Đánh giá sự lưu tồn và phân lập vi khuẩn có khả năng phân hủy chlorpyrifos ethyl trên ba mô hình canh tác chuyên lúa, lúa màu và chuyên màu ở đồng bằng sông cửu long

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ TRƯƠNG QUỐC TẤT ĐÁNH GIÁ SỰ LƯU TỒN VÀ PHÂN LẬP VI KHUẨN CÓ KHẢ NĂNG PHÂN HỦY CHLORPYRIFOS ETHYL TRÊN BA MÔ HÌNH CANH TÁC: CHUYÊN LÚA, L

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

TRƯƠNG QUỐC TẤT

ĐÁNH GIÁ SỰ LƯU TỒN VÀ PHÂN LẬP VI KHUẨN

CÓ KHẢ NĂNG PHÂN HỦY CHLORPYRIFOS ETHYL

TRÊN BA MÔ HÌNH CANH TÁC:

CHUYÊN LÚA, LÚA - MÀU VÀ CHUYÊN MÀU

Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH: KHOA HỌC ĐẤT

2018

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

TRƯƠNG QUỐC TẤT

ĐÁNH GIÁ SỰ LƯU TỒN VÀ PHÂN LẬP VI KHUẨN

CÓ KHẢ NĂNG PHÂN HỦY CHLORPYRIFOS ETHYL

TRÊN BA MÔ HÌNH CANH TÁC:

CHUYÊN LÚA, LÚA - MÀU VÀ CHUYÊN MÀU

Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH: KHOA HỌC ĐẤT

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Ts DƯƠNG MINH VIỄN

2018

i

TÓM TẮT

Chlorpyrifos ethyl là thuốc trừ sâu nhóm lân hữu cơ, khả năng hấp phụ vào đất cao, tan trong nước thấp, có độc tính cao Chlorpyrifos ethyl được sử dụng lâu dài trong canh tác nông nghiệp sẽ gây ô nhiễm môi trường đất, nước, ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng Sự tăng cường phân hủy sinh học chlorpyrifos ethyl lưu tồn trong đất góp phần giảm thiểu ô nhiễm hoạt chất này trong canh tác nông nghiệp Do đó, luận án này được thực hiện với các mục tiêu: một là đánh giá dư lượng chlorpyrifos ethyl trong đất và ảnh hưởng của 3

mô hình canh tác chuyên lúa, lúa – màu, chuyên màu đến sự lưu tồn chlorpyrifos ethyl trong đất phèn và đất phù sa; hai là đánh giá sự phân hủy yếm khí chlorpyrifos ethyl bởi quần xã vi khuẩn, sự đa dạng của vi khuẩn khử -Cl trong đất phèn chuyên canh lúa; ba là tuyển chọn, phân lập vi khuẩn phân hủy chlorpyrifos ethyl và đánh giá ảnh hưởng của 3 mô hình canh tác chuyên lúa, lúa - màu và chuyên màu đến sự đa dạng của vi khuẩn hiếu khí phân hủy chlorpyrifos ethyl trong đất

Đánh giá dư lượng chlorpyrifos ethyl trong đất phèn và đất phù sa được thực hiện qua thu mẫu đất ở độ sâu 0 - 20 cm, vào thời điểm sau khi thu hoạch, trên 3 mô hình canh tác chuyên lúa, lúa - màu và chuyên màu tại tỉnh Hậu Giang, Vĩnh Long và Tiền Giang Kết quả nghiên cứu cho thấy dư lượng chlorpyrifos ethyl cao nhất trong đất phù sa trên mô hình lúa - màu ở vụ màu với 291 ppb và dư lượng chlorpyrifos ethyl thấp nhất trong đất phù sa chuyên lúa với 3,51 ppb

Đánh giá ảnh hưởng của mô hình canh tác lên sự lưu tồn chlorpyrifos ethyl trong đất, các thí nghiệm được thực hiện trong điều kiện nhà lưới và điều kiện đồng ruộng Trong điều kiện nhà lưới, thí nghiệm được thực hiện trên đất phù sa được thu từ mô hình chuyên lúa để đánh giá ảnh hưởng của sự thay đổi

mô hình canh tác đến sự lưu tồn chlorpyrifos ethyl trong đất Ở điều kiện đồng ruộng, thí nghiệm được thực hiện nhằm đánh giá sự thay đổi và không thay đổi mô hình canh tác ảnh hưởng như thế nào đến sự lưu tồn chlorpyrifos ethyl trong đất Hàm lượng chlorpyrifos ethyl được phun theo khuyến cáo và dư lượng chlorpyrifos ethyl trong đất được xác định vào 4 thời điểm sau phun chlorpyrifos ethyl Đánh giá dư lượng chlorpyrifos ethyl trong đất ở điều kiện đồng ruộng đã cho thấy ở mô hình canh tác thích hợp, sự phân hủy chlorpyrifos ethyl cao hơn ở đất phù sa và cao nhất trong mô hình lúa-màu Khi thay đổi mô hình canh tác, dư lượng chlorpyrifos ethyl trong đất bị ảnh hưởng bởi mô hình canh tác Trong đất, dư lượng chlorpyrifos ethyl cao nhất trong mô hình chuyên lúa và thấp nhất trong mô hình một vụ lúa, hai vụ màu Bên cạnh đó, kết quả thí nghiệm trong nhà lưới cũng cho thấy mô hình canh tác cũng ảnh hưởng đến tốc độ phân hủy chlorpyrifos ethyl trong đất

Bốn mẫu đất được lấy từ ruộng lúa ở tỉnh Hậu Giang và Tiền Giang đã được sử dụng để đánh giá sự phân hủy chlorpyrifos ethyl bởi các quần xã vi khuẩn kị khí Thí nghiệm được thiết lập trong lọ thủy tinh 50 ml có chứa môi trường khoáng tối thiểu (30 mL), đất (10 g) và chlorpyrifos ethyl (35 ppm) Phân tích chlorpyrifos ethyl trong suốt thời gian nuôi ủ cho thấy 4 quần xã vi

ii

khuẩn từ 4 mẫu đất đều có khả năng phân hủy gần như cạn kiệt chlorpyrifos ethyl Tốc độ phân hủy chlorpyrifos ethyl đã tăng gấp đôi sau khi mật độ vi khuẩn được nhân lên trong quá trình ủ Tốc độ phân hủy chlorpyrifos ethyl trong thời gian 4 tháng nuôi ủ của hai quần xã vi khuẩn từ đất phù sa cao hơn

so với hai quần xã vi khuẩn từ đất phèn Tất cả bốn quần xã vi khuẩn đã phân hủy chlorpyrifos ethyl bằng cách khử -Cl trong hô hấp kị khí Điều này cho thấy rằng các vi khuẩn trong nhóm Chloroflexi đã có mặt trong các mẫu đất Năm mươi ba mẫu đất từ 3 mô hình canh tác: chuyên lúa, lúa - màu và chuyên màu được dùng để phân lập vi khuẩn hiếu khí phân hủy chlorpyrifos ethyl Trong đó, 38 mẫu đất được thu ở điều kiện đồng ruộng và 15 mẫu đất được thu ở điều kiện nhà lưới TSA và môi trường khoáng tối thiểu có bổ sung chlorpyrifos ethyl như là nguồn carbon duy nhất được sử dụng để nuôi cấy, tuyển chọn và phân lập vi khuẩn Kết quả nghiên cứu đã chọn được 7 quần xã

vi khuẩn có khả năng phân huỷ chlorpyrifos Trong số đó có 4 quần xã vi khuẩn đã được tuyển chọn từ 4 mẫu đất trên đồng ruộng và 3 quần xã vi khuẩn được chọn từ 3 mẫu đất ở điều kiện nhà lưới Ngoài ra, nghiên cứu này còn phân lập và định danh được 4 dòng vi khuẩn có khả năng phân hủy chlorpyrifos ethyl

Tóm lại, nghiên cứu này đã cho thấy rằng có dư lượng chlorpyrifos ethyl trong đất nông nghiệp và sự hiện diện của vi khuẩn hiếu khí, kỵ khí có khả năng phân hủy chlorpyrifos ethyl trong đất canh tác nông nghiệp ở ĐBSCL Mặt khác, nghiên cứu còn cho thấy mô hình canh tác đã ảnh hưởng đến sự lưu tồn của chlorpyrifos ethyl trong đất và cấu trúc của quần xã vi khuẩn có khả năng phân hủy chlorpyrifos ethyl Tuy nhiên, cần có những nghiên cứu thêm

về khả năng phân hủy chlorpyrifos ethyl của các quần xã và dòng vi khuẩn trong đất ở điều kiện nhà lưới và điều kiện đồng ruộng để có thể ứng dụng chúng vào quá trình xử lí ô nhiễm chlorpyrifos ethyl trong đất canh tác nông nghiệp

Từ khóa: đất phèn, đất phù sa, lưu tồn, mô hình canh tác, phân lập, vi khuẩn phân hủy chlorpyrifos ethyl

iii

SUMMARY

Chlorpyrifos (o,o-diethyl-o-(3,5,6-trichloro-2-pyridyl) phosphorothioate)

is a organophosphate insecticide, which is less soluble in water and can be highly adsorbed in the soil Chlorpyrifos is highly toxic; therefore, long term use of chlorpyrifos in agriculture can result in soil and water pollution and affect severely public health Increased biodegradation of chlorpyrifos in soil can help alleviating chlorpyrifos-induced pollution in cultivation This thesis is firstly aimed to evaluate chlorpyrifos-residue in the soil and also examine effects of three cropping models, including paddy rice, rice-cash crops and cash crops to the accumulation of chlorpyrifos in alluvial soil and acid sulfate soil Secondly, the thesis also assesses the anaerobic digestion of chlorpyrifos

by bacteria community, the diversity of chlorpyrifos-degrading bacteriaat sulfate soil in paddy rice Thirdly, isolation of chlorpyrifos- aerobic degrading bacteria and assessment of effects of the three cropping models to the diversity

of chlorpyrifos- aerobic degrading bacteria in the soil is also examined in the thesis

Evaluating the residues of chlorpyrifos in alluvial soil and acid sulfate soil was done by soil sampling at harvest time and depths 0 - 20 cm from fields of paddy rice, rice-cash crops and cash crops in Vinh Long, Tien Giang and Hau Giang provinces The result showed that chlorpyrifos still remained

in soils after crop harvest with highest at alluvial soil in rice-cash crops (291 ppb) and lowest in paddy rice (3.51 ppb)

To evaluate effects of cropping models to the residues of chlorpyrifos in soil, experiments were established in the field and greenhouse In the greenhouse, alluvial soil collected from paddy rice was used to evaluate changes of cropping models, which affected the chlorpyrifos residue in soil

In the field, experiments were to evaluate whether changes and no changes in cropping models affected the chlorpyrifos residues in soil Chlorpyrifos was sprayed at the recommended concentration and chlorpyrifos residues in soil were measured at 4 time points after chlorpyrifos application Evaluating the residues of chlorpyrifos in soil from the field showed that in consistent cropping models, the decomposition of chlorpyrifos was higher at alluvial soil and highest in rice - cash crops When changing cropping models, the residues

of chlorpyrifos in soil were affected by the cropping systems In soil, chlorpyrifos residues remained highest in the paddy rice only model and lowest in one rice - two cash crops models Besides, the results of experiments

in the greenhouse showed that farming and cropping models also affected the decomposition rate of chlorpyrifos

Four soil samples collected from paddy rice fields in Hau Giang and Tien Giang provinces were used to evaluate the degradation of chlorpyrifos by anaerobic bacterial communities The experiment was set up in 50-ml-microcosms containing minimal mineral salt medium (30 mL), soils (10 g) and chlorpyrifos (35 ppm) Analysis of chlorpyrifos during incubation time showed that 4 bacteria communities from 4 soil samples are all able to

iv

anaerobically degrade chlorpyrifos The rate of chlorpyrifos was doubled after the bacterial density was multiplied during the incubation The percentage of chlorpyrifos degradation within 4 month-incubation of two bacteria communities from alluvial soil was higher than from the two bacteria communities from acid soil All of the four bacteria communities degraded chlorpyrifos by reducing Choride in an anaerobic manner Therefore, it is suggested that the Chloroflexi bacterial phylum was present in soil samples Fifty-three soil samples were taken from the three cropping systems includes paddy rice, rice-cash crops and cash crops They were used to isolate chlorpyrifos-degrading bacteria There were 38 soil samples collected from the field and 15 soil samples collected from the greenhouse condition TSA medium and minimal mineral salt medium added with chlorpyrifos as a sole carbon source were used to culture, select and isolate the bacteria There were

7 chlorpyrifos degradable-bacterial communities were selected Among them,

4 bacterial communities were selected from 4 soil samples in field and 3 bacterial communities were selected from 3 soil samples in the greenhouse In addition, this study isolated, identified 4 chlorpyrifos-degrading bacterial strains

In summary, this study showed that there were chlorpyrifos residues in agricultural soil, and there were aerobic and anaerobic chlorpyrifos-degrading bacteria in agricultural soil from the Mekong Delta On the other hand, this study also demonstrated that the cropping systems affected the accumulation

of chlorpyrifos in the soil and also the composition of communities of the chlorpyrifos-degrading bacteria However, further research on capability of these bacteria to degrade chlorpyrifos in agriculture soil from the field and the greenhouse conditions should be carried out to apply these findings to the treatment chlorpyrifos contaimination in agricultural soil

Keywords: acid sulfate soil, alluvial soil, Chlorpyrifos-degrading bacteria, cropping, isolate, residue

v

LỜI CẢM TẠ

Xin chân thành biết ơn Thầy hướng dẫn khoa học:

Đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn các nội dung, phương pháp và kế hoạch triển khai thành công các thí nghiệm;

Luận án này không thể hoàn thành nếu không có sự giúp đỡ, hướng dẫn khoa học và động viên của Thầy

Xin chân thành cảm ơn:

- Ban giám hiệu Trường Đại học Cần Thơ;

- Ban Chủ nhiệm Khoa Nông nghiệp và Sinh học Ứng dụng;

- Ban Chủ nhiệm Khoa Sau Đại học

- Các Phòng Ban chức năng khác của Trường Đại học Cần Thơ;

Đã tạo điều kiện tốt cho công tác đào tạo nghiên cứu sinh

- Ban chủ nhiệm Bộ môn Khoa học đất, đã tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành các nội dung học tập và luận án Các cán bộ và nhóm nghiên cứu

đã hỗ trợ tích cực trong việc thực hiện các thí nghiệm

- Xin cảm ơn sự tài trợ kinh phí để thực hiện nghiên cứu từ dự án RIP của Bộ môn Khoa học Đất- Khoa Nông nghiệp và Sinh học Ứng dụng- Trường Đại học Cần Thơ hợp tác với Đại học Leuven-Bỉ

- Sau cùng, xin ghi nhớ sự chia sẽ và động viên của gia đình đã góp phần không nhỏ vào sự thành công của luận án

vi

vii

MỤC LỤC

Trang

TÓM TẮT i

LỜI CẢM TẠ v

LỜI CAM ĐOAN vi

MỤC LỤC vii

DANH SÁCH BẢNG xi

DANH SÁCH HÌNH xiii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xvii

Chương 1 GIỚI THIỆU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 2

1.3 Nội dung nghiên cứu 3

1.4 Ý nghĩa của luận án 3

1.5 Những điểm mới của luận án 4

Chương 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 5

2.1 Tổng quan về thuốc BVTV và tình hình sử dụng thuốc BVTV hiện nay 5

2.1.1 Tổng quan về thuốc BVTV 5

2.1.2 Tình hình sử dụng và nguy cơ ô nhiễm thuốc BVTV trên thế giới và ở Việt Nam 10

2.1.3 Phân hủy sinh học và phục hồi đất ô nhiễm thuốc BVTV bằng biện pháp sinh học 15

2.1.4 Tổng quan về chlorpyrifos ethyl 20

2.2 Tổng quan về ĐBSCL 26

2.2.1 Vị trí địa lí và điều kiện tự nhiên 26

2.2.2 Phân bố và đặc tính các nhóm đất chính 27

Chương 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 33

3.1 Phương tiện nghiên cứu 34

3.1.1 Thời gian và địa điểm tiến hành thí nghiệm 34

viii

3.1.2 Dụng cụ và thiết bị thí nghiệm 34 3.1.3 Hóa chất 35 3.2 Phương pháp nghiên cứu của từng nội dung 36 3.2.1 Nội dung 1: Đánh giá dư lượng chlorpyrifos ethyl trong đất phèn chuyên lúa, chuyên mía và trong đất phù sa chuyên lúa, lúa - màu và chuyên màu tại một số địa điểm ở Đồng bằng Sông Cửu Long 36 3.2.2 Nội dung 2: Đánh giá ảnh hưởng của loại đất (đất phèn và đất phù sa) lên

sự lưu tồn chlorpyrifos ethyl trong đất phèn chuyên lúa, chuyên mía và đất phù

sa chuyên lúa, lúa - màu và chuyên màu ở điều kiện đồng ruộng và điều kiện nhà lưới 36 3.2.3 Nội dung 3: Đánh giá khả năng phân hủy yếm khí chlorpyrifos ethyl bởi

vi khuẩn trong đất phèn và đất phù sa chuyên lúa ở Hậu Giang và Tiền Giang 42 3.2.4 Nội dung 4: Tuyển chọn, phân lập vi khuẩn hiếu khí phân hủy chlorpyrifos ethyl từ đất phèn và đất phù sa chuyên lúa, lúa - màu và chuyên màu 50 3.2.5 Nội dung 5: Đánh giá hoạt động phân hủy chlorpyrifos ethyl của dòng vi khuẩn ký hiệu PH_C4.3 trong môi trường khoáng tối thiểu và trong môi trường đất 57 3.2.6 Phương pháp phân tích và xử lí số liệu 59

Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 70

4.1 Nội dung 1: Kết quả đánh giá dư lượng chlorpyrifos ethyl trong đất phèn chuyên lúa, chuyên mía và đất phù sa chuyên lúa, lúa - màu và chuyên màu ở Đồng bằng sông Cửu Long 60 4.1.1 Đặc tính của đất thí nghiệm 60 4.1.2 Kết quả đánh giá dư lượng chlorpyrifos ethyl trong đất 62 4.2 Nội dung 2: Đánh giá sự lưu tồn chlorpyrifos ethyl trong đất phèn, đất phù

sa và ảnh hưởng của 3 mô hình canh tác chuyên lúa, lúa - màu và chuyên màu đến sự lưu tồn chlorpyrifos ethyl trong đất ở điều kiện đồng ruộng và điều kiện

nhà lưới 64 4.2.1 Đánh giá sự lưu tồn chlorpyrifos ethyl trong đất phù sa trên 3 mô hình canh tác chuyên lúa, lúa - màu và chuyên màu trong điều kiện nhà lưới 64

ix

4.2.2 Đánh giá ảnh hưởng của 3 mô hình canh tác chuyên lúa, 2 lúa - 1 màu, 1 lúa - 2 màu lên sự lưu tồn chlorpyrifos ethyl trong đất phù sa ở Long Khánh, Cai Lậy, Tiền Giang 67 4.2.3 Đánh giá sự lưu tồn chlorpyrifos ethyl trong đất phèn, đất phù sa trên 3

mô hình canh tác chuyên lúa, lúa - màu và chuyên màu 70 4.3 Nội dung 3: Đánh giá khả năng phân hủy yếm khí chlorpyrifos ethyl của quần xã vi khuẩn trong đất phèn, đất phù sa chuyên lúa ở Hậu Giang và Tiền Giang 74 4.3.1 Kết quả đánh giá khả năng phân hủy yếm khí chlorpyrifos ethyl của 4 quần xã vi khuẩn trong dung dịch đất 74 4.3.2 Sự hình thành các sản phẩm trung gian trong quá trình chuyển hóa chlorpyrifos ethyl khi bị phân hủy bởi quần xã vi khuẩn kỵ khí 78 4.3.3 Đa dạng vi khuẩn phân hủy yếm khí chlorpyrifos ethyl trong đất 80 4.4 Nội dung 4: Phân lập vi khuẩn hiếu khí bản địa phân hủy chlorpyrifos ethyl từ đất phèn và đất phù sa ở điều kiện đồng ruộng và đất phù sa ở điều kiện nhà lưới trên 3 mô hình canh tác: chuyên lúa, lúa - màu và chuyên màu ở Đồng bằng sông Cửu Long 84 4.4.1 Kết quả phân lập vi khuẩn hiếu khí bản địa có khả năng phân hủy chlorpyrifos ethyl trong đất phèn và đất phù sa chuyên canh lúa 84 4.4.2 Kết quả phân lập vi khuẩn hiếu khí bản địa có khả năng phân hủy chlorpyrifos ethyl trong đất phèn và đất phù sa chuyên màu 88 4.4.3 Kết quả phân lập vi khuẩn hiếu khí bản địa phân hủy chlorpyrifos ethyl

từ đất phù sa luân canh lúa - màu 91 4.4.4 Kết quả làm giàu mật số và tuyển chọn các quần xã vi khuẩn phân hủy chlorpyrifos ethyl trong môi trường khoáng tối thiểu từ đất phù sa của mô hình chuyên lúa, 2 lúa - 1 màu và chuyên màu trong điều kiện nhà lưới 93 4.4.5 Một số đặc tính sinh thái của các dòng vi khuẩn có khả năng phân hủy chlorpyrifos ethyl 97 4.4.6 Kết quả điện di sản phẩm PCR của 4 dòng vi khuẩn phân hủy chlorpyrifos ethyl và định danh chúng dựa vào trình tự gene 16S-rRNA 98 4.4.7 Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến gia tăng mật số của các dòng

vi khuẩn 101

x

4.5 Nội dung 5: Đánh giá hoạt động phân hủy chlorpyrifos ethyl của dòng vi

khuẩn Barrientosimonas humi C4.3 trong môi trường khoáng tối thiểu và

trong môi trường đất 104

4.5.1 Khả năng phân hủy chlorpyrifos ethyl của dòng vi khuẩn Barrientosimonas humi C4.3 trong dung dịch khoáng tối thiểu 104

4.5.2 Khả năng phân hủy chlorpyrifos ethyl của dòng vi khuẩn Barrientosimonas humi C4.3 và tổ hợp 4 dòng vi khuẩn trong môi trường đất 106

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 108

5.1 Kết luận 108

5.2 Kiến nghị 108

TÀI LIỆU THAM KHẢO 110 PHỤ LỤC

xi

DANH SÁCH BẢNG

Trang Bảng 2.1: Các cấp độ phân loại độ độc của một chất theo WHO 6 Bảng 2.2: Các cấp độ phân loại độ độc của thuốc BVTV ở Việt Nam 6 Bảng 2.3: Khả năng hấp phụ vào đất và trầm tích của hoạt chất BVTV dựa

chlorpyrifos ethyl của dòng vi khuẩn ký hiệu PH_C4.3 57

Bảng 3.5: Thành phần các nghiệm thức khảo sát sự phân hủy chlorpyrifos

ethyl của dòng vi khuẩn PH_C4.3 và tổ hợp 4 dòng vi khuẩn trong môi trường đất 59

Bảng 4.1: Tính chất của đất phèn ở huyện Phụng Hiệp tỉnh Hậu Giang 60 Bảng 4.2: Tính chất của đất phù sa ở huyện Bình Minh và Bình Tân, tỉnh

Vĩnh Long 61

Bảng 4.3: Một số đặc tính hóa học của đất thí nghiệm ở huyện Cai Lậy, tỉnh Tiền Giang 67 Bảng 4.4: Tính chất của đất phù sa ở huyện Chợ Mới, tỉnh An Giang 85 Bảng 4.5: Đặc điểm hình thái và đặc tính sinh hóa của các dòng vi khuẩn 98 Bảng 4.6: Định danh các dòng vi khuẩn thể hiện sự phân hủy chlorpyrifos

ethyl theo độ tương đồng của đoạn gene 16S rRNA 100

Bảng 4.7: Các yếu tố môi trường tối ưu cho sự tăng trưởng của các dòng

vi khuẩn 104

xii

DANH SÁCH HÌNH

Trang Hình 2.1: Con đường di chuyển của thuốc BVTV trong môi trường 8

Hình 2.2: Chi phí của các nhóm thuốc BVTV trên toàn thế giới năm 2010 11

Hình 2.3: Thị trường tiêu thụ thuốc BVTV trên toàn thế giới năm 2010 11

Hình 2.4: Tình hình nhập khẩu thuốc BVTV ở Việt Nam 13

Hình 2.5: Cấu trúc của chlorpyrifos ethyl 20

Hình 2.6: Con đường chuyển hóa của chlorpyrifos ethyl 25

Hình 2.7: Bản đồ phân bố các loại đất ở ĐBSCL 28

Hình 3.1: Sơ đồ nội dung tổng quát của luận án 33

Hình 3.2: Sơ đồ bố trí thí nghiệm nhà lưới 38

Hình 3.3: Các túi lưới chứa đất đã trộn chlorpyrifos ethyl và cho vào đất 39

Hình 3.4: Thí nghiệm ở Cai Lậy - Tiền Giang 40

Hình 3.5: Địa điểm và số ruộng khảo sát lưu tồn chlorpyrifos ethyl 41

Hình 3.6: Sơ đồ bố trí thí nghiệm khảo sát khả năng phân hủy yếm khí chlorpyrifos ethyl bởi quần xã vi khuẩn 45

Hình 3.7: Bố trí thí nghiệm yếm khí: (a) Các lọ ủ được trữ để lấy chỉ tiêu theo thời gian, (b) Mẫu được ủ trong lọ pi 50 mL, (c) Lấy chỉ tiêu hóa học và sinh học, (d) Dung dịch yếm khí có màu xanh hoặc xanh tím 47

Hình 3.8: Sắc ký đồ của đường nền (mẫu trắng) 48

Hình 3.9: Sắc ký đồ của chất chuẩn 48

Hình 3.10: Sơ đồ số lượng mẫu đất phân lập vi khuẩn hiếu khí theo mô hình 51

Hình 4.1: Dư lượng chlorpyryfos ethyl trong đất phèn và đất phù sa ở 3 địa điểm thu mẫu 62

Hình 4.2: Dư lượng chlorpyryfos ethyl trong đất phèn và đất phù sa trên các mô hình canh tác 63

Hình 4.3: Lưu tồn của chlorpyrifos ethyl trong đất phù sa trên các mô hình canh tác trong điều kiện nhà lưới (2014) 66

Hình 4.4: Lưu tồn chlorpyrifos ethyl trong đất phù sa trên các mô hình canh tác ở Long Khánh - Cai Lậy - Tiền Giang (vụ Đông Xuân 2013) 69

Hình 2.2 Lấy chỉ tiêu sinh học, hóa học

xiii

Hình 4.5: Lưu tồn của chlorpyrifos ethyl trong đất phù sa ở mô hình 1 lúa - 2

màu (đậu xanh) tại Long Khánh, Cai Lậy, Tiền Giang (vụ Hè Thu 2013) 70

Hình 4.6: Tốc độ suy giảm của chlorpyrifos ethyl trong 3 mô hình canh tác tại

Bình Tân, Vĩnh Long (vụ Đông Xuân 2013) 71

Hình 4.7: Tốc độ mất đi của chlorpyrifos ethyl trong đất phèn ở mô hình

chuyên lúa và chuyên mía (vụ Đông Xuân 2013) (n = 4, Sai số chuẩn) 73

Hình 4.8: Khả năng phân hủy chlopyrifos ethyl của quần xã vi khuẩn

Hình 4.12: Sơ đồ chuyển hóa của chlorpyrifos ethyl trong nghiệm thức

bổ sung acid hữu cơ 78

Hình 4.13: Sắc ký đồ sản phẩm trung gian trong quá trình phân hủy yếm khí

chlorpyrifos ethyl khi scan trên GCMS 78

Hình 4.14: Điện di đồ sản phẩm PCR của nhóm vi khuẩn Chloroflexi trong

các nghiệm thức mẫu đất PH01 với cặp mồi 338F/1101R 81

Hình 4.15: Điện di đồ sản phẩm PCR của nhóm vi khuẩn Chloroflexi trong

các nghiệm thức mẫu đất PH01 với cặp mồi 341F-GC/534R 81

Hình 4.16: Điện di đồ sản phẩm PCR (DGGE) của các nghiệm thức

mẫu đất PH01 83

Hình 4.17: Độ tương đồng của các vi khuẩn nhóm Chloroflexi trong mẫu đất

PH01 84

Hình 4.18: Sự phát triển của một số quần xã vi khuẩn được làm giàu mật số

với chlorpyrifos ethyl 86

Hình 4.19: Phần trăm phân hủy chlorpyrifos ethyl của quần xã vi khuẩn trong

môi trường khoáng tối thiểu sau 30 ngày nuôi cấy (n=3) 86

Hình 4.20: Sự phát triển của 2 dòng vi khuẩn ký hiệu PH_C3.1 và PH_C4.3

trong môi trường khoáng tối thiểu chứa chlorpyrifos ethyl nồng độ 20 ppm 87

xiv

Hình 4.21: Phần trăm phân hủy chlorpyrifos ethyl của 2 dòng vi khuẩn trong

môi trường khoáng tối thiểu sau 30 ngày nuôi cấy (n=4) 88

Hình 4.22: Phần trăm phân hủy chlorpyrifos ethyl của quần xã vi khuẩn trong môi trường khoáng tối thiểu sau 30 ngày nuôi cấy (n=4) 89

Hình 4.23: Phần trăm phân hủy chlorpyrifos ethyl của dòng vi khuẩn ký hiệu BM_C9.2 trong môi trường khoáng tối thiểu sau 30 ngày nuôi cấy (n=4) 90

Hình 4.24: Phần trăm phân hủy chlorpyrifos ethyl của quần xã vi khuẩn trong môi trường khoáng tối thiểu sau 30 ngày nuôi cấy (n=4) 91

Hình 4.25: Phần trăm phân hủy chlorpyrifos ethyl của dòng vi khuẩn ký hiệu BT_C8.9 trong môi trường khoáng tối thiểu sau 30 ngày nuôi cấy (n=4) 92

Hình 4.26: Phần trăm phân hủy chlorpyrifos ethyl của các quần xã vi khuẩn trong môi trường khoáng tối thiểu sau 30 ngày nuôi cấy (n = 3, Sai số chuẩn) 94

Hình 4.27: Điện di đồ sản phẩm PCR-DGGE (a) và độ tương đồng (b) của 7 quần xã vi khuẩn có khả năng phân hủy chlorpyrifos ethyl 96

Hình 4.28: Hình thái khuẩn lạc của 4 dòng vi khuẩn 97

Hình 4.29: Hình nhuộm Gram của các dòng VK, chụp dưới KHV (X1000) 97

Hình 4.30: Phổ điện di sản phẩm PCR của 4 dòng VK 98

Hình 4.31: Ảnh hưởng của nguồn carbon đến sự gia tăng mật số vi khuẩn 101

Hình 4.32: Ảnh hưởng của pH đến mật số của 4 dòng vi khuẩn 102

Hình 4.33: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến mật số của 4 dòng vi khuẩn 103

Hình 4.34: Mật số vi khuẩn trong môi trường nuôi cấy có và không có bổ sung TSB 105

Hình 4.35: Khả năng phân hủy chlorpyrifos ethyl của dòng vi khuẩn Barrientosimonas humi C4.3 theo thời gian 106

Hình 4.36: Khả năng phân hủy chlorpyrifos ethyl của dòng vi khuẩn Barrientosimonas humi C4.3 và nhóm vi khuẩn (n=3, sai số chuẩn) 107

xv

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

ADI acceptable daily intake (lượng chất độc không gây hại cơ thể

người được chấp nhận)

CEC cation exchange capacity (khả nă ng trao đổ i cation)

CFU colony-forming unit (đơ n vị hình thành khuẩ n lạ c)

CTAB Cetyltrimethylammonium bromide

ĐBSCL Đồng bằng sông Cửu Long

DCM Dichloromethane

DGGE Denaturing Gradient Gel Electrophoresis

DNA Deoxyribonucleic acid

FAO Food and Agriculture Organization (tổ chức lương thực và

nông nghiệp) GC/MS Gas Chromatography Mass Spectrometry (sắc kí khí khối phổ)

HPLC High Perfomance Liquid Chromatography (sắc kí lỏng cao áp)

Kd Distribution coefficient (hệ số phân phố i)

KHV Kính hiển vi

Koc organic carbon adsorption coefficient (chỉ số hấp phụ độc chất

hữu cơ trong đất) LD50 Lethal Dose 50 (liều chất độc gây chết một nửa động vật) MRL maximum residue limit (mức dư lượng tối đa)

ppb parts per billion (một phần tỷ)

ppm parts per million (một phần triệu)

TCP 3,5,6-trichloro-2-pyridinol

WHO World Health Organization (Tổ chức y tế thế giới)

1

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU

1.1 Đặt vấn đề

Việt Nam là một nước nông nghiệp với tổng diện tích đất canh tác nông nghiệp khoảng 26,28 triệu ha, nông dân chiếm hơn 2/3 dân số cả nước Vì vậy, nông nghiệp chiếm vị trí vô cùng quan trọng trong nền kinh tế quốc dân Theo thống kê của ngành nông nghiệp, tổng kim ngạch xuất khẩu nông sản trong 10 tháng đầu năm 2014 của nước ta đạt 25,85 tỷ USD Trong đó, Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) - khu vực sản xuất nông nghiệp lớn nhất cả nước đóng

góp một phần không nhỏ Sự gia tăng sản lượng nông nghiệp là kết quả của

việc nâng cao kỹ thuật canh tác và hoạt động thâm canh tăng vụ, tăng cường công tác bảo vệ thực vật (BVTV) Do điều kiện khí hậu nóng ẩm của ĐBSCL

dễ làm cho sâu bệnh phát triển, hậu quả là việc sử dụng thuốc BVTV ngày càng tăng và đa dạng hơn về mặt chủng loại Việc sử dụng thuốc BVTV quá mức đã làm cho một lượng lớn thuốc còn lưu tồn trong đất, nước, nông sản gây độc hại cho các sinh vật khác và sức khỏe cộng đồng

Trong số các loại thuốc BVTV đang được sử dụng rộng rải, chlorpyrifos ethyl là hoạt chất của thuốc trừ sâu thuộc nhóm lân hữu cơ Hoạt chất này thuộc loại có tính độc thần kinh ở mức cao, gây hại cho người và nhiều loại động vật có lợi Chlorpyrifos ethyl có khả năng hấp phụ vào đất rất cao, hệ số

Koc dao động từ 652 đến 30.381 L/kg tùy từng loại đất (Gebremariam et al.,

2012) Vì vậy đất phù sa và đất phèn có thể ảnh hưởng khác nhau đến sự hấp phụ chlorpyrifos ethyl vào đất và qua đó ảnh hưởng đến dư lượng hoạt chất này trong đất Đồng thời, qua kết quả điều tra ở ĐBSCL của dự án RIP (Chương trình VLIR) hợp tác giữa Trường Đại học Cần Thơ và Trường Đại học Leuven của Bỉ cho thấy chlorpyrifos ethyl được nông dân sử dụng trên cả

3 mô hình canh tác chuyên lúa, luân canh lúa - màu, chuyên màu và lượng sử dụng cao nhất trên mô hình chuyên màu, khi chuyển đổi sang mô hình luân canh lúa - màu thì lượng sử dụng thấp nhất và sử dụng với lượng cao hơn khuyến cao từ 2-15 lần Do đó, việc sử dụng chlorpyrifos ethyl lâu dài có thể làm lưu tồn hoạt chất này ở trong đất, sự phóng thích chlorpyrifos ethyl từ trong đất kết hợp với sự rửa trôi sẽ gây nguy cơ ô nhiễm loại hoạt chất này trong tầng nước mặt cũng như các môi trường khác Trong đất chlorpyrifos ethyl có thể bị phân hủy bằng các con đường hóa học, vật lý và sinh học Sự phân hủy sinh học thuốc BVTV nói chung và chlorpyrifos ethyl nói riêng đang rất được quan tâm Phân hủy sinh học là khi các vi sinh vật đất có tham gia vào quá trình phân hủy (Andreu and Picó, 2004) Trong quá trình phân hủy sinh học những loài vi sinh vật đất đóng vai trò hết sức quan trọng vì chúng có

2

thể sử dụng hoặc phân hủy các loại thuốc BVTV, đặc biệt là những loại thuốc

có độ bền cao Vì vậy, sự phân hủy sinh học làm giảm dư lượng thuốc BVTV một cách hiệu quả, bền vững, thân thiện với môi trường mà ít tốn kém và cũng

là yếu tố chính quyết định số phận của các loại thuốc BVTV Nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới đã phân lập được các dòng vi khuẩn có khả năng phân

hủy tốt chlorpyrifos ethyl như: Dòng vi khuẩn Enterobacter chủng B14 (Singh

et al., 2004), Alcaligenes faecalis DSP3 (Yang et al., 2006), Paracoccus-TRP

(Gangming et al., 2008)

Mặt khác, ở ĐBSCL, nông dân đang canh tác trên 2 nhóm đất (đất phèn

và đất phù sa) điển hình, với 3 kiểu mô hình phổ biến: chuyên lúa (ngập nước thường xuyên, điều kiện yếm khí chiếm ưu thế, lúa - màu (ngập khô luân phiên, điều kiện yếm khí xen kẽ hiếu khí) và chuyên màu (môi trường cạn, điều kiện hiếu khí chiếm ưu thế) Mô hình canh tác quyết định loại cây trồng (lúa hoặc rau màu) và tạo nên đặc tính lí hóa, sinh học đặc trưng của đất ở mỗi

mô hình canh tác Loại cây trồng trên mỗi mô hình của từng nhóm đất sẽ quyết định đến loại và lượng thuốc BVTV sử dụng và qua đó ảnh hưởng đến

sự lưu tồn của chúng trong đất Loại và lượng thuốc BVTV sử dụng trên các đối tượng cây trồng khác nhau của mỗi nhóm đất sẽ dẫn đến sự hình thành các

hệ vi sinh vật đất khác nhau Đặc biệt, nhóm vi sinh vật phân hủy thuốc BVTV trong đất Vì vậy, để làm rõ mối tương quan giữa mô hình canh tác (đối tượng cây trồng và nhóm đất), loại và liều lượng thuốc BVTV sử dụng - đặc biệt là chlorpyrifos ethyl, với sự lưu tồn và nhóm vi khuẩn phân hủy chlorpyrifos ethyl trong đất, luận án: “Đánh giá sự lưu tồn và phân lập vi khuẩn có khả năng phân hủy chlorpyrifos ethyl trên 3 mô hình canh tác: chuyên lúa, lúa - màu và chuyên màu ở ĐBSCL” được thực hiện với mục tiêu đánh giá sự tương tác giữa loại đất (đất phèn và đất phù sa), loại cây trồng (lúa và màu) với dư lượng chlorpyrifos ethyl trong đất và vi khuẩn phân hủy chlorpyrifos ethyl trong đất

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Luận án được thực hiện với các mục tiêu chính sau:

- Đánh giá ảnh hưởng của mô hình canh tác (chuyên lúa, lúa-màu, chuyên màu) và loại đất (đất phèn và đất phù sa) lên dư lượng và sự lưu tồn chlorpyrifos ethyl trong đất

- Đánh giá ảnh hưởng của ba mô hình canh tác chuyên lúa (ngập nước thường xuyên, điều kiện yếm khí chiếm ưu thế, lúa - màu (ngập khô luân phiên, điều kiện yếm khí xen kẽ hiếu khí) và chuyên màu (môi trường cạn, điều kiện hiếu khí chiếm ưu thế) và loại đất (đất phèn và đất phù sa) lên sự

3

hiện diện của nhóm và dòng vi khuẩn hiếu khí và kỵ khí có khả năng phân hủy chlorpyrifos ethyl trong đất Đồng thời, đánh giá khả năng phân hủy chlorpyrifos ethyl trong đất của dòng vi khuẩn đã tuyển chọn ở quy mô phòng thí nghiệm

- Qua kết quả nghiên cứu của luận án nhằm xác định mô hình canh tác và loại đất thích hợp để giảm thiểu tối đa dư lượng chlorpyrifos ethyl trong đất nhờ hoạt động phân hủy của quần xã vi khuẩn Mặt khác, các dòng vi khuẩn

có khả năng phân hủy chlorpyrifos ethyl đã được tuyển chọn từ kết quả nghiên cứu của luận án được làm tiền đề cho những nghiên cứu ứng dụng các dòng vi khuẩn này vào xử lí dư lượng chlorpyrifos ethyl trong đất canh tác nông nghiệp

1.3 Nội dung nghiên cứu

Luận án được thực hiện với các nội dung sau:

1) Đánh giá dư lượng chlorpyrifos ethyl trong đất phèn chuyên lúa, chuyên mía và trong đất phù sa chuyên lúa, lúa - màu và chuyên màu ở ĐBSCL

2) Đánh giá sự lưu tồn chlorpyrifos ethyl trong đất phèn, đất phù sa và ảnh hưởng của 3 mô hình canh tác chuyên lúa, lúa - màu và chuyên màu đến sự lưu tồn chlorpyrifos ethyl trong đất ở điều kiện đồng ruộng và điều kiện nhà lưới

3) Đánh giá khả năng phân hủy yếm khí chlorpyrifos ethyl của quần xã vi khuẩn trong đất phèn và đất phù sa chuyên canh lúa ở Phụng Hiệp - Hậu Giang và Cai Lậy - Tiền Giang

4) Tuyển chọn, phân lập và định danh vi khuẩn hiếu khí phân hủy chlorpyrifos ethyl từ đất phèn và đất phù sa chuyên lúa, lúa - màu và chuyên màu trong điều kiện đồng ruộng và điều kiện nhà lưới ở ĐBSCL

5) Đánh giá khả năng phân hủy chlorpyrifos ethyl của dòng vi khuẩn

Barrientosiimonas humi C4.3 trong môi trường khoáng tối thiểu và trong đất

1.4 Ý nghĩa của luận án

Về mặt khoa học, luận án cung cấp các kiến thức cơ bản về dư lượng

chlorpyrifos ethyl trong đất trên 3 mô hình canh tác: chuyên lúa, lúa - màu và chuyên màu ở ĐBSCL; đánh giá được sự lưu tồn chlorpyrifos ethyl khi chúng

đi vào trong đất canh tác nông nghiệp, cũng như ảnh hưởng của mô hình canh tác đến sự lưu tồn chlorpyrifos ethyl trong đất; Giải thích được cơ chế thích nghi, dẫn đến sự hình thành vi khuẩn phân hủy chlorpyrifos ethyl trong đất

4

Đặc biệt, các nghiên cứu của luận án đã chỉ ra được con đường phân hủy sinh học của chlorpyrifos ethyl Chlorpyrifos ethyl có thể bị phân hủy hiếu khí bởi vi khuẩn bản địa bằng cách sử dụng chlorpyrifos ethyl như là nguồn carbon trong quá trình biến dưỡng của chúng Mặt khác, trong điều kiện yếm khí, chlorpyrifos ethyl bị phân hủy theo hướng khử chlor bởi quần xã vi khuẩn

kỵ khí Những kết quả nghiên cứu của luận án nhằm bổ sung những tư liệu khoa học về sự tương tác giữa loại đất (đất phù sa và đất phèn) và mô hình canh tác (chuyên lúa, lúa - màu và chuyên màu ở ĐBSCL) với dư lượng và vi khuẩn phân hủy chlorpyrifos ethyl trong đất; Kết quả của nghiên cứu này là nguồn tư liệu phục vụ cho việc giảng dạy và nghiên cứu khoa học nhằm có hướng điều chỉnh, quản lý sử dụng đất và hệ thống cây trồng tốt hơn, góp phần giảm thiểu ô nhiễm chlorpyrifos ethyl trong canh tác nông nghiệp

1.5 Những điểm mới của luận án

So với các công trình nghiên cứu gần đây, nghiên cứu tập trung vào một

số điểm mới cơ bản như sau: (i) Kết quả nghiên cứu của luận án đã cung cấp

dữ liệu về dư lượng chlorpyrifos ethyl của 2 loại đất (đất phèn và đất phù sa)

và của 3 mô hình canh tác (chuyên lúa, lúa-màu và chuyên màu) ở ĐBSCL; (ii) Kết quả nghiên cứu của luận án cũng đã đánh giá sự đa dạng của vi khuẩn

có khả năng khử chlor của chlorpyrifos ethyl trong đất phèn và đất phù sa chuyên canh lúa ở ĐBSCL; và (iii) Tuyển chọn được một số dòng vi khuẩn hiếu khí bản địa có khả năng phân hủy chlorpyrifos ethyl

5

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

2.1 Tổng quan về thuốc BVTV và tình hình sử dụng thuốc BVTV hiện nay

2.1.1 Tổng quan về thuốc BVTV

2.1.1.1 Khái niệm về thuốc BVTV

Trong tự nhiên không có loài được gọi là dịch hại Con người gán tên gọi

dịch hại “Pest” cho bất kỳ loài thực vật, động vật hoặc vi sinh vật gây ảnh

hưởng lên việc sản xuất, cung cấp lương thực và sức khỏe cộng đồng Thuốc

trừ dịch hại “Pesticide” được dùng để quản lý các loài dịch hại Đây là những

sản phẩm hiện diện vì mục đích ngăn chặn, tiêu diệt và đẩy lùi bất kỳ loài sinh vật mà con người không mong muốn (Delaplane, 1996)

Thuật ngữ thuốc trừ dịch hại “Pesticide” được tổ chức nông lương thế

giới (FAO) chấp nhận là một thuật ngữ tổng hợp bao gồm tất cả các hóa chất

được sử dụng để tiêu diệt hay kiểm soát các loài dịch hại “Pests” Trong nông

nghiệp, điều này bao gồm thuốc trừ cỏ, thuốc trừ sâu, thuốc trừ bệnh (nấm và

vi khuẩn), thuốc trừ tuyến trùng, và thuốc trừ chuột (Edwin, 1996)

Ở Việt Nam, khái niệm thuốc bảo vệ thực vật (BVTV) được dùng để chỉ các loại thuốc trừ dịch hại trong nông nghiệp Theo Trần Quang Hùng (1999), thuốc BVTV là những hợp chất độc có nguồn gốc tự nhiên hoặc tổng hợp hóa học dùng để phòng và trừ sâu, bệnh, cỏ dại, chuột, hại cây trồng và nông sản được gọi chung là sinh vật hại cây trồng và nông sản

2.1.1.2 Phân loại thuốc BVTV

Thuốc BVTV được phân loại theo nhiều cách khác nhau tùy thuộc vào

cơ sở phân loại Theo WHO (World Health Organization - Tổ chức Y tế Thế giới) căn cứ độ độc cấp tính của thuốc BVTV chia chúng thành 4 nhóm độc khác nhau: Ia (rất độc), Ib (độc cao), II (độc trung bình), III (ít độc) và IV (rất

ít độc) Do tính độc hại đối với con người nên WHO đã phân chia thành các nhóm độc với những kí hiệu đặc trưng để nhận biết và sử dụng giá trị LD50

(lethal dose 50) để đánh giá độ độc của một chất LD50 là liều chất độc gây chết một nửa số động vật quan sát và thường được dùng để cân nhắc về mức

độ gây độc tương đối của một chất độc Giá trị LD50 thường được khảo sát trên chuột thí nghiệm (Bảng 2.1)

6

Bảng 2.1: Các cấp độ phân loại độ độc của một chất theo WHO

Mức độ độc Trị số LD50 của thuốc (mg/kg)

Dạng lỏng Dạng rắn Qua miệng Qua da Qua miệng Qua da Rất độc < 20 < 40 < 5 < 10 Độc 20 – 200 40 – 400 5 – 50 10 – 100 Độc trung bình 200 – 2.000 400 – 4.000 50 – 500 100 – 1.000

Ít độc > 2.000 > 4.000 > 500 > 1.000

(Nguồn: Trần Quang Hùng, 1999)

Nếu chỉ dùng LD50 để thể hiện độ độc của một hóa chất thì người sử dụng sẽ rất khó để nhận biết mức độ độc hại của nó Vì thế các nhà khoa học

đã nhóm các hóa chất có LD50 tương tự vào 4 nhóm Mỗi nhóm có một “ký

hiệu” theo quy định của luật pháp và bắt buộc xuất hiện trên nhãn của sản

phẩm có chứa loại hóa chất trong nhóm để thông báo đến người mua độ độc cấp tính của sản phẩm (Delaplane, 1996) Ở Việt Nam cũng áp dụng điều này nhưng các quy định có thay đổi cho phù hợp Phân loại độ độc của thuốc BVTV và biểu tượng độ độc ghi trên nhãn thuốc ở Việt Nam được trình bày ở Bảng 2.2

Bảng 2.2: Các cấp độ phân loại độ độc của thuốc BVTV ở Việt Nam

Phân nhóm

(kí hiệu)

Biểu tượng nhóm độc

Độc tính cấp LD50 (mg/kg) chuột nhà

LD50 qua da mg/kg) LD50 qua miệng (mg/kg) Thể rắn Thể lỏng Thể rắn Thể lỏng Rất độc (I) 10 40 50 200 Độc cao (II) 10 – 100 40-400 50 -500 200-2.000 Độc trung

bình (III)

1.000

100400 4.000

-500 -2.000 2.000

-3.000 Độc nhẹ

(IV)

Không biểu tượng

1.000 4.000 >2.000 >3.000

(Nguồn: Lê Văn Khoa, 2010)

Thuốc BVTV bao gồm thuốc diệt nấm, thuốc diệt vi khuẩn, thuốc trừ sâu, thuốc diệt côn trùng, thuốc diệt tuyến trùng, thuốc diệt chuột, thuốc trừ

cỏ, thuốc diệt động vật thân mềm, thuốc diệt virus, chất dẫn dụ côn trùng, thuốc bảo quản nông sản, thuốc điều hòa sinh trưởng thực vật, phụ gia cho

thuốc xịt, phụ gia giảm độc tố của thuốc BVTV khác (Phan Văn Biên và ctv.,

2000)

7

Dựa trên đối tượng phòng trừ thuốc BVTV được chia thành các nhóm

sau: thuốc trừ sâu, thuốc trừ động vật hoang dã hại mùa màng, thuốc trừ bệnh,

thuốc trừ cá hại mùa màng, thuốc trừ cỏ dại, thuốc xông hơi diệt trừ sâu bệnh hại nông sản trong kho, thuốc trừ nhện hại cây, thuốc trừ tuyến trùng, thuốc làm rụng lá cây, thuốc trừ ốc sên, thuốc làm khô cây, thuốc trừ chuột, thuốc điều hòa sinh trưởng cây, thuốc trừ chim hại mùa màng

Dựa vào nguồn gốc thuốc BVTV được phân loại thành các nhóm sau: Nhóm thuốc thảo mộc có độ độc cấp tính cao nhưng phân hủy nhanh trong môi trường; Nhóm chlor hữu cơ như DDT, 666,… nhóm này có độ độc cấp tính tương đối thấp nhưng tồn lưu lâu trong cơ thể người, động vật và môi trường, gây độc mãn tính nên nhiều sản phẩm bị cấm hoặc hạn chế sử dụng; Nhóm lân hữu cơ như Wofatox, Bi-58, Basudin, Diazan độ độc cấp tính của nhóm thuốc này tương đối cao nhưng phân hủy nhanh trong cơ thể người và môi trường hơn so với nhóm Chlor hữu cơ; Nhóm carbamate: Mipcin, Bassa, Sevin,… nhóm thuốc này được sử dụng rộng rãi bởi vì thuốc tương đối rẻ tiền, hiệu lực cao, độ độc cấp tính tương đối cao, khả năng phân hủy tương tự nhóm lân hữu cơ; Nhóm Pyrethoide (Cúc tổng hợp): Decis, Sherpa, Sumicidine, nhóm này dễ bay hơi và phân hủy tương đối nhanh trong môi trường và cơ thể người; Các hợp chất pheromone là những hóa chất đặc biệt do sinh vật tiết ra

để kích thích hành vi của những sinh vật khác cùng loài Các chất điều hòa sinh trưởng côn trùng (Nomolt, Applaud,…): là những chất được dùng để biến đổi sự phát triển của côn trùng Hợp chất pheromone rất ít độc với người và môi trường; Nhóm thuốc trừ sâu vi sinh (Dipel, Thuricide, Xentari, NPV, ): Rất ít độc với người và các sinh vật không phải là dịch hại; Ngoài ra còn có nhiều chất có nguồn gốc hóa học khác, một số sản phẩm từ dầu mỏ được dùng

làm thuốc trừ sâu (Nguyễn Trần Oánh và ctv., 1997)

2.1.1.3 Động thái thuốc BVTV trong môi trường

Khi phun thuốc có đến 50% đi vào môi trường (Lê Huy Bá và Lâm Minh Triết, 2005), một phần phát tán vào khí quyển, phần lớn còn lại được đưa vào môi trường đất, nước và trầm tích đáy với thời gian tồn dư lâu dài đã gây tác động tiêu cực cho môi trường, ngăn chặn sự sinh trưởng và phá hủy hệ sinh

thái đất, thủy vực (Margni et al., 2002) Những yếu tố quyết định số phận

thuốc BVTV trong đất là các yếu tố lý, hóa, sinh trong môi trường Những yếu

tố này có thể kết hợp làm ảnh hưởng đến tính bền của thuốc, bao gồm sự phân hủy hóa học và sinh học, hay làm ảnh hưởng đến tính di động của thuốc, bao gồm sự hấp phụ trên tầng mặt, sự hấp thụ từ thực vật, bay hơi, rửa trôi và thấm

lậu (Gilani et al., 2010) Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng ô nhiễm thuốc

BVTV sau khi phun xịt gồm 2 nguồn chính: nguồn điểm - nguồn tiếp nhận

8

trực tiếp thuốc BVTV do quá trình phun xịt hoặc rửa dụng cụ chứa thuốc BVTV, nguồn lan tỏa - nguồn nhiễm thuốc BVTV thông qua quá trình khuếch tán thuốc BVTV do bay hơi và lắng tụ chủ yếu trong quá trình phun xịt, trực

di thuốc BVTV, rửa trôi tầng mặt và xói mòn đất trong quá trình xử lý đồng ruộng cũng như dư lượng thuốc bị hấp phụ vào trong sản phẩm (Phạm Văn Toàn, 2011)

(Nguồn: Blasioli et al., 2005)

Hình 2.1: Con đường di chuyển của thuốc BVTV trong môi trường

2.1.1.4 Đặc tính của thuốc BVTV

Đặc tính của thuốc BVTV cũng quan trọng trong việc xác định động thái của thuốc trong môi trường gồm: khả năng hòa tan trong nước, khả năng hấp phụ vào đất, chu kỳ bán rã

Những hoạt chất thuốc BVTV có khả năng hòa tan trong nước cao, khả năng hấp phụ vào đất thấp và chu kỳ bán phân rã dài thì hoạt chất này có thể

dễ dàng tan và bền vững trong nước Ba yếu tố này cũng góp phần đánh giá khả năng trực di của thuốc BVTV vào trong môi trường nước mặt và nước ngầm Những hoạt chất dễ tan và bền vững trong nước thường ảnh hưởng nghiêm trọng hơn so với hoạt chất có xu hướng kết chặt với các hạt đất

Hệ số Koc (organic carbon adsorption coefficient): là hệ số chỉ thị cho khả năng hấp phụ vào đất của hoạt chất thuốc BVTV Hoạt chất có hệ số Koc

cao (≥ 1000) càng dễ hấp phụ vào trong đất, ngược lại giá trị Koc thấp (≤500)

dễ trực di vào nước mặt Ví dụ, Cypermethrin có hệ số Koc = 156.250 Chứng

tỏ hoạt chất này rất dễ hấp phụ vào trầm tích và bùn đáy sau khi đi vào môi trường nước Thật vậy, theo Jones (1995), kết luận 95% hàm lượng

Pha lỏng

Quang phân

Sự bốc hơi

Sự chảy tràn

và hóa học

Sự thấm lậu

Hấp phụ và rửa trôi Phân hủy hóa học

Rất cao Hầu như hấp phụ hoàn toàn trong đất

(Nguồn: McCall et al., 1980)

Khả năng hòa tan vào nước của các hoạt chất thuốc BVTV được đo lường bằng đơn vị phần triệu (mg/L), là lượng tối đa thuốc có thể tan trong nước ở điều kiện xác định Khả năng hòa tan vào nước của các hoạt chất thuốc BVTV tương quan nghịch với chỉ số Kow (nồng độ tan trong octanol/tan trong nước), khi khả năng hòa tan vào nước càng lớn thì Kow càng thấp đồng nghĩa với hoạt chất thuốc BVTV dễ tan trong nước và ngược lại khi khả năng hòa tan vào nước thấp thì Kow cao có nghĩa là hoạt chất thuốc BVTV khó tan trong nước Những hoạt chất càng khó tan trong nước thì càng có tiềm năng tích lũy sinh học càng cao Khi Kow > 103 (logKow > 3) thì hoạt chất có tiềm năng sinh học cao Khi Kow > 104 (logKow > 4) thì hoạt chất ít tan trong nước (Jones, 1995) Ví dụ: Chlorpyrifos ethyl là chất có tiềm năng tích lũy sinh học cao (ở

250C, Log Kow từ 5,2 đến 5,267) nên khả năng hòa tan trong nước rất thấp

(1,2 mg/L) (Gebremariam et al., 2012)

Chu kỳ bán rã là chỉ số đo thời gian phân hủy của thuốc BVTV, thời gian thuốc BVTV phân hủy ½ lượng thuốc BVTV ở thời điểm ban đầu Ví dụ thuốc BVTV có thời gian bán phân rã là 12 ngày, nghĩa là sau khi phun thuốc

12 ngày, lượng thuốc BVTV chỉ còn 50% Sau 24 ngày lượng thuốc BVTV còn lại là 25% so với ban đầu đưa vào Tuy nhiên, những hoạt chất thuốc BVTV có thời gian bán phân hủy cao hơn 21 ngày có nghĩa là hoạt chất này rất bền vững và đủ thời gian để nó có thể được hấp phụ vào trong đất Khi được hấp phụ vào trong đất, tùy vào đặc tính của đất mà thời gian phân hủy diễn ra nhanh hoặc chậm Đất có hàm lượng hữu cơ và sét cao như trầm tích thì khả năng phân hủy hoạt chất thuốc rất chậm; ngược lại vùng đất cát thì quá trình phân hủy thuốc BVTV diễn ra rất nhanh (Jones, 1995)

a Tình hình chung về sử dụng thuốc BVTV trên thế giới

Từ lâu việc sử dụng thuốc BVTV đã là một yếu tố quan trọng không thể thiếu trong việc phòng trừ dịch hại Năm 2001, tổng chi phí thuốc BVTV trên toàn thế giới khoảng 32 tỉ đôla trong đó thuốc trừ cỏ chiếm tỉ lệ lớn nhất với hơn 40% Chỉ riêng ở Mỹ sử dụng khoảng 11 tỉ đôla tương ứng với 0,54 tỉ kg trong tổng số 2,27 tỉ kg thuốc BVTV mà cả thế giới sử dụng (Fisher, 2007) Ở

Mỹ có hơn 40 triệu kg thuốc lân hữu cơ được sử dụng hàng năm Trong đó glyphosate và chlorpyrifos được sử dụng rộng rãi nhất chiếm tương ứng 20%

và 11% trong tổng số thuốc BVTV được sử dụng (EPA, 2004 được dẫn bởi

sử dụng sẽ được gia tăng (WenJun et al., 2011)

Đến năm 2010, tổng chi phí dùng cho việc sử dụng thuốc BVTV trên thế giới (chủ yếu là các thuốc BVTV hóa học) ước tính đạt 37,9 tỉ đôla (Crop Life International, 2011) Trong đó nhóm thuốc trừ cỏ vẫn chiếm tỉ lệ cao nhất với 46%, kế đến là các nhóm thuốc trừ sâu 26% và nhóm thuốc trừ nấm 26% và các nhóm thuốc khác chỉ chiếm khoảng 2% (Hình 2.2)

11

0.76

9.85 9.85

Về khu vực tiêu thụ, châu Á chiếm tỉ lệ cao nhất với 27% thị trường tiêu

thụ, tiếp theo là các khu vực châu Âu, châu Mỹ La-tinh, khối Bắc Đại Tây

Dương Khu vực châu Phi và Trung Đông chiếm tỉ lệ thấp nhất với 4% thị

Qua đó cho thấy tình hình sử dụng thuốc BVTV trên thế giới có xu

hướng giảm Tuy nhiên tổng lượng thuốc trừ cỏ được sử dụng tăng liên tục

theo từng năm và thuốc trừ sâu có xu hướng giảm Mỗi châu lục có xu hướng

sử dụng thuốc BVTV khác nhau Châu Âu sử dụng thuốc BVTV nhiều nhất,

kế đến là Châu Á và Châu Phi sử dụng thuốc BVTV ít nhất Tuy nhiên nhiều

nghiên cứu cho thấy Châu Phi là thị trường có tiềm năng về tiêu thụ thuốc

BVTV Nhìn chung châu Âu và Châu Á, nhất là những nước nông nghiệp thì

nguy cơ ô nhiễm môi trường do thuốc BVTV là rất cao trong giai đoạn hiện

nay

(Nguồn: Crop Life International, 2011)

Hình 2.3: Thị trường tiêu thụ thuốc BVTV trên toàn thế giới năm 2010

(Nguồn: Crop Life International, 2011)

Hình 2.2: Chi phí của các nhóm thuốc BVTV trên toàn thế giới năm 2010

nay (Zhang et al., 2011)

Tại một số quốc gia Châu Á tiêu biểu như Trung Quốc, trong những năm

1960 đến những năm 1970, sản xuất chủ yếu các loại thuốc trừ sâu gốc chlor hữu cơ, lân hữu cơ và thuốc trừ sâu carbamate Từ năm 1983 Trung Quốc đã gia tăng sản xuất thuốc lân hữu cơ và carbamate Tuy nhiên, đến năm 2007, các thuốc lân hữu cơ có độ độc cao như Parathion, Parathionmethyl, Methamidophos đã bị cấm sử dụng ở quốc gia này Tại Nhật Bản, thuốc trừ sâu chủ yếu sử dụng cho sản xuất lúa (chiếm 40%) Hầu hết các loại thuốc trừ sâu đều được xuất khẩu sang các nước Đông Nam Á và Trung Quốc

Trong các loại thuốc trừ sâu, chlorpyrifos ethyl được sử dụng rộng rãi nhất do tính hiệu quả cao và ổn định của thuốc Hơn 400 sản phẩm đã được đăng ký bán trên thị trường để phục vụ cho mục đích kiểm soát dịch hại nông nghiệp và công nghiệp (USEPA, 2006) Số lượng chlorpyrifos ethyl trên toàn cầu từ năm 2002 đến năm 2006 là 25 nghìn tấn hoạt chất, trong đó 98,5%

được sử dụng cho mục đích nông nghiệp (Eaton et al., 2008) Riêng tại Mỹ,

khoảng 10 nghìn tấn hoạt chất chlorpyrifos ethyl được sử dụng từ năm

1987-1999 (USEPA, 2000; Donaldson et al., 2002) Gần đây, tình hình sử dụng

chlorpyrifos ethyl ở quốc gia này đang bị hạn chế: năm 2001 có 7 nghìn tấn hoạt chất được sử dụng, năm 2003 là 5 nghìn tấn, đến năm 2005 mức sử dụng

giảm còn 4,1 nghìn tấn hoạt chất (Grube et al., 2011) Các thuốc trừ sâu gốc lân hữu cơ khác cũng đang có xu hướng giảm dần (Gebremariam et al., 2012)

lượng và chủng loại Riêng thuốc trừ cỏ tăng từ 4,1% năm 1981 lên 25% năm

1997 và tăng lên 28,4% năm 2006 với 195 hoạt chất khác nhau và 584 tên

thương phẩm (Lê Văn Khoa, 2010)

Giai đoạn 2005 - 2012 lượng thuốc BVTV nhập khẩu vào Việt Nam có

xu hướng tăng dần theo thời gian Đặc biệt tăng đột biến vào giai đoạn 2008 -

2012 nguyên nhân là do sự xuất hiện dịch lùn sọc đen hại lúa Trong các loại thuốc BVTV vào giai đoạn này, thuốc trừ cỏ được sử dụng nhiều nhất và tăng đều theo thời gian, trong khi đó, các loại thuốc trừ sâu và bệnh cây trồng có xu hướng ổn định và số lượng sử dụng tương đương nhau (Hình 2.4) Ở Việt Nam, số lượng và chủng loại hóa chất nông nghiệp rất đa dạng và phong phú với 3.865 tên thương mại khác nhau và 1.614 hoạt chất được sử dụng Trước năm 1990, lượng thuốc BVTV nhập khẩu hàng năm dao động trong khoảng từ 13.000 đến 14.000 tấn Đến năm 2014 số lượng nhập khẩu đã tăng lên 105.000 tấn/năm Bên cạnh đó, chủng loại thuốc BVTV nhập khẩu vào Việt Nam sau năm 2012 cũng có sự thay đổi như sau: thuốc trừ sâu giảm xuống, trong khi

đó, thuốc trừ nấm bệnh, trừ cỏ và các loại thuốc BVTV khác tăng lên Cụ thể như sau: Trước năm 1990, thuốc trừ sâu chiếm khoảng 83,3% tổng lượng thuốc BVTV nhập khẩu vào Việt Nam, thuốc trừ bệnh cây trồng chỉ chiếm 9,5%, thuốc trừ cỏ dưới 4%, và các loại thuốc khác chiếm 3,1% Tuy nhiên, vào năm 2012, thuốc trừ sâu chỉ chiếm 20,4%, thuốc trừ bệnh cây trồng tăng lên đến 23,2%, thuốc trừ cỏ tăng lên đến 44,4% và các loại thuốc khác chiếm 12% so với tổng khối lượng thuốc nhập khẩu (Phan Hiển, 2014)

Hình 2.4: Tình hình nhập khẩu thuốc BVTV ở Việt Nam giai đoạn 2005-2012

14

Sử dụng và nhập lậu thuốc nằm trong danh mục cấm và có tính bền vững với môi trường làm ảnh hưởng đến sức khỏe người dân địa phương và các vùng lân cận Theo số liệu của Bộ NN-PTNT, mỗi năm Việt Nam nhập khoảng 100.000 tấn thuốc BVTV; Điều đáng lo hơn nữa, thuốc BVTV nhập lậu là những loại không nằm trong danh mục được phép sử dụng ở Việt Nam, thậm chí còn là thuốc giả (giả nhãn mác, bao bì của thuốc được đăng ký sử dụng ở Việt Nam) là những loại thuốc có độ độc cao, nhiều loại đã bị cấm sử dụng ở Việt Nam gây mất an toàn cho người, cây trồng và môi trường Theo nghiên cứu của Viện Môi trường Nông nghiệp Việt Nam, mỗi năm có hàng nghìn tấn vỏ thuốc BVTV thải ra môi trường đồng ruộng do người dân sau khi

sử dụng vứt bỏ bừa bãi Đây là loại chất thải rắn độc hại, gây ra những tác động xấu đối với môi trường đất, nước, không khí và sức khỏe cộng đồng Một trong những nguyên nhân chính gây ra tình trạng gia tăng ô nhiễm môi trường nông thôn là do chất thải rắn phát sinh từ việc lạm dụng thuốc BVTV trong hoạt động trồng trọt Thông thường lượng bao bì chiếm khoảng 10% tổng số thuốc tiêu thụ, những năm gần đây, số lượng bao bì, vỏ đựng thuốc BVTV lên tới hơn chục nghìn tấn mỗi năm

Riêng ở ĐBSCL, kết quả điều tra thực trạng sử dụng thuốc BVTV trên

mô hình chuyên lúa cho thấy nhóm thuốc trừ bệnh conazole là loại thuốc được

sử dụng nhiều nhất chiếm 11,8% Theo sau là thuốc trừ sâu nhóm cúc tổng hợp Pyrethroids, nhóm Biopesticides, Carbamates và nhóm kháng sinh tổng hợp, chiếm tỉ lệ lần lượt là 9,8, 8,8, 6,9 và 5,9% Các loại thuốc thuộc nhóm lân hữu cơ cũng được sử dụng khá phổ biến chiếm 5,9%, trong đó thuốc sử dụng thường xuyên là profenofos và chlorpyrifos ethyl (Phạm Văn Toàn, 2013) Tại Cần Thơ chlorpyrifos ethyl là một trong 3 loại thuốc trừ sâu được

sử dụng nhiều trong năm 2009 - 2010 Vụ Đông Xuân (2009 -2010) và vụ Hè Thu (2010) thuốc có chứa hoạt chất chlorpyrifos ethyl chiếm 9,19 % và 10,6% trong tổng các loại thuốc BVTV được sử dụng trên toàn tỉnh (Chi Cục BVTV Cần Thơ, 2010)

Trái ngược với các tỉnh ĐBSCL, điều tra tình hình sử dụng thuốc BVTV (giai đoạn 2010 - 2011) trên 120 hộ tại huyện Yên Châu - Sơn La cho thấy chlorpyrifos ethyl không được sử dụng phổ biến Diện tích sử dụng chlorpyrifos ethyl dưới 1% vào các vụ xuân 2010, vụ mùa 2010 và vụ xuân

2011 Riêng với vụ mùa 2011 chlorpyrifos ethyl được sử dụng khá nhiều, có đến 18,54 % diện tích điều tra có sử dụng thuốc Người dân cũng luôn có thói quen sử dụng thuốc quá liều Tiêu biểu như Vitashield 40EC được sử dụng cao hơn gấp 2-3 lần, Victory 585EC cũng vượt gấp 5 lần và Dragon 585EC cũng vượt từ 6-8 lần so với khuyến cáo (Nguyễn Văn Viên, 2012)

15

Như vậy, tại Việt Nam hiện vẫn chưa có một thống kê hoàn chỉnh về tình hình sử dụng chlorpyrifos ethyl Ở các địa điểm khác nhau,chlorpyrifos ethyl được sử dụng ít hay nhiều tùy theo tình hình sâu bệnh cũng như sự lựa chọn của nông dân về loại thuốc để phòng trừ sâu bệnh Hầu hết nông dân đều sử dụng thuốc quá liều lượng khuyến cáo

Từ những kết quả về tình hình sử dụng thuốc BVTV ở Việt Nam cho thấy thực trạng sử dụng thuốc BVTV của nông dân có nguy cơ ô nhiễm môi trường rất cao Nông dân sử dụng lượng thuốc BVTV cao hơn khuyến cáo nhiều lần nên để lại một lượng dư tồn trong đất và nước Đặc biệt, nông dân ở ĐBSCL có chung đặc điểm là sử dụng thuốc BVTV thuộc những nhóm có thời gian bán hủy dài như carbamate, lân hữu cơ, cúc tổng hợp Đây cũng là một trong những nguyên nhân góp phần gây ô nhiễm tài nguyên đất và nước

2.1.3 Phân hủy sinh học và phục hồi đất ô nhiễm thuốc BVTV bằng biện pháp sinh học

2.1.3.1 Phân hủy sinh học

Phân hủy sinh học là quá trình phân hủy các chất bởi vi khuẩn và các sinh vật khác Thuật ngữ này thường được sử dụng có liên quan đến hệ sinh thái, quản lý chất thải và môi trường tự nhiên (xử lý sinh học) Sản phẩm của quá trình phân hủy sinh học có thể tạo ra các chất vô hại trả lại môi trường tự nhiên Chất hữu cơ có thể phân hủy hiếu khí hoặc kỵ khí Trong tự nhiên tốc

độ phân hủy sinh học khác nhau ở từng loại chất hữu cơ và tốc độ phân hủy của các chất hữu cơ được giới hạn bởi độ hữu dụng sinh học trong môi trường Tốc độ phân hủy sinh học được xác định bằng cách đo lượng CO2 (hiếu khí) hoặc khí CH4 (kỵ khí) (Sims and Cupples, 1999)

2.1.3.2 Phục hồi sinh học

Phục hồi sinh học là quá trình tạo điều kiện cho vi sinh vật phân hủy nhanh các chất gây ô nhiễm hữu cơ độc hại trong môi trường để cải thiện môi

trường ô nhiễm về trạng thái an toàn (O'Loughlin et al., 2000) Theo một cách

hiểu rộng hơn thì phục hồi sinh học là một quá trình tự phát hoặc có điều khiển, trong đó xảy ra sự phân hủy sinh học (nhất là vi sinh vật học) đối với các chất gây ô nhiễm và do đó làm giảm ô nhiễm môi trường Sự tự làm sạch của các dòng sông hay suối bị ô nhiễm nhẹ là những ví dụ về sự phục hồi sinh học tự phát Gần đây khái niệm phục hồi sinh học được mở rộng, bao gồm cả các quá trình sinh học kể cả của thực vật, làm kết tủa hoặc cố định các chất gây ô nhiễm vô cơ (Sims, 2006)

16

Chuyển hóa sinh học: Chuyển dạng sinh học là quá trình biến đổi hóa

học (hoặc sửa đổi) được thực hiện bởi sinh vật trên các hợp chất hóa học Nếu sản phẩm cuối cùng của quá trình này là CO2, NH4+ hoặc H2O được gọi là sự

khoáng hóa (Burback and Perry, 1993)

Sự khoáng hóa: Sự khoáng hóa là sự phân hủy triệt để (hoàn toàn) thành

các sản phẩm cuối cùng như CO2, H2O và các chất vô cơ khác Nói chung các chất này là vô hại, bởi vậy phân hủy sinh học được con người khai thác, tận dụng và tăng cường để dùng cho các quá trình xử lý sinh học và phục hồi sinh

học (Ashauer et al., 2012)

Sự đồng trao đổi chất: Sự đồng trao đổi chất được định nghĩa là sự

phân hủy đồng thời 2 hợp chất, trong đó quá trình phân hủy của hợp chất thứ

hai phụ thuộc vào sự hiện diện của chất thứ nhất Trong quá trình phục hồi

sinh học, các vi sinh vật tham gia có thể thu nhận được cả vật chất (carbon) và năng lượng nhờ sự phân hủy các chất gây ô nhiễm hữu cơ Đôi khi sự phân

hủy diễn ra thông qua sự đồng trao đổi chất

Một số chiến thuật xử lý sinh học như (i) Biostimulation: là quá trình

liên quan đến việc biến đổi môi trường để kích thích vi khuẩn có khả năng xử

lý sinh học các chất mục tiêu Điều này có thể được thực hiện bằng cách bổ sung chất dinh dưỡng như: P, N, O và C Phương pháp này ứng dụng để xử lí các chất gây ô nhiễm môi trường Ưu điểm phương pháp này là xử lý sinh học

sẽ được thực hiện bởi các vi sinh vật bản địa đã thích nghi với môi trường và được phân bố rộng khắp môi trường (Vasudevan and Rajaram, 2001) (ii) Bioaugmentation (Tăng cường sinh học): Vi sinh vật tham gia phục hồi sinh học thường là các vi sinh vật bản địa (indigenous microorganisms) Tuy nhiên nếu quần thể này không có khả năng phân hủy chất mục tiêu hoặc bị ức chế bởi một yếu tố nào đó trong môi trường thì cần bổ sung những vi sinh vật có khả năng trao đổi chất đặc hiệu đối với chất gây ô nhiễm có thể là những vi

sinh vật đã được tuyển lựa hoặc được cải biến di truyền (Mishra et al., 2001)

2.1.3.3 Một số kết quả nghiên cứu về phục hồi đất ô nhiễm thuốc BVTV bằng biện pháp sinh học

Vấn đề xử lý nhằm loại bỏ một cách hiệu quả dư lượng thuốc BVTV trong môi trường đất và nước là một trong những vấn đề chính trong sản xuất nông nghiệp Vi sinh vật nói chung, mà đặc biệt là hệ vi sinh vật đất có vai trò rất quan trọng trong việc phục hồi đất nông nghiệp bị ô nhiễm thuốc BVTV Trong những năm gần đây xu hướng sử dụng các biện pháp sinh học để xử lý các độc chất hữu cơ trong môi trường đất trong đó có thuốc BVTV được quan tâm đặc biệt Phân huỷ sinh học tồn dư thuốc BVTV trong đất, nước, rau quả

17

là một trong những phương pháp loại bỏ nguồn gây ô nhiễm môi trường và bảo vệ sức khoẻ cộng đồng (Miller, 2002)

Biện pháp phân hủy sinh học thuốc BVTV dựa trên cơ sở sử dụng nhóm

vi sinh vật có sẵn trong môi trường đất và các sinh vật có khả năng sử dụng nguồn carbon từ thuốc BVTV cho sự sinh trưởng và phát triển mật số, bên cạnh đó, phá huỷ cấu trúc hoá học của thuốc BVTV và chuyển hóa chúng thành các hợp chất khác (sản phẩn trung gian) Ngoài ra, biện pháp phân hủy sinh học thuốc BVTV còn dựa trên cơ sở thích nghi của vi sinh vật nhằm đáp ứng lại đối với sự thay đổi của điều kiện môi trường sống Trong đất, thuốc BVTV bị phân huỷ bởi các tiến trình sau đây: phản ứng ôxy hoá-khử, thuỷ phân, ánh sáng, do enzymes và hoạt động của vi sinh vật đất Quần xã vi sinh vật đất rất phong phú và phức tạp Chúng có thể phân huỷ và sử dụng thuốc BVTV như là nguồn cung cấp dinh dưỡng, nguồn cung cấp carbon, nitơ và năng lượng để cấu tạo nên cấu trúc cơ thể (Rao and Sethunathan, 1979)

Quá trình phân huỷ thuốc BVTV bởi vi sinh vật đất có thể gồm một hay nhiều giai đoạn tùy thuộc vào cấu trúc hóa học và loài vi sinh vật tham gia vào tiến trình phân hủy hay khoáng hóa thuốc BVTV Thông thường, các sản phẩm trung gian được tạo ra trong quá trình phân hủy và chúng có thể được khoáng hóa hoàn toàn thành CO2 và H2O Một số hoạt chất thuốc BVTV thường được một số dòng vi sinh vật chuyên biệt phân huỷ Các nghiên cứu cho thấy trong đất tồn tại rất nhiều nhóm vi sinh vật có khả năng phân huỷ các

hợp chất lân hữu cơ như: Bacillus mycoides, B subtilis, Proteus

vulgaris,…đây là những vi sinh vật thuộc nhóm hoại sinh trong đất Rất nhiều

vi sinh vật có khả năng phân huỷ 2,4-D, trong đó có Achrombacter,

Alcaligenes, Corynebacterrium, Flavobaterium, Pseudomonas,…(Singhal,

1998) Yadav et al., (1995) đã phát hiện ra dòng nấm Phanerochaete

chrysosporium có khả năng phân hủy rất tốt 2,4-D

Bên cạnh đó Ngô Tự Thành và ctv., (2003) đã phân lập được dòng vi khuẩn Azotobacter sp 86.2 từ đất trồng rau, phân hủy 72,3 mg/L 2,4-D sau 24

giờ khi được nuôi trong môi trường Burk có bổ sung 200 mg/L 2,4-D và 10

g/L glucose Ngoài ra, Maltseva et al., (1996) cũng phân lập được dòng vi

khuẩn I-18 từ nước bị nhiễm chất thải trong quá trình sản xuất 2,4-D ở hồ Alkali, tây nam Oregon, Canada đã phân hủy 3000 mg/L 2,4-D trong 72 giờ

Ở ĐBSCL, Nguyễn Thị Phi Oanh và ctv., (2011) đã phân lập được 32

dòng vi khuẩn có khả năng phân hủy 2,4-D từ các mẫu đất lúa ở Tiền Giang

và Sóc Trăng Kết quả điện di sản phẩm Box-PCR cho thấy chúng thuộc 10 dòng khác nhau, trong đó 5 dòng được phân lập ở Sóc Trăng và 5 dòng được

18

phân lập ở Tiền Giang Các dòng vi khuẩn đều thuộc lớp β-Proteobacteria, bộ Burkholderiales, họ Burkholderiaceae và được định danh lần lượt là

Cupriavidus sp ST1, Burkholderia sp ST4, Cupriavidus sp ST7, Cupriavidus

sp ST10, Burkholderia sp ST14, Cupriavidus sp TG2, Cupriavidus sp TG3,

Cupriavidus sp TG16, Ralstonia sp TG26 và Burkholderia sp TG27 Khi

nuôi cấy trong môi trường khoáng tối thiểu có bổ sung 2,4-D (500 mg/L) như

là nguồn carbon duy nhất, dòng Cupriavidus sp TG2 có khả năng phân hủy 2,4-D nhanh nhất, kế đến là các dòng Cupriavidus sp TG3, Burkholderia sp ST4, Burkholderia sp TG27, Cupriavidus sp ST1, Burkholderia sp ST14,

Cupriavidus sp ST7, Cupriavidus sp ST10, Ralstonia sp TG26 và Cupriavidus sp TG16

Mặt khác, Zhang (2011) đã phân lập được dòng Paracoccus sp Fly-8

trên đất ruộng lúa có khả năng phân hủy và sử dụng 6 loại thuốc diệt cỏ chloroacetamide làm nguồn carbon để phát triển và mức độ phân hủy được sắp xếp theo thứ tự như sau: Alachlor > Acetochlor > Propisochlor > Butachlor > Pretilachlor > Metolachlor Sau 5 ngày ủ ở 300C, nồng độ ban đầu là 100

mg/L, loài Paracoccus sp có khả năng phân hủy 98,7% Alachlor, 88,2%

Acetochlor, 78,3% Propisochlor, 65,2% Butachlor, 35,9 % Pretilachlor và 24,1% Metolachlor

Glyphosate là một hợp chất được sử dụng để diệt cỏ trong nông nghiệp

và được sử dụng trước khi trồng, trong quá trình canh tác và sau khi thu hoạch cây trồng Hoạt chất này có thể gây ô nhiễm đất, nước và ảnh hưởng đến sức khỏe con người Vì thế, nhiều nghiên cứu về vi khuẩn phân hủy glyphosate để ứng dụng trong xử lí đất và nước ô nhiễm Nhiều dòng vi khuẩn có khả năng phân hủy glyphosate trong điều kiện tự nhiên trong đất trồng lúa như:

Escherichia sp., Azotobacter sp., Alcaligenes sp., Acetobacter sp và Pseudomonas fluorescens (Moneke et al., 2010) Bên cạnh đó, nhiều nhà

khoa học đã xác định có thể ứng dụng các chủng vi khuẩn Pseudomonas sp LBr (Jacob et al., 1988), Pseudomonas fluorescens (Ewa et al., 1992),

Arthrobacter atrocyaneus (Pipke et al., 1988) và Flavobacterium sp

(Balthazor and Hallas, 1986) trong xử lí ô nhiễm môi trường do glyphosate Đối với một số lân hữu cơ như Parathion, các nghiên cứu thực nghiệm đã chứng minh có thể dễ dàng để phân lập các vi sinh vật phân hủy Parathion, 2

dòng vi khuẩn là Flavobacterium sp chủng ATCC 27551 và Pseudomonas

diminuta chủng Gm, đã được phân lập từ trong đất tương ứng ở Philippine và

Mỹ (Singh et al., 2002) Trong khi đó, với nghiên cứu của Rani et al.,(2008)

đã phân lập được dòng vi khuẩn Pseudomonas putida có thể thủy phân Methyl

parathion - một dạng khác của lân hữu cơ

carbon duy nhất đã được phân lập từ đất và xác định là Micrococcus sp (Tallur et al., 2007) Enterrobacter aerogenes M6R9 là trực khuẩn Gram âm,

kích thước là (0,8 - 0,9) µm x ( 0,5 -1,0) µm, có khả năng sử dụng Bifenthrin, Fenpropathrin và Cypermethrin như nguồn carbon duy nhất Với điều kiện hiếu khí, 25-300C, dòng vi khuẩn (OD 415 nm) 0,2; pH 7,0, nồng độ thuốc trừ sâu 100 mg/L và tốc độ lắc 180 vòng/phút, sự phân hủy hiệu quả 55,96%

(Huan, 2009) Streptomyces sp ở nhiệt độ tối ưu 28 - 300C, pH 7,5, phân hủy Cypermethrin 92,1% trong vòng 24 giờ và 100% sau 30 giờ ở nồng độ 50 mg/L (Cypermethrin) Cũng có khả năng phân hủy 150 mg/L đến 250 mg/L

(Cypermethrin) sau 48 giờ nhưng chưa hết hoàn toàn (Lin et al., 2010) Sự phân hủy sinh học của Cypermethrin bởi dòng Pseudomonas sp và Seratia sp (Grant et al., 2002; Jilani et al., 2006) Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella sp., E coli, Bacillus sp sử dụng Cypermethrin ở nồng độ 1% như một nguồn carbon (Murugesan et al., 2009) Trong đó Pseudomonas plecoglossicida (Boricha et al., 2009), Pseudomonas Cyp19 (106 tế bào/g) vào đất trồng có các

vi khuẩn phân hủy Cypermethrin với 40 ppm của Cypermethrin/gam kết quả

là một tỷ lệ phân hủy cao hơn đã được quan sát thấy trong đất không được bổ sung Các kết quả trên nêu bật những tiềm năng của các loại vi khuẩn này sẽ được sử dụng phân hủy thuốc trừ sâu trong môi trường đất bị ô nhiễm

Qua những kết quả nghiên cứu đã đạt được ở trên chứng minh rằng các nhà khoa học đã tuyển chọn được những vi sinh vật có khả năng phân hủy thuốc BVTV Đặc biệt, những dòng vi sinh vật có khả năng phân hủy những hoạt chất khó phân hủy trong môi trường, góp phần giảm thiểu ô nhiễm do thuốc BVTV gây ra Đây là một trong những biện pháp có khả năng ứng dụng cao nhất trong việc xử lí ô nhiễm thuốc BVTV trên diện rộng trong điều kiện thực tế ngoài đồng ruộng Phương pháp này sẽ được ưu tiên ứng dụng trong tương lai vì tính bền vững về hiệu quả của nó, đồng thời tiết kiệm chi phí và thân thiện với môi trường sinh thái

20

2.1.4 Tổng quan về chlorpyrifos ethyl

2.1.4.1 Đặc tính của chlorpyrifos ethyl

Chlorpyrifos ethyl có tên theo IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry Nomenclature) là: O,O-diethyl-3,5,6-trichloro-2 pyridyl photphorothioate Tên thương mại gồm: Lorsban, Dursban, Suscon Green, Empire, Equity Công thức hóa học: C9H11Cl3NO3PS Phân tử lượng: 350,62 Cấu trúc hóa học của chlorpyrifos ethyl được thể hiện qua Hình 2.5

Hình 2.5: Cấu trúc hóa học của chlorpyrifos ethyl Chlorpyrifos ethyl ở dạng tinh thể không màu, khả năng hòa tan trong nước thấp 1,2 mg/L ở 250C, tan tốt trong Benzene, Acetone, Chloroform, Diethyl ether (Felsot and Dahm, 1979) Thuộc nhóm độc II, LD50 (xâm nhập qua miệng vào đường ruột): 135 - 163 mg/kg, xâm nhập qua da: 2000 mg/kg; ADI (lượng chất độc không gây hại cơ thể người được chấp nhận): 0,01 mg/kg; MRL (mức dư lượng tối đa): cam, chanh 0,3 mg/kg, hoa quả khác 0,2 mg/kg, rau 0,05 mg/kg; thời gian cách li: 14 - 21 ngày, thuốc độc với cá và ong mật Trong đất, chlorpyrifos ethyl phân giải chậm, DT50 khoảng 60 - 120 ngày, sản phẩm chuyển hóa 3,5,6 - trichloro - 2 - pyridinol (TCP) tiếp tục phân giải thành hợp chất chlor hữu cơ và khí CO2 (Trần Quang Hùng, 1999)

2.1.4.2 Sự phân hủy và chuyển hóa của chlorpyrifos ethyl trong đất

Trong môi trường đất, chlorpyrifos ethyl có thể phân hủy và chuyển hóa theo nhiều con đường khác nhau như hấp phụ vào đất, thẩm thấu xuống mạch nước ngầm, bốc hơi vào không khí hoặc có thể bị cây trồng hấp thu và phân hủy bởi vi sinh vật đất Dưới đây là một số đặc điểm của chlorpyrifos ethyl khi chúng được luân chuyển vào môi trường đất

Sự hấp phụ/phóng thích của chlorpyrifos ethyl vào đất

Theo báo cáo của Gebremariam (2011), sự hấp phụ vào trong đất của chlorpyrifos ethyl không phụ thuộc nhiều vào pH đất Độ hấp thu vào đất của thuốc được đánh giá bằng giá trị Kd và Koc Giá trị Kd tăng dần với sự gia tăng của hàm lượng hữu cơ Riêng với đất có hàm lượng hữu cơ cao đôi khi dẫn

21

đến sự hấp thu hoàn toàn của chlorpyrifos ethyl từ dung dịch vào trong đất

Giá trị Kd dao động từ 13,4 L/kg với đất nghèo hữu cơ (Kanazawa, 1989) đến

1.813 L/kg trong đất sét than bùn ở Ohio (Spieszalski et al., 1994)

Sự phóng thích chlorpyrifos ethyl trong đất thường có ít các nghiên cứu liên quan Laabs and Amelung (2005) tiến hành trích các mẫu đất sau khi phun chlorpyrifos ethyl cho thấy nồng độ thuốc ly trích được giảm dần qua thời gian Giá trị Koc tăng từ 2 - 3 lần trong hơn 80 ngày Ngược lại, theo báo cáo

của Ciglasch et al., (2008) nồng độ chlorpyrifos ethyl đạt trạng thái cân bằng

trong 24 giờ và không có sự phóng thích thuốc trong hơn 80 ngày theo dõi Như vậy, với những loại đất khác nhau sẽ có sự hấp phụ cũng như phóng thích chlorpyrifos ethyl ở mức độ khác nhau

Sự bốc hơi từ đất

Thuốc trừ sâu bay hơi từ đất là kết quả về sự tương tác giữa hấp phụ và phóng thích thuốc từ các hạt đất và chất hữu cơ vào pha lỏng, sau đó được khuếch tán vào trong không khí Chlorpyrifos ethyl có áp suất hơi ở mức trung bình 1,8 - 2,0x10-5 mmHg ở 250C Quá trình bay hơi từ đất phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường và tính chất của đất Tỉ lệ chlorpyrifos ethyl bay hơi

cao đối với đất cát và đất phù sa (Racke, 1993) Whang et al., (1993) đã

nghiên cứu sự bốc hơi của một số thuốc trừ sâu bao gồm chlorpyrifos ethyl, fonofos và atrazine trên đất ruộng không có sự cày xới bề mặt Nghiên cứu đã cho thấy một nửa chlorpyrifos ethyl và fonofos bay hơi liên tục 26 ngày sau khi phun Nhìn chung, sự bốc hơi của chlorpyrifos ethyl có thể kéo dài sau nhiều ngày phun và là nguy cơ gây ô nhiễm không khí cao

Sự thủy phân

Quá trình thủy phân của chlorpyrifos ethyl có khuynh hướng thay đổi khi hấp phụ vào bề mặt thủy tinh hoặc khi có hiện tượng bay hơi Trong điều kiện

vô trùng, sự thủy phân diễn ra chậm hơn đối với đất có tính acid trung bình (chu

kì bán rã từ 92 - 341 ngày), ngược lại trong môi trường kiềm quá trình này diễn

ra nhanh hơn (11 - 200 ngày) Độ thủy phân của thuốc có thể tăng gấp nhiều lần khi có chất xúc tác như ion Cu2+ hoặc có sự hiện diện của một số enzyme trong đất Ở nồng độ cao hơn 1.000 mg/L, sự phân hủy thuốc chậm rõ rệt, nguyên nhân được cho là do độ tan của chlorpyrifos ethyl thấp, với cùng một điều kiện pH sự thủy phân trong đất được đánh giá là chậm hơn trong dung dịch Một số sản phẩm chuyển hóa như chlorpyrifos oxon có tốc độ thủy phân nhanh hơn nhiều so với đặc tính của chlorpyrifos ethyl ban đầu (NRA, 2000)

22

Sự quang phân

Quá trình quang phân chlorpyrifos ethyl không có ý nghĩa đối với đất bề mặt, mặc dù có sự hình thành sản phẩm chuyển hóa TCP dưới sự chiếu sáng của mặt trời Nồng độ TCP trong nghiệm thức được chiếu sáng không có sự khác biệt so với nghiệm thức ủ trong tối Tuy nhiên, trong dung dịch quá trình quang phân diễn ra rất nhanh chóng Chu kì bán rã chỉ trong một tháng trong

điều kiện nắng nóng (Havens et al., 1992)

Sự phân hủy sinh học

Vi sinh vật đóng một vai trò hết sức quan trọng để thúc đẩy sự phân hủy

thuốc (Yang et al., 2006) Cho đến nay đã có khá nhiều nghiên cứu về việc

phân hủy chlorpyrifos ethyl nhưng đa số các công trình nghiên cứu đều tập trung vào vấn đề phân hủy chlorpyrifos ethyl trong điều kiện hiếu khí Một số nghiên cứu được xem như bước đầu trong sự phân hủy chlorpyrifos ethyl đã

cho thấy chlorpyrifos ethyl có thể bị phân hủy theo dạng đồng biến dưỡng

trong môi trường lỏng bởi Flavobacterium sp và Pseudomonas diminuta

tương ứng trên những cánh đồng có sử dụng diazinon và trên đất được làm

giàu với parathion (Yang et al., 2006) Tuy nhiên những vi sinh vật này không

sử dụng chlorpyrifos ethyl như là nguồn cacbon chính Mọi cố gắng trong việc phân lập vi sinh vật phân hủy chlorpyrifos ethyl từ đất nhiễm chlorpyrifos

ethyl đều không thành công Sau đó, Singh et al (2003), đã phân lập được 6

dòng vi khuẩn từ đất ở Úc cho thấy có sự tăng cường phân hủy chlorpyrifos

ethyl Tiếp đó Singh et al., (2004) cũng đã phân lập được vi khuẩn

Enterobacter chủng B-14 có khả năng tăng cường phân huỷ sinh học

chlorpyrifos ethyl Tương tự, nghiên cứu của Yang et al., (2006) đã phân lập được vi khuẩn Alcaligenes faecalis DSP3 có khả năng phân huỷ cả

chlorpyrifos ethyl và TCP Dòng này phân hủy đến 90% TCP ở nồng độ

300 ppm chỉ sau 8 ngày nuôi ủ Thêm vào đó, nghiên cứu của Gilani et al., (2010) đã phân lập được 2 dòng vi khuẩn Bacillus sp và Klebsiellia sp có khả năng phân hủy chlorpyrifos Nghiên cứu của Ifediegwu et al., (2015) cũng đã phân lập được 3 dòng vi khuẩn Pseudomonas aeruginosa, Serretia

marcescens, Klebsiella oxytoca từ đất canh tác nông nghiệp ở Nigeria, 3

dòng vi khuẩn này phân hủy chlorpyrifos được hơn 10 mg/L trong 14 ngày

nuôi ủ

Ngoài những kết quả về phân lập vi khuẩn, việc phân lập nấm có khả năng sử dụng chlorpyrifos ethyl cũng rất được quan tâm nghiên cứu Năm

1996, 2 loại nấm trong đất phân hủy chlorpyrifos ethyl được phân lập Cụ thể,

Aspergillus niger phân hủy 72,3% và Trichoderma viride phân hủy 95,7%