Sự tích luỹ cacdimi trong đất khi có mặt axit silicic (40mg/l) ở các nền điện ly khác nhau Ngược với sự ảnh hưởng của pH, mẫu đất ở thí nghiệm có EB lớn hơn sẽ có khả năng tích luỹ Cd nh[r]
Trang 1Ảnh hưởng của axit silicic đến sự tích luỹ cacdimi trong đất lúa
Phạm Văn Quang1,*, Hoàng Thị Nhung1
1 Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
Tóm tắt.Silic (Si) có tác dụng to lớn về dinh dưỡng và khả năng gia tăng sức chống chịu với điều kiện ngoại cảnh của thực vật H4SiO4 (axit mono silicic) là dạng Si duy nhất cây trồng có thể sử dụng Đây là dạng Si có hoạt tính và tương tác mạnh với các thành phần môi trường Vai trò của axiit silicic như một yếu tố bổ sung hiệu quả trong việc giảm độc tính của Cd với thực vật đã được làm sáng tỏ trong nhiều nghiên cứu Trong khi đó, sự tương tác giữa axit silicic và Cd trong môi trường đất lại chưa được đề cập tới Do vậy, nghiên cứu này tập trung làm rõ sự tương tác giữa axit silicic H4SiO4 và sự tích luỹ Cd2+ trong đất lúa qua việc bổ sung đồng thời axit silicic và Cd2+ vào mẫu đất lúa có hàm lượng Cd2+ thấp với các điều kiện thay đổi về hàm lượng axit silicic, pH, nền điện ly (EB) và thời gian Kết quả cho thấy: Sự có mặt của axit silicic làm tăng sự tồn tại của Cd trong dung dịch thông qua việc tạo thành các phức chất silicat-Cd qua đó giảm hàm lượng tích luỹ trong đất Ảnh hưởng này
tỷ lệ thuận với hàm lượng axit silicic bổ sung và được duy trì cả khi pH và nền điện ly môi trường có sự thay đổi Tuy nhiên, ảnh hưởng của axit silicic (40mg/l) gần như không còn sau 7 ngày thí nghiệm
Từ khoá: axit silicic (Si(OH) 4 ), cacdimi (Cd), đất lúa
1 Đặt vấn đề
Một số quan điểm coi Silic (Si) là nguyên tố
không thiết yếu, tuy nhiên, nhiều nghiên cứu đã
chứng minh Si giúp cải thiện sức chống chịu
bệnh tật, tăng hiệu quả sử dụng nước và khả
năng quang hợp cũng như khắc phục sự mất cân
bằng dinh dưỡng trong thực vật [1,2] Trong
dung dịch đất, Si hoà tan tồn tại chủ yếu ở dạng
axit monosilicic (Si(OH)4) [3] với nồng độ giao
động từ 0,09 tới 23,4mg/l và có thể đạt tới 46,7
– 93,4mg/l trong các loại đất có pH 10 – 11
[4,5] Các nghiên cứu cho thấy, Si(OH)4 là dạng
Si có hoạt tính sinh học và có vai trò quan trong
trong môi trường đất: làm tăng pH [6]; thay đổi
trạng thái keo của khoáng sét, oxit sắt/nhôm
[7]; tăng khả năng di động của phốt pho [8] và
giảm tính độc của nhôm [9]; ảnh hưởng tới linh
động của kim loại nặng khi có thể tạo silicat
hòa tan [10] hoặc ít tan [6];
Cacdimi (Cd) là tạp chất thường thấy trong
tất cả các loại phân lân và có xu hướng tích luỹ
trong các hệ thống nông nghiệp Nó có thể di
chuyển từ đất sang cây trồng thông qua hấp thụ sinh học tại rễ và tích lũy trong mô tế bào [11] Bằng cách này, Cd có thể vào chuỗi thức ăn và ảnh hưởng đến sức khoẻ con người [12] gây các bệnh về xương, thận và các bệnh ung thư Vai trò của axit silicic như một yếu tố bổ sung hiệu quả trong việc giảm độc tính của Cd với thực vật đã được làm sáng tỏ trong nhiều nghiên cứu Thông qua việc làm tăng pH môi trường [13] hoặc kích thích rễ cây tiết các hợp chất tạo chelate với kim loại [14], axit silicic có thể giảm độc tính Cd đối với thực vật Ngoài ra, rào cản vật lý được hình thành bởi sự lắng đọng của axit silicic nội và ngoại bào có thể làm giảm độ xốp vách tế bào rễ, do đó làm giảm nồng độ kim loại trong xylem [15]
Trong khi đó, sự tương tác giữa axit silicic
và Cd trong môi trường đất lại chưa được đề cập tới Do vậy, nghiên cứu này được thực hiện nhằm góp phần làm rõ sự tác động của axit silicic đến sự tích luỹ Cd trong đất lúa
1*Phạm Văn Quang Điện thoại: 097.338.4216
E-mail: phamvanquang@hus.edu.vn
Trang 22 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu
2.1 Đối tượng nghiên cứu
5 mẫu đất tầng mặt (0 – 25cm) lấy ngẫu
nhiên trong khu vực canh tác lúa nước rộng
80ha tại xã Đại Áng, huyện Thanh Trì, tp Hà
Nội vào tháng 3/2016 được phơi khô không khí
và đồng nhất qua rây 1mm Mẫu nghiên cứu sau
đó được tạo thành khi trộn 5 mẫu đất kể trên
với thể tích bằng nhau Các tính chất cơ bản của
mẫu nghiên cứu được phân tích theo các
phương pháp thông dụng trong phòng thí
nghiệm trong đó Si và Cd hoà tan được chiết rút
với H2O theo tỷ lệ 5,0g đất : 50ml H2O
Bảng 1 Một số tính chất của mẫu nghiên cứu(*)
Chất hữu cơ (%) pHKCl Si hoà tan (mg/kg)Cd2+ (ppm) Sét (%)
3,62 ± 1,03 5,7 ± 0,1 67,2 ± 0,7 0,09 ± 0,02 16,0 ± 5,87
(*): Phân tích lặp lại 3 lần
2.2 Phương pháp nghiên cứu
2.2.1 Ảnh hưởng của hàm lượng axit silicic
đến sự tích luỹ cacdimi trong đất
5,0g đất được cân vào lọ nhựa dung tích
100ml Sau đó bổ sung 50ml các dung dịch có
chứa đồng thời Cd (pha từ Cd(NO3)2 tinh khiết,
xuất xứ Trung Quốc) và axit silicic (pha từ SiO2
tinh khiết; code: S-679, hãng W R Grace &
Co Davison, Mỹ) với nồng độ Cd2+ cố định tại
15mg/l trong khi hàm lượng Si thay đổi từ 0;
10; 20; 30; 40 hoặc 50 mg/l Hỗn hợp được lắc
150 vòng/phút trong 1h, để ổn định trong 12h
sau đó ly tâm để thu phần dung dịch ở 6000
vòng/phút trong 10 phút Hàm lượng Cd2+ trong
dung dịch xác định theo phương pháp quang
phổ phát xạ plasma (ICP – OES) với thiết bị
thuộc hãng Perkin Elmer (Mỹ)
2.2.2 Ảnh hưởng của axit silicic đến sự tích luỹ
cacdimi trong đất ở các pH khác nhau
5,0g đất được cân vào lọ nhựa dung tích 100ml Bổ sung Cd2+ và axit silicic sau đó sử dụng dung dịch HCl hoặc NaOH để điều chỉnh
pH hỗn hợp tới 3, 4, 5, 6, 7, 8 hoặc 9 sao cho tổng thể tích dung dịch sau bổ sung đạt 50ml, nồng độ Cd2+ 15mg/l và axit silicic 40mgSi/l Hỗn hợp được lắc 150 vòng/phút trong 1h và được để ổn định trong 12h sau đó tiến hành tương tự thí nghiệm trên
2.2.3 Ảnh hưởng của axit silicic đến sự tích luỹ
cacdimi trong đất trong điều kiện nền điện ly khác nhau
5,0g đất được cân vào lọ nhựa dung tích 100ml Bổ sung Cd2+ và axit silicic sau đó sử dụng dung dịch NaCl để điều chỉnh nền điện ly (EB) của dung dịch tới 0,0; 0,005; 0,01; 0,05 hoặc 0,1 N sao cho tổng thể tích dung dịch sau
bổ sung đạt 50ml, nồng độ Cd2+ 15mg/l và axit silicic 40mgSi/l Hỗn hợp được lắc 150 vòng/phút trong 1h và được để ổn định trong 12h sau đó tiến hành tương tự thí nghiệm trên
2.2.4 Ảnh hưởng theo thời gian của axit silicic
đến sự tích luỹ cacdimi của đất
50,0g đất khô không khí sau khi đồng nhất qua rây 1mm + 500ml dung dịch chứa 15 mgCd/l và 40 mgSi/l được lắc tại 150vòng/phút trong 1h Sau mỗi 24h, 50ml hỗn hợp được tách
ra sau khi hỗn hợp phân tán đều sao cho mật độ cấp hạt đồng nhất Lượng Cd2+ trong 50ml hỗn hợp tách ra sau mỗi 24h được phân tích tương
tự các thí nghiệm trên
3 Kết quả nghiên cứu
3.1 Ảnh hưởng của nồng độ axit silicic đến
sự tích luỹ cacdimi của đất
Khả năng tích luỹ Cd của mẫu đất nghiên cứu đạt 109,6mgCd/kg đất, sự có mặt của axit silicic khiến khả năng này giảm theo xu hướng
Trang 3tăng nồng độ axit silicic bổ sung Giá trị giảm
thấp nhất tại nồng độ axit silicic đạt 50mg/l với
mức giảm 7% (Hình 1)
Hình 1 Tác động của nồng độ axit silicic đến
sự tích luỹ cacdimi của đất
3.2 Ảnh hưởng của axit silicic đến sự tích luỹ
cacdimi trong đất ở các pH khác nhau
Khả năng tích luỹ Cd của đất tăng theo pH
do có sự thay đổi điện tích bề mặt theo hướng
tăng độ âm điện của các hợp phần có hoạt tính
cao trong đất như chất hữu cơ, khoáng sét, oxit
sắt/nhôm hay phytolith Khả năng tích luỹ Cd
của mẫu nghiên cứu tăng từ 98,0 lên 149,3
mg/kg (tăng 152,4%) khi pH tăng từ 3 lên 9
Giá trị này giảm xuống khi có sự bổ sung axit
silicic và thể hiện rõ ràng ở khoảng pH axít
(Hình 2) Tại pH 3, khi bổ sung axit silicic khả
năng tích luỹ cacdimi của đất giảm 28,2%
xuống 70,4mg/kg Tuy nhiên, sự ảnh hưởng của
axit silicic bị mất đi khi pH hỗn hợp >8 do sự
chuyển hoá Cd2+ thành Cd(OH)2
Hình 2 Sự tích luỹ cacdimi trong đất khi có
mặt axit silicic (40mg/l) ở các pH khác nhau
3.3 Ảnh hưởng của axit silicic đến sự tích luỹ cacdimi trong đất ở các nền điện ly khác nhau
Hình 3 Sự tích luỹ cacdimi trong đất khi có mặt axit silicic (40mg/l) ở các nền điện ly khác nhau Ngược với sự ảnh hưởng của pH, mẫu đất
ở thí nghiệm có EB lớn hơn sẽ có khả năng tích luỹ Cd nhỏ hơn do sự cạnh tranh của nền cation được bổ sung Cụ thể, khi bổ sung thêm EB từ 0 tới 0,1N sự tích luỹ Cd của mẫu nghiên cứu giảm từ 115,2 xuống 36,7mgCd/kg (Hình 3) Tác động làm giảm sự tích luỹ cacdimi trong đất bởi axit silicic vẫn được duy trì trong toàn dải nền điện ly thí nghiệm, tác động này trở nên
rõ ràng hơn ở EB >0,05N
3.3 Ảnh hưởng theo thời gian của axit silicic đến sự tích luỹ cacdimi của đất
Khả năng tích luỹ Cd của mẫu nghiên cứu tăng nhanh theo thời gian thí nhiệm, sau 24h đạt 79,4% và có xu hướng bão hoà sau ngày thứ 6 Khi axit silicic được bổ sung vào thí nghiệm, khả năng cố định Cd của mẫu nghiên cứu tiệm cận với mẫu đối chứng sau 7 ngày (138,7 so với 141,6mgCd/kg), trong khi lượng Cd tích luỹ ở 6 ngày đầu luôn nhỏ hơn so với mẫu không bổ sung axit silicic từ 7 đến 16% (Hình 4)
Trang 4Hình 4 Ảnh hưởng theo thời gian của axit silicic
đến sự tích luỹ cacdimi của đất
4 Thảo luận
Trong dung dịch, Si hoà tan tồn tại dưới
dạng Si(OH)4 với 1 phân tử Si liên kết với 4
nhóm hydroxyl (OH-) Khi thuỷ phân (phản ứng
1 và 2), Si(OH)4 có tính chất như một axit yếu
((pKa1 = 9,8; pKa2 = 11,8) do vậy hợp chất này
thường được viết dưới dạng H4SiO4
Si(OH)4 + H2O = SiO(OH)3- + H3O+ (1)
SiO(OH)3- + H2O= SiO2(OH)22- + H3O+ (2)
Tính axit cho phép Si tạo các liên kết với
Cd2+ theo phản ứng (3) và (4):
SiO(OH)3- + Cd2+= [(OH)3SiOCd]+ (3)
SiO2(OH)22- + Cd2+ = (OH)2SiO2Cd (4)
Theo Schindler và nnk (1976), Lindsay
(1979) và Cherepanov (1994) [10,6,16], ở nồng
độ axit silicic thấp, phức chất với kim loại nặng
tạo ra dưới dạng các hợp chất hoà tan trong khi
ở nồng độ cao hơn các phức chất này trở nên ít
tan hơn Như vậy khi bổ sung axit silicic vào
mẫu đất nghiên cứu, các phức hoà tan giữa axit
silicic và Cd2+ hình thành sẽ góp phần làm giảm
khả năng tích luỹ Cd vào đất
Trong giới hạn của nghiên cứu này, ảnh hưởng của hàm lượng axit silicic đến sự tích luỹ
Cd vào đất theo tương quan nghịch Ảnh hưởng này được duy trì cả khi pH và nền điện ly môi trường có sự thay đổi Tuy nhiên, trong điều kiện thí nghiệm: mẫu nghiên cứu có hàm lượng
Cd2+ rất nhỏ (0,09 ± 0,02ppm) và hệ thí nghiệm tĩnh, ảnh hưởng của axit silicic (40mg/l) gần như không còn sau 7 ngày
5 Kết luận
Nghiên cứu đã bước đầu làm đánh giá được tác động của axit silicic đến sự linh động của
Cd2+ trong môi trường đất Kết quả cho thấy, axit silicic làm giảm sự tích luỹ Cd2+ trong đất nghiên cứu, khi hàm lượng axit silicic bổ sung tăng từ 0 – 50mgSi/l lượng Cd tích luỹ trong đất giảm xuống thấp nhất đạt 93% so với mẫu đối chứng Xu hướng tác động này không thay đổi khi điều kiện pH và nền điện ly môi trường thay đổi từ 3 - 9 và 0 – 0,1N, tuy nhiên biểu hiện không rõ ràng ở pH > 8 và EB < 0,02N Mặt khác, ảnh hưởng của axit silicic ở nổng độ 40mg/l mất đi sau 7 ngày thí nghiệm
Cần có thêm các nghiên cứu về các tác động bởi tính chất, quá trình trong đất đến sự tương tác giữa axit silicic với Cd và đánh giá ảnh hưởng của dạng Cd tự do tạo ra dưới ảnh hưởng của axit silicic tới sức khoẻ môi trường Qua đó có những khuyến cáo phù hợp trong bối cảnh các dạng phân silic ngày càng được quan tâm sử dụng nhiều hơn trong nông nghiệp
Tài liệu tham khảo
1 J.F Parr, L.A Sullivan, Soil carbon sequestration in
phytoliths, Soil Biol Biochem 37 (2005) 117.
2 J.F Ma, N Yamaji, N Mitani et al, An efflux
transporter of silicon in rice, Nature 448 (2007) 209.
3 M Dietzel, Interaction of polysilicic and monomeric
silicicic acid with mineral surfaces, in: Water-Rock
Interaction, Kluwer Academic Publishers (2002) 207.
Trang 54 V Volkova, Silicate content in soil solutions and
natural waters of the Russian plain Nauka
Publication, Moscow (1980).
5. V.A Kovda, Biogeochemistry of soil cover Nauka
Publication, Moscow, (1985) 159.
6. W.L Lindsay, Chemical equilibria in soils, Wiley
Interscience, NewYork (1979).
7 D.G Lumsdon, V.C Farmer, Solubility characteristics
of protoimogolite sols: how silicic acid can de-toxify
aluminium solutions, Eur Soil Sci 46 (1995) 179.
8 V.V Matichenkov, Y.M Ammosova, Effect of
amorphous silica on soil properties of asodpodzolic
soil, Eurasian Soil Sci 28 (1996) 87.
9 K Myhr, K Erstad, Converter slag a liming material
on organic soils, Nor J Agric Sci 10 (1996) 8.
10 P.W Schindler, B Furst, R Dick et al, Ligand
properties of surface silanol groups I Surface
complex formation with Fe 3+ , Cu 2+ , Cd 2+ , and Pb 2+ , J
Colloid Interface Sci 55 (1976) 469.
11 M.A Oliver, Soil and human health: a review, Euro J
Soil Sci 8 (1997) 573.
12 D.C Adriano, Trace Elements in the Terrestrial
Environment New York: Springer; (1986) 533.
13 H.M Chen, C.R Zheng, C Tu et al, Chemical methods and phytoremediation of soil contaminated
with heavy metals, Chemosphere, 41 (2000) 229.
14 P Kidd, M Llugany, C Poschenrieder, The role of root exudates in aluminum resistance and silicon-induced amelioration of aluminum toxicity in three
varieties of maie J Exp Bot, 52 (2001) 1339.
15 Q Shi, Z Bao, Z Zhu et al, Silicon-mediated alleviation of Mn toxicity in Cucumis sativus in relation to activities of superoxide dismutase and
ascorbate peroxidase, Phytochemistry, 66 (2005) 1551.
16 K.A Cherepanov, G.I Chernish, V.M Dinelt, J.I Suharev, The Utilization of Secondary Material
Resources in Metallurgy, Moscow: Metallurgy 1994.
The Effect of silicic acid on cadmium accumulation in paddy soil
Pham Van Quang1,*, Hoang Thi Nhung1
1 Faculty of Environmental Science, VNU University of Science, Vietnam National University
Abstract.Silicon (Si) can indeed be seen as the silver bullet for mitigating biotic and abiotic stress, and improving grain quality Silicic acid (H4SiO4) is the unique Si form used by plants This is also an extremely active form interacting with environmental components The role of silicic acid in reducing the toxicity of Cd to plants has been explained by increasing the soil pH; stimulating the root to release compounds which form chelate with metals and/or depositing Si on the cell wall that prevents the migration of Cd through the xylem Meanwhile, the interaction between silicic acid and Cd in the soil environment has not been investigated Therefore, this research studied the relationship between silicic acid and the accumulation of Cd2+ in paddy soil under different conditions (silicic acid concentrations, pH, electric background and experiment time) All investigations were carried out in laboratory using slurry experiments The results showed that the presence of silicic acid increased Cd2+ in the solution and reduced the accumulation of Cd in the soil The similar effect was found under changing pH and EB conditions Nevertheless, the effect did not occur after 7 days of experiment at silicic acid concentration of 40mg/l
Keywords: silicic acid (Si(OH) 4 ), cadmium (Cd), paddy soil.