chì, kẽm trong các

mẫu nông sản bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử

- Xác định hàm lượng đồng, chì, kẽm trong các mẫu rau sau thu hoạch

- Xử lý số liệu

- Đánh giá kết quả nhận được

Ý nghĩa khoa học của luận án

Kết quả của luận án sẽ góp phần về mặt lý luận giải thích mối tương quan giữa hàm lượng kim loại nặng trong môi trường canh tác và hàm lượng kim loại nặng tích lũy trong sinh khối thực vật

Việc làm rõ ảnh hưởng của bản chất kim loại nặng, đặc điểm sinh lý thực vật, chế độ canh tác, sự cạnh tranh giữa các kim loại nặng khi cùng tồn tại trong môi trường đến sự tích lũy kim loại nặng trong sinh khối thực vật sẽ cung cấp cơ sở cho phép dự báo mức độ tích lũy kim loại nặng từ đất lên cây trồng

Bộ dữ liệu về mức độ tích lũy các kim loại nặng từ đất ô nhiễm lên cây trồng, ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau sẽ cung cấp cơ sở triển khai hướng nghiên cứu

đa ngành – xu thế mới của khoa học hiện đại

Ý nghĩa thực tiễn của luận án

Quy trình xử lý mẫu sau khi tối ưu hóa sẽ rút ngắn được thời gian, tiết kiệm hóa chất cho phép xử lý một lượng lớn mẫu trong thời gian ngắn với hiệu suất thu hồi cao

Kết quả nghiên cứu sẽ cho phép đánh giá được mức độ hấp thu kim loại nặng ở thực vật khi được canh tác trên môi trường ô nhiễm Bộ số liệu nhận được

có thể cung cấp cơ sở cho các ngành khoa học khác như cải thiện quy trình canh tác, nghiên cứu sự biến đổi các đặc trưng sinh thái đồng ruộng khi bị ô nhiễm kim loại nặng,

Những đóng góp mới của luận án

Xây dựng được quy trình tối ưu xử lý mẫu thực vật để phân tích hàm lượng kim loại trong chúng bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử

Đánh giá được khả năng tích lũy các kim loại Cu, Pb, Zn từ đất trồng chuyên canh rau Đà Lạt lên sinh khối các loại rau: cà rốt, khoai tây, bó xôi, xà lách mỡ Đánh giá được ảnh hưởng của lượng vôi, lượng phân bón N, P, K cũng như

sự có mặt của kim loại khác đến khả năng tích lũy Cu, Pb, Zn trên sinh khối các loại rau nghiên cứu khi trồng trên đất ô nhiễm kim loại nặng

Hướng phát triển của luận án

Các kết quả nhận được trên cơ sở phân tích về hóa học sẽ là nguồn dữ liệu quan trọng để có thể triển khai hướng nghiên cứu về sinh học di truyền nhằm trả lời được câu hỏi liệu nguồn gen có đóng vai trò quan trọng trong quá trình hấp thu và tích lũy kim loại nặng không và ở thế hệ tiếp sau, khả năng này có biến đổi, chúng

ta có thể tạo ra một thế hệ thực vật biến đổi gen có khả năng thích ứng cao với môi trường ô nhiễm hay không? … Ngoài ra, kết quả nghiên cứu mà luận án đạt được cũng là nguồn dữ liệu quan trọng đóng góp cho ngành sinh học phân tử nhằm giải thích được cơ chế của hiện tượng, từ đó nghiên cứu cơ chế kích hoạt khả năng chống chịu với môi trường ô nhiễm kim loại nặng của thực vật

Trên quan điểm về độc học sinh thái và dựa trên bản chất của chúng, các kim loại nặng được chia thành hai nhóm:

- Nhóm kim loại nặng thiết yếu: bao gồm các nguyên tố cần thiết cho

chức năng chuyển hóa của sinh vật khi tồn tại với hàm lượng nhỏ như Mn, Co, Cu,

Zn, Fe, , chúng được gọi là các nguyên tố vi lượng Tuy nhiên, khi tồn tại với hàm lượng cao, các kim loại này sẽ gây độc cho cơ thể sinh vật [86]

- Nhóm kim loại nặng độc: là các kim loại bền, không tham gia vào quá

trình sinh hóa trong cơ thể và có tính tích lũy sinh học (chuyển tiếp trong chuỗi thức

ăn và đi vào cơ thể sinh vật) Các kim loại này bao gồm: Hg, Ni, Pb, As, Cd, Pt, Cr,

Sn, Khi xâm nhập vào cơ thể sinh vật, chúng gây độc cấp tính và mãn tính [87]

1.1.2 Tính chất

Các kim loại nặng là tác nhân ô nhiễm nguy hiểm đối với môi trường, chuỗi thức ăn và con người do hầu hết các kim loại nặng không phân hủy và tồn tại dai dẳng trong hệ sinh thái Kim loại nặng không độc khi ở dạng nguyên tố tự do nhưng nguy hiểm đối với sinh vật sống khi ở dạng cation do khả năng gắn kết với các chuỗi cacbon ngắn dẫn đến sự tích tụ trong cơ thể sinh vật sau nhiều năm [87] Tính độc hại của các kim loại nặng được thể hiện qua các đặc điểm sau:

- Một số kim loại nặng có thể bị chuyển từ dạng có độc tính thấp sang dạng có độc tính cao hơn trong một số điều kiện môi trường

- Sự tích tụ sinh học (bioaccumulation) của các kim loại qua chuỗi thức ăn có thể làm tổn hại các hoạt động sinh lý bình thường và gây nguy hiểm cho sức khỏe của con người Khi kim loại nặng tích tụ sinh học lớn nhưng đào thải chậm sẽ dẫn đến hiện tượng khuếch đại sinh học (biomagnification/bioamplification) [5]

- Các kim loại nặng không thể phân hủy sinh học Không giống như các thuốc trừ sâu hữu cơ, kim loại không thể bị phá vỡ thành các thành phần không gây hại

Sự tồn lưu của các chất ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường được xếp thứ nhất trong các chất ô nhiễm [5]

1.2.1 Thực trạng ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường đất tại Việt Nam

Theo thống kê của Bộ Tài nguyên và Môi trường năm 2014 [35], tổng diện tích đất tự nhiên của nước ta là 33.096.731 ha, trong đó, diện tích nhóm đất nông nghiệp là 26.822.953 ha, diện tích nhóm đất phi nông nghiệp là 3.796.871ha và diện tích nhóm đất chưa sử dụng là 2.476.908 ha Do hậu quả của giai đoạn công nghiệp hóa, nhiều diện tích đất ở Việt Nam đã được nhận định là nhiễm kim loại nặng Nhiều công trình nghiên cứu đã được tiến hành nhằm khảo sát, đánh giá hiện trạng

ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường đất, chẳng hạn như:

Khi nghiên cứu về chất lượng môi trường đất tại làng nghề đúc nhôm, đồng

ở xã Đại Đồng, Văn Lâm, Hưng Yên, các tác giả Lê Đức và Lê Văn Khoa (2001) [11] nhận thấy, hàm lượng kim loại nặng trong đất khá cao: trung bình hàm lượng cadmi 1,0 mg/kg; đồng 41,1 mg/kg; chì 39,7 mg/kg; kẽm 100,3 mg/kg

Nghiên cứu của Phạm Quang Hà (2001) [15] về hàm lượng Cd trong một số loại đất ở Việt Nam cho thấy, hàm lượng Cd trong đất xám là thấp nhất (trung bình khoảng 0,47ppm), tiếp theo là đất phù sa (0,82ppm) và cao nhất là đất đỏ (1,24ppm) Ngược lại, hàm lượng Cd trong các mẫu bùn lại rất cao (giá trị lớn nhất

là 60,30ppm) tại ao của các thôn có ngành nghề truyền thống như đúc đồng, nhôm

Năm 2001, khi phân tích hàm lượng 6 kim loại nặng (đồng, kẽm, chì, thủy ngân, crôm, cadmi) trong 126 mẫu đất trồng lúa bị ô nhiễm bởi nước tưới từ các kênh thoát nước của thành phố Hồ Chí Minh, Nguyễn Ngọc Quỳnh và các cộng sự [28] đã đưa ra nhận định: hàm lượng crôm, chì, thủy ngân, đồng trong các mẫu đất đều tương đương hoặc cao hơn ngưỡng cho phép (TCVN 7209:2002) đối với đất sử dụng cho mục đích nông nghiệp Đặc biệt, các khu vực gần nhà máy và khu công nghiệp đều có sự tích lũy cao cadmi trong đất với hàm lượng lên đến 9,9 ÷ 10,3 mg/kg, vượt quá tiêu chuẩn cho phép 5 lần

Tác giả Phan Quốc Hưng (2012) [21] khi khảo sát mức độ ô nhiễm kim loại nặng trong đất nông nghiệp tại thôn Đông Mai, xã Chỉ Đạo, huyện Văn Lâm, tỉnh Hưng Yên – địa phương có nghề truyền thống tái chế kim loại màu đã đưa ra kết luận: 100% các mẫu đất có hàm lượng đồng và chì vượt quá ngưỡng cho phép (hàm lượng tổng số của đồng vượt ngưỡng từ 1,5 đến 2,7 lần; hàm lượng Pb tổng số vượt ngưỡng từ 11,9 đến 18,7 lần); 58,3% mẫu có hàm lượng kẽm vượt ngưỡng cho phép, đặc biệt có đến 75% mẫu có hàm lượng chì trên 1000mg/kg đất khô

Tác giả Lương Thị Thúy Vân (2013) [39] khi nghiên cứu về hiện trạng ô nhiễm Pb và As trong đất tại khu vực khai thác thiếc ở xã Hà Thượng (Đại Từ) và khai thác chì, kẽm tại xã Tân Long (Đồng Hỷ), Thái Nguyên đã đưa ra nhận định, đất tại xã Tân Long có chứa hàm lượng cao các nguyên tố Pb, Zn và Cd trong khi đất thuộc xã Hà Thượng tập trung nhiều As Hàm lượng kim loại nặng trong các mẫu đất nghiên cứu đều cao hơn tiêu chuẩn cho phép trong đất nông nghiệp nhiều lần

Như vậy, từ kết quả của các nghiên cứu trên có thể nhận thấy tình trạng ô nhiễm kim loại nặng trong đất nông nghiệp đang diễn biến ngày càng phức tạp do dân số tăng nhanh, các hoạt động sản xuất công nghiệp và nông nghiệp không ngừng phát triển Hậu quả của các hoạt động trên là môi trường đất đã trở thành nơi chứa tất cả các loại chất thải, trong đó có một lượng lớn các kim loại nặng

1.2.2 Nguyên nhân gây ô nhiễm kim loại nặng trong đất

Nguồn gốc chính gây ô nhiễm kim loại nặng trong đất nông nghiệp là từ sự phong hoá đá mẹ trong quá trình hình thành đất và các hoạt động nhân sinh

1.2.2.1 Nguồn từ quá trình phong hóa đá mẹ

Sự có mặt của các kim loại nặng trên trái đất là kết quả của sự phong hóa tự nhiên các vỉa quặng Nguồn này phụ thuộc nhiều vào đá mẹ, tuy nhiên, hàm lượng các ion kim loại nặng trong đá thường rất thấp, chủ yếu nằm trong các vùng trầm tích giàu oxid, quặng và các loại đá giàu kim loại như magma siêu acid Sự phân bố của các kim loại nặng trong một số khoáng vật điển hình được thể hiện trong Bảng 1.1 [23]

Bảng 1.1 Thành phần kim loại nặng trong một số khoáng vật điển hình

Trạng thái

Thành phần kim loại vết

Mn, Co, Ni, Cu, Zn

gian

Cu

1.2.2.2 Nguồn từ hoạt động nhân sinh

Ngoài nguồn từ quá trình phong hóa tự nhiên, có nhiều nguồn khác nhau từ các hoạt động nhân sinh đưa các kim loại nặng vào đất, bao gồm: hoạt động công nghiệp, khai thác khoáng sản, luyện kim, hoạt động sản xuất nông nghiệp, chăn nuôi, chất thải từ các làng nghề, … Các hoạt động này đóng góp chủ yếu vào sự gia tăng hàm lượng kim loại nặng trong môi trường

- Hoạt động công nghiệp:

Với tốc độ phát triển mạnh mẽ của quá trình công nghiệp hóa, lượng kim loại nặng phát thải vào môi trường ngày càng gia tăng Phế thải từ các ngành công nghiệp khai thác than đá, dầu mỏ chứa các kim loại chì, cadmi, thủy ngân với hàm lượng rất cao Nước thải từ các khu công nghiệp, đặc biệt là các ngành công nghiệp thuộc da, nhuộm, chế biến thực phẩm, hóa chất, … có chứa hàm lượng các chất gây

ô nhiễm cao, trong đó có các kim loại nặng Các chất này khi thải thẳng ra môi trường mà không qua xử lý đã phát thải một lượng lớn kim loại nặng vào môi

trường và tích lũy trong đất

Ngoài ra, việc đốt các nhiên liệu hóa thạch, luyện kim và các kỹ thuật xử lý khác có sử dụng hóa chất đã phát thải hàng tấn các kim loại nặng vào khí quyển, mang đi hàng dặm và sau cùng lắng trên thảm thực vật và thâm nhập vào đất [63]

- Hoạt động nông nghiệp, chăn nuôi:

Trong quá trình sản xuất nông nghiệp, nông dân đã làm gia tăng đáng kể hàm lượng các kim loại nặng trong đất do sử dụng các chất hóa học như phân bón hóa học, thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, … Việc tăng cường sử dụng các sản phẩm này đã phát thải một lượng lớn các kim loại nặng vào đất do các loại thuốc bảo vệ thực vật thường chứa các kim loại nặng như chì, cadmi, đồng, …[65] trong khi các loại phân bón hóa học thường chứa chì, cadmi, crom, niken, … [49]

Kết quả phân tích hàm lượng cadmi, đồng, chì, kẽm trong các loại phân hóa học cho thấy: photphat là loại phân hóa học chứa hàm lượng kim loại nặng lớn nhất (cadmi 0,1 ÷ 170mg/kg, đồng 1 ÷ 3000mg/kg, chì 7 ÷ 225mg/kg, kẽm 50 ÷ 1400 mg/kg), phân nitrate chứa cadmi từ 0,05 đến 8,5mg/kg [10]

Một số loại thuốc trừ sâu thường được sử dụng phổ biến trong nông nghiệp chứa nồng độ đáng kể các kim loại nặng Theo thống kê, khoảng 10% các loại thuốc trừ sâu và thuốc diệt nấm được điều chế dựa trên các hợp chất có chứa Cu, Hg, Mn,

Pb, Zn [108]

Ngoài ra, do tập quán sản xuất, việc sử dụng phân chuồng từ gia súc, gia cầm

để tưới cho rau cũng làm tăng hàm lượng các kim loại nặng trong đất do các loại thức ăn tổng hợp dùng trong chăn nuôi có chứa nhiều kim loại như mangan, sắt, coban, chì, … Kim loại trong phân sẽ xâm nhập vào đất trồng và tồn lưu trong các loại nông sản [20]

- Chất thải làng nghề:

Hiện nay, ở nước ta, vấn đề ô nhiễm môi trường đất và nước xảy ra rất nghiêm trọng tại các làng nghề tái chế kim loại Theo nghiên cứu của các nhà khoa học, hàm lượng kim loại nặng trong nước thải tại các làng nghề tái chế kim loại đều cao hơn tiêu chuẩn cho phép và đều thải trực tiếp ra môi trường mà chưa qua xử lý

Theo tác giả Lê Đức và cộng sự (2003) [12] khi nghiên cứu về ô nhiễm ở làng nghề cơ kim khí Phùng Xá, Thạch Thất, Hà Tây, đã kết luận: hàm lượng đồng, chì, kẽm trong nguồn nước thải rất cao, đặc biệt, chì trong nước thải cao gấp 100 lần tiêu chuẩn cho phép

Theo kết quả khảo sát của Trung tâm Quan trắc – Phân tích tài nguyên môi trường Hà Nội và điều tra của Chi cục ảo vệ môi trường Hà Nội tại hơn 40 làng nghề trên địa bàn thành phố cho thấy, môi trường nước, không khí, đất đai bị ô nhiễm nặng bởi các hóa chất độc hại Nguồn nước ngầm có hàm lượng NH4+, phenol, ecoli, coliform, kim loại nặng (As, Hg) vượt ngưỡng cho phép nhiều lần Hầu hết ao, hồ, kênh mương thủy lợi bị nhiễm độc bởi NH4+, NO2-¸ PO43-, thủy ngân, phenol, dầu mỡ, coliform; môi trường đất bị nhiễm các kim loại nặng như đồng, kẽm, … [18]

- Ô nhiễm do hoạt động khai thác khoáng sản:

Quá trình khai thác khoáng sản gây ô nhiễm và suy thoái môi trường đất ở mức độ nghiêm trọng là một thực tế đáng báo động hiện nay Các dạng ô nhiễm môi

trường tại những mỏ đã và đang khai thác rất đa dạng như ô nhiễm đất, nước mặt, nước ngầm Các tác nhân gây ô nhiễm bao gồm acid, kim loại nặng, cyanide, các loại khí độc, … liên tục thải ra đã dẫn đến việc tăng cao hàm lượng các kim loại nặng có nguồn gốc công nghiệp như Ni, Cr, Pb, As, Cu, Se, Hg, Cd, … Trên thực

tế, bất kỳ giai đoạn nào của quá trình khai thác khoáng sản cũng đều phát thải kim loại nặng vào đất, nước, không khí và từ đó thâm nhập vào cơ thể sinh vật Sự nhiễm bẩn kim loại không chỉ xảy ra khi mỏ đang hoạt động mà còn tồn tại nhiều

năm sau khi mỏ đã ngừng hoạt động

Các hoạt động trên đã phát thải một lượng đáng kể kim loại nặng vào môi trường và là nguồn gốc chính dẫn đến tình trạng ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường nói chung và môi trường đất nói riêng

1.2.3 Sự chuyển hóa của kim loại nặng trong môi trường đất

Từ các nguồn khác nhau, sau khi đến bề mặt đất, các kim loại nặng sẽ tham gia vào các quá trình chuyển hóa hóa học, quang hóa hoặc chuyển hóa sinh học, bị đất giữ lại ở dạng hấp phụ hoặc tạo thành dạng tồn dư Một phần khác linh động trong môi trường đất, theo phương thức thấm lọc đi vào nước ngầm hoặc bị thực vật hấp thu Các kim loại nặng được phân bố lại trong phẫu diện đất ở dạng hòa tan hoặc hấp phụ trên keo đất Trong quá trình di chuyển qua môi trường đất, các kim loại nặng cũng tham gia vào các phản ứng trong đất, bao gồm: phản ứng hòa tan, kết tủa, phân hủy hóa học, …

Đất được cấu thành từ ba pha: pha rắn (khoáng vật nguyên sinh, thứ sinh, vật liệu hữu cơ, keo đất), pha lỏng (dung dịch đất chứa các hợp chất vô cơ, hữu cơ, …)

và pha khí (khí trong lỗ hổng, khí hấp thụ trong keo, …) Khi thâm nhập vào đất, các kim loại nặng có thể liên kết với một hoặc nhiều pha của đất Mức độ phân bố của các kim loại nặng trong các pha của đất phụ thuộc vào đặc trưng của pha và bản chất của kim loại nặng Quá trình thay đổi trạng thái của hợp phần tạo bởi kim loại nặng và các thành phần của đất được gọi là quá trình chuyển pha Quá trình chuyển pha của các kim loại nặng gồm: thoát hơi, hòa tan, bay hơi, hấp phụ Trong các quá trình trên, khi thâm nhập vào đất, ở giai đoạn đầu tiên, quá trình hòa tan các kim

loại nặng chiếm ưu thế hơn các quá trình khác Phụ thuộc vào điện tích, các ion vô

cơ phản ứng mạnh với nguyên tử oxy của phân tử nước và thể hiện tính hòa tan lớn

Hấp phụ là quá trình cơ bản ảnh hưởng đến sự vận chuyển các kim loại nặng trong đất Đất có tính chất hấp phụ cao nhờ có các hạt sét có đường kính bé hơn 10-

3mm, có diện tích bề mặt lớn và mang một lớp ion tích điện quanh hạt gọi là keo đất [13] Sự hấp phụ giữa keo đất và các ion trong dung dịch đất được thực hiện dựa trên quá trình trao đổi cation Các loại đất có nhiều mùn, nhiều sét thì khả năng hấp phụ càng cao Các quá trình trao đổi chủ yếu xảy ra trong đất bao gồm:

Đất sét – M1 + M2+ → Đất sét – M2 + M1+Đất sét – OH + M+ → Đất sét – OM + H+Đất sét – K + M+

→ Đất sét – M + K+Cation có hóa trị càng cao càng có lực hút bám lớn ở vị trí trao đổi Người ta

sử dụng thuật ngữ ái lực hấp phụ để mô tả lực mà nhờ đó một cation được giữ dưới

dạng hấp phụ ở vị trí trao đổi Kích thước cation cũng ảnh hưởng đến ái lực hấp phụ, cation kích thước nhỏ thường bị hydrat hóa mạnh, có ái lực hấp phụ nhỏ và dễ

độ dung dịch đất của các cation này sẽ bị thay đổi bởi sự hòa tan các muối kết tủa

Sự trao đổi cation tại những vị trí tích điện âm trên bề mặt hạt đất là cơ chế chính lưu giữ các cation kim loại nặng gây ô nhiễm mạnh Hai nhân tố quan trọng tác động đến độ linh động của các ion kim loại trong đất là khả năng hòa tan của ion và điện tích của ion kim loại

Như vậy, trong môi trường đất, kim loại nặng có thể tồn tại ở nhiều dạng liên kết hóa học khác nhau tùy thuộc vào đặc tính của đất, các điều kiện môi trường và bản chất của kim loại Nhìn chung, kim loại nặng có thể tồn tại chủ yếu ở các dạng sau trong môi trường đất (Hình 1.1):

Hình 1.1 Các dạng liên kết của kim loại nặng trong môi trường đất [58]

1.2.4 Dạng tồn tại và chuyển hóa của đồng, chì và kẽm trong đất

1.2.4.1 Dạng tồn tại và chuyển hóa của đồng trong đất

Đồng là kim loại thuộc nhóm I trong bảng phân loại hệ thống tuần hoàn Trong thiên nhiên, đồng có hai đồng vị bền là 63Cu (chiếm 70,13%) và 65Cu (chiếm 29,87%) Ở trạng thái kim loại, đồng có màu hơi đỏ, sáng bóng ánh kim, mềm, dễ dát mỏng và là chất dẫn điện, dẫn nhiệt tốt Đồng có nhiệt độ nóng chảy là 1083o

C, sôi ở 2543oC, trọng lượng riêng d = 8,94g/cm3 [26]

Trong môi trường, đồng tồn tại ở nhiều dạng: sulphide, sulphate, cacbonate và các hợp chất khác Mức hàm lượng trung bình của đồng trong sinh quyển là 70ppm Trong đá có thể có khoảng 25 ÷ 35ppm đồng Hàm lượng đồng trung bình trong đất trên thế giới là 20 ÷ 30ppm [23]

Trong môi trường đất, đồng thường tồn tại trong các hợp chất hữu cơ hoặc liên kết với các lớp aluminosilicate của keo sét và các chất vô cơ khác Độ hoạt động của Cu2+

tự do được xem như chỉ thị cho lượng đồng được hấp thụ ở thực vật [152] Lượng đồng hòa tan chỉ chiếm một phần rất nhỏ trong tổng lượng đồng trong

đất, hơn 98% đồng trong dịch đất liên kết với chất hữu cơ tại pH trung tính [151] Đồng có ái lực cao đối với chất hữu cơ ở pha rắn vì vậy kim loại này có thể tích lũy trên bề mặt của đất, từ đó làm giảm khả dụng sinh học đối với thực vật [118] Trong đất acid, đồng tồn tại ở dạng [Cu(H2O)6]2+, trong đất trung tính và kiềm, đồng tồn tại ở dạng Cu(OH)2 Khả năng liên kết hóa học của đồng phụ thuộc vào pH và các đặc tính của môi trường đất Mức độ và sự phân bố của đồng trong đất và trong dịch đất thay đổi tùy theo đặc tính của đất và nguồn gốc vật chất [143]

Trong các dạng tồn tại, Cu2+

là dạng độc nhất, khi pH càng tăng thì các dạng tồn tại của đồng sẽ thay đổi từ Cu2+, CuCO3, Cu(CO3)-, Cu(OH)3-, Cu(OH)42- Kết quả của nhiều nghiên cứu cho thấy, khi pH giảm xuống 1 đơn vị thì độ tan của đồng trong đất tăng lên 100 lần Do đó, khi pH của đất > 7, tình trạng thiếu đồng trong đất sẽ tăng lên vì đồng tồn tại ở dạng Cu(OH)2 khó tan Khi pH của đất < 4,5 lượng đồng dễ tiêu trong đất cũng rất thấp do lượng đồng trong đất bị kết tủa bởi các nhóm silicate và photphat [2]

1.2.4.2 Dạng tồn tại và chuyển hóa của chì trong đất

Chì (Pb) là kim loại màu xám xanh, rất mềm có thể cắt bằng dao Pb là nguyên tố nhóm IV, số thứ tự 82 trong bảng hệ thống tuần hoàn, khối lượng nguyên

tử 207,21, khối lượng riêng d = 11,34g/cm3 Trong tự nhiên, chì tồn tại dưới các đồng vị 204

Pb (1,55%), 206Pb (22,51%), 207Pb (22,60%), 208Pb (53,34%) Quặng quan trọng nhất để khai thác Pb là galen (PbS) [26]

Chì là kim loại nặng có khả năng linh động kém, có thời gian bán thải trong đất từ 800 đến 6000 năm Trong tự nhiên, chì tồn tại chủ yếu dưới dạng PbS và bị chuyển hóa thành PbSO4 do quá trình phong hóa Pb2+ sau khi được giải phóng sẽ tham gia vào nhiều quá trình khác nhau trong đất như bị hấp phụ bởi các khoáng sét, chất hữu cơ hoặc oxyt kim loại, hoặc bị cố định trở lại dưới dạng các hợp chất Pb(OH)2, PbCO3, PbS, PbO, Pb3(PO4)2, Pb5(PO4)3OH [100]

Chì ở dạng di động trong đất là Pb2+, dạng này thường bị hấp phụ bởi khoáng sét, các oxyt Fe và Mn và dạng phức với các hợp chất hữu cơ [24] Chì ở dạng trao đổi chỉ chiếm tỷ lệ nhỏ (< 5%) hàm lượng chì có trong đất Các chất hữu cơ có vai

trò lớn trong đất do hình thành các phức hệ với chì Đồng thời chúng cũng làm tăng tính linh động của Pb khi các chất hữu cơ này có tính linh động cao Chì cũng có khả năng kết hợp với các chất hữu cơ hình thành các chất dễ bay hơi như (CH3)4Pb Trong đất, chì có tính độc cao, nó hạn chế hoạt động của các vi sinh vật và tồn tại khá bền vững dưới dạng các phức hệ với chất hữu cơ Pb2+

trong đất có khả năng thay thế ion K+ trong các phức hệ hấp phụ có nguồn gốc hữu cơ hoặc khoáng sét Khả năng hấp phụ chì tăng dần theo thứ tự sau: montmorillonit < axit humic < kaolinit < allophane < oxyt sắt Khả năng hấp phụ chì tăng dần đến pH tại đó hình thành kết tủa Pb(OH)2 [22]

Như vậy, dạng tồn tại của Pb trong đất phụ thuộc chủ yếu vào thành phần cơ học, khoáng vật, hàm lượng hợp chất hữu cơ, pH của đất, các hoạt động nhân sinh, Điều kiện hình thành đất ảnh hưởng rất lớn đến dạng tồn tại của Pb Trong đất vùng khô, Pb tồn tại ở dạng ion hấp phụ, cacbonat hữu cơ, sunfua Trong đất vùng nhiệt đới, Pb ở dạng hydroxyt chiếm ưu thế Hàm lượng Pb trong đất có xu hướng giảm từ trên xuống tương ứng với sự giảm hàm lượng chất hữu cơ trong phẫu diện đất [27]

1.2.4.3 Dạng tồn tại và chuyển hóa của kẽm trong đất

Kẽm là nguyên tố thuộc phân nhóm phụ nhóm II, số thứ tự 32 trong bảng hệ thống tuần hoàn Kẽm là kim loại màu trắng hơi xanh, dễ nóng chảy, dễ bay hơi, nhiệt độ nóng chảy là 419oC, bay hơi ở 907oC Hàm lượng kẽm trong vỏ trái đất khoảng 0,01% Quặng chủ yếu để khai thác kẽm là blen kẽm (ZnS), calamin (ZnCO3) [29]

Theo các tác giả Lidsay, Farrah, Peneva, Kuo và Mikkelsen (1993) [2], sự khó kiểm soát trong quá trình chuyển hóa của các kim loại nặng trong đất là do chúng rất giống nhau về hành vi, nhưng với Zn2+

dường như xảy ra dạng hòa tan hoàn toàn Sét và các chất hữu cơ trong đất có khả năng hấp thu và giữ chặt kẽm Các tác giả này cho rằng, có hai cơ chế hấp phụ kẽm trên các hạt đất khác nhau:

- Trong môi trường acid, quá trình hấp phụ xảy ra chủ yếu tại những vị trí trao đổi cation

- Trong môi trường kiềm, quá trình hấp phụ kẽm chịu ảnh hưởng mạnh bởi cơ chế hấp thu hóa học và sự có mặt của các chất hữu cơ [2]

Kẽm trong đất có thể tồn tại ở nhiều dạng khác nhau như hòa tan, tạo phức với các hợp chất hữu cơ, bị giữ trong các nhóm hydroxyl của đất, dạng kết tinh hoặc

là một phần của tinh thể khoáng sét Một số dạng quặng của kẽm trong đất là sfalevit (ZnS), zinkit (ZnO), smizonit (ZnCO3), vinlemit (Zn2SiO4), trong đó ZnCO3

là khoáng dễ tan nhất Trong các môi trường khác nhau, kẽm có thể có trong thành phần các muối khó tan (cacbonat, photphat) của các khoáng vật ozit, biotit và trong mạng lưới tinh thể silicate (trong đó Zn2+ thay thế các cation Ca2+ và Mn2+) Ngoài

ra, kẽm có thể bị các khoáng như illit, kaolinit cố định [24]

Như vậy, quá trình chuyển hóa của các kim loại nặng trong đất là một quá trình rất phức tạp, chịu sự chi phối của đặc tính môi trường đất và bản chất của kim loại nặng Kim loại nặng có thể tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau trong đất, tuy nhiên chỉ có dạng linh động hay còn gọi là dạng khả dụng sinh học mới có thể được thực vật hấp thu

LÊN THỰC VẬT

1.3.1 Quá trình hấp thu và tích lũy kim loại nặng từ đất lên thực vật

Cây trồng tiếp nhận các nguyên tố cần thiết và không cần thiết từ đất do sự hấp thu có chọn lọc các ion từ rễ hoặc do sự khuếch tán các nguyên tố trong đất và vận chuyển vào các bộ phận của cây

Mức độ tích lũy các kim loại nặng là khác nhau đối với từng loại thực vật, dựa trên đặc điểm này, thực vật được chia thành 3 nhóm:

- Thực vật đào thải: khi được trồng trên đất bị ô nhiễm kim loại, chúng vẫn duy trì nồng độ kim loại trong cây ở mức thấp để chống lại sự ngộ độc; vì vậy, hàm lượng kim loại từ rễ vận chuyển lên cây không vượt quá giới hạn cho phép Thực vật loại này có cơ chế ngăn không cho các kim loại nặng thẩm thấu vào cây Khi hàm lượng kim loại nặng trong đất cao hơn một giới hạn nhất định, sự hấp thụ của thực vật thuộc nhóm này lại tăng rất nhanh, có thể là do hàm lượng kim loại nặng

quá cao đã làm cho cơ chế kháng độc của cây mất tác dụng và cây chỉ đơn thuần tiếp nhận kim loại nặng một cách thụ động [79]

- Thực vật tích lũy: kim loại nặng được cây trồng hấp thụ liên tục trong quá trình sinh trưởng và phát triển; do vậy, chúng được tích lũy với hàm lượng cao trong các bộ phận của cây Đặc điểm của loại thực vật này là có khả năng hấp thu mạnh và tích tụ cao kim loại nặng do chúng có hệ thống khử độc trong nội bào làm tăng khả năng chống chịu độc tố ngay cả khi độc tố tồn tại với hàm lượng cao trong cây Tuy nhiên, khi hàm lượng kim loại nặng trong môi trường quá cao thì thực vật không tiếp tục hấp thụ [79]

- Thực vật chỉ thị: sự hấp thụ và vận chuyển các kim loại từ rễ đến cành tuân theo quy luật; do vậy, hàm lượng kim loại nặng bên trong các bộ phận của thực vật phản ánh mức độ ô nhiễm của môi trường canh tác, ít nhất là cho đến khi xảy ra sự gây độc Khi cây trồng bị nhiễm độc kim loại nặng sẽ xảy ra một số phản ứng hóa sinh để giảm thiểu sự tổn hại tế bào Thực vật loại này có khả năng điều chỉnh các ảnh hưởng độc hại để tồn tại trong các môi trường chịu tác động bởi kim loại nặng

và là giải pháp tốt để giải quyết tình trạng ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường đất [164]

Thực vật đã phát triển một số cơ chế hấp thu kim loại nặng từ dịch đất và vận chuyển các kim loại này trong cây Sự hấp thụ các kim loại vào rễ cây là một quá trình phức tạp của sự vận chuyển các kim loại từ dịch đất đến bề mặt của rễ và vào bên trong các tế bào rễ Quá trình này phức tạp do bầu rễ là phức hợp tự nhiên thay đổi chức năng liên tục khi có sự tương tác giữa các tế bào rễ với các thành phần tạo nên dịch đất và các vi sinh vật sống trong bầu rễ [79]

an đầu, các ion trong dung dịch đất được chuyển từ các lỗ khí trong đất tới

bề mặt rễ cây bằng hai con đường chính: sự khuếch tán và dòng chảy khối Khuếch tán là quá trình các kim loại nặng di chuyển từ vùng có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp do sự chuyển động ngẫu nhiên của các phân tử Sự khuếch tán xảy ra nhằm chống lại sự gia tăng gradient nồng độ bình thường đối với rễ cây bằng cách hấp thụ các kim loại nặng trong dung dịch đất tại bề mặt tiếp giáp rễ cây – đất

Dòng chảy khối được tạo ra do sự di chuyển của dung dịch đất tới bề mặt rễ cây Cả hai quá trình này xảy ra không đồng đều theo các tốc độ khác nhau tùy thuộc vào nồng độ dung dịch đất [135, 154]

Quá trình xâm nhập kim loại nặng từ đất vào cây trồng trải qua ba giai đoạn sau:

- Ion kim loại nặng đi vào vùng tự do của rễ cây:

Sự di chuyển của các ion kim loại không bị giới hạn tại bề mặt rễ cây Vùng màng của các tế bào có khả năng dễ dàng cho dung dịch xâm nhập nên còn được gọi là vùng tự do Tại đây, các ion dương có thể khuếch tán tự do hoặc bị bẫy vào những tế bào mang điện âm chẳng hạn như nhóm cacboxylic của các đơn vị polygalacturonic gắn trên màng tế bào Ion kim loại có khả năng tích lũy trong khu vực tự do của rễ cây, một số bị bám dính chặt vào mặt tế bào rễ [86]

- Ion kim loại nặng xâm nhập vào trong tế bào của rễ:

Quá trình vận chuyển kim loại nặng từ vùng rễ cây vào thành tế bào rễ không phải là quá trình trao đổi chất (non-metabolic) mà là quá trình khuếch tán thụ động với động lực là sự khuếch tán hoặc dòng chảy khối [86] như đã trình bày ở trên Thành tế bào ngoài cùng của rễ là một mạng lưới bao gồm xenlulose, hemixenlulose, pectin và glucoprotein Mạng lưới này có kích thước lỗ khác nhau

và các ion kim loại nặng có thể đi qua Trong cấu trúc của pectin có các acid polygalacturonic với nhóm cacboxylic mang điện tích âm hoạt động như các tâm trao đổi cation Các ion kim loại nặng liên kết mạnh với các nhóm acid cacboxylic theo thứ tự Pb2+ > Cu2+ > Cd2+ > Zn2+ [156] Sự liên kết này đóng một vai trò quan trọng đối với sự tích lũy các kim loại nặng trong rễ cây và gia tăng lượng hấp thu liên tục của ion kim loại nặng vào tế bào rễ Tại những vị trí trên thành tế bào, nơi cation không đi qua được do kích thước lỗ hẹp, các cation kim loại nặng sẽ bị kéo vào các tâm trao đổi trên thành tế bào Phụ thuộc vào mật độ điện tích âm trên các tâm trao đổi này mà các kim loại nặng được tích tụ trên màng tế bào, làm tăng gradient hàm lượng trên khắp màng tế bào và tăng cường khả năng di chuyển cation vào bên trong tế bào [79]

Các ion kim loại nặng bị hấp thu trong tế bào có thể bị mất tính linh động hay tính độc trong tế bào chất thông qua quá trình tạo phức với các phân tử hữu cơ hoặc bị sa lắng xuống các khu vực giàu electron (electron – dense granules) Phức chất tạo bởi các phân tử hợp chất hữu cơ là thành phần chiếm ưu thế có liên quan đến các ion kim loại nặng trong tế bào chất Weigel và Jager (1980) [90] cho biết, khi thâm nhập vào tế bào rễ, ion kim loại nặng có thể được chuyển vào trạng thái phức chất (chủ yếu là liên kết với các acid hữu cơ như acid citric, acid malic), đây là dạng làm cho ion kim loại nặng bị sa lắng ở trong tế bào rễ Ion kim loại nặng tích lũy trong rễ chiếm 80 ÷ 90% tổng lượng kim loại được thực vật hấp thu Hầu hết các ion kim loại được tích lũy trong rễ cây đều ở trong không bào và tồn tại dưới dạng liên kết với các hợp chất pectin và protein của thành tế bào [75]

Đối với một số loài thực vật, sự hiện diện của các ion kim loại nặng trong các tế bào chất sẽ dẫn đến sự tổng hợp protein có liên kết với các ion kim loại nặng Những protein này có mặt ở trong tế bào chất và không bào, nơi có chứa các nhóm sulphydryl và cacboxyl có khả năng tạo chelat với ion kim loại

- Vận chuyển ion kim loại nặng đến các mầm chồi:

Các ion kim loại nặng có thể vận chuyển lên các mầm chồi theo đường ngoài màng tế bào (apoplast) hoặc di chuyển cùng tế bào chất từ tế bào nọ sang tế bào kia theo mạng liên kết dịch tế bào (plasmodestama) Những ion kim loại đi qua màng tế bào vào tế bào chất cũng có thể vận chuyển đến các không bào theo các cơ chế khác nhau tùy thuộc vào đặc điểm của từng nguyên tố [79]

Các ion kim loại ở trong tế bào chất được chuyển từ tế bào này sang tế bào khác thông qua con đường tổng hợp sẽ đi vào mao dẫn rễ và đưa đến các mầm chồi

Sự di chuyển của các dung dịch trong mao dẫn rễ là nguyên nhân gây sự di chuyển khối – dòng chảy khối Các cation tự do có thể phản ứng với các nhóm mang điện

âm của thành tế bào mao dẫn rễ, đây chính là lý do cản trở sự vận chuyển của ion kim loại nặng hay làm quá trình trao đổi bị chậm lại Ngoài ra, các nhóm tạo phức với ion kim loại tự do như các acid hữu cơ, amino acid trong mao dẫn rễ sẽ làm giảm mức độ linh động của ion kim loại nặng và cho phép chúng chuyển vào các

mầm chồi Sự xuất hiện các màng điện trái dấu với ion kim loại góp phần đẩy nhanh quá trình đưa độc chất kim loại vào mầm chồi [86]

1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp thu kim loại nặng từ đất lên

thực vật

Quá trình hấp thu kim loại nặng từ đất lên thực vật là một quá trình phức tạp, chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố, bao gồm đặc tính của đất (nhiệt độ, độ mặn, pH, ), hàm lượng kim loại nặng trong đất, đặc điểm sinh lý của thực vật (loài, tuổi, các

bộ phận khác nhau của cây, ) và các điều kiện môi trường

1.3.2.1 Ảnh hưởng của các đặc tính của đất

Trong các đặc tính của đất, pH, hàm lượng chất hữu cơ, hàm lượng các oxyt sắt và mangan, hàm lượng CaCO3, kết cấu của đất, độ mặn, thế oxy hóa – khử, trạng thái dinh dưỡng, hàm lượng các khoáng chất và hình thái của đất đều ảnh hưởng đến quá trình hấp thu kim loại nặng từ đất lên cây trồng; trong đó, pH, độ mùn và lượng chất hữu cơ của đất có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình này [102]

a Ảnh hưởng của pH

pH của đất là một trong những yếu tố ảnh hưởng đáng kể đến độ di động của kim loại nặng do nó ảnh hưởng trực tiếp đến độ tan của các kim loại nặng, ảnh hưởng đến độ bền và khả năng tạo liên kết giữa cation kim loại với các colloid cũng như hoạt tính của các vi sinh vật [166] Kết quả của nhiều nghiên cứu [128, 144, 146] cho thấy, pH của đất dường như có ảnh hưởng lớn nhất đến độ tan hay khả năng lưu giữ của các kim loại nặng trong đất Trong đa số các trường hợp, khi đất

có độ pH cao, các cation kim loại có độ hòa tan thấp hơn và do đó được lưu giữ nhiều hơn trong môi trường đất, từ đó hạn chế lượng kim loại vận chuyển lên thực vật Bảng 1.2 biểu diễn sự thay đổi mức độ linh động của các kim loại nặng trong các điều kiện môi trường đất khác nhau

Bảng 1.2 Quan hệ khái quát giữa Eh, pH của môi trường đất

và độ linh động của một số kim loại nặng

Độ linh động

tương đối

Điều kiện môi trường đất

(Nguồn: Plant và Raiswell, 1983) [98]

Các kim loại nặng có thể được giữ lại trong đất do kết quả của sự hấp phụ, sự tạo phức với các chất hữu cơ, sự tạo thành kết tủa với các cacbonat và các oxyt sắt, nhôm và mangan [52, 60, 119] mà pH của đất lại có ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng và mức độ xảy ra các phản ứng trên Do vậy, pH là yếu tố quan trọng quyết định lượng kim loại có thể được thực vật hấp thụ

b Ảnh hưởng của hàm lượng chất mùn trong đất

Các chất mùn có cấu trúc phức tạp, có tính acid, thường là các hợp chất thơm với khối lượng phân tử lớn (300 ÷ 100.000), ảnh hưởng đến khả năng hút nước, trao đổi ion của đất cũng như khả năng liên kết với các ion kim loại Trên cơ sở độ hòa tan, chất mùn được chia thành 3 loại: acid humic, acid fuvic, acid humin

Mùn đóng vai trò quan trọng trong việc bảo tồn chất dinh dưỡng trong đất và tác động lên quá trình sử dụng chất dinh dưỡng ở cây trồng, khi tăng nồng độ mùn

sẽ dẫn đến việc tăng khả năng hấp phụ của đất, biểu hiện ở việc hình thành các phức kim loại – hợp chất hữu cơ Theo Stefanovits và các cộng sự (1999) [133], các tác nhân tạo phức hữu cơ thúc đẩy khả dụng sinh học của các kim loại nặng, thường xuất hiện trong đất có hàm lượng cao các phân tử mùn với khối lượng phân tử nhỏ (oxalate, malate, citrate)

Chất mùn thường được bổ sung vào đất dưới dạng phân chuồng, phân khoáng hữu cơ, phân hữu cơ Theo kết quả nghiên cứu của Anna Zaniewicz - ajkowska và cộng sự (2009) [175], việc tăng lượng chất mùn trong đất sẽ làm giảm lượng kim loại nặng tích lũy trong sinh khối thực vật Điều này là do các chất hữu cơ trong chất mùn có khả năng tạo liên kết với các kim loại nặng từ đó giảm lượng kim loại nặng dễ tiêu trong đất

c Ảnh hưởng của thành phần khoáng sét trong đất

Tính hấp phụ của khoáng sét trong đất cũng làm giảm độ tan của các kim loại nặng từ đó làm giảm lượng kim loại ở trạng thái dễ được thực vật hấp thu Tuy nhiên, khả năng này còn phụ thuộc vào kích thước hạt và thành phần cũng như hàm lượng khoáng sét trong đất [40]

Ngoài ra, quá trình hấp thu các kim loại nặng từ đất lên cây trồng còn phụ thuộc vào lượng chất hữu cơ trong đất Các hợp chất hữu cơ trong đất là các đại phân tử có cấu trúc giả mixel có khả năng bao bọc các kim loại nặng làm giảm mức

độ linh động của chúng trong đất và do đó hạn chế khả năng thâm nhập vào cây

trồng [44]

1.3.2.2 Ảnh hưởng của hàm lượng kim loại nặng trong đất

Kim loại nặng thâm nhập từ đất vào thực vật thông qua hoạt động sinh trưởng Mức độ thâm nhập của kim loại nặng vào thực vật thường tỷ lệ thuận với hàm lượng của chúng trong đất Nồng độ của các kim loại nặng trong pha dung dịch đóng vai trò quan trọng chủ yếu trong quá trình này do cây trồng hấp thu các kim loại dễ tiêu từ dịch đất [166]

Độ linh động trong môi trường đất và khả năng được hấp thụ bởi rễ của kim loại nặng được đặc trưng bởi khả dụng sinh học của kim loại đó Thuật ngữ “khả dụng sinh học” (bioavailability) được định nghĩa là lượng chất có thể được hấp thu bởi một cơ thể sống và lưu thông trong cơ thể [121] Do vậy, hàm lượng tổng cộng của kim loại nặng trong đất không nhất thiết tương quan với lượng kim loại khả dụng sinh học Khả dụng sinh học của các kim loại nặng đối với thực vật phụ thuộc vào các đặc điểm hóa – lý của đất như pH, hàm lượng chất hữu cơ, khả năng oxy hóa – khử, khả năng trao đổi cation (CEC), hàm lượng sulphate, carbonate, hydroxide, kết cấu đất và hàm lượng sét [92]

1.3.2.3 Ảnh hưởng của đặc điểm sinh lý thực vật

Sự vận chuyển kim loại nặng từ rễ lên thân, cành và lá chịu ảnh hưởng bởi

cơ chế hoạt động sinh lý thực vật và điều này quyết định phần lớn lượng kim loại nặng tích lũy trong sinh khối thực vật

Thực vật, cũng như tất cả các sinh vật khác, có các cơ chế khác nhau để duy trì hàm lượng sinh lý của các ion kim loại thiết yếu và hạn chế sự phơi nhiễm các kim loại nặng không cần thiết Một vài cơ chế xảy ra đồng thời để cân bằng hàm lượng kim loại ở nội bào và hạn chế nguy cơ bị ảnh hưởng bởi hàm lượng cao các kim loại nặng trong cây trồng bằng cơ chế giải độc, bằng cách đó cây trồng chịu được sự ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường canh tác

Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng, một số loài thực vật có thể kích hoạt đặc tính đề kháng chống lại các chất độc bao gồm cả các kim loại nặng, khả năng này phụ thuộc vào các yếu tố sinh thái, sinh lý khác nhau trong những khoảng thời gian

và không gian khác nhau Tuy nhiên, các loài thực vật không đề kháng như nhau đối với các chất ô nhiễm trong môi trường Khả năng đề kháng với một chất độc cụ thể phụ thuộc vào đặc điểm di truyền của từng loài [158] Kết quả của các nghiên cứu cho thấy, thực vật có khả năng tiết ra một số hợp chất có khả năng liên kết với một số nguyên tố trên bề mặt rễ làm tăng mức hấp thu một số kim loại nặng Chẳng hạn, sự có mặt của hợp chất tăng cường hấp thụ sắt (phytosiderophores) ở thực vật làm tăng mức hấp thu và vận chuyển Fe, Mn, Zn từ rễ lên thân và lá [163] Ngoài

ra, thực vật cũng có khả năng tiết ra các chất nhầy là các hợp chất giống gelatin cao phân tử, chủ yếu là polychacarit chứa từ 20 đến 50% acid polyuronic Các chất nhầy này tạo ra mối tương tác giữa rễ cây và dịch đất nên có thể dẫn đến sự tăng cường hoặc hạn chế sự hấp thu kim loại nặng vào vùng rễ cây [103] ên cạnh đó, thực vật

có khả năng tiết ion H+

vào vùng rễ làm giảm pH của dịch đất từ 1 đến 2 đơn vị trong khoảng 1 ÷ 2mm từ bề mặt rễ Điều này làm tăng khả năng trao đổi cation với các kim loại gắn trên keo đất, làm tăng sự linh động của các cation thông qua sự thay thế H+ vào vị trí của cation kim loại liên kết với keo đất [42]

Khi thiếu các kim loại thiết yếu, hoạt độ của ion kim loại tự do trong dịch đất thấp và cây trồng có xu hướng tăng khả năng hấp thu cực đại các kim loại Quá trình hấp thu chịu ảnh hưởng bởi tính tan và sự hình thành các kim loại trong bầu rễ khi xảy ra các quá trình tạo phức với dịch rễ và làm pH của bầu rễ thay đổi [79]

Ngoài ra, sự hấp thụ kim loại nặng từ đất lên thực vật còn phụ thuộc nhiều vào trạng thái sinh trưởng của cây trồng Trong điều kiện cây phát triển mạnh, sự hấp thụ kim loại nặng cũng tăng lên [70]

1.3.2.4 Ảnh hưởng của các ion khác

Quá trình hấp thu kim loại nặng chịu ảnh hưởng của các ion khác cùng tồn tại trong môi trường Đó là sự cạnh tranh giữa các ion có cùng điện tích trong quá trình hấp thu Trong thủy canh, khi dung dịch có pH thấp (5 ÷ 6), ion H+

làm giảm mức độ hấp thu kim loại nặng từ dung dịch do có sự cạnh tranh vị trí hấp thu giữa cation H+ với các cation kim loại Ngược lại, trong đất, ion H+ sẽ làm tăng khả năng giải phóng các cation kim loại từ dạng keo (đất) sang dạng tan vào dung dịch đất trong vùng rễ Chính vì vậy, cây trồng trên đất chua nhẹ sẽ tăng mức hấp thu các kim loại nặng

Các nghiên cứu về sự biến động của các kim loại nặng trong đất đã chỉ ra rằng hấp phụ là một quá trình cạnh tranh giữa các kim loại trong dung dịch đất và trong quá trình hấp phụ trên bề mặt đất [109, 150] Một số nghiên cứu về vấn đề này đã được triển khai

Harter (1992) [148] đã đánh giá sự hấp phụ đồng thời của Ni2+, Co2+, Cu2+trên các loại đất khác nhau và kết quả nhận được cho thấy, sự hấp phụ của Cu2+

không bị ảnh hưởng bởi sự có mặt của Ni2+

trong khi lượng Co2+ được hấp phụ lại giảm và mức độ giảm tỷ lệ thuận với lượng Ni2+ được hấp phụ

Zhu và Alva (1993) [51] khi đánh giá mức độ hấp phụ của Cu2+

và Zn2+trong sự hiện diện đồng thời của Ca2+, Mg2+, K+ với các mức nồng độ khác nhau đã nhận thấy tác dụng ức chế của các cation thêm vào đối với sự hấp phụ Zn2+ lớn hơn nhiều so với tác động của chúng lên sự hấp phụ của Cu2+

Kết quả nghiên cứu của Veeresh và các cộng sự (2003) [155] về sự cạnh tranh của một số kim loại trong quá trình hấp phụ trên ba loại đất khác nhau ở Ấn

Độ bị ô nhiễm tro bay và nước thải cho thấy, sự hấp phụ của Cu2+

chịu sự tác động của Pb2+ trong khi sự hấp phụ của Ni2+ bị tác động mạnh khi có mặt Cd2+

Theo nghiên cứu Arias và các cộng sự (2006) [111], khi tồn tại đồng thời trong đất, sự hấp phụ của Zn2+

suy giảm đáng kể khi tăng nồng độ Cu2+ trong đất trong khi sự hấp phụ của Cu2+ lại giảm gần 31% khi tăng nồng độ của Zn2+ trong đất

Khi nghiên cứu về sự cạnh tranh của Cd2+

, Cu2+, Pb2+ và Zn2+ trong quá trình hấp phụ trên các loại đất khác nhau ở phía Đông Trung Quốc, các tác giả Lu S G

và Xu Q F (2009) [80] nhận thấy, khi tồn tại đồng thời, sự hấp phụ của các kim loại này khác biệt đáng kể so với khi chúng tồn tại riêng lẻ trong đất Cụ thể, sự hấp phụ của Cu2+ và Pb2+ tăng trong khi sự hấp phụ của Cd2+ và Zn2+ lại giảm khi chúng tồn tại đồng thời trong đất Mức độ hấp phụ chọn lọc kim loại trên các loại đất được xếp theo thứ tự Pb2+ > Cu2+ > Zn2+ > Cd2+

Kết quả của các nghiên cứu trên đã chứng minh sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa các kim loại nặng khi chúng tồn tại đồng thời trong môi trường Môi trường đất khi

ô nhiễm thường chứa nhiều hơn một kim loại nặng Do vậy, sự hấp thu của một kim loại trong môi trường đất có thể bị ảnh hưởng bởi sự có mặt của các ion khác Như vậy, sự có mặt của các kim loại khác trong môi trường đất cũng ảnh hưởng đến quá trình hấp thu kim loại nặng từ đất vào thực vật Do đó, nghiên cứu về sự cạnh tranh

giữa các kim loại nặng trong quá trình hấp thu và vận chuyển từ đất lên cây trồng là một nhiệm vụ cần thiết

1.3.3 Tình hình nghiên cứu về quá trình hấp thu kim loại nặng từ môi trường

canh tác vào thực vật

Ô nhiễm kim loại nặng trong đất nông nghiệp và trong nông sản đã và đang trở thành vấn đề thời sự, thu hút nhiều nhà khoa học trong nước cũng như trên thế giới quan tâm, nghiên cứu Nhiều công trình khoa học đã chứng minh rằng các loại rau, củ được trồng trên các vùng đất ô nhiễm hoặc được tưới bằng nước thải chứa nhiều kim loại nặng là nguyên nhân tích lũy kim loại nặng trong các sản phẩm này

1.3.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Bùi Cách Tuyến và cộng sự (1995) [38] khi nghiên cứu tồn dư kim loại nặng trong nông sản ở khu vực thành phố Hồ Chí Minh, cho biết: hệ số tương quan giữa kim loại nặng trong nước và rau muống là 0,95 với Zn; 0,73 với Pb và 0,94 với Cd Hệ số tương quan giữa kim loại nặng trong đất và rau cải bông được trồng trên đó là 0,98 với Zn; 0,12 với Pb và 0,99 với Cd

Lê Huy á và Nguyễn Văn Đệ (1998) [3] khi thực hiện đề tài “Nghiên cứu ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường đất, nước ở Nhà è do nước thải công nghiệp và ảnh hưởng của nó đến cây lúa và giun đất” cho biết cây lúa non có thể chịu đựng được ảnh hưởng của Cd trong nước nhưng bị chết hoàn toàn ở nồng độ 0,32ppm

Khi nghiên cứu sự tương quan về hàm lượng kim loại nặng trong đất và trong rau muống ở Thanh Trì, tác giả Vũ Quyết Thắng (1998) [31] đã cho thấy ở tất

cả các điểm trong địa bàn nghiên cứu, hàm lượng trung bình của kim loại nặng trong đất đều cao hơn trong rau muống từ 2-6 lần và sự tích lũy kim loại nặng có thể đạt tới mức mà hàm lượng của nó trong rau muống có thể cao hơn trong môi trường đất

Theo Nguyễn Đình Mạnh (2000) [25], khi trồng trên vùng đất, nước bị ô nhiễm như khu vực khai thác mỏ pyrite, đồng, kẽm, khu đất sau khai thác than, khu

đất chứa chất thải công nghiệp sau nhiều năm, bãi chôn rác thải rắn hoặc nước tưới

bị ô nhiễm như nước thải thành phố, nước thải công nghiệp thì rau đều bị nhiễm kim loại nặng

Nhóm tác giả Phạm Ngọc Thụy và các cộng sự (2003) [33] đã đưa ra hiện trạng về ô nhiễm kim loại nặng (Hg, As, Pb, Cd) trong đất, nước và một số loại rau trồng trên khu vực huyện Đông Anh, Hà Nội Nghiên cứu được thực hiện trên 39 mẫu rau trồng trên đất ô nhiễm chì và sử dụng nước tưới bị ô nhiễm Pb Kết quả cho thấy có đến 99% mẫu rau nghiên cứu bị ô nhiễm chì

Vũ Đình Tuấn và cộng sự (2004) [37] cũng đã điều tra hiện trạng kim loại nặng trong đất và cây rau vùng ngoại thành Hà Nội, kết quả cho thấy: lượng Pb trong 13 mẫu rau và lượng Cd trong 11 mẫu rau trồng tại Từ Liêm bao gồm nhóm rau gia vị (tía tô, mùi, hành, tỏi, kinh giới) và rau ăn lá nấu chín (rau ngót, cải ngọt, mồng tơi, ) đã vượt tiêu chuẩn cho phép của Việt Nam

Lê Huy á và cộng sự (2006) [2] đã xác định được độ độc của Pb, Hg và Cd đối với cây lúa theo thứ tự: Cd > Hg > Pb Cả ba nguyên tố khi ở nồng độ nhỏ đều kích thích sự phát triển của cây lúa (Pb: 30ppm; Hg: 10 ppm; và Cd: 1,0 ppm) Nồng

độ kìm hãm sự phát triển của thân lúa tương đối cao: 30 ppm đối với Cd và Hg, và

300 ppm đối với Pb Ảnh hưởng của các kim loại nặng đến sự phát triển của rễ cũng có nhưng không có sự khác biệt ý nghĩa so với nghiệm thức đối chứng Cd tích lũy rất cao trong thân + lá và rễ lúa, gấp 20 lần và 53 lần so với Hg và Pb (trong thân lá) và 12,2 lần trong rễ khi nồng độ gây nhiễm trong đất đều là 300ppm Ngoài

ra, Cd và Hg cũng ảnh hưởng đến quá trình ra lá thật và đẻ nhánh của lúa

Theo nghiên cứu của Phan Thị Thu Hằng (2008) [17], trung bình hàm lượng chì trong rau cải xanh bằng 0,75 lần hàm lượng chì trong nước tưới, trong khi đó, hàm lượng cadmi trong loại rau này cao hơn 1,89 lần hàm lượng cadmi trong nước tưới

Kết quả nghiên cứu của Nguyễn Xuân Cự (2008) đã chứng minh hàm lượng kim loại nặng tích lũy trong rau có tương quan thuận với lượng bón vào đất Ở lượng bón 100ppm và 200ppm, hàm lượng Cu trong rau cải xanh tăng tương ứng

90% và 208% so với đối chứng trong khi hàm lượng Pb tăng đến 882% và 953% Đối với trường hợp bón Zn, hàm lượng Zn trong cây chỉ tăng 100%, 125% và 152% tương ứng với các lượng bón là 100ppm, 300ppm và 500ppm Đối với rau xà lách, khi lượng bón Cu tăng từ 0ppm lên 50ppm, 100ppm và 200ppm, hàm lượng Cu tích lũy trong cây tăng 35%, 48% và 89% so với đối chứng Tương tự đối với Pb, hàm lượng Pb tích lũy trong rau xà lách tăng tương ứng 42%, 192% và 250% Hàm lượng Zn trong cây tăng 39%, 41% và 91% khi lượng Zn bón tăng tương ứng từ 0ppm lên 100ppm, 300ppm và 500ppm [6]

Kết quả nghiên cứu sự tích lũy kim loại nặng trong đất và nước tưới các vùng trồng rau trên địa bàn ngoại thành Hà Nội của các tác giả Nguyễn Xuân Hải, Ngô Thị Lan Phương (2009) [16] đã nhận thấy, ở Vân Nội và Vĩnh Quỳnh đều có dấu hiệu tích lũy lớn Cd trong đất hoặc bùn cao hơn TCVN 7209 – 2002 dành cho đất nông nghiệp ên cạnh đó, các tác giả cho biết mức độ tích lũy kim loại nặng trong rau rất khác nhau tùy vào từng loại rau Ở rau trồng trong nước, xu hướng tích lũy kim loại nặng trong rễ nhiều hơn trong thân và lá Đối với rau trồng trên cạn có

xu hướng ngược lại, hàm lượng kim loại nặng trong rễ lại thấp hơn trong lá và thân cây Rau trồng ở Vân Nội và Vĩnh Quỳnh đã có dấu hiệu ô nhiễm As so với tiêu chuẩn của Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn

1.3.3.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Theo Garcia Lopez De Sa (1994) [120], khi hàm lượng Cd trong dung dịch dinh dưỡng ở mức thấp (5-10ppm) thì sự sinh trưởng của rau diếp tăng nhưng khi ở mức cao (>10ppm) thì sự sinh trưởng và phát triển của rau diếp giảm đi rõ rệt

ingham và cộng sự (1996) [139] khi nghiên cứu về độc tính của Cd đối với thực vật đã đề xuất thứ tự giảm dần về tính nhạy cảm đối với Cd của một số loại cây: củ cải > đậu nành > cải xoong > rau diếp > ngô > cà rốt > lúa mì > củ cải trắng

> cà chua > bí > cải bắp > lúa

Theo Singh và cộng sự (1998) [46] khi nghiên cứu sự hấp thu Cd của cây đậu Jill trên nền đất chịu ảnh hưởng của nước thải, hàm lượng Cd trong cây tỉ lệ với mức độ ô nhiễm Cd trong nước thải

Lehoczky và các cộng sự (1998) [72] đã xác định rau diếp, củ cải đường, củ cải và cà rốt có mức độ tích lũy Cd cao trong khi súp lơ và bắp cải chỉ hấp thụ vừa phải kim loại này

Theo các tác giả Alexander, Alloway, Dourado (2006) [134], việc tiêu thụ các loại rau trồng trên đất ô nhiễm có thể ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người Các tác giả đã khảo sát sự hấp thu Cd, Cu, Pb và Zn trên sáu loại rau thông thường được trồng trên đất ô nhiễm các kim loại nghiên cứu Kết quả cho thấy sự khác biệt về mức độ hấp thu kim loại nặng từ đất lên các loại rau Cà rốt và đậu tích lũy đáng kể

Cd và Cu trong khi các loại rau ăn củ (họ Umbelliferae và họ loa kèn) có xu hướng tích lũy các kim loại này ở mức vừa phải và các loại rau ăn lá (họ Compositae và Chenopodiaceae) có mức tích lũy cao hơn

Các tác giả Radu Lăcătusu và Anna – Rovena Lăcătusu (2008) [107] đã nghiên cứu về chất lượng các loại rau và trái cây được trồng tại ba khu vực: Copsa Mica, Zlatna và aia Mare (Romania) – các khu vực bị ô nhiễm bởi các kim loại nặng gây ra trong quá trình khai thác quặng và công nghiệp chế biến kim loại màu thải ra trong hơn hai thế kỷ Kết quả cho thấy, hàm lượng tổng số của Cd trong đất gấp đến 2,3 lần; Cu gấp 1,7 lần và Zn gấp 2,1 lần giới hạn tối đa cho phép Hàm lượng di động của các kim loại trong đất gấp từ 4,2 lần đến 10,5 lần so với giá trị giới hạn tối đa cho phép Trong phần ăn được của các loại rau củ tươi (cà rốt, củ cải, khoai tây), hàm lượng cadmi vượt đến 11 lần mức giới hạn tối đa cho phép Trong các loại rau lá xanh (rau diếp, rau mùi tây, thì là), hàm lượng các kim loại nặng cao hơn nhiều so với mức an toàn, đến 7 lần đối với Cd và 17 lần đối với Pb

Theo nhóm tác giả Riffat Naseem Malik, Syed Zahoor Husain và Ishfaq Nazir (2010) [123], trong thực vật, mức độ tích lũy kim loại trong rễ theo thứ tự:

Zn > Cr > Cu > Ni > Pb > Co và trong chồi lá theo thứ tự: Cu > Zn > Cr > Pb > Co

> Ni

Habib Mohammad Naser và các cộng sự (2011) [127] khi nghiên cứu về hàm lượng kim loại nặng trong các loại rau trồng trên đất bị ô nhiễm đã nhận thấy: hệ số chuyển của các kim loại nặng từ đất vào cây trồng (tỷ lệ giữa hàm lượng kim loại

nặng trong rau và trong đất) được xếp theo thứ tự: Cd > Ni > Pb > Cr > Co Hệ số chuyển cao nhất trong 5 kim loại nặng trên và 3 đối tượng cây trồng được nghiên cứu (rau bó xôi, rau dền đỏ và rau dền tía) là Cd trong rau bó xôi

Theo Zhenfei Liang và các cộng sự (2013) [110], nồng độ Cd trong thực vật tương quan với nồng độ Cd trong đất và sự hấp thụ của Cd từ đất lên cây trồng đạt mức cao nhất trên đất acid

Như vậy, khi canh tác trên môi trường đất ô nhiễm kim loại nặng sẽ dẫn đến

sự hấp thu và tích lũy kim loại nặng từ đất lên sinh khối thực vật Nhận định này đã được chứng minh bằng kết quả của các nghiên cứu được triển khai trong nước và trên thế giới trong thời gian qua Sử dụng nông sản có chứa các kim loại nặng tiềm

ẩn nguy cơ tổn hại sức khỏe của con người

Sinh vật cần các kim loại thiết yếu để duy trì sự sống; tuy nhiên, khi vượt quá nhu cầu của cơ thể thì kim loại nặng sẽ tích lũy sinh học và gây độc cho tế bào Các kim loại nặng độc khi tồn tại với hàm lượng nhỏ nhất vẫn sẽ gây hại cho cơ thể khi thâm nhập Do đó, sự cân bằng trong cơ thể và khả năng chịu đựng là rất quan trọng để duy trì sự sống nhằm giảm thiểu nhiễm độc cấp tính và mãn tính Kim loại nặng tương tác và làm biến đổi nội bào hoặc liên kết với nội bào hình thành những enzyme phân hủy protein, tăng sự tổng hợp các protein dị thường là những cơ chế gây độc thường gặp nhất của các kim loại nặng

Về đặc tính cơ bản, kim loại không thể phân hủy thành các hợp phần nhỏ hơn để gây độc, chúng thường gắn kết với các hợp chất hữu cơ Hệ thống enzyme trong cơ thể không có chức năng khử độc gây ra bởi kim loại nặng Những kim loại gây ung thư thường không liên kết với các enzyme Ngược lại, kim loại nặng không yêu cầu hoạt hóa sinh học mà phân tử hợp chất hữu cơ trải qua quá trình bổ sung vào hệ thống enzyme và tạo ra những biến đổi Độc tính của kim loại nặng chủ yếu

do chúng có thể sinh ra các gốc tự do, đó là các phần tử mất cân bằng năng lượng, chứa những điện tử không ghép đôi, chúng chiếm điện tử từ các phân tử khác để lặp

lại sự cân bằng của chúng Các gốc tự do tồn tại tự nhiên khi các phân tử của tế bào phản ứng với O2 (bị oxy hóa) nhưng khi có mặt các kim loại nặng – tác nhân cản trở quá trình oxy hóa – sẽ sinh ra các gốc tự do không kiểm soát được Các gốc tự do này phá hủy các mô trong cơ thể gây ra nhiều bệnh tật [87]

Khi sự ô nhiễm kim loại trở nên phổ biến, sự xuất hiện các kim loại nặng trong đất trồng trọt là một mối quan tâm lớn Hấp thụ bởi thực vật, các kim loại nặng có thể xâm nhập vào dây chuyền thực phẩm với hàm lượng đáng kể Do vậy, con người có thể có nguy cơ bất lợi cho sức khỏe khi tiêu thụ rau trồng trên đất có

chứa nồng độ kim loại cao

1.4.1 Tác động của đồng đối với sức khỏe con người

Đối với con người, đồng là nguyên tố vi lượng rất cần thiết; do đó, trong khẩu phần ăn hàng ngày không thể thiếu nguyên tố này Trong cơ thể, đồng có trong thành phần của một số protein, enzyme và tập trung chủ yếu ở gan Các hợp chất của đồng cần thiết đối với quá trình tổng hợp hemoglobin và phospholipid ình thường trong huyết thanh, nồng độ đồng khoảng từ 10,5 ÷ 15µg/100ml máu

Sự thiếu đồng gây nên bệnh thiểu năng giáp trạng, hội chứng thận hư, nhiễm mỡ, đặc biệt trong bệnh Wilson (thoái hóa nhân đậu) và bệnh Westphal (liệt chu kỳ gia truyền) Nếu dư sẽ gây ra một số bệnh như: ưu năng giáp trạng, bệnh Hodgkin, bạch cầu đa sinh mãn tính, hội chứng vàng da do tắc mật và một số bệnh nhiễm khuẩn [32] Nguyên nhân dẫn đến những chứng bệnh này là do sự rối loạn tổng hợp ceruloplasmin - một enzyme có chứa đồng đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển hoá sắt của cơ thể (95% đồng trong huyết thanh được ceruloplasmin vận chuyển) làm cho đồng ứ đọng lại trong các cơ quan giàu nhóm -SH như gan, não, giác mạc, … và cũng làm giảm nồng độ đồng trong máu

1.4.2 Tác động của chì đối với sức khỏe con người

Chì có khả năng gây độc cao do nó có khả năng tích lũy sinh học trong thực vật và động vật Theo Cơ quan bảo vệ môi sinh Hoa Kỳ (Environmetal Protection

Agency EPA), chì là kim loại nặng gây ô nhiễm phổ biến nhất trong cơ thể mặc dù

bị hấp thụ với lượng nhỏ

Các hợp chất của Pb quyết định tính độc của kim loại này Chì ở dạng hữu cơ

có thể độc hại hơn Pb vô cơ do cơ thể hấp thụ dạng hữu cơ dễ dàng hơn [149] Chì trong huyết tương liên kết với các protein hoặc tạo phức với các hợp chất sulfhydryl

có trọng lượng phân tử thấp (như cysteine, homocysteine) Các phối tử tạo phức với

Pb trong huyết thanh là các phân tử có trọng lượng phân tử thấp, bao gồm citrate, cysteamine, ergothioneine, glutathione, histidine và oxylate [164]

Chì là một nguyên tố không cần thiết cho cơ thể sinh vật, Pb có thể thâm nhập vào cơ thể con người thông qua thức ăn, nước uống, hít thở hoặc thông qua da nhưng chủ yếu lượng chì đi vào cơ thể con người là do ăn uống Khi thâm nhập vào

cơ thể, chì được tích tụ trong xương, ít gây độc cấp tính trừ liều lượng cao, nguy hiểm hơn là sự tích lũy lâu dài trong cơ thể ở liều lượng thấp nhưng với thời gian dài Triệu chứng thể hiện nhiễm độc chì là mệt mỏi, ăn không ngon, đau đầu, chì tác động trực tiếp lên hệ thần kinh trung ương và ngoại vi [122]

ên cạnh đó, chì tác động lên hệ thống enzyme, nhất là enzyme vận chuyển hydro Khi bị nhiễm độc, người bệnh có một số rối loạn cơ thể, trong đó chủ yếu là rối loạn bộ phận tạo huyết (tủy xương) Tùy theo mức độ nhiễm độc có thể gây ra những tai biến như đau bụng chì, đường viền đen urton ở lợi, đau khớp, viêm thận, cao huyết áp vĩnh viễn, liệt, tai biến não, nếu nặng có thể dẫn đến tử vong Tác động hóa sinh chủ yếu của chì là ảnh hưởng đến sự tổng hợp máu và phá vỡ hồng cầu Chì ức chế một số enzyme quan trọng của quá trình tổng hợp máu do tích đọng các hợp chất trung gian của quá trình trao đổi chất Chì kìm hãm việc sử dụng O2 và glucose để sản xuất năng lượng cho quá trình sống Sự kìm hãm này có thể nhận thấy khi nồng độ chì trong máu khoảng 0,3mg/L Khi nồng độ chì trong máu > 0,8mg/L có thể gây nên hiện tượng thiếu máu do thiếu hemoglobin Nếu hàm lượng chì trong máu trong khoảng 0,5 ÷ 0,8mg/L sẽ gây rối loạn chức năng của thận và phá hủy não [32]

Ngoài ra, Pb2+ đồng hình với Ca2+ nên có thể thay thế Ca2+ tạo phức trong xương (làm xương đen), nhưng nếu lượng Ca2+ cao lại đẩy Pb2+ ra và Pb2+ được tích lũy ở mô mềm Chì liên kết với nhóm -SH của protein hay thay thế các ion kim loại, trong đó ức chế men trong quá trình sinh hóa tổng hợp hemen nên cản trở quá trình tổng hợp hemoglobin cũng như các sắc tố hô hấp cần thiết khác trong máu Ngay cả

sự chuyển hóa tế bào, sự dẫn truyền xung thần kinh cũng như chức năng khử độc của gan cũng bị tác động do chì kìm hãm, ức chế một số enzyme phân giải ATP và một số enzyme dùng để oxy hóa ở mức tế bào Chì tích lũy trong mô tăng lên khi chế độ dinh dưỡng thiếu hụt sắt, calci và protein [83]

Một điều ít được biết đến là chì làm tăng huyết áp ở phụ nữ mang thai, nguy

cơ huyết áp tăng cao khi nồng độ chì trong máu tăng từ 1,5 - 2,0 mg/dL Chì tác động lên nhiều chức năng sinh lý, từ giảm tinh trùng ở nam giới đến tăng huyết áp ở phụ nữ Phương pháp nghiên cứu các ca sẩy thai sớm liên quan đến các tác nhân môi trường là dựa trên mức độ nhiễm chì của người mẹ Những đứa trẻ có hàm lượng chì cao trong máu hay bị tiêu chảy kéo dài Nghiên cứu cho thấy sự phát triển trí não của trẻ sơ sinh bị ảnh hưởng bởi nồng độ chì nhỏ cỡ 6 - 7mg/dL Chì cũng tác động đến chỉ số IQ Những đứa trẻ gặp khó khăn khi đọc, làm tính, viết, tập trung tư tưởng, … thường có chỉ số IQ thấp và hàm lượng chì bất thường [104]

1.4.3 Tác động của kẽm đối với sức khỏe con người

Đối với con người, kẽm là nguyên tố vi lượng và là thành phần của trên 70 enzyme trong cơ thể người Kẽm có vai trò quan trọng trong quá trình tổng hợp protein, trong cấu tạo và hoạt động của các màng sinh học cũng như sự hoạt động của các cơ quan cảm giác Trong cơ thể, Zn chiếm lượng đáng kể, là thành phần của enzyme cabal hydrazo - chất xúc tác của quá trình phân hủy carbamate hydro trong máu Kẽm là thành phần bắt buộc của men carbonic anhydrase – chất xúc tác của phản ứng [64] :

H2CO3 → CO2 + H2O

Do vậy, kẽm đóng vai trò quan trọng trong quá trình phóng thích khí carbonic tạo ra trong quá trình hô hấp Nếu thiếu kẽm, nồng độ acid carbonic tăng

có thể gây rối loạn các quá trình trao đổi chất Ngoài ra, kẽm cũng tham gia tích cực trong các quá trình ôxy hóa khử Kẽm là thành phần của các men alcohol dehydrogenase, glutamate dehydrogenase và tham gia trong quá trình chuyển hóa của các hợp chất chứa các nhóm -SH là những chất có ý nghĩa điều tiết thế năng ôxy hoá khử trong tế bào [54]

Kẽm là một trong những nguyên tố chủ yếu cần thiết cho sự phân chia tế bào

và sự phát triển của cả động vật lẫn thực vật Kẽm được coi là cần thiết cho con người và động vật nghĩa là nếu không có kẽm thường xuyên sẽ làm cho các chức năng giảm sút Kẽm đóng vai trò là chất cấu tạo và xúc tác trong nhiều enzyme liên quan đến quá trình đồng hóa năng lượng, trong việc chuyển đổi các chất Hiện tượng thiếu kẽm ở người và động vật gây ra chứng biếng ăn, kém phát triển, tổn thương về da và không phát triển giới tính [84]

Đối với động vật bậc cao, dạng Zn2+ được cơ thể hấp thu nhiều nhất Kẽm là thành phần của enzyme carboanhydrase - chất xúc tác quá trình phân hủy của hydrocacbonat ở trong máu - do đó đảm bảo tốc độ cần thiết của quá trình hô hấp và trao đổi khí Trong cơ thể người, kẽm chiếm 0,001% Zn có trong insulin - hoocmon có vai trò điều chỉnh lượng đường trong máu ên cạnh đó, Zn liên quan đến quá trình tổng hợp carbohydrate và protein Ngoài ra, Zn còn cần thiết cho việc tổng hợp tryptophan - chất đi đầu trong việc tổng hợp acid indobaceric [57]

Các muối hòa tan của kẽm đều độc Khi ngộ độc kẽm sẽ cảm thấy miệng có

vị kim loại, đau bụng, mạch chậm, co giật, … Khi tiếp xúc với các muối kẽm sẽ làm săn da và niêm mạc, gây ăn da, gây kích ứng đường tiêu hóa, gây nôn, Oxyt kẽm

có thể phong bế các tuyến bã nhờn và gây ra eczema sần, mụn mủ ở những người tiếp xúc với ZnO Clorua kẽm có tác dụng ăn da và có thể gây loét da Hơi kẽm tạo thành do ZnO làm biến chất các protein của tế bào phế quản và phế nang Các phức chất kẽm - protein đã bị biến chất tham gia vào vòng tuần hoàn và gây ra các triệu

chứng lâm sàng của cơn sốt thợ đúc [137] Cũng có tác giả cho rằng, các chất gây sốt được giải phóng trong tuần hoàn gây ra sốt hơn là do tác dụng của ZnO trên các bạch cầu đa nhân có mặt trong các mao mạch phổi [89]

Nhiều nghiên cứu lâm sàng cho thấy rằng, sự thiếu hụt hoặc dư thừa Zn là nguyên nhân của nhiều chứng bệnh Vì vậy, hàm lượng tối thiểu mà cơ thể con người phải có là 4,2 mg/ngày/người Hàm lượng kẽm trung bình trong một số mô của cơ thể người thay đổi từ 10 đến 200 µg/g, hai cơ quan chứa rất nhiều kẽm là tuyến tiền liệt và võng mạc (khoảng 1.000 g/g) Tổng lượng kẽm trong cơ thể được đánh giá là khoảng 2g [138]

Như vậy, tùy vào đặc điểm cấu tạo, các nguyên tố vi lượng, điển hình là đồng và kẽm, đóng vai trò quan trọng nhất định đối với quá trình sinh trưởng và phát triển của thực vật cũng như sức khỏe của con người; tuy nhiên, khi tồn tại với lượng lớn, chúng có thể gây độc Kim loại nặng độc, với đại diện là chì, không tham gia vào bất kỳ quá trình chuyển hóa nào đối với cả thực vật và động vật, gây độc ngay cả khi tồn tại với hàm lượng thấp

Một khía cạnh quan trọng của mỗi quy trình phân tích là việc xử lý mẫu trước khi phân tích ở cả hai giai đoạn: chuyển mẫu nghiên cứu về mẫu phân tích và chuyển mẫu phân tích về dạng mẫu đo Giai đoạn này đóng vai trò quan trọng, quyết định độ chính xác của phương pháp phân tích và là giai đoạn chiếm nhiều thời gian nhất trong tất cả các giai đoạn của một quy trình phân tích Hiện nay, với

sự ra đời của các thiết bị phân tích hiện đại có độ nhạy và độ chính xác cao, chất lượng của phép phân tích chủ yếu phụ thuộc vào kỹ thuật xử lý mẫu

Đa số các thiết bị phân tích hiện nay đều yêu cầu phải chuyển mẫu phân tích

ở dạng rắn (hoặc chứa chất rắn) về dạng dung dịch trước khi phân tích Trong phân tích định lượng thành phần, thông thường các mẫu có nguồn gốc hữu cơ phải được

vô cơ hóa hoàn toàn Quá trình này liên quan đến sự phân hủy và oxy hóa tất cả các hợp chất hữu cơ trong mẫu và chuyển chúng vào dạng các dẫn xuất vô cơ Quá trình

vô cơ hóa thường được thực hiện bằng hai kỹ thuật chủ yếu: vô cơ hóa khô và vô cơ hóa ướt

Kỹ thuật vô cơ hóa khô (tro hóa) là kỹ thuật xử lý mẫu trong lò nung ở một nhiệt độ thích hợp (400 ÷ 600oC) Sau khi nung, phần tro được hòa tan bằng dung môi thích hợp, chủ yếu là dung dịch nước có độ pH phù hợp để chuyển được các chất cần phân tích về dạng dung dịch Quá trình nung thường kéo dài từ 8 đến 10 giờ Kỹ thuật tro hóa khô thường được dùng cho các mẫu hữu cơ, xử lý để xác định các kim loại và các mẫu quặng vô cơ có cấu trúc bền vững khó tan trong các acid mạnh Việc tro hóa cũng có thể được bổ sung thêm chất phụ gia bảo vệ hay chất dễ nóng chảy nhằm hạn chế sự thất thoát chất cần xác định, góp phần làm cho mẫu được phân hủy nhanh và triệt để hơn Ưu điểm của kỹ thuật vô cơ hóa khô là không phải dùng nhiều acid đặc, xử lý được triệt để nhất là các mẫu nền hữu cơ

Kỹ thuật vô cơ hóa ướt sử dùng các loại dung dịch acid hoặc kiềm đặc và có tính oxy hoá mạnh để phân hủy mẫu trong điều kiện gia nhiệt liên tục Lượng acid hoặc kiềm cần dùng để phân hủy mẫu thường gấp 10 – 15 lần lượng mẫu Thời gian phân hủy mẫu trong các hệ hở như bình Kjeldahl, cốc, … thường kéo dài từ vài giờ đến hàng chục giờ tùy loại mẫu và bản chất của mẫu Xử lý trong hệ kín dưới tác dụng của vi sóng cho phép rút ngắn thời gian phân hủy mẫu đáng kể, chỉ cần 50 –

90 phút Kỹ thuật này thường được áp dụng để xác định các kim loại, một số phi kim, … trong các mẫu sinh học, mẫu hữu cơ, mẫu vô cơ, mẫu môi trường, mẫu đất, mẫu nước, mẫu kim loại, hợp kim, rau quả, thực phẩm, … Ưu điểm của kỹ thuật xử

lý mẫu này là hầu như không bị thất thoát các chất cần xác định, nhất là khi gia nhiệt trong hệ kín Tuy nhiên, thời gian phân hủy mẫu rất dài nếu xử lý trong điều kiện thường Ngoài ra, việc sử dụng một lượng lớn hóa chất (acid hoặc kiềm đặc, các chất oxy hóa khử, ) có thể gây nhiễm bẩn cho mẫu, đặc biệt trong phân tích xác định vi lượng và vết nguyên tố

Hiện nay, đa số các phòng thí nghiệm đều tiến hành xử lý mẫu theo một trong hai phương pháp trên Theo TCVN 8900-6:2012, mẫu thực phẩm được phân hủy trong bình Kjeldahl với hỗn hợp acid nitric 10% và acid sulfuric 94,5% đun

nóng cho đến khi dung dịch chỉ còn màu vàng nhạt, có thể thêm acid percloric đặc

và acid nitric đặc, đun nóng để tăng hiệu quả của quá trình phân hủy Quá trình này kéo dài trong nhiều giờ và yêu cầu một lượng lớn acid tinh khiết Theo AOAC 999.11, mẫu được phân hủy bằng kỹ thuật vô cơ hóa khô ở nhiệt độ 450oC cho đến khi tro hóa hoàn toàn, hòa tan tro trong dung dịch HCl 6N (1:1), đuổi dung dịch acid đến khi còn muối ẩm, hòa tan muối trong dung dịch HNO3 0,1N Quá trình này mặc dù không tiêu tốn nhiều acid nhưng thời gian kéo dài đến hơn 9 giờ Quy chuẩn

EN 14082:2003 cũng sử dụng kỹ thuật vô cơ hóa khô để xử lý mẫu thực phẩm Hạn chế về thời gian phân hủy mẫu được khắc phục với EN 14083:2003 và EN 14084:2003 khi mẫu được xử lý ở điều kiện gia nhiệt trong điều kiện áp suất cao và

sử dụng vi sóng Tuy nhiên, các giải pháp này đòi hỏi phải trang bị những thiết bị chuyên dụng có chi phí cao Do vậy, tối ưu hóa kỹ thuật xử lý mẫu trong điều kiện hiện có của phòng thí nghiệm vẫn là một nhiệm vụ quan trọng của hóa phân tích

Dựa trên đặc điểm của mỗi kỹ thuật, sự kết hợp hai kỹ thuật xử lý mẫu này cho phép hạn chế nhược điểm và phát huy ưu điểm của mỗi kỹ thuật xử lý mẫu Nguyên tắc của kỹ thuật này là xử lý ướt sơ bộ bằng một lượng nhỏ acid để phá vỡ

sơ bộ cấu trúc ban đầu của các hợp phần của mẫu và tạo điều kiện phòng ngừa sự bay hơi ở giai đoạn tiếp theo Sau đó tiến hành nung mẫu ở nhiệt độ thích hợp Quá trình nung được gia nhiệt dần từ nhiệt độ phòng lên nhiệt độ cần thiết Với kỹ thuật này, lượng acid dùng để xử lý thường chỉ bằng ¼ hay 1/5 lượng cần dùng cho xử lý ướt Thời gian nung sẽ nhanh hơn và quá trình xử lý sẽ triệt để hơn xử lý ướt, đồng thời lại hạn chế được sự mất mát của một số kim loại khi nung Do đó đã tận dụng được ưu điểm của cả hai kỹ thuật xử lý ướt và xử lý khô, nhất là giảm bớt được các hóa chất (acid hay kiềm có độ tinh khiết cao) khi xử lý ướt Việc hòa tan tro mẫu sẽ thu được dung dịch mẫu trong vì không còn chất hữu cơ và sạch hơn tro hóa ướt bình thường Với những ưu điểm này, dựa trên điều kiện phòng thí nghiệm và yêu cầu cần xử lý một lượng mẫu lớn, chúng tôi chọn kỹ thuật vô cơ hóa khô – ướt kết hợp để xử lý mẫu trước khi phân tích Nhằm nâng cao hiệu quả của giai đoạn này,

phần mềm Design Expert được sử dụng để hoạch định mô hình thực nghiệm tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất thu hồi và thời gian phân hủy mẫu

ĐỒNG, CHÌ VÀ KẼM TRONG MẪU THỰC VẬT HIỆN NAY

1.6.1 Trong nước

Hiện nay hầu hết các phòng thí nghiệm có chứng nhận VILAS đều dựa vào các phép thử TCVN hoặc AOAC để xác định các nguyên tố nói trên trong các mẫu thực vật

- TCVN 7766:2007: xác định hàm lượng Pb trong rau bằng GF-AAS với giới hạn phát hiện là 0,0002mg/kg

- TCVN 7766: 2007 (ISO 6633: 1984): xác định hàm lượng chì trong mẫu rau, quả bằng phương pháp đo phổ hấp thụ nguyên tử không ngọn lửa F-AAS

- TCVN 7811-1:2007: xác định hàm lượng Zn trong rau bằng phương pháp phân tích cực phổ với giới hạn phát hiện là 10-7

g/g

- TCVN 7811-3:2007: xác định hàm lượng Zn trong rau bằng phương pháp đo phổ dithizon với giới hạn phát hiện là 0,05mg/kg

- TCVN 8126: 2009: xác định hàm lượng chì, kẽm và đồng bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử sau khi đã phân hủy bằng vi sóng

- AOAC 999.11: xác định hàm lượng Cu, Pb, Zn bằng AAS với giới hạn phát hiện tương ứng là 0,04; 0,026; 0,01 mg/kg

1.6.2 Trên thế giới

Nghiên cứu xác định hàm lượng các nguyên tố vi lượng, đặc biệt là các kim loại nặng độc trong mẫu thực phẩm đã và đang được thực hiện với hầu hết các quốc gia trên thế giới Nhìn chung, các phương pháp hiện đang được sử dụng là các phương pháp hiện đại

Phương pháp AAS: xác định hàm lượng của Cu, Pb và Zn bằng F-AAS với

độ nhạy tương ứng là 10; 100 và 1ng/g, bằng GF-AAS với độ nhạy tương ứng là 0,1; 1; 0,01ng/g (EN 14082:2003, EN 14083:2003, EN 14084:2003, AOAC 999.11)

Phương pháp ICP-OES cho phép xác định hàm lượng Cu, Pb và Zn với độ nhạy tương ứng là 10; 100 và 10ng/g

Phương pháp ICP-AES (giới hạn phát hiện của Cu = 0,001 mg/kg, Pb = 0,020 mg/kg và Zn = 0,001 mg/kg)

Phương pháp ICP-MS cho phép xác định hàm lượng Cu, Pb và Zn với độ nhạy tương ứng là 0,01; 0,11 và 1ng/g

Ngoài ra, có thể xác định hàm lượng Cu bằng phương pháp so màu carbamate (phương pháp IUPAC) với độ nhạy 0,008mg/kg

Các kết quả trên chứng tỏ, cho đến nay, phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử vẫn chiếm ưu thế trong việc xác định hàm lượng các kim loại nặng, đặc biệt ở dạng vết trong các đối tượng mẫu khác nhau Chính vì vậy, để hoàn thành nội dung nghiên cứu đã đề ra, chúng tôi sử dụng phương pháp này với kỹ thuật nguyên tử hóa bằng ngọn lửa đèn khí trên máy AA-6800 để phân tích hàm lượng

Cu, Pb và Zn trong các mẫu rau sau khi thu hoạch từ mô hình thực nghiệm

Chương 2 ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP

NGHIÊN CỨU

2.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

2.1.1 Ion kim loại nặng

Các ion kim loại nặng được lựa chọn nghiên cứu gồm:

- Zn2+, Cu2+: hai trong số các nguyên tố vi lượng cần thiết cho sự sinh trưởng

và phát triển của cây trồng, thường được bổ sung trong quá trình canh tác

- Pb2+: ion kim loại nặng độc phổ biến trong môi trường bị ô nhiễm

Đất được gây ô nhiễm với các nguyên tố trên bằng cách sử dụng các muối Cu(NO3)2.3H2O (M = 241,60g/mol); Pb(NO3)2 (M = 331,21g/mol); Zn(NO3)2.6H2O (M = 297,49g/mol) với lượng cân phù hợp với mỗi nghiệm thức trong mô hình thực nghiệm

2.1.2 Đất

Theo bảng phân loại bản đồ đất của Việt Nam, các loại đất tại Đà Lạt được chia thành hai nhóm chính: nhóm đất feralit vàng đỏ phân bố ở độ cao 1.000 ÷ 1.500m và nhóm đất mùn vàng đỏ trên núi phân bố ở độ cao 1.000 ÷ 2.000m Theo thống kê, đất feralit vàng đỏ chiếm hơn 90% diện tích đất nông nghiệp của toàn thành phố nên loại đất này được chọn làm đại diện cho đất chuyên canh rau tại Đà Lạt để triển khai các nội dung nghiên cứu của luận án Đất được sử dụng để triển khai mô hình thực nghiệm được lấy ở tầng đất mặt (từ bề mặt đến độ sâu 20cm) trong vườn trồng rau trên địa bàn phường 8, thành phố Đà Lạt

2.1.3 Thực vật

Các loại thực vật được lựa chọn nghiên cứu bao gồm:

- Bó xôi:

ó xôi còn gọi là rau chân vịt, tên khoa học là Spinacia oleracea L., thuộc

họ Chenopodiaceae ó xôi là loại cây thảo, rất thích hợp với điều kiện khí hậu và thổ nhưỡng của Đà Lạt nên được canh tác với diện tích lớn trên địa bàn thành phố