MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay ô nhiễm kim loa ̣i nă ̣ng (KLN) trong môi trƣờng đấ t do tác nhân nhân sinh đã trở thành vấn đề môi trƣờng đáng báo động. Hiện trạng này ngày càng tăng không những đe dọa tới sản xuất nông nghiệp và chất lƣợng nông sản , mà còn ảnh hƣởng gián tiếp tới sức khoẻ con ngƣời và động vật thông qua chuỗi thƣ́c ăn. Sƣ̣ gia tăng dân số , các nhà máy công sở , các khu vui chơi giải trí , các dịch vụ xã hội trong quá trình đô thị hóa làm cho lƣợng nƣớc thải tăng lên rất nhanh tại các đô thị đặc biệt là các đô thị lớn.
Cơ sở ha ̣ tầ ng về thoát nƣớc ta ̣i hầ u hế t các đô thi ̣ở Viê ̣t Nam hiê ̣n nay đang bi ̣xuố ng cấ p , bị lấn chiế m cùng với lƣơ ̣ng nƣớc thải gia tăng dẫn tới tin ̀ h tra ̣ng quá tải hê ̣ thố ng thoát nƣớc và nguy cơ ô nhiễm môi trƣờng do nƣớc thải. Sƣ̣ ô nhiễm này không chỉ ảnh hƣởng trƣ̣c tiế p đế n môi trƣờng ta ̣i các đô thi ̣mà còn ảnh hƣởng lớn đế n vùng ven đô nơi tiế p nhâ ̣n nguồ n nƣớc này. Ngày nay tại các vùng ven đô này , do tin ̀ h tra ̣ng khan hiế m nguồ n nƣớc tƣới nên ngƣời ta thƣờng tái s ử dụng nƣớc thải làm nƣớc tƣới cho canh tác nông nghiệp. Viê ̣c tái sử dụng nƣớc thải làm nƣớc tƣới đã mang l ại cả tác dụng có lợi và có ha ̣i , đó là tận dụng đƣợc nguồn dinh dƣỡng trong nƣớc thải tuy nhiên trong nguồn nƣớc thải này có chứa rất nhiều nhân tố gây ha ̣i nhƣ KLN , các chất hữu cơ độc hại khó phân hủy, các loại vi trùng gây bệnh, v.có hại cho sƣ́c khỏe con ngƣ ời.
Những chất độc hại trên mô ̣t phầ n sẽ tích lũy trên cây lƣơng thƣ̣c , rau quả và s ẽ để lại hậu quả nghiêm trọng cho con ngƣời nếu ăn phải, phần còn lại sẽ tích lũy vào môi trƣờng đất. Môi trƣờng đất lúa có đă ̣c thù riêng , quá trình ngập nƣớc làm giảm mạnh sự trao đổi giữa đất và khí quyển, trạng thái khử chiếm ƣu thế trong đất làm cho tính chất của đất diễn biến theo chiều hƣớng khác nhiều so với đất ban đầu. Các KLN trong đất lúa chịu ảnh hƣởng đa chiều từ các mối quan hệ với các tính chất và thành phần luôn biến động của đất. Thêm vào đó , hàm lƣợng và sự chuyển hóa của các KLN trong đất lúa còn chịu ảnh hƣởng đáng kể bởi nguồn nƣớc tƣới.
Trƣớc những mố i quan hê ̣ phƣ́c ta ̣p giƣ̃a các yế u tố , quá trình chuyển hóa vật chấ t trong môi trƣờng đấ t lúa , đã có rất nhiều nghiên cứu đƣợc tiến hành để tim ̀ hiể u các mối quan hệ này. Trong số đó đã có những nghiên cứu về hàm lƣơ ̣ng KLN trong 7 z môi trƣờng đấ t làm tiền đề cho việc giải thích tính tan của KLN trong môi trƣờng nƣớc, ngăn chặn và giảm thiểu những tác đô ̣ng tiêu cƣ̣c của chúng. Tuy nhiên nhƣ̃ng nghiên cƣ́u về đô ̣ng thái và sƣ̣ chuyể n hóa của KLN trong môi trƣờng đấ t đă ̣c biê ̣t là môi trƣờng đấ t lúa vẫn chƣa đƣơ ̣ c nghiên cƣ́u môt cách có hê ̣ thố ng ta ̣i Viê ̣t Nam. Vì vậy, chúng tôi thực hiện đề tài “Nghiên cứu động thái và khả năng di chuyển của một số KLN (Cu, Pb, Zn) trong đất lúa sử dụng nƣớc tƣới từ sông Nhuệ khu vực Thanh Trì, Hà Nội” nhằ m tim ̀ hiể u động thái, khả năng di chuyển của các kim loại nặng trong các điều kiện môi trƣờng khác nhau, đồng thời đƣa ra cơ sở khoa học để kiểm soát và quản lý độc chất, đảm bảo sử dụng bền vững nƣớc thải làm nƣớc tƣới cho nông nghiệp nói chung và đô thị Hà Nội nói riêng.
Mục tiêu nghiên cứu Đánh giá đô ̣ng thái , sƣ̣ tić h lũy , di chuyể n , giải phóng, xu hƣớng chuyể n hóa của KLN (Cu, Pb, Zn) dƣới ảnh hƣởng của điề u kiê ̣n môi trƣờng (pH, Eh, CHC, SO42-, PO43-, Ca2+, Mg2+) trong điề u kiê ̣n canh tác lúa sƣ̉ dụng nƣớc tƣới từ sông Nhuệ; Góp phần cung cấp cơ sở khoa học trong việc tái sử dụng nƣớc thải đô thi ̣làm nƣớc tƣới cho nông nghiê ̣p. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học Đề tài đã góp phần xây dựng cơ sở khoa học để khẳng định dạng tồn tại, tính tan, khả năng kết tủa, di chuyển của các KLN (Cu, Pb, Zn) ngoài việc phụ thuộc vào nồng độ/hoạt độ của chính chất đó, còn phụ thuộc nhiều vào các điều kiện môi trƣờng nƣớc (pH, Eh, CHC, cƣờng độ ion cạnh tranh.), thành phần đất (CHC, Sét, Oxit kim loại…). Đề tài cũng đã làm rõ ảnh hƣởng của các yếu tố môi trƣờng đến sự tích lũy , đô ̣ng thái và tốc độ di chuyển của KLN (Cu, Pb, Zn). Ý nghĩa thực tiễn Đề tài góp phầ n phân tích , đánh giá thực trạng nguồn nƣớc sông Nhuệ và sự phù hợp để làm nƣớc tƣới cho nông nghiệp khu vực Thanh Trì, Hà Nội.
Đề tài cũng cung cấ p thông tin , số liê ̣u về sự tích lũy KLN (Cu, Pb, Zn) trên tầng đất mặt, tốc độ di chuyển xuống các tầng sâu hơn qua mỗi vụ canh tác, khi sử dụng 8 z nƣớc tƣới từ sông Nhuệ. Từ đó giúp các nhà quản lý có hƣớng giải quyết về vấn đề ô nhiễm này. Những đóng góp mới của đề tài Nghiên cứu làm sáng tỏ động thái của một số KLN (Cu, Pb, Zn) trong đất lúa khi sử dụng nƣớc tƣới từ sông Nhuệ (nguồ n nƣớc chiụ tác đô ̣ng ma ̣nh bởi nƣ ớc thải đô thị); mối quan hệ/tƣơng quan giữa dạng tồn tại của các kim loại nặng (Cu, Pb, Zn) trong đất lúa liên quan đến các yếu tố Eh, pH, CHC, SO42-, PO43-, Ca2+, Mg2+. Lầ n đầ u tiên đánh giá có hê ̣ thố ng về sƣ̣ tić h lũy , giải phóng , di chuyể n, chuyể n hóa của các KLN (Cu, Pb, Zn) trong môi trƣờng đất lúa sƣ̉ du ̣ng nƣớc tƣới từ sông Nhuệ dƣới tác động của các yếu tố Eh , pH, CHC, SO42-, PO43-, Ca2+, Mg2+.
Nô ̣i dung nghiên cƣ́u Nghiên cứu chất lƣợng nƣớc và trầm tích Sông Nhuệ đoạn chảy qua huyện Thanh Trì, Hà Nội và một số đặc tính lý, hóa học của đấ t trồng lúa khu vƣ̣c nghiên cƣ́u; Đánh giá sƣ̣ tích lũy , phân bố và dạng tồn tại của KLN (Cu, Pb, Zn) trong đất khu vực nghiên cứu; Nghiên cứu khả năng di chuyể n các KLN (Cu, Pb, Zn) trong đất lúa khu vực nghiên cứu; Đánh giá ảnh hƣởng của một số điều kiện môi trƣờng (Eh, pH, CHC, SO42-, PO43-, Ca2+, Mg2+) đến động thái của các KLN (Cu, Pb, Zn). Tổng quan về kim loại nặng trong đất 1. Nguồn gốc Nguồn phong hóa khoáng vật KLN tồn tại tự nhiên trong đá và khoáng vật trải qua quá trình phong hóa đƣợc đƣa vào đất. Nhìn chung , hàm lƣợng các KLN đƣợc đƣa vào đất từ quá trình phong hóa tại chỗ của đá mẹ là khá thấp , lƣợng lớn hơn và ngày càng tăng của một số KLN trong môi trƣờng có nguồ n gố c tƣ̀ các hoạt động nhân tạo , chủ yếu là từ các hoa ̣t đô ̣ng công nghiệp và nông nghiê ̣p.
Cambell và nnk (1983) so sánh hàm lƣợng KLN đƣợc tạo ra từ các nguồn tự nhiên với các nguồ n nhân tạo và chỉ ra rằng các hoạt động của con ngƣời đã tạo ra một lƣợng KLN lớn hơn nhiề u lầ n so với các nguồ n tƣ̣ nhiên , cụ thể là gấp xấ p xỉ 15 lần đối với Cd, 100 lần đối với Pb, 13 lần đối với Cu và 21 lần đối với Zn. Các KLN này trong môi trƣờng sẽ tạo ra nhƣ̃ng tác đô ̣ng tiêu cƣ̣c và có thể gây độc cho môi trƣờng hay không phụ thuộc vào : (i) tính chất vật lý và hóa học của đất : đô ̣ chua, điều kiện ngập nƣớc, sự có mặt của khoáng sét , oxit Fe – Mn và các hợp chất hữu cơ của đất…; (ii) địa hình và thủy văn: các yếu tố này không chỉ làm thay đổi hàm lƣợng chất ô nhiễm tại vị trí bị tác động mà còn có thể vận chuyển các chất ô nhiễm từ nơi chúng đƣợc giải phóng ra đến những nơi khác ; và (iii) khu hệ vi sinh vâ ̣t (VSV) với vai trò hấp thụ và chuyển hóa các KLN trong đất và hê ̣ sinh thái (HST). Các dạng linh động của KLN trong hệ thống đất – cây trồng và các vòng tuần hoàn của chúng trong HST phụ thuộc vào khả năng phong hóa đá có dễ dàng hay không. Mức độ phong hóa sẽ xác định khả năng giải phóng các kim loại này vào trong đất.
Đá cát kết là hợp chất của khoáng vật khó bị phong hóa do vậy đóng góp ít nhất lƣợng KLN ở trong đất. Nếu đá mẹ là đá bazơ phun trào thì có tiềm năng đóng góp một lƣợng lớn Cr, Mn, Co và Ni vào đất. Trong số các loại đá mẹ trầm tích thì đá phiến sét là loại có tiềm năng đóng góp lƣợng lớn Cr , Co, Ni, Zn và Pb.1 đƣa ra hàm lƣơ ̣ng trung bình của KLN trong mô ̣t số loa ̣i đá chính. Hàm lƣợng trung bình của KLN trong một số loại đá chính Đơn vị: mg/kg Nguyên Đá siêu Đá cát Đá phiến Đá bazơ Granit Đá vôi tố bazơ kết sét Cr 2000–2980 200 4 42684 35 90–100 Mn 1040–1300 1500–2200 400–500 620–1100 22007 850 Co 110–150 35–50 1 0,1–4 0,3 19–20 Ni 2000 150 0,5 42711 42615 68–70 Cu 15615 90–100 41548 5,5–15 30 39–50 Zn 50–58 100 40–52 20–25 16–30 100–120 Cd 0,12 0,13–0,2 0,09–0,2 0,028–0,1 0,05 0,2 Sn 0,5 1–1,5 3–3,5 0,5–4 0,5 42525 Hg 0,004 0,01–0,08 0,08 0,05–0,16 0,03–0,29 0,18–0,5 Pb 0,1–14 42493 20–24 5,7–7 42651 20–23 Nguồn: Levinson (1974) và Alloway (1990a) Nguồn kim loại nặng từ khí quyển Lịch sử của việc ô nhiễm KLN từ khí quyển ở Tây bắc Châu Âu và Bắc Mỹ đã đƣợc ƣớc tính từ các nghiên cứu địa hóa than bùn đầm lầy và bùn lòng hồ.
Nhiều khu vực ở châu Âu, sự gia tăng mạnh mẽ của việc tích lũy kim loại từ nguồn khí quyển đã xuất hiện từ khoảng 200 năm trƣớc, ở Bắc Mỹ, bằng chứng về sự ô nhiễm KLN từ khí quyển xuất hiện gần đây hơn, khoảng 80–100 năm trƣớc (Norton, 1986).