CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 1.1 Kim loại nặng, trầm tích, ảnh hưởng và nguồn gốc phát tán kim loại nặng trong trầm tích sông 1.1 Kim loại nặng Kim loại nặng (KLN) là các nguyên tố xuất hiện ở tự nhiên có khối lượng riêng (theo g/cm3) lớn hơn 5 [7]: crom (Cr) (7,15), chì (Pb) (11,34), thủy ngân (Hg) (15,534), cadimi (Cd) (8,65), asen (As) (5,73), mangan (Mn) (7,21),. Các KLN được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như nông nghiệp, công nghiệp, y tế và khoa học dẫn đến phát thải lượng lớn ra môi trường, gây gia tăng nguy cơ tác động tiềm ẩn đối với sức khỏe con người và hệ thống sinh thái. Độc tính KLN phụ thuộc vào nhiều khía cạnh như liều lượng, hình thức xâm nhập, dạng hóa học, tuổi, giới tính, di truyền học và tình trạng sức khỏe của cá thể phơi nhiễm. Do mức độc tính cao, nên As, Cd, Cr, Pb, Hg thường được ưu tiên đánh giá bởi khả năng gây ra tổn hại đối với nhiều cơ quan, được xem là hóa chất gây ung thư đối với người (theo Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ và các cơ quan quốc tế nghiên cứu ung thư) [7].
Ngoài ra, một số KLN được tìm thấy trong cơ thể người và cần thiết cho sức khỏe, như sắt (Fe), kẽm (Zn), coban (Co), Mn, molipden (Mo) và đồng (Cu). Mặc dù các kim loại hiện diện với lượng rất ít nhưng nó đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển hóa. Tuy nhiên, ở nồng độ cao các kim loại thiết yếu có thể gây nguy hiểm đối với vòng đời của sinh vật và con người.2 Trầm tích sông Trầm tích là dạng vật chất tự nhiên bị phá vỡ do các quá trình xói mòn, thời tiết, từ đó được dòng chảy vận chuyển và tích tụ ở các lớp trên bề mặt hoặc đáy tại khu vực chứa nước: ao, hồ, sông, suối, biển…. Sự hình thành các lớp trầm tích là quá trình tích tụ và lắng đọng chất lơ lửng (dạng vô cơ và hữu cơ) sau đó tạo thành trầm tích.
Quá trình tích lũy trầm tích thành các lớp theo thời gian có thể diễn ra ở ao, hồ, sông, biển [8]. Thành phần của các lớp trầm tích bao gồm: thạch học chủ yếu là bột, sét (chiếm đến 80-90%), còn lại các thành phần cát hạt nhỏ, vụn cơ học, mùn hữu cơ (chiếm khoảng 6 20%); thành phần hóa học chủ yếu gồm SiO2, Al2O3, Fe2O3, một số kim loại nặng như Cu, Zn, Cd, As, Pb, Hg, Cr, antimon (Sb), Mn chiếm một lượng nhỏ; thành phần khoáng vật chính là thạch anh, sét kaolinit, sét monmorilonit, một ít felspat, gơtit và mảnh vụn đá. Hàm lượng KLN trong trầm tích lớn hơn so với tầng nước phía trên và liên quan chặt chẽ với các ion kim loại tan trong nước. Các KLN tích lũy trong nước đi vào trầm tích và ngược lại, KLN dạng di động trong trầm tích có khả năng hòa tan vào môi trường nước.
Do đó, trầm tích được xem là đối tượng chỉ thị quan trọng để đánh giá và nghiên cứu mức ô nhiễm trong môi trường.3 Các nguồn gây ô nhiễm KLN KLN là thành phần tự nhiên trong môi trường và một số dạng rất cần thiết cho sinh vật sống, nhưng trở nên độc hại ở nồng độ cao. KLN là một trong những chất gây ô nhiễm môi trường phổ biến nhất và sự xuất hiện trong nước cùng với trầm tích cho thấy sự tồn tại của các nguồn tự nhiên hoặc nhân tạo [9]. Các hoạt động tự nhiên như hoạt động của núi lửa, bão, lụt, sóng thần. hoặc từ các mỏ khoáng sản, từ các loại đá trầm tích có thể gây ra ô nhiễm KLN.
Tuy nhiên, nguồn gốc chính gây ra ô nhiễm các KLN là do hoạt động của con người. Các KLN có thể đi vào nguồn đất, nước và không khí thông qua các chất thải công nghiệp hay người tiêu dùng giải phóng các KLN vào sông suối, hồ, sông, và nước ngầm. Không giống như các chất gây ô nhiễm hữu cơ, KLN không phân hủy tạo ra một thách thức rất lớn đối với các biện pháp khắc phục ô nhiễm. Một thảm họa môi trường nổi tiếng gắn liền với các KLN là bệnh Minamata do ô nhiễm thủy ngân ở Nhật Bản.
Một số đơn vị công nghiệp thường thải ra các KLN độc hại vào môi trường được liệt kê trong Bảng 1.1 Một số nước thải ra từ các nhà máy giấy, nhà máy phân bón có thêm kiềm, amoni, xianua và các KLN vào các nguồn nước. Nước thải từ các ngành công nghiệp luyện gang, cán thép, làm sạch kim loại, mạ điện, sản xuất pin, acquy, khai thác mỏ. thường chứa một lượng đáng kể của các ion KLN. Ngoài ra 7 thuốc diệt cỏ, thuốc trừ sâu và các chất độc hại khác qua quá trình phân hủy từ từ, các KLN không bị loại bỏ và vẫn tồn tại trong đất, trầm tích tại nơi nó được thải ra.1 Nguồn thải một số kim loại của một số ngành công nghiệp phổ biến STT Kim loại Nguồn phổ biến Crom (Cr) (cả hai Mạ crom, lọc dầu, các ngành công nghiệp mạ điện, da, 1 hóa trị III và VI) thuộc da, sản xuất dệt may và chế biến bột giấy.
Mạ điện, sơn và bột, sản xuất pin, luyện kim và phân bón 2 Niken (Ni) supe lân. 3 Chì (Pb) Công nghiệp luyện kim, sản xuất pin, acquy, nhựa… Ngành công nghiệp mạ điện, công nghiệp nhựa, luyện 4 Đồng (Cu) kim và công nghiệp khí thải. Công nghiệp cao su, sơn, thuốc nhuộm, chất bảo quản gỗ 5 Kẽm (Zn) và thuốc mỡ. Pin niken-cadimi, các ngành công nghiệp mạ điện, phân bón phosphate, chất tẩy rửa, sản phẩm tinh chế dầu mỏ, 6 Cadimi (Cd) bột sơn màu, thuốc trừ sâu, ống mạ kẽm, nhựa, polyvinyl và nhà máy lọc dầu.
7 Sắt (Fe) Tinh chế kim loại, bộ phận động cơ. Các ngành công nghiệp sản xuất dây điện, gốm sứ, phụ 8 Nhôm (Al) tùng ô tô, nhôm photphat và thuốc trừ sâu. 9 Asen (As) Bụi công nghiệp, chất bảo quản gỗ và thuốc nhuộm. Bóng đèn điện, chất bảo quản gỗ, thuộc da, thuốc mỡ, 10 Thủy ngân (Hg) nhiệt kế, keo dán và sơn.4 Cơ chế và các yếu tố ảnh hưởng đến sự tích lũy KLN vào trầm tích Những nguyên tố kim loại khi được đưa đến bề mặt của trầm tích và được giữ lại thông qua hấp phụ, đông đặc hoặc chất keo tụ và kết hợp vào cấu trúc mạng tinh thể của khoáng chất (ví dụ Fe-Mn oxit), hay kết tủa bằng cách hình thành các dạng không tan (chẳng hạn như các sunfua kim loại).
8 Kim loại tích lũy trong trầm tích bắt nguồn từ tự nhiên và nhân tạo. Khả năng tích lũy kim loại vào trầm tích diễn ra theo ba cơ chế như sau: Khả năng hấp phụ hóa lý bởi môi trường nước. Khả năng hấp thu sinh học từ các sinh vật và chất hữu cơ. Khả năng tích lũy vật lý của các hạt vật chất thông qua sự lắng đọng trầm tích.
Khả năng hấp phụ hóa lý kim loại trực tiếp từ nước được thực hiện thông qua sự hấp phụ các kim loại lên bề mặt hạt keo đất, sự trao đổi ion, các phản ứng tạo phức của KLN với chất hữu cơ hoặc từ sự diễn ra các phản ứng hóa học dẫn đến các nguyên tố thay đổi trạng thái oxi hóa, các hợp chất ít tan được hình thành (muối sunfua). Khả năng hấp thu sinh học được hình thành do các sinh vật trong nước hấp thu kim loại, các kim loại tạo phức với hợp chất hữu cơ, hệ vi sinh vật trong trầm tích diễn ra hoạt động sinh hóa. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tích lũy kim loại trong môi trường trầm tích: Thứ nhất, chức năng của thông số địa hóa trong môi trường (lượng chất rắn lơ lửng TDS); Thứ hai, vai trò của thành phần hạt trầm tích với hàm lượng bột, sét càng cao thì khả năng tích lũy kim loại càng thuận lợi; Thứ ba, ảnh hưởng từ lượng vật chất hữu cơ; Thứ tư, ảnh hưởng từ thành phần khoáng vật trong môi trường trầm tích. Các khoáng vật trong môi trường trầm tích mang tính nhớt, kết dính càng cao thì khả năng tích lũy kim loại càng cao; Thứ năm, ảnh hưởng từ nguồn nguyên liệu đầu vào giúp hình thành lớp trầm tích và khoảng cách của nguồn phát thải kim loại.5 Ảnh hưởng của một số KLN Một số KLN ở nồng độ thấp giúp kích thích quá trình sinh học, tuy nhiên, ở nồng độ vượt ngưỡng quy định sẽ trở nên độc hại.
Do không phân hủy sinh học, các KLN tích tụ ở các bậc dinh dưỡng khác nhau thông qua chuỗi thức ăn và ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Ở người các KLN này tích tụ trong mô sống nên gây nên sự nguy hại. Một số KLN gây khó chịu đối với thể chất, một số KLN khác có thể dẫn đến 9 nguy hại tính mạng, ảnh hưởng hệ thống cơ thể sống, và nhiều tác động khác. Ảnh hưởng chủ yếu và rủi ro sức khỏe con người của một số KLN được đề cập dưới đây.1 Cadimi (Cd) Cd trong tự nhiên xuất hiện khắp nơi của lớp vỏ của trái đất với nồng độ trung bình khoảng 0,1 ppm.
Tuy nhiên, hàm lượng Cd báo cáo có thể lên đến 9 mg/kg trong môi trường trầm tích sông và hồ, dao động khoảng 0,03 - 1 mg/kg trong trầm tích biển. Lượng Cd ở những vùng đất không có núi lửa dao động khoảng 0,01 - 1 mg/kg, ở những vùng xuất hiện sự hoạt động của núi lửa Cd có thể đạt mức 4,5 mg/kg. Tuy nhiên theo Murray và cộng sự [10] báo cáo rằng lượng Cd trong đất hiện diện khoảng 0,06 - 1,1 ppm. Quặng Cd tương đối hiếm và tồn tại chủ yếu ở dạng CdS có lẫn một số kim loại như Zn, Cu, Pb trong quặng.
Cd là kim loại có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp. Một số ứng dụng chính của Cd là chế tạo hợp kim có nhiệt độ nóng chảy thấp, dùng trong mạ điện, chế tạo vật liệu, lớp mạ thép, chất ổn định trong PVC, chất tạo màu trong plastic và thủy tinh, và thuộc thành phần của nhiều hợp kim…đây chính là các nguyên nhân dẫn đến phát tán Cd trong môi trường. Tác động đối với sức khỏe con người của Cd: ở nồng độ rất thấp Cd vẫn có thể gây độc hại đối với cơ thể con người do khả năng tích lũy sinh học cao. Sau khi xâm nhập, Cd can thiệp vào các quá trình sinh học, các enzim liên quan đến kẽm, magie và canxi, dẫn đến tổn hại gan, thận, gây loãng xương và ung thư.
Ở Thụy Điển, một nghiên cứu trên 1021 đối tượng nam và nữ bị nhiễm độc Cd cho thấy nhiễm độc kim loại này gây tăng nguy cơ gãy xương ở độ tuổi trên 50.