Tổng quan nghiên cứu

Thuốc trừ sâu nhóm carbamate, đặc biệt là fenobucarb, được sử dụng rộng rãi trong nông nghiệp Việt Nam nhằm bảo vệ cây trồng, đặc biệt là lúa nước. Theo ước tính, lượng thuốc trừ sâu tiêu thụ trung bình trên các vùng trồng lúa là khoảng 3,34 kg/ha mỗi vụ, trong đó fenobucarb chiếm tỷ lệ đáng kể do tính hiệu quả và thời gian bán hủy ngắn. Tuy nhiên, việc sử dụng thuốc trừ sâu này cũng gây ra ô nhiễm môi trường đất và nước, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái thủy sinh. Mức độ tồn lưu và phân hủy của fenobucarb trong đất bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố môi trường như pH, chất hoạt động bề mặt, và các hợp chất hữu cơ hòa tan (DOC).

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xây dựng quy trình chiết tách và phân tích fenobucarb trong mẫu nước bằng thiết bị GC/MS, đồng thời đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố môi trường như pH và chất hoạt động bề mặt đến sự phân hủy fenobucarb trong đất bị ngập. Nghiên cứu được thực hiện trên mẫu đất lấy từ ruộng lúa tại Việt Nam trong giai đoạn 2020-2021, nhằm cung cấp cơ sở khoa học cho việc đánh giá tác động môi trường của thuốc trừ sâu carbamate và đề xuất các giải pháp quản lý phù hợp.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc kiểm soát ô nhiễm thuốc trừ sâu trong môi trường đất và nước, góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng và phát triển nông nghiệp bền vững. Các chỉ số như giới hạn phát hiện (LOD) fenobucarb đạt 0,005 µg/L và giới hạn định lượng (LOQ) là 0,015 µg/L cho thấy độ nhạy cao của phương pháp phân tích được phát triển.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về sự phân hủy thuốc trừ sâu trong môi trường đất và nước, bao gồm:

  • Lý thuyết hấp phụ và nhả hấp phụ thuốc trừ sâu trong đất: Hệ số hấp phụ K_OC biểu thị tỷ lệ thuốc trừ sâu liên kết với các phân tử đất so với phần hòa tan trong nước, phụ thuộc vào thành phần cơ giới và hàm lượng cacbon hữu cơ trong đất.
  • Mô hình phân hủy sinh học và hóa học của carbamate: Fenobucarb phân hủy qua các quá trình thủy phân, quang hóa và phân hủy sinh học, tạo ra các sản phẩm trung gian như amin, rượu, phenol và CO_2.
  • Ảnh hưởng của các yếu tố môi trường: pH môi trường ảnh hưởng đến tốc độ thủy phân và quang phân của fenobucarb; chất hoạt động bề mặt (SDS) có thể tăng cường hòa tan và hoạt tính sinh học, từ đó ảnh hưởng đến quá trình phân hủy.

Các khái niệm chính bao gồm: fenobucarb, carbamate, hấp phụ, nhả hấp phụ, pH, chất hoạt động bề mặt, GC/MS, giới hạn phát hiện (LOD), giới hạn định lượng (LOQ).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là mẫu đất lấy từ ruộng lúa tại Việt Nam, được xử lý và chuẩn bị theo quy trình chuẩn. Mẫu đất được trộn với dung dịch fenobucarb chuẩn để đạt nồng độ ban đầu 5 µg/g khối lượng khô. Các thí nghiệm phân hủy fenobucarb được tiến hành trong hệ đất-nước với các điều kiện pH khác nhau (5, 7, 9) và có/không có chất hoạt động bề mặt SDS (1 cmc = 2,4 g/L).

Phương pháp phân tích fenobucarb sử dụng thiết bị sắc ký khí khối phổ (GC/MS) với cột mao quản ZB5MSi dài 30 m, đường kính trong 0,25 mm, lớp pha tĩnh dày 0,25 µm. Khí mang là heli tinh khiết 99,9999% với tốc độ 1,15 mL/phút. Chương trình nhiệt độ cột bắt đầu ở 90°C giữ 2 phút, tăng đến 300°C với tốc độ 8°C/phút, giữ 4 phút cuối. Nhiệt độ bơm mẫu, nguồn ion và detector lần lượt là 250°C, 220°C và 300°C. Thể tích mẫu bơm 1 µL ở chế độ không chia dòng (splitless).

Phương pháp chiết tách fenobucarb trong mẫu nước được khảo sát bằng hai kỹ thuật: chiết lỏng-lỏng và chiết pha rắn (SPE) trên cột C18. Phân tích số liệu sử dụng phương trình hồi quy tuyến tính để xây dựng đường chuẩn, xác định LOD, LOQ, độ chính xác và độ lặp lại của phép đo. Cỡ mẫu thí nghiệm được thực hiện theo từng thời điểm lấy mẫu trong khoảng 2 giờ đến 5 ngày, với các lần lặp lại đảm bảo độ tin cậy.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Xây dựng quy trình phân tích fenobucarb trên GC/MS:

    • Thời gian lưu của fenobucarb ổn định ở 6,28 phút với điều kiện tối ưu.
    • Đường chuẩn tuyến tính trong khoảng 0,2 - 0,8 µg/L với hệ số tương quan R² cao, đảm bảo độ chính xác.
    • Giới hạn phát hiện (LOD) đạt 0,005 µg/L, giới hạn định lượng (LOQ) là 0,015 µg/L, phù hợp với yêu cầu phân tích dư lượng thuốc trừ sâu trong môi trường.

  2. Ảnh hưởng của pH đến sự phân hủy fenobucarb trong đất:

    • Tốc độ phân hủy tăng khi pH tăng từ 5 đến 9, với mức phân hủy fenobucarb trong đất đạt khoảng 70% sau 5 ngày ở pH 9, so với khoảng 40% ở pH 5.
    • Sản phẩm chuyển hóa chính được xác định là 2-sec-butylphenol, xuất hiện nhiều hơn ở pH kiềm.
    • Nồng độ fenobucarb trong pha nước cũng giảm nhanh hơn ở pH cao, cho thấy sự nhả hấp phụ và phân hủy đồng thời diễn ra hiệu quả.

  3. Ảnh hưởng của chất hoạt động bề mặt SDS đến phân hủy fenobucarb:

    • SDS làm tăng hiệu suất nhả hấp phụ fenobucarb từ đất vào nước, với tỷ lệ nhả hấp phụ tăng khoảng 20% so với điều kiện không có SDS.
    • Sự phân hủy fenobucarb trong hệ đất-nước có SDS nhanh hơn, đạt khoảng 65% sau 5 ngày.
    • Sản phẩm chuyển hóa tương tự như trong điều kiện pH, nhưng nồng độ sản phẩm trung gian cao hơn, cho thấy SDS có vai trò xúc tác trong quá trình phân hủy.

  4. So sánh với các nghiên cứu trước đây:

    • Kết quả phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về ảnh hưởng của pH và chất hoạt động bề mặt đến phân hủy carbamate.
    • Tốc độ phân hủy nhanh hơn trong điều kiện thực địa so với phòng thí nghiệm, do tác động của các yếu tố môi trường phức tạp.
    • Phương pháp GC/MS phát triển có độ nhạy và độ chính xác cao, vượt trội so với các phương pháp HPLC hoặc ELISA truyền thống.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân tốc độ phân hủy fenobucarb tăng ở pH cao là do phản ứng thủy phân và quang phân diễn ra mạnh hơn trong môi trường kiềm. Sự hiện diện của SDS làm tăng khả năng hòa tan fenobucarb trong pha nước, từ đó tăng cường tiếp xúc với các tác nhân phân hủy như vi sinh vật và ánh sáng. Các sản phẩm chuyển hóa như 2-sec-butylphenol có thể có độc tính thấp hơn, tuy nhiên cần nghiên cứu thêm về tác động môi trường của chúng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện nồng độ fenobucarb và sản phẩm chuyển hóa theo thời gian ở các điều kiện pH và SDS khác nhau, cũng như bảng so sánh hiệu suất phân hủy và nhả hấp phụ. Kết quả này cung cấp cơ sở khoa học để đánh giá rủi ro ô nhiễm thuốc trừ sâu trong môi trường đất ngập nước và đề xuất các biện pháp quản lý phù hợp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng quy trình phân tích GC/MS trong giám sát môi trường:

    • Động từ hành động: Triển khai
    • Target metric: Độ nhạy và độ chính xác phân tích fenobucarb
    • Timeline: Trong 1 năm tới
    • Chủ thể thực hiện: Các phòng thí nghiệm môi trường và cơ quan quản lý.

  2. Kiểm soát pH môi trường đất và nước trong vùng trồng lúa:

    • Động từ hành động: Điều chỉnh và giám sát
    • Target metric: Giảm nồng độ fenobucarb tồn dư trên 30% trong 3 vụ mùa
    • Timeline: 2-3 năm
    • Chủ thể thực hiện: Nông dân, cơ quan quản lý nông nghiệp.

  3. Quản lý và hạn chế sử dụng chất hoạt động bề mặt trong nước tưới:

    • Động từ hành động: Giám sát và hạn chế
    • Target metric: Giảm 20% nồng độ SDS trong nguồn nước tưới trong 2 năm
    • Chủ thể thực hiện: Các cơ quan môi trường và ngành công nghiệp xử lý nước thải.

  4. Nâng cao nhận thức và đào tạo về sử dụng thuốc trừ sâu an toàn:

    • Động từ hành động: Tổ chức đào tạo
    • Target metric: 80% nông dân được đào tạo về sử dụng thuốc trừ sâu an toàn trong 1 năm
    • Chủ thể thực hiện: Các tổ chức nông nghiệp, chính quyền địa phương.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu môi trường và hóa học phân tích:

    • Lợi ích: Áp dụng phương pháp phân tích GC/MS để nghiên cứu dư lượng thuốc trừ sâu và các sản phẩm chuyển hóa trong môi trường.
    • Use case: Phát triển các nghiên cứu sâu hơn về tác động môi trường của thuốc trừ sâu carbamate.

  2. Cơ quan quản lý nông nghiệp và môi trường:

    • Lợi ích: Cơ sở khoa học để xây dựng chính sách quản lý thuốc trừ sâu, kiểm soát ô nhiễm đất và nước.
    • Use case: Thiết lập các tiêu chuẩn giám sát và quy định sử dụng thuốc trừ sâu an toàn.

  3. Nông dân và tổ chức đào tạo nông nghiệp:

    • Lợi ích: Hiểu rõ tác động của thuốc trừ sâu và các yếu tố môi trường đến hiệu quả và an toàn sử dụng.
    • Use case: Áp dụng các biện pháp canh tác bền vững, giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

  4. Các nhà quản lý và kỹ sư xử lý nước thải:

    • Lợi ích: Nắm bắt ảnh hưởng của các chất hoạt động bề mặt và thuốc trừ sâu trong nước tưới và nước thải.
    • Use case: Thiết kế hệ thống xử lý nước hiệu quả, giảm thiểu ô nhiễm thuốc trừ sâu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Fenobucarb là gì và tại sao được chọn nghiên cứu?
    Fenobucarb là thuốc trừ sâu nhóm carbamate được sử dụng phổ biến trong trồng lúa do hiệu quả diệt sâu và thời gian bán hủy ngắn. Nó được chọn vì tính phổ biến và nguy cơ ô nhiễm môi trường cao, đặc biệt trong đất bị ngập.

  2. Phương pháp GC/MS có ưu điểm gì trong phân tích fenobucarb?
    GC/MS cho phép phân tích với độ nhạy cao (LOD 0,005 µg/L), độ chính xác và khả năng xác định cấu trúc phân tử, vượt trội so với các phương pháp HPLC hay ELISA truyền thống.

  3. Yếu tố pH ảnh hưởng thế nào đến sự phân hủy fenobucarb?
    pH cao (kiềm) làm tăng tốc độ thủy phân và quang phân fenobucarb, dẫn đến phân hủy nhanh hơn so với pH thấp (axit hoặc trung tính).

  4. Chất hoạt động bề mặt SDS ảnh hưởng ra sao đến fenobucarb trong đất?
    SDS làm tăng khả năng hòa tan fenobucarb trong nước, thúc đẩy quá trình nhả hấp phụ từ đất vào nước và tăng tốc độ phân hủy, đồng thời có thể đóng vai trò như chất xúc tác.

  5. Các sản phẩm chuyển hóa của fenobucarb có độc tính không?
    Sản phẩm chính như 2-sec-butylphenol thường có độc tính thấp hơn fenobucarb, nhưng cần nghiên cứu thêm để đánh giá đầy đủ tác động môi trường và sức khỏe.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công quy trình chiết tách và phân tích fenobucarb trong mẫu nước bằng GC/MS với độ nhạy cao và độ chính xác tốt.
  • Phân hủy fenobucarb trong đất bị ảnh hưởng rõ rệt bởi pH và chất hoạt động bề mặt SDS, với tốc độ phân hủy tăng khi pH cao và có SDS.
  • Sản phẩm chuyển hóa chính được xác định là 2-sec-butylphenol, xuất hiện nhiều hơn trong điều kiện kiềm và có SDS.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc đánh giá tác động môi trường của thuốc trừ sâu carbamate và đề xuất các biện pháp quản lý hiệu quả.
  • Đề xuất triển khai áp dụng phương pháp phân tích và các giải pháp quản lý trong vòng 1-3 năm tới nhằm giảm thiểu ô nhiễm thuốc trừ sâu trong môi trường đất và nước.

Luận văn mở ra hướng nghiên cứu tiếp theo về ảnh hưởng đồng thời của nhiều yếu tố môi trường đến sự phân hủy và chuyển hóa thuốc trừ sâu, đồng thời kêu gọi các nhà nghiên cứu và quản lý môi trường áp dụng kết quả để bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.