Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu cadimi trong đất và tích lũy trong rau ăn lá tại Việt Nam

Luận án tiến sĩ nghiên cứu cadimi trong nhóm đất Việt Nam và tích luỹ cadimi trong rau ăn lá, đóng góp quan trọng cho nông nghiệp bền vững.

• Tác giả: Hà Mạnh Thắng
• Người hướng dẫn: PGS. Phạm Quang Hà
• Trường học: Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam
• Chuyên ngành: Khoa học đất
• Đề tài: Nghiên cứu Cadimi trong một số nhóm đất ở Việt Nam và tích lũy Cadimi trong rau ăn lá
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Cadimi trong đất

Cadimi trong đất là một vấn đề nghiên cứu quan trọng trong nông nghiệp và môi trường. Cadimi (Cd) là một kim loại nặng độc hại, có khả năng tích lũy trong đất và gây ảnh hưởng đến cây trồng, động vật và sức khỏe con người. Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá hàm lượng cadimi trong đất tại các vùng nông nghiệp chính ở Việt Nam, bao gồm đất phù sa, đất xám, đất đỏ và đất cát. Kết quả cho thấy, hàm lượng Cd trong đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố như loại đất, vùng sinh thái và tác động của các hoạt động công nghiệp, đô thị hóa. Việc xác định nguồn gốc và mức độ ô nhiễm Cd trong đất là cơ sở quan trọng để đề xuất các biện pháp quản lý và giảm thiểu ô nhiễm.

1.1. Nguồn gốc cadimi trong đất

Nguồn gốc cadimi trong đất chủ yếu đến từ các hoạt động công nghiệp, sử dụng phân bón hóa học và chất thải đô thị. Các nghiên cứu chỉ ra rằng, phân bón chứa Cd là một trong những nguyên nhân chính gây tích lũy cadimi trong đất nông nghiệp. Ngoài ra, nước thải công nghiệp và chất thải làng nghề cũng góp phần làm tăng hàm lượng Cd trong đất. Việc xác định rõ nguồn gốc Cd giúp đưa ra các giải pháp hiệu quả để kiểm soát và giảm thiểu ô nhiễm.

1.2. Phân bố cadimi trong các loại đất

Phân bố cadimi trong các loại đất khác nhau phụ thuộc vào đặc điểm địa chất và canh tác. Kết quả nghiên cứu cho thấy, đất phù sa sông Hồng và đất xám bạc màu có hàm lượng Cd cao hơn so với đất đỏ và đất cát. Sự khác biệt này liên quan đến khả năng hấp thụ và giữ lại Cd của từng loại đất. Việc hiểu rõ sự phân bố Cd giúp xác định các vùng có nguy cơ ô nhiễm cao và đề xuất các biện pháp canh tác phù hợp.

II. Tích lũy cadimi trong rau ăn lá

Tích lũy cadimi trong rau ăn lá là một vấn đề nghiêm trọng đối với an toàn thực phẩm và sức khỏe con người. Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá mức độ tích lũy Cd trong các loại rau ăn lá như cải mơ và rau muống. Kết quả cho thấy, hàm lượng Cd trong rau phụ thuộc vào nồng độ Cd trong đất và loại đất canh tác. Đất phù sa sông Hồng và đất xám bạc màu có khả năng tích lũy Cd trong rau cao hơn so với các loại đất khác. Việc xác định mối quan hệ giữa Cd trong đất và rau ăn lá là cơ sở quan trọng để đề xuất các biện pháp giảm thiểu tích lũy Cd trong nông sản.

2.1. Ảnh hưởng của cadimi đến sinh trưởng rau

Ảnh hưởng của cadimi đến sinh trưởng rau được nghiên cứu thông qua các thí nghiệm trên đất phù sa sông Hồng và đất xám bạc màu. Kết quả cho thấy, Cd trong đất ảnh hưởng tiêu cực đến sinh trưởng và năng suất của rau cải mơ và rau muống. Hàm lượng Cd cao trong đất làm giảm khả năng hấp thụ dinh dưỡng của cây, dẫn đến giảm năng suất và chất lượng rau. Việc xác định ngưỡng an toàn của Cd trong đất là cần thiết để đảm bảo sản xuất rau an toàn.

2.2. Mối quan hệ giữa cadimi trong đất và rau

Mối quan hệ giữa cadimi trong đất và rau được phân tích thông qua hệ số tương quan. Kết quả cho thấy, có mối tương quan chặt chẽ giữa hàm lượng Cd trong đất và Cd tích lũy trong rau ăn lá. Điều này khẳng định rằng, việc kiểm soát Cd trong đất là yếu tố then chốt để giảm thiểu tích lũy Cd trong rau. Nghiên cứu này cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng các tiêu chuẩn về Cd trong đất và nông sản.

III. Ô nhiễm cadimi tại Việt Nam

Ô nhiễm cadimi tại Việt Nam đang trở thành một vấn đề nghiêm trọng, đặc biệt tại các vùng nông nghiệp ven đô thị và khu công nghiệp. Nghiên cứu này đánh giá hiện trạng ô nhiễm Cd tại các vùng trồng rau trọng điểm như Đồng bằng sông Hồng và Đông Nam Bộ. Kết quả cho thấy, hàm lượng Cd trong đất và rau ăn lá tại các vùng này vượt quá ngưỡng an toàn, đe dọa đến sức khỏe cộng đồng. Việc xác định các nguồn gây ô nhiễm và đề xuất các giải pháp quản lý là cần thiết để bảo vệ môi trường và sức khỏe con người.

3.1. Nguyên nhân ô nhiễm cadimi

Nguyên nhân ô nhiễm cadimi chủ yếu đến từ các hoạt động công nghiệp, sử dụng phân bón hóa học và chất thải đô thị. Các khu công nghiệp và làng nghề thải ra lượng lớn chất thải chứa Cd, gây ô nhiễm đất và nguồn nước. Ngoài ra, việc sử dụng phân bón chứa Cd trong nông nghiệp cũng góp phần làm tăng hàm lượng Cd trong đất. Việc xác định rõ nguyên nhân giúp đưa ra các giải pháp hiệu quả để kiểm soát ô nhiễm.

3.2. Giải pháp giảm thiểu ô nhiễm

Giải pháp giảm thiểu ô nhiễm cadimi bao gồm việc kiểm soát nguồn thải, sử dụng phân bón an toàn và áp dụng các biện pháp xử lý đất ô nhiễm. Nghiên cứu đề xuất việc xây dựng các tiêu chuẩn về Cd trong đất và nông sản, đồng thời tăng cường giáo dục và nâng cao nhận thức của người dân về tác hại của Cd. Các giải pháp này góp phần bảo vệ môi trường và đảm bảo an toàn thực phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Cadimi và một số ứng dụng Cadimi tên la tinh là Cadmium, ký kiệu hoá học (Cd) là nguyên tố hoá học nhóm II trong hệ thống tuần hoàn Mendeleev, số thứ tự nguyên tử 48 khối lượng nguyên tử 112,41. Nguyên tố này do nhà hoá học Đức Stromeyer tìm ra năm 1817 không thuộc loại nguyên tố đặc biệt quen thuộc. Đó là một nguyên tố hiếm, chiếm 1,3.10-5% khối lượng vỏ trái đất. Cd thường gặp với kẽm trong các quặng, tên gọi của nguyên tố này cho thấy mối liên hệ với kẽm, (tiếng cổ Hy Lạp ‘’Cadmea’’ có nghĩa là các quặng kẽm và kẽm ôxit, tiếng Anh là Cadmium) và trong đó người ta tìm thấy Cd.

Về tính chất vật lý và hoá học Cd giống với kẽm hơn hết. Cd là một kim loại có màu trắng bạc, mềm dễ rèn, dễ cán, trong môi trường không khí Cd bị mờ đục do lớp màng CdO bảo vệ khỏi bị oxi hoá tiếp tục. Cd tác dụng với các halogen, tan chậm trong axit, nhưng khá bền trong môi trường kiềm, khác với kẽm. Sự khác chủ yếu giữa Cd và kẽm là tính bazơ của hidroxit Cd(OH)2 thể hiện khá rõ rệt, trong khi đó kẽm hidroxit lại lưỡng tính.

Cd trong tự nhiên phần lớn tồn tại dưới các dạng muối (Cd2+) ít khi tồn tại ở dạng nguyên chất. Cd có nhiệt độ sôi là 756oC, các muối Cd có tích số tan thấp khoảng 0. Ứng dụng thực tế của Cd và hợp chất của nó khá đa dạng. Vì đồng vị 113Cd hấp thụ tốt các nơtron nhiệt (lò phản ứng hạt nhân), Cd sử dụng rộng rãi làm thanh điều chỉnh trong công nghiệp chế tạo lò phản ứng.

Cd có trong thành phần các hợp kim dễ nóng chảy dùng để làm chất hàn, một phần khá lớn Cd sử dụng để mạ kim loại, một vài hợp chất của Cd có màu sắc khá rực rỡ bởi vậy người ta dùng cađimi sunfua (CdS) để chế tạo các loại sơn màu vàng có sắc thái khác nhau. Trong công nghiệp sơn người ta dùng catmopon là hai sản phẩm của cùng một phản ứng (từ điển bách khoa hoá học, 1996). CdSO4 + BaS = CdS + BaSO4 Nguồn: Từ điển bách khoa hoá học, 1996 Ứng dụng thường thấy của Cd là sản xuất pin, acquy, dùng mạ kim loại. Ngoài ra, do có tác dụng cho màu sắc đẹp, nó thường dùng làm phẩm màu trong sản xuất sơn, đồ trang sức, đồ chơi trẻ em.do Cd rất độc, độc gấp nhiều lần so với chì, mà người ta quy định Cd không chứa quá giới hạn cho phép trong môi trường, đặc biệt   4 trong các sản phẩm có dùng các hợp chất chứa độc chất này.

Cd là một nguyên tố không thiết yếu ảnh hưởng tiêu cực đến tăng trưởng và phát triển của cây trồng, gây độc cho môi trường sinh thái và động vật. Cd được phát tán và xâm nhập vào môi trường bởi chất thải của các nhà máy điện, hệ thống sưởi ấm, các ngành công nghiệp kim loại hoặc giao thông đô thị. Nó được sử dụng rộng rãi trong mạ điện, bột màu, chất ổn định nhựa và pin niken-cadimi (Sanita di Toppi and Gabrielli, 1999). Đôc tính của Cd trong thực vật Ô nhiễm môi trường do kim loại trở nên rộng rãi khi các hoạt động khai thác và công nghiệp tăng vào cuối thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20, nó bắt nguồn từ sự gia tăng số lượng lớn các nguồn nhân tạo khác nhau (nước thải và chất thải rắn công nghiệp, nước thải đô thị, nhà máy xử lý nước thải; phân bón, thuốc BVTV trong nông nghiệp, bãi rác, hoạt động khai thác khoáng sản.), đã ảnh hưởng dần dần đến các hệ sinh thái khác nhau (Macfarlane and Burchett, 2001).

Thực vật sở hữu cơ chế tế bào nội môi để điều chỉnh nồng độ của các ion kim loại bên trong tế bào nhằm giảm thiểu thiệt hại tiềm năng có thể phát sinh do tiếp xúc với các ion kim loại không cần thiết, vai trò của thành tế bào, màng huyết tương và mycorrhizas, là rào cản chính chống lại sự thâm nhập Cd đối với tế bào. Độc tính và khả năng chịu đựng kim loại trong thực vật là một chủ đề đã được đánh giá rộng rãi, được các nhà khoa học quan tâm ngay từ những năm đầu của thế kỷ 20. Trong số các kim loại này, Fe, Mo và Mn có vai trò quan trọng như vi chất dinh dưỡng, trong khi Zn, Ni, Cu, Co, Va và Cr là các nguyên tố độc hại, có tầm quan trọng cao hoặc thấp là nguyên tố vi lượng. Cd và các nguyên tố (Ag, As, Hg, Pb, Sb) không có chức năng được biết đến như chất dinh dưỡng và dường như ít nhiều độc hại đối với thực vật và vi sinh vật (Niess, 1999).

Độc tính của Cd và các kim loại phụ thuộc vào dạng hóa trị, pH và sự có mặt của các ion khác (Das P et al, 1997), các triệu chứng độc tính quan sát thấy ở thực vật với sự có mặt của một lượng kim loại nặng quá mức có thể là do một loạt các tương tác ở cấp độ tế bào (Hall, 2002). Độc tính có thể là kết quả của việc gắn kim loại với các nhóm sulphydryl trong protein, dẫn đến ức chế hoạt động hoặc gián đoạn cấu trúc. Enzyme là một trong những mục tiêu chính bị tác động do các ion kim loại nặng, đất   5 bị phơi nhiễm kéo dài với kim loại nặng dẫn đến giảm đáng kể hoạt động của các enzym trong đất. Sự tương tác kim loại với các nhóm ligand của enzyme phần lớn xác định độc tính của chúng, sự ức chế enzym gây biến tính các protein (Das et al.

Ngoài ra, dư thừa kim loại nặng có thể kích thích sự hình thành các gốc tự do và các loại ôxy phản ứng (Dietz et al, 1999). Để thích ứng và đối phó với các kim loại độc hại cao, hoặc để duy trì mức kim loại thiết yếu trong phạm vi sinh lý, thực vật đã phát triển các cơ chế phức tạp phục vụ kiểm soát sự hấp thụ, tích tụ và giải độc kim loại. Cd được các nhà khoa học công nhận là một chất ô nhiễm cực nguy hiểm do độc tính cao và độ hòa tan lớn trong nước, các dung dịch đất không bị ô nhiễm có nồng độ Cd dao động từ 0,04 đến 0,32 mM. Dung dịch đất có nồng độ Cd thay đổi từ 0,32 đến khoảng 1 mM có thể được coi là ô nhiễm đến mức vừa phải (Pinto et al.

Cd trong đất có thể làm thay đổi sự hấp thụ của các chất khoáng dinh dưỡng của thực vật, phụ thuộc vào nồng độ của Cd sẵn có trong đất, hoặc thông qua việc tác động làm giảm mật độ hoạt động của vi khuẩn, vi sinh vật, sinh vật trong đất (Moreno JL et al. Cd có tác động đến việc mở khí khổng, thoát hơi và quang hợp của thực vật, tuy nhiên ở thực vật việc sử dụng dinh dưỡng chứa hàm lượng Cd cao có tác động lớn hơn so với hàm lượng Cd từ đất (Sanitá di Toppi và Gabrielli, 1999). Nghiên cứu đã cho thấy bệnh nhiễm đốm lá, cuộn lá và còi cọc là các triệu chứng ngộ độc Cd chính và dễ thấy ở thực vật. Bệnh vàng lá có thể xuất hiện là thiếu Fe (Haghiri, 1973), thiếu phốt pho hoặc giảm vận chuyển Mn (Godbold and Hutterman, 1985).

Sự ức chế của reductase gốc Fe (III) gây ra bởi Cd dẫn đến thiếu Fe (II) và nó ảnh hưởng nghiêm trọng đến quang hợp (Alcantara et al. Nói chung, Cd đã được chứng minh là can thiệp vào sự hấp thu, vận chuyển và sử dụng một số nguyên tố (Ca, Mg, P and K) và nước bằng thực vật (Das P et al. Cd cũng làm giảm sự hấp thụ nitrat và vận chuyển của nó từ rễ sang chồi, bằng cách ức chế hoạt động của nitrate reductase trong các chồi (Hernandez et al. Sự ức chế khả năng ức chế hoạt động của nitrate reductase cũng được tìm thấy ở thực vật Silene cucubalus (Mathys, 1975).

Cd còn cho thấy ảnh hưởng đến sự cố định nitơ và đồng hóa amoniac trong các nốt của cây đậu tương ở các thí nghiệm nghiên cứu về độc tính của Cd đến cây trồng (Balestrasse et al. Độc tính kim loại có thể ảnh hưởng đến tính thấm của màng tế bào, làm giảm hàm lượng nước; cụ thể là Cd đã được báo cáo là tương tác với sự cân bằng nước   6 (Barcelo et al., 1986; Poschenrieder et al. Cd đã được chứng minh là làm giảm hoạt tính ATPase của phần màng huyết tương của rễ lúa mì và hướng dương. Cadimi tạo ra sự thay đổi trong chức năng của màng bằng cách gây ra lipid peroxidation (Fodor và cộng sự, 1995) và rối loạn trong quá trình chuyển hóa lục lạp bằng cách ức chế sinh tổng hợp chlorophyll và giảm hoạt động của các enzyme liên quan đến cố định CO2 (De Filippis và Ziegler, 1993).

Một số nghiên cứu trước đây cho rằng ức chế quá trình oxy hóa có thể liên quan đến độc tính Cd, bằng cách gây ra oxy tự do hoặc bằng cách giảm các chất chống oxy hóa enzyme và không enzyme (Balestrasse và cộng sự, 2001; Fornazier et al., 2002; Cho and Seo, 2004). Sự lão hóa nhanh được quan sát thấy trong các nốt của cây đậu tương được xử lý bằng Cd là do ức chế oxy hóa do kim loại tạo ra (Balestrasse et al. Tác động của Cd đối với thực vật phụ thuộc vào nhiều cơ chế sinh lý và phân tử liên quan bao gồm sự hấp thu và tích tụ Cd thông qua liên kết với dịch ngoại bào và thành tế bào, sự phức tạp của các ion bên trong tế bào bởi nhiều chất khác nhau ví dụ như (axit, ferritin, phytochelatin và metallothionein). Các phản ứng phòng ngừa ức chế sinh hóa nói chung như sự kích thích các enzym chống oxy hóa và kích hoạt hoặc điều chỉnh sự trao đổi chất thực vật để cho phép vận hành đầy đủ các đường chuyển hóa và sửa chữa nhanh các cấu trúc tế bào bị hư hại (Hall, 2002; Cho M và cộng sự, 2003).

Độc tính sinh học của Cd và một số kim loại bị hạn chế do độ hòa tan thấp trong nước oxy hóa và gắn kết chặt chẽ với các hạt đất. Cả hai quá trình axit hóa của thân rễ và sự tiết dịch carboxylat được coi là các mục tiêu tiềm năng để tăng cường tích tụ kim loại (Clemens et al. Mức độ ảnh hưởng của Cd đối với cây trồng phụ thuộc vào nồng độ của nó trong đất và khả dụng sinh học của nó, được điều tiết bởi sự hiện diện của chất hữu cơ, pH, khả năng oxi hóa khử, nhiệt độ và nồng độ của các nguyên tố khác.