Mục tiêu nghiên cứu của luận án là đánh giá khả năng hạn chế tính linh động và tích lũy của Pb trong đất trồng lúa bằng việc bổ sung khoáng zeolite và bentonite vào môi trường đất và đề xuất một số giải pháp giảm thiểu tác động của Pb đến môi trường và con người.
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-
NGUYỄN NGỌC TÚ
NGHIÊN CÚU SỬ DỤNG MỘT SỐ KHOÁNG VẬT PHYLLOSILICAT VÀ TECTOSILICAT ĐỂ HẠN CHẾ TÍNH LINH ĐỘNG CỦA KIM LOẠI NẶNG
TRONG ĐẤT NÔNG NGHIỆP KHU VỰC HUYỆN VĂN LÂM,
Trang 2Công trình được hoàn thành tại: Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng cấp Đại học Quốc gia
chấm luận án tiến sĩ họp tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
vào hồi giờ ngày tháng năm 20
Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Quốc gia Việt Nam;
- Trung tâm Thông tin - Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội
Trang 3MỞ ĐẦU
1 Tính cấp thiết của đề tài luận án
Làng nghề Đông Mai thuộc xã Chỉ đạo, huyện Văn Lâm, tỉnh Hưng Yên hoạt động tái chế ắc quy chì và gây ra nhiều nguy cơ tiềm ẩn ảnh hưởng tới sản xuất nông nghiệp và sức khỏe người dân Khoáng sét, đặc biệt là khoáng silicate, bổ sung vào đất để hạn chế tính linh động của kim loại và giảm khả năng hấp thu của cây trồng là một trong những giải pháp xử lý tại chỗ được ưu tiên phát triển Từ cơ sở khoa học và thực tiễn nêu trên, luận
án được thực hiện với tiêu đề: “Nghiên cứu sử dụng một số khoáng vật phyllosilicat và tectosilicat để hạn chế tính linh động của kim loại nặng trong đất nông nghiệp khu vực huyện Văn Lâm, Hưng Yên”
2 Mục tiêu của luận án
Mục tiêu chung: Đánh giá khả năng hạn chế tính linh động và tích lũy của
Pb trong đất trồng lúa bằng việc bổ sung khoáng zeolite và bentonite vào môi trường đất và đề xuất một số giải pháp giảm thiểu tác động của Pb đến môi trường và con người
3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của luận án
Đối tượng nghiên cứu được sử dụng trong luận án bao gồm: i/ Đất lúa tại khu vực xã Chỉ Đạo, huyện Văn Lâm, tỉnh Hưng Yên; ii/ Các khoáng vật silicate: nhóm zeolite và nhóm bentonite; iii/ Giống lúa Bắc Thơm 7 kháng bạc lá; iv/ Cấu trúc silic sinh học trong đất lúa, trong cây lúa Phạm vi nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và trong nhà lưới
4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
4.1 Ý nghĩa khoa học của luận án
- Luận án đã bổ sung thêm thông tin về hiện trạng và các dạng tồn tại của
Pb trong môi trường đất trồng lúa tại xã Chỉ Đạo, huyện Văn Lâm, tỉnh Hưng Yên, là khu vực chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi hoạt động tái chế ắc quy trong thời gian qua
- Luận án cung cấp cơ sở khoa học sử dụng các nhóm khoáng vật zeolite và bentonite để hạn chế tính linh động, và từ đó giảm lượng Pb tích lũy vào cây lúa/gạo
Trang 4- Luận án đã làm rõ được "số phận" của dạng Pb tích lũy trong cây lúa (rơm rạ), tác động của dạng Pb này đối với môi trường đất và mối liên hệ với vấn đề sử dụng rơm rạ sau thu hoạch
4.2 Ý nghĩa thực tiễn của luận án
- Đánh giá được khả năng kiểm soát tính linh động của Pb trong đất lúa; ảnh hưởng của khoáng bổ sung đến tích lũy Pb trong lúa và trong gạo, mức
độ ảnh hưởng của việc bổ sung khoáng silicat đến sinh trưởng và phát triển của cây lúa thí nghiệm
- Đưa ra một số giải pháp hạn chế ảnh hưởng của Pb tồn dư trong môi trường đất lúa đến con người và hệ sinh thái tại khu vực nghiên cứu
5 Điểm mới của luận án
- Luận án đã đánh giá được ảnh hưởng của việc bổ sung các loại khoáng zeolite và bentonite đến tính linh động của Pb trong môi trường đất lúa và khả năng tích lũy Pb của cây lúa và trong gạo Đặc biệt, nghiên cứu của luận án còn thực hiện đánh giá một cách tương đối toàn diện những tác động của bổ sung khoáng silicate đến khả năng sinh trưởng và phát triển của cây lúa thí nghiệm
- Luận án đã đánh giá được các dạng tồn tại của Pb trong đất nghiên cứu (ví dụ: dạng tự do, dạng cacbonate, liên kết với chất hữu cơ và các oxit), đặc biệt phát hiện đất lúa nghiên cứu có chứa một lượng PhytPb (dạng Pb trong cấu trúc phytolith trong rơm rạ) là kết quả của quá trình hoàn trả rơm
rạ (nhiễm Pb) lại cho đất Kết quả nghiên cứu này có thể là tiền đề cho việc
đề xuất giải pháp quản lý và xử lý rơm rạ nhiễm Pb
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Nguồn ô nhiễm Pb và một số biện pháp xử lý
1.1.1 Nguồn gốc ô nhiễm Pb trong môi trường đất
a Từ hóa chất nông nghiệp
b Từ phân gia súc và chất hữu cơ
c Từ nước thải và chất thải công nghiệp
d Từ không khí
1.1.2 Hợp chất vô cơ của Pb và chuyển hóa Pb trong đất
Trang 51.1.3 Yếu tố ảnh hưởng đến trạng thái tồn tại của Pb trong đất
a Ảnh hưởng của pH đất
b Ảnh hưởng của chất hữu cơ
c Ảnh hưởng của hàm lượng sét
1.1.4 Hiện trạng ô nhiễm Pb trong đất khu vực nghiên cứu
1.1.5 Một số biện pháp xử lý ô nhiễm Pb trong môi trường đất
1.2 Hấp thu, tích lũy và chuyển hóa Pb trong thực vật
1.2.1 Quá trình hấp thu Pb trong thực vật
1.2.2 Quá trình tích lũy và vận chuyển Pb trong thực vật
1.2.3 Ảnh hưởng của Pb đối với thực vật
a Tác động của Pb đến hoạt động của enzym
b Tác động của Pb đến hoạt động quang hợp
c Tác động của Pb đến khả năng hấp thu và tích lũy dinh dưỡng
d Khả năng đáp ứng độc tính Pb của thực vật
1.3 Ứng dụng khoáng vật zeolite và bentonite hạn chế tích lũy kim loại nặng trong thực vật
1.3.1 Tổng quan về vật liệu khoáng zeolite và bentonite
1.3.2 Zeolit giảm tích lũy kim loại nặng trong cây trồng
1.3.3 Bentonit giảm tích lũy của kim loại nặng trong cây trồng
Chương 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng và vật liệu nghiên cứu
2.1.1 Mẫu đất sử dụng trong nghiên cứu
Vị trí tọa độ và sơ đồ lấy mẫu được trình bày trong Bảng 2.1 và Hình 2.1 Bảng 2.1: Vị trí tọa độ các điểm lấy mẫu đất lúa của luận án
Kí hiệu Tọa độ vị trí lấy mẫu Mô tả vị trí lấy mẫu
Đ01 20°59'9.98"N 106° 3'17.46"E Đất trồng lúa sau thu hoạch Đ02 20°59'12.75"N 106° 3'19.87"E Đất trồng lúa sau thu hoạch Đ03 20°59'13.93"N 106° 3'24.28"E Đất trồng lúa sau thu hoạch Đ04 20°59'15.04"N 106° 3'30.17"E Đất trồng lúa sau thu hoạch Đ05 20°59'20.87"N 106° 3'33.45"E Đất trồng lúa sau thu hoạch Đ06 20°59'9.55"N 106° 3'13.62"E Đất trồng lúa sau thu hoạch
Trang 6Kí hiệu Tọa độ vị trí lấy mẫu Mô tả vị trí lấy mẫu
Đ07 20°59'9.30"N 106° 3'9.86"E Đất trồng lúa sau thu hoạch Đ08 20°59'9.88"N 106° 3'6.82"E Đất trồng lúa sau thu hoạch Đ09 20°59'10.75"N 106° 3'2.75"E Đất trồng lúa sau thu hoạch Đ10 20°59'14.31"N 106° 3'0.22"E Đất trồng lúa sau thu hoạch Các mẫu đất được lấy tại lớp đất bề mặt có độ sâu từ 0 – 20cm Mỗi thửa ruộng lấy 03 mẫu tại 3 vị trí khác nhau sau đó được trộn lại thành 1 mẫu hỗn hợp cho thửa ruộng đó
Hình 2.1: Sơ đồ lấy mẫu đất lúa trong nghiên cứu
2.1.2 Lúa, rơm rạ và gạo sử dụng trong nghiên cứu
a/ Mẫu lúa: Lúa được sử dụng là giống Bắc Thơm 7 kháng bạc lá, là giống lúa cảm ôn, gieo cấy được 02 vụ trong năm, có thời gian sinh trưởng ngắn
Mạ sau 10 – 13 ngày tuổi sẽ được lựa chọn
b/ Mẫu rơm rạ: Mẫu rơm rạ là các mẫu đối chứng này không được bổ sung thêm khoáng nên mô phỏng tương tự như cây lúa ngoài thực địa
c/ Mẫu gạo: Các mẫu gạo được sử dụng trong nghiên cứu để đánh giá khả năng tích lũy Pb được thu hồi từ các công thức thí nghiệm trong chậu vại
2.1.3 Mẫu vật liệu zeolite và bentonite sử dụng trong nghiên cứu
2.1.3.1 Vật liệu zeolite 4A và zeolite faujasite
Các khoáng vật zeolite này là sản phẩm nghiên cứu đề tài khoa học công nghệ của Học viện Nông nghiệp Việt Nam, mã số: T2017-04-24
Trang 7Bảng 2.2: Đặc trưng của vật liệu zeolite 4A và zeolite faujasite
Bentonite tự nhiên (bentonite TN): nguồn bentonite tự nhiên sử dụng trong nghiên cứu được lấy từ mỏ bentonite ở xã Tam Bố, huyện Di Linh, tỉnh Lâm Đồng Bentonite biến tính bằng chống cột (bentonite BT): Từ vật liệu bentonite Di Linh tự nhiên, thực hiện biến tính vật liệu bằng phương pháp hóa lý sử dụng tác nhân biến tính là Al3+
trên quy mô phòng thí nghiệm Bảng 2.3: Tính chất khoáng bentonite sử dụng trong nghiên cứu
2 Khoảng cách cơ sở, A0
2.2 Nội dung nghiên cứu
Luận án được thực hiện với 3 nội dung chính như sau:
Nội dung 1: Tính chất đất và Pb trong đất lúa khu vực nghiên cứu
Nội dung 2: Ảnh hưởng khoáng silicate đến Pb linh động trong đất lúa Nội dung 3: Đặc điểm tích lũy Pb trong đất lúa và cây lúa
2.3 Phương pháp nghiên cứu
2.3.1 Xác định một số đặc tính cơ bản của đất lúa
2.3.1.1 Xác định thành phần cơ giới đất
2.3.1.2 Xác định pH đất
2.3.1.3 Xác định độ dẫn điện
2.3.1.4 Xác định hàm lượng chất chữu cơ
2.3.1.5 Xác định dung tích trao đổi cation
2.3.1.6 Xác định thành phần hóa học
2.3.1.7 Xác định dạng tồn tại của Pb trong đất lúa
Trang 82.3.1.8 Xác định dạng Pb khác trong đất lúa
a/ Thu hồi cấu trúc silic sinh học của đất lúa
b/ Thành phần hóa học của cấu trúc silic sinh học của đất lúa
c/ Xác định hàm lượng Pb trong cấu trúc silic sinh học của đất lúa
2.3.2 Xác định ảnh hưởng của zeolite và bentonite đến Pb linh động trong đất
2.3.2.1 Phương pháp bố trí thí nghiệm trong chậu
Bảng 2.4: Nguyên tắc bố trí các nghiệm thức thí nghiệm
- Chỉ tiêu phân tích: Pb linh động và Pb tổng số trong môi trường đất lúa, trước khi bắt đầu thí nghiệm, theo chu kỳ sinh trưởng của cây lúa; Pb tích lũy trong cây và hạt lúa
- Các chỉ tiêu theo dõi: chỉ tiêu sinh trưởng, phát triển và năng suất của cây lúa Chu kỳ sinh trưởng và phát triển của cây lúa trải qua 06 giai đoạn theo dõi (Bảng 2.5)
Bảng 2.5: Các giai đoạn phát triển và thông số đánh giá thí nghiệm
TT Giai đoạn Thời gian, ngày Chỉ tiêu
6 Chín 109 (137) - pH, Pb linh động, Pb trong lúa
và gạo và các chỉ tiêu sinh trưởng
2.3.2.2 Phân tích các dạng Pb và khả năng sinh trưởng của cây lúa
a Xác định Pb linh động trong đất
Trang 9Phương pháp chiết Pb linh động được thực hiện theo TCVN 7727:2007 – Chất lượng đất – Chiết các nguyên tố vết bằng dung dịch đệm DTPA
(Diethylien Triamon Pentadiacetic Acid 0,005 M)
b Xác định Pb tổng số trong cây lúa
Hàm lượng Pb tổng số trong cây lúa và gạo được xác định bằng phương
pháp cường thủy
c Xác định khả năng sinh trưởng của thực vật
Các phương pháp đo đạc sinh trưởng của cây lúa được thực hiện theo QCVN 01-55 : 2011/BNNPTN như sau:
Bảng 2.6: Phương pháp phân tích và đo đạc kết quả thí nghiệm
1 Chiều cao thân* Đo bằng thước Đo từ mặt đất đến đỉnh bông
cao nhất, không kể râu hạt Số cây mẫu: 10
2 Kích thước lá Đo bằng thước
3 Số lượng bông* Đếm số bông có ít nhất 10 hạt chắc của một
cây, số cây mẫu: 5
4 Chiều dài hạt Đo đạc bằng thước kẹp với số lượng 20 hạt
5 Khối lượng hạt* Cân 8 mẫu 100 hạt ở độ ẩm 14%, gam
2.3.2.3 Phương pháp xử lý thống kê
Các số liệu thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của việc bổ sung khoáng vật zeolit và bentonit đến Pb linh động trong đất lúa được xử lý và kiểm định
sai khác giữa các giá trị trung bình bằng phân tích t – test
2.3.3 Quan hệ đất – lúa thông qua Pb trong cấu trúc silic sinh học
2.3.3.1 Xác định thành phần hóa học mẫu tro rơm rạ sau nung
2.3.3.2Xác định Pb trong cấu trúc silic sinh học của cây lúa
Chương 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.1 Tính chất đất và Pb trong đất lúa khu vực nghiên cứu
3.1.1 Thành phần và tính chất của đất lúa trong nghiên cứu
3.1.1.1 Một số tính chất hóa lý của đất lúa
Kết quả phân tích một số tính chất cơ bản của đất lúa khu vực nghiên cứu tại thôn Đông Mai, xã Chỉ Đạo, huyện Văn Lâm, tỉnh Hưng Yên được trình
Trang 10bày trong Bảng 3.1
Bảng 3.1: Một số tính chất vật lý, hóa học của đất nghiên cứu
3,41 (0,01)
3,90 (0,01)
4,14 (0,01)
3,92 (0,01)
4,65 (0,02)
4,59 (0,01)
3,69 (0,01)
5,20 (0,03)
OC (%)
2,44
(0,02)
2,24 (0,02)
2,39 (0,05)
2,09 (0,02)
1,89 (0,02)
2,90 (0,05)
2,04 (0,02)
2,12 (0,02)
2,60 (0,05)
1,33 (0,04)
234,3 (17,6)
163,3 (2,46)
178,7 (11,3)
165,2 (4,07)
129,5 (4,90)
156,2 (4,16)
163,5 (4,15)
92,6 (2,2) CEC cmol c 100 13 15,4 12,2 11,4 11,6 13,2 12,7 11,9 13,5 12,8
Thành phần cơ giới các mẫu có tỷ lệ cấp hạt sét từ 3,67% đến 8,0%; limon
từ 50,01% đến 63,13% và cát từ 32,10% đến 46,33% Đất trong nghiên cứu thuộc loại đất thịt hoặc thịt pha cát
Hình 3.1: Kết quả phân tích thành phần cơ giới đất nghiên cứu Giá trị CEC trung bình khoảng 12,8 cmolc.100g-1, có dung tích trao đổi cation trung bình Kết quả phân tích thành phần hóa học của các mẫu đất bằng phương pháp PIXE được trình bày trong Bảng 3.2
Trang 11Bảng 3.2: Thành phần hóa học của đất lúa trong nghiên cứu
3.1.1.2 Thành phần khoáng học của đất lúa
Theo kết quả XRD tại Hình 3.2 thì các thành phần khoáng vật học chính tại đất lúa khu vực thôn Đông Mai, xã Chỉ Đạo, huyện Văn Lâm chủ yếu là Quartz, Kaolinite và Illite
Hình 3.2: Phổ nhiễu xạ tia X của cấp hạt sét (< 2 m) xử lý ở các điều kiện khác nhau: (i) xử lý ở 550C, (ii) bão hòa với KCl, (iii) bão hòa với MgCl2
và (iv) solvat hóa trong ethyleneglycol
Trang 123.1.2 Các dạng tồn tại của Pb trong đất lúa khu vực nghiên cứu
Các dạng tồn tại của Pb trong đất lúa thu được từ các quá trình chiết được
mô tả trong Bảng 3.3
Bảng 3.3: Các dạng tồn tại của Pb trong đất nghiên cứu
Trao đổi 166,9 154,0 180,6 153,4 164,6 87,4 50,7 55,0 101,3 29,6 Liên kết carbonate 419,5 337,5 351,1 388,0 481,4 279,8 216,6 259,2 300,8 136,0 Liên kết Fe, Mn 233,4 178,8 190,5 234,0 353,6 223,3 175,1 198,5 217,1 100,5 Liên kết hữu cơ 0,02 0,02 0,02 0,12 0,31 0,02 0,26 0,47 0,08 0,7 Chiết bằng CaCl 2 25,3 11,8 20,2 2,8 2,6 5,5 1,2 0,4 3,6 1,7 Hàm lượng tổng* 1.116 921 1.014 1.090 1.766 972 816 827 1.064 404
Hầu hết Pb trong đất ở nghiên cứu này được tồn tại chủ yếu dưới dạng trao đổi (114,4 53,3 mg.kg-1), dạng liên kết với carbonate (317,0 95,9 mg.kg-1) và dạng liên kết với các oxit Fe và Mn (210,5 60,6 mg.kg-1) Hàm lượng Pb dưới dạng liên kết với chất hữu cơ ở mức thấp (0,3 0,2
mg.kg-1)
Hình 3.3: Các dạng tồn tại của Pb trong môi trường đất
3.1.3 Dạng Pb trong cấu trúc silic sinh học trong đất lúa
Trang 13Pb trong cấu trúc silic sinh học là dạng Pb "đặc biệt", xuất hiện trong đất
khi rơm rạ hoặc tàn dư cây lúa chứa Pb được quay vòng lại đồng ruộng
Hình 3.4 Cấu trúc silic sinh học ("xương cây") trong thân cây lúa được tái
tạo nhờ công nghệ chụp cắt lớp siêu hiển vi (µCT)
Kết quả cho thấy hàm lượng của các cấu trúc silic trong các mẫu đất này biến thiên trong khoảng rộng khi thay đổi từ 1,76 đến 8,67 g.kg-1
(Hình
3.5)
Hình 3.5: Hàm lượng cấu trúc silic sinh học của đất lúa
Trang 14Hình 3.6: Hình thái cấu trúc silic sinh học của đất (a), thành phần hóa học
bằng phổ EDS (b) Cấu trúc silic sinh học được tách ra từ các mẫu đất lúa tại khu vực nghiên cứu tồn tại dưới nhiều hình dạng khác nhau: dạng que, song tinh, tấm bản Hàm lượng Pb có trong các cấu trúc silic sinh học này dao động từ 0,43 đến 0,73 mg.g-1
khi chiết bằng dung dịch cường thủy
Hình 3.7: Hàm lượng Pb trong cấu trúc silic sinh học của đất lúa Với hàm lượng của cấu trúc silic sinh học trong đất dao động trong khoảng
từ 1,76 đến 8,67 g.kg-1
nên hàm lượng Pb tích lũy trong cấu trúc này dao động từ 1,29 đến 4,89 mg.kg-1
Trang 15
3.2 Ảnh hưởng của các khoáng vật zeolite và bentonite đến sự linh động của Pb trong đất và sự tích lũy Pb trong cây
3.2.1 Ảnh hưởng khoáng vật zeolite và bentonite đến linh động của Pb trong đất
Sau 3 vụ thí nghiệm, từ hàm lượng Pb linh độngtrong các mẫu đối chứng trung bình khoảng 54,34 mg.kg-1
, hàm lượng Pb linh động còn lại trong đất khoảng 32,41 mg.kg-1, đạt hiệu suất giảm khả năng linh động của Pb khoảng 40,25%
Hình 3.8: Pb linh động trong đất với công thức bổ sung khoáng
Bảng 3.4: Kiểm định sự sai khác có ý nghĩa của giá trị trung bình của Pb linh động, mg.kg-1
Bentonite tự
nhiên
52,74 (±1,02)
36,25a(±3,00)
35,55a(±4,25)
33,16b(±2,11)
33,01c(±2,56)
31.07c(±3,88) Bentonite biến
tính
59,81 (±5,03)
36,25a(±4,49)
35,20a(±3,15)
34,70b(±2,82)
34,12c(±2,68)
32,71c(±2,38)
(±3,79)
34,37a(±2,39)
32,14b(±5,50)
28,69c(±5,09)
29,66c(±4,93)
29,25c(±2,33) Zeolite
Faujasite
51,64 (±3,03)