Đặt vấn đề Khu vực miền núi phía Bắc là vùng giàu tài nguyên khoáng sản bậc nhất nước ta. Các khoáng sản chính là than, sắt, thiếc, chì – kẽm, đồng, apatit, pyrit… Vùng Tây Bắc có một số mỏ khá lớn như mỏ quặng đồng – niken (Sơn La), đất hiếm (Lai Châu), mỏ chì – kẽm Tú Lệ (Yên Bái). Vùng Đông Bắc có nhiều mỏ kim loại, đáng kể hơn là mỏ sắt, mỏ quặng đa kim (Thái Nguyên), thiếc và bôxit (Cao Bằng), kẽm – chì (Chợ Điền - Bắc Kạn), đồng – vàng (Lào Cai). Sự phát triển của khai thác khoáng sản là động lực để tăng trưởng kinh tế - xã hội, tạo ra những thị trường mạnh để thu hút đầu tư từ nước ngoài nhưng nó cũng đang tạo ra những mặt tiêu cực gây ảnh hưởng xấu tới con người và hệ sinh thái xung quanh khu vực khai thác.
Các hoạt động khai thác than, quặng và vật liệu xây dựng như: tiến hành xây dựng mỏ, khai thác thu hồi khoáng sản, đổ thải, thoát nước mỏ… đã làm phá vỡ các điều kiện sinh thái được hình thành từ hàng chục triệu năm, gây ô nhiễm nặng nề đối với môi trường đất, nước. Đây là hiện trạng chung của nhiều tỉnh đang có cơ sở khai thác trên cả nước cũng như ở Thái Nguyên. Tình hình khai thác khoáng sản ở tỉnh Thái Nguyên trong những năm qua cho thấy, số lượng và sản lượng mỏ khoáng sản được đưa vào khai thác ngày càng tăng. Đây cũng là một trong những ngành chiếm dụng diện tích đất sử dụng lớn.
Vì vậy ô nhiễm đất là không thể tránh khỏi, có những khu vực đã bị ô nhiễm nghiêm trọng không còn khả năng canh tác. Một số nguyên tố vết và siêu vết có tính độc hại tích luỹ trong nông sản, từ đó gây tác hại nghiêm trọng đối với động, thực vật và con người. Qua đó vấn đề cần được quan tâm trong hoạt động khai thác khoáng sản là những giải pháp khắc phục, đặc biệt là các giải pháp hiệu quả để khắc phục diện tích đất bị ô nhiễm sau khai thác. 14 z Nguồn gốc và sự xuất hiện các chất nguy hại với môi trường sống do khai thác mỏ là rất phức tạp và kinh phí cho sự phục hồi là rất cao.
Vì vậy, khắc phục ô nhiêm môi trường đất do hoạt động khai thác khoáng sản hiện nay còn gặp rất nhiều khó khăn [72,139]. Các phương pháp, công nghệ xử lý truyền thống đã được áp dụng bao gồm rửa đất, bê tông hóa, sử dụng các phản ứng oxy hóa, cố định tại chỗ,. Tuy nhiên, các phương pháp này đều có chi phí cao, chỉ phù hợp với quy mô nhỏ, trong khi tình trạng ô nhiễm đất do khai thác khoáng sản lại xảy ra trên diện rộng, chất ô nhiễm lại phân tán trong môi trường đất, không những thế một số phương pháp còn có thể gây nên hiện tượng ô nhiễm thứ sinh. Vì vậy, cần phải lựa chọn một phương pháp xử lý KLN trong đất sao cho vừa hiệu quả, vừa dễ thực hiện, chi phí thấp mà lại thân thiện với môi trường.
Từ những năm 1990, phương pháp sử dụng thực vật để xử lý ô nhiễm đã được giới thiệu như là loại công nghệ thương mại. Công nghệ này được đánh giá là có nhiều ưu điểm nổi trội: dễ thực hiện, không đòi hỏi trình độ kỹ thuật cao, chi phí xử lý thấp và đặc biệt là thân thiện với môi trường [48]. Tuy nhiên, hạn chế của công nghệ thực vật xử lý ô nhiễm là ở chỗ trong tự nhiên có rất ít loài thực vật hội tụ đủ các tiêu chí của một thực vật siêu tích tụ: phát triển được ở môi trường đất ô nhiễm, sinh trưởng nhanh, sinh khối cao, có khả năng hấp thụ được các chất ô nhiễm với hàm lượng cao, biên độ sinh thái rộng và không có nguy cơ trở thành sinh vật ngoại lai. Những tác động trên môi trường đất, nước ở các vùng sau khi khai thác khoáng sản đã bị suy thoái nghiêm trọng đã gây khó khăn cho việc xử lý đất ô nhiễm KLN bằng thực vật.
Vì vậy để phục hồi môi trường ô nhiễm KLN thì một trong những yêu cầu tiên quyết là phải tạo được các điều kiện cần thiết cho thực vật sinh trưởng, phát triển để hút thu KLN cao nhất. Cây sậy là loài cây có sinh khối lớn và khả năng hút KLN tốt, khả năng 15 z hấp thụ KLN này bị ảnh hưởng bởi điều kiện pH, loại đất và điều kiện cạn úng khác nhau. Trước thực trạng trên, đề tài: "Nghiên cứu khả năng hấp thụ một số kim loại nặng (As, Pb, Cd, Zn) trong đất của cây sậy (Phragmites australis) và ứng dụng xử lý đất bị ô nhiễm kim loại nặng sau khai thác khoáng sản tại tỉnh Thái Nguyên" được thực hiện nhằm cung cấp các cơ sở khoa học để có thể sử dụng cây sậy để cải tạo đất ô nhiễm kim loại nặng. Mục tiêu - Nghiên cứu, đánh giá sự phân bố, sinh trưởng và khả năng hấp thụ kim loại nặng của cây sậy trên những vùng đất sau khai khoáng khác nhau.
- Xác định khả năng tích lũy một số kim loại nặng của cây sậy dưới ảnh hưởng của các yếu tố môi trường (pH) và hàm lượng kim loại nặng trong môi trường đất. - Nghiên cứu biện pháp sử dụng cây sậy để xử lý ô nhiễm môi trường đất tại vùng đất sau khai thác khoáng sản tỉnh Thái Nguyên. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Khẳng định khả năng chống chịu và khả năng hút thu kim loại nặng của cây sậy, làm cơ sở lý luận cho những nghiên cứu tiếp theo. - Thành công của đề tài sẽ góp phần giải quyết tình trạng ô nhiễm môi trường đất, nước tại huyện Đại Từ, huyện Đồng Hỷ, tỉnh Thái Nguyên.
- Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể được áp dụng vào thực tế để xử lý những vùng đất bị ô nhiễm kim loại nặng, đặc biệt những vùng đất bị ô nhiễm do khai thác khoáng sản. Những đóng góp mới của đề tài - Xác định được khả năng hấp thụ KLN của cây sậy dưới tác động của một số yếu tố môi trường: pH và nồng độ các KLN trong đất tại Việt Nam. - Ứng dụng thành công việc sử dụng cây sậy bản địa để xử lý KLN trong đất sau khai thác khoáng sản ở ngoài hiện trường tại Thái Nguyên. 17 z CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.
Ô nhiễm kim loại nặng trong đất 1. Khái niệm ô nhiễm kim loại nặng Thuật ngữ “Kim loại nặng” được từ điển hóa học định nghĩa là các kim loại có tỷ trọng lớn hơn 5. Đối với các nhà độc tố học, thuật ngữ “kim loại nặng” chủ yếu dùng để chỉ các kim loại có nguy cơ gây nên các vấn đề môi trường bao gồm: Cu, Zn, Pb, Hg, Ni, Mn, Cr, Fe, Mn, Ti, Fe, Ag, Sn (Rainbow, 1985, Hopkin, 1989; Bryan & Langston, 1992). Ngoài ra, các phi kim như As và Se cũng được xem là các KLN [44].
Các nguyên tố này thường ở dạng vết trong môi trường đất tự nhiên. Các kim loại nặng phổ biến nhất là: Cd, Cr, Cu, Zn, Pb, Hg. Trong đó Cu và Zn là các nguyên tố vi lượng có vai trò quan trọng đối với quá trình trao đổi chất trong tế bào và là thành phần, cấu trúc của các protein và enzym. Tuy nhiên các nguyên tố vi lượng nói riêng và các KLN nói chung ở hàm lượng cao là yếu tố cực kì độc hại đối với quá trình trao đổi chất của tế bào.
Vì vậy ô nhiễm đất bởi tác nhân KLN có thể dẫn đến mất cân bằng của các loài động, thực vật bậc cao, đặc biệt trong môi trường đất bị ô nhiễm KLN với hàm lượng cao, thực vật phát triển kém, độ che phủ bề mặt thấp, hậu quả là các KLN sẽ xâm nhập vào nguồn nước mặt và nước ngầm [96]. Trong những năm gần đây, ô nhiễm KLN trong đất đã thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học vì tính chất bền vững của chúng. Độc tính của kim loại đối với sinh vật liên quan đến cơ chế oxy hóa và độc tính gen [55]. Sự tích tụ các chất độc hại, các KLN trong đất sẽ làm tăng khả năng hấp thụ các nguyên tố có hại trong cây trồng, vật nuôi và gián tiếp gây ảnh hưởng xấu tới sức khoẻ con người, làm thay đổi cấu trúc tế bào, gây ra nhiều bệnh di truyền, bệnh về máu, bệnh ung thư.
Tác hại của KLN đối với động vật và con người là làm tổn hại hoặc giảm chức năng của hệ thần kinh trung ương, giảm năng lượng sinh học, tổn hại đến cấu trúc của máu, phổi, thận, gan và các cơ quan khác. Tiếp xúc với KLN trong thời gian dài có thể ảnh hưởng mãn tính 18 z đến thể chất, cơ và quá trình thoái hóa hệ thần kinh dẫn đến biểu hiện các bệnh Parkinson, bệnh teo cơ, bệnh đa xơ cứng, ung thư…Hơn nữa KLN còn làm tăng các tương tác dị ứng và gây nên đột biến gen, cạnh tranh với các kim loại cần thiết khác trong cơ thể ở các vị trí liên kết sinh hóa và phản ứng như các kháng sinh giới hạn rộng chống lại cả vi khuẩn có lợi và có hại. Độc tính KLN trong chuỗi thức ăn là một trong những vấn đề bức xúc về môi trường và sức khỏe cộng đồng trong xã hội công nghiệp ngày nay [149]. Các nguồn gây ô nhiễm KLN trong đất 1.
Nguồn gốc tự nhiên Trong các khoáng vật hình thành nên đất thường chứa một hàm lượng nhất định kim loại nặng, trong điều kiện bình thường một số KLN là những nguyên tố vi lượng không thể thiếu cho cây trồng và sinh vật đất. Tuy nhiên, trong một số điều kiện đặc biệt chúng vượt một giới hạn nhất định và trở thành chất ô nhiễm.1: Thành phần kim loại vết trong một số khoáng vật điển hình Trạng thái Thành phần Khoáng vật Hiện diện phong hoá kim loại Olivine Đá macma Mn, Co, Ni, Cu, Zn Anorthite Mn, Cu, Sr Đá siêu bazơ và bazơ Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Augite núi lửa Pb Phân bố rộng trong đá Dễ bị phong Hornblende macma và biến chất Mn, Co, Ni, Cu, Zn hoá Albite Đá nham thạch Cu Biotit Mn, Co, Ni, Cu, Zn Orthoclase Đá macma axít Cu, Sr Granite, phiến thạch, Muscovite Cu, Sr thuỷ tinh Khả năng ổn Đá mácma và biến định khoáng Magnetite Cr, Co, Ni, Zn chất tăng Nguồn: Trích theo Lê Đức, Trần Khắc Hiệp 2006[11]. Nguồn gốc nhân tạo Đây là nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường đất trên phạm vi toàn thế giới cũng như ở Việt Nam.