Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu sự phân hủy của thuốc trừ sâu carbamate trong đất

Nghiên cứu sự phân hủy của thuốc trừ sâu carbamate trong đất dưới các điều kiện môi trường khác nhau, cung cấp thông tin hữu ích cho nông nghiệp bền vững.

• Tác giả: Phạm Thị Phương Hà
• Người hướng dẫn: TS. Trịnh Thu Hà
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường
• Đề tài: Nghiên Cứu Sự Phân Hủy Của Thuốc Trừ Sâu Carbamate Trong Đất Dưới Một Số Điều Kiện Môi Trường Khác Nhau
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
• 1.2. Hóa chất bảo vệ thực vật
• 1.3. Thuốc trừ sâu dùng trong nghiên cứu
• 1.4. Ô nhiễm môi trường nước do sử dụng HCBVTV ở Việt Nam
• 1.5. CHIẾT TÁCH VÀ PHÂN TÍCH HCBVTV TRONG NƯỚC
• 1.5.1. Phương pháp chiết tách HCBVTV trong nước
• 1.5.2. Phương pháp phân tích HCBVTV
• 1.5.2.1. Phương pháp ELISA
• 1.5.2.2. Phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC)
• 1.5.2.3. Phương pháp sắc ký khí (GC)
• 1.6. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
• 1.6.1. Thuốc trừ sâu trên đất ruộng lúa
• 1.6.2. Các nhân tố ảnh hưởng đến nhả hấp phụ TTS trong đất
• 1.7. ĐIỀU KIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 1.7.1. THIẾT BỊ VÀ HOá CHẤT
• 1.7.2. Chiết tách và phân tích fenobucarb trong mẫu nước
• 1.7.3. Chuẩn bị mẫu đất dùng cho thí nghiệm
• 1.7.4. Thí nghiệm nhả hấp phụ fenobucarb dưới một số điều kiện môi trường
• 1.7.5. Thí nghiệm phân hủy fenobucarb từ đất dưới mức pH khác nhau trong nước
• 1.7.6. Thí nghiệm phân hủy fenobucarb từ đất dưới SDS trong nước
• 1.8. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 1.8.1. Phương pháp định lượng mẫu trên GC/MS
• 1.8.2. Phương pháp xử lý số liệu
• 2. CHƯƠNG 2: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Nghiên cứu phương pháp chiết tách và phân tích các thuốc trừ sâu fenobucarb trong nước trên thiết bị GC/MS
• 2.2. Nghiên cứu sự phân hủy của thuốc trừ sâu fenobucarb trong đất dưới ảnh hưởng của pH của nước
• 2.3. Nghiên cứu sự phân hủy của thuốc trừ sâu fenobucarb trong đất dưới ảnh hưởng của chất hoạt động bề mặt trong nước
• 2.4. Nghiên cứu xác định các sản phẩm chuyển hóa của thuốc trừ sâu trong đất xuất hiện trong quá trình phân hủy dưới ảnh hưởng của pH và chất hoạt động bề mặt
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. PHƯƠNG PHÁP CHIẾT TÁCH VÀ XÁC ĐỊNH FENOBUCARD TRONG NƯỚC
• 3.1.1. Phương pháp định lượng fenobucarb trên GC/MS
• 3.1.2. Khảo sát điều kiện đo
• 3.1.3. Xây dựng đường chuẩn cho fenobucarb
• 3.1.4. Xác nhận giá trị sử dụng của phương pháp
• 3.1.5. Quy trình chiết tách fenobucarb trong nước
• 3.2. NGHIÊN CỨU SỰU PHÂN HỦY CỦA FENOBUCARD TRONG HỆ ĐẤT NƯỚC DƯỚI SỰU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ MÔI TRƯỜNG
• 3.2.1. Thành phần cơ giới và tích chất vật lý và hóa học của mẫu đất nghiên cứu
• 3.2.2. Phân hủy fenobucarb trong hệ đất - nước dưới ảnh hưởng của pH
• 3.2.3. Phân hủy của fenobucarb trong hệ đất - nước dưới ảnh hưởng của SDS
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về thuốc trừ sâu carbamate

Thuốc trừ sâu carbamate là một trong những loại hóa chất bảo vệ thực vật được sử dụng phổ biến trong nông nghiệp. Chúng có đặc điểm là ít độc hại đối với con người và có thời gian bán hủy ngắn. Tuy nhiên, sự phân hủy của chúng trong môi trường đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố như pH, độ ẩm, và sự hiện diện của các chất hoạt động bề mặt. Nghiên cứu cho thấy rằng các sản phẩm phân hủy cuối cùng của thuốc trừ sâu carbamate có thể là các amin, rượu hoặc phenol, cùng với CO2 và nước. Điều này cho thấy sự cần thiết phải nghiên cứu sâu hơn về quá trình phân hủy của chúng trong môi trường đất để đánh giá tác động của chúng đến hệ sinh thái.

1.1. Đặc điểm của thuốc trừ sâu carbamate

Thuốc trừ sâu carbamate, như fenobucarb, có cơ chế tác động thông qua việc ức chế hoạt động của men cholinesterase trong hệ thần kinh của côn trùng. Chúng được phân loại là độc hại cấp II theo tiêu chuẩn của WHO. Mặc dù có tính an toàn hơn so với các nhóm thuốc trừ sâu khác, nhưng việc sử dụng chúng vẫn cần được kiểm soát chặt chẽ để tránh ô nhiễm môi trường.

1.2. Tác động của thuốc trừ sâu đến môi trường

Sự tích tụ của thuốc trừ sâu trong môi trường có thể dẫn đến ô nhiễm đất và nước, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng thuốc trừ sâu có thể tồn tại lâu dài trong môi trường, gây ra các vấn đề nghiêm trọng về sức khỏe và sinh thái. Do đó, việc nghiên cứu sự phân hủy của chúng trong đất là rất cần thiết để đánh giá tác động môi trường.

II. Phân hủy thuốc trừ sâu carbamate trong đất

Quá trình phân hủy của thuốc trừ sâu carbamate trong đất diễn ra thông qua nhiều cơ chế khác nhau, bao gồm phân hủy sinh học, thủy phân và quang hóa. Các yếu tố như pH, nhiệt độ, và độ ẩm của đất có ảnh hưởng lớn đến tốc độ phân hủy. Nghiên cứu cho thấy rằng pH cao có thể thúc đẩy quá trình phân hủy quang hóa, trong khi độ ẩm thấp có thể làm chậm lại quá trình này. Việc hiểu rõ các yếu tố này sẽ giúp cải thiện quản lý thuốc trừ sâu trong nông nghiệp.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy

Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự phân hủy của thuốc trừ sâu carbamate trong đất, bao gồm pH, nhiệt độ, và sự hiện diện của các chất hoạt động bề mặt. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng pH cao có thể làm tăng tốc độ phân hủy quang hóa, trong khi độ ẩm và nhiệt độ cũng đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy hoặc làm chậm quá trình này.

2.2. Sản phẩm phân hủy và tác động của chúng

Sản phẩm phân hủy của thuốc trừ sâu carbamate có thể bao gồm các amin, rượu, và phenol, cùng với CO2 và nước. Một số sản phẩm này có thể độc hại hơn so với thuốc gốc, do đó việc theo dõi và đánh giá các sản phẩm này là rất quan trọng để đảm bảo an toàn cho môi trường và sức khỏe con người.

III. Ứng dụng và giá trị thực tiễn của nghiên cứu

Nghiên cứu về sự phân hủy của thuốc trừ sâu carbamate trong đất không chỉ có giá trị khoa học mà còn có ứng dụng thực tiễn trong quản lý nông nghiệp bền vững. Kết quả nghiên cứu có thể giúp các nhà quản lý môi trường và nông nghiệp đưa ra các quyết định hợp lý về việc sử dụng thuốc trừ sâu, từ đó giảm thiểu ô nhiễm và bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Việc hiểu rõ về quá trình phân hủy cũng giúp phát triển các phương pháp xử lý và quản lý thuốc trừ sâu hiệu quả hơn.

3.1. Định hướng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu cần tiếp tục mở rộng để bao quát các yếu tố môi trường khác có thể ảnh hưởng đến sự phân hủy của thuốc trừ sâu carbamate. Việc phát triển các phương pháp phân tích mới và chính xác hơn cũng sẽ giúp nâng cao hiệu quả của các nghiên cứu trong lĩnh vực này.

3.2. Tác động đến chính sách quản lý thuốc trừ sâu

Kết quả nghiên cứu có thể cung cấp cơ sở khoa học cho việc xây dựng các chính sách quản lý thuốc trừ sâu hiệu quả hơn, từ đó bảo vệ môi trường và sức khỏe con người. Việc áp dụng các biện pháp quản lý bền vững sẽ giúp giảm thiểu tác động tiêu cực của thuốc trừ sâu đến hệ sinh thái.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Thuốc trừ sâu nhóm carbamate được sử dụng rộng rãi trong nông nghiệp do tính an toàn tương đối và thời gian bán hủy ngắn. Fenobucarb, một loại carbamate phổ biến, được ứng dụng nhiều trong trồng lúa và rau, tuy nhiên vẫn tồn tại nguy cơ gây ô nhiễm môi trường đất và nước, ảnh hưởng đến hệ sinh thái và sức khỏe con người. Tại Việt Nam, với diện tích canh tác lúa gần 7,7 triệu ha và mức tiêu thụ hóa chất bảo vệ thực vật (HCBVTV) trung bình 3,34 kg/ha cho lúa, việc nghiên cứu sự phân hủy của fenobucarb trong đất dưới các điều kiện môi trường khác nhau là cấp thiết để đánh giá tác động môi trường chính xác hơn.

Luận văn tập trung nghiên cứu sự phân hủy của fenobucarb trong đất bị ngập dưới ảnh hưởng của các yếu tố môi trường như pH, chất hoạt động bề mặt (SDS) và các hợp chất hữu cơ hòa tan (DOC). Mục tiêu cụ thể gồm xây dựng quy trình chiết tách và phân tích fenobucarb trong nước bằng GC/MS, khảo sát ảnh hưởng của pH và SDS đến quá trình phân hủy fenobucarb trong hệ đất-nước, đồng thời xác định các sản phẩm chuyển hóa trung gian. Nghiên cứu được thực hiện tại Việt Nam trong điều kiện phòng thí nghiệm mô phỏng môi trường đất trồng lúa bị ngập, với thời gian thí nghiệm kéo dài đến 5 ngày.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp dữ liệu khoa học phục vụ quản lý môi trường, đánh giá nguy cơ ô nhiễm thuốc trừ sâu và đề xuất các biện pháp giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường đất và nước, góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng và phát triển nông nghiệp bền vững.

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 đất, hàm lượng cacbon hữu cơ và tính chất hóa học của thuốc trừ sâu.

• 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, 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 carbamate; chất hoạt động bề mặt (SDS) có thể tăng cường hòa tan và hoạt tính sinh học, thúc đẩy quá trình phân hủy; các hợp chất hữu cơ hòa tan (DOC) ảnh hưởng đến sự nhả hấp phụ và hoạt động vi sinh vật trong đất.

Các khái niệm chính bao gồm: hệ số hấp phụ K_OC, pH môi trường, chất hoạt động bề mặt (SDS), chất hữu cơ hòa tan (DOC), và sản phẩm chuyển hóa fenobucarb (2-sec-butylphenol).

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Mẫu đất được lấy từ ruộng lúa tại khu vực nghiên cứu, chuẩn bị bằng cách sấy khô, nghiền mịn và trộn với fenobucarb để đạt nồng độ ban đầu 5 µg/g khối lượng khô. Mẫu nước dùng trong thí nghiệm được điều chỉnh pH và bổ sung SDS theo các mức khác nhau.

• Phương pháp phân tích: Fenobucarb và sản phẩm chuyển hóa được chiết tách bằng phương pháp chiết lỏng-lỏng và chiết pha rắn (SPE), sau đó định lượng bằng sắc ký khí khối phổ (GC/MS) với cột mao quản ZB5MSi và khí mang heli tinh khiết 99,9999%. Phương pháp GC/MS được tối ưu hóa với điều kiện nhiệt độ cột từ 90°C đến 300°C, tốc độ khí mang 1,15 mL/phút, thể tích mẫu 1 µL ở chế độ splitless.

• Timeline nghiên cứu: Thí nghiệm phân hủy fenobucarb được tiến hành trong 5 ngày, lấy mẫu tại các thời điểm 2 giờ, 1, 2, 3, 4 và 5 ngày. Mỗi mẫu được ly tâm tách riêng phần đất và nước để chiết tách và phân tích fenobucarb.

• Phân tích số liệu: Sử dụng phương pháp hồi quy tuyến tính để xây dựng đường chuẩn fenobucarb, xác định giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ). Phân tích thống kê bao gồm tính độ lệch chuẩn, hệ số biến động (CV), sai số tương đối và hệ số tương quan R^2 để đánh giá độ chính xác và độ tin cậy của phương pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Xây dựng phương pháp định lượng fenobucarb trên GC/MS: Phương pháp GC/MS với điều kiện tối ưu cho phép tách và định lượng fenobucarb với thời gian lưu khoảng 6,28 phút. Đường chuẩn có phương trình y = 7730,6x + 25838, hệ số tương quan R^2 đạt 0,999, cho thấy độ tuyến tính cao. Giới hạn phát hiện (LOD) là 0,005 µg/L và giới hạn định lượng (LOQ) là 0,015 µg/L, đảm bảo độ nhạy cao cho phân tích.

2. Ảnh hưởng của pH đến sự phân hủy fenobucarb trong hệ đất-nước: Fenobucarb phân hủy nhanh hơn ở pH kiềm (pH 9) so với pH trung tính (pH 7) và pH axit (pH 5). Sau 5 ngày, nồng độ fenobucarb còn lại trong pha nước giảm khoảng 70% ở pH 9, trong khi ở pH 7 và 5 giảm lần lượt khoảng 45% và 30%. Sản phẩm chuyển hóa chính được xác định là 2-sec-butylphenol, với nồng độ tăng dần theo thời gian phân hủy.

3. Ảnh hưởng của chất hoạt động bề mặt SDS đến phân hủy fenobucarb: Sự có mặt của SDS 1 cmc làm tăng tốc độ phân hủy fenobucarb trong hệ đất-nước. Sau 5 ngày, fenobucarb giảm khoảng 65% trong pha nước, cao hơn so với điều kiện không có SDS (khoảng 45%). SDS có vai trò như chất xúc tác, tăng cường hòa tan fenobucarb và thúc đẩy hoạt động vi sinh vật phân hủy.

4. Hiệu suất chiết tách fenobucarb: Phương pháp chiết lỏng-lỏng và chiết pha rắn SPE đều cho hiệu suất thu hồi fenobucarb cao, từ 70% đến trên 90%, với độ lặp lại tốt (CV dưới 5%). Phương pháp SPE được ưu tiên sử dụng do tiết kiệm dung môi và thời gian xử lý mẫu.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy pH môi trường là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tốc độ phân hủy fenobucarb, phù hợp với các nghiên cứu trước đây cho thấy carbamate thủy phân nhanh hơn trong môi trường kiềm. Sự gia tăng tốc độ phân hủy ở pH 9 có thể do phản ứng thủy phân và quang hóa được thúc đẩy trong điều kiện này. Sự hiện diện của SDS làm tăng khả năng hòa tan fenobucarb trong nước, từ đó tăng cường tiếp xúc với vi sinh vật và các phản ứng phân hủy sinh học.

Các sản phẩm chuyển hóa như 2-sec-butylphenol được xác định là trung gian trong quá trình phân hủy, có thể có độc tính thấp hơn fenobucarb nhưng vẫn cần được theo dõi trong đánh giá tác động môi trường. Phương pháp phân tích GC/MS với độ nhạy cao và độ chính xác tốt cho phép phát hiện và định lượng fenobucarb cũng như các sản phẩm chuyển hóa trong mẫu đất và nước, hỗ trợ hiệu quả cho nghiên cứu.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện sự giảm nồng độ fenobucarb theo thời gian ở các mức pH khác nhau và có/không có SDS, cùng bảng so sánh hiệu suất chiết tách và các thông số phân tích. So sánh với các nghiên cứu quốc tế cho thấy kết quả phù hợp, đồng thời bổ sung dữ liệu mới về ảnh hưởng đồng thời của pH và chất hoạt động bề mặt trong điều kiện đất bị ngập tại Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng quy trình phân tích GC/MS chuẩn hóa để giám sát dư lượng fenobucarb và các sản phẩm chuyển hóa trong môi trường đất và nước tại các vùng trồng lúa, nhằm phát hiện sớm và đánh giá mức độ ô nhiễm.

2. Kiểm soát pH môi trường đất và nước tưới trong các vùng trồng lúa bị ngập để hạn chế tốc độ phân hủy tạo ra các sản phẩm trung gian có thể gây độc, ưu tiên duy trì pH trung tính hoặc hơi axit trong phạm vi 5-7.

3. Quản lý và hạn chế sử dụng các chất hoạt động bề mặt như SDS trong nước tưới và môi trường đất, nhằm giảm thiểu tác động tăng cường phân hủy thuốc trừ sâu gây ô nhiễm môi trường nước mặt và nước ngầm.

4. Tăng cường nghiên cứu và giám sát đồng thời các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến sự phân hủy thuốc trừ sâu, bao gồm các hợp chất hữu cơ hòa tan (DOC), nhiệt độ, ánh sáng mặt trời và vi sinh vật đất, để xây dựng mô hình dự báo và quản lý rủi ro môi trường hiệu quả.

Các giải pháp trên nên được thực hiện trong vòng 1-3 năm, phối hợp giữa các cơ quan quản lý môi trường, viện nghiên cứu và các địa phương trồng lúa. Việc áp dụng các biện pháp này sẽ góp phần giảm thiểu ô nhiễm thuốc trừ sâu, bảo vệ nguồn nước và nâng cao chất lượng sản phẩm nông nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu môi trường và hóa học phân tích: Luận văn cung cấp phương pháp phân tích fenobucarb bằng GC/MS với độ nhạy cao, giúp nghiên cứu sâu về sự phân hủy thuốc trừ sâu trong đất và nước.

2. Cơ quan quản lý môi trường và nông nghiệp: Dữ liệu về ảnh hưởng của pH và chất hoạt động bề mặt đến phân hủy fenobucarb hỗ trợ xây dựng chính sách quản lý sử dụng thuốc trừ sâu và bảo vệ môi trường.

3. Nông dân và các tổ chức hợp tác xã nông nghiệp: Hiểu biết về tác động của các yếu tố môi trường đến thuốc trừ sâu giúp điều chỉnh kỹ thuật canh tác, sử dụng thuốc trừ sâu hiệu quả và an toàn hơn.

4. Các nhà sản xuất và kinh doanh thuốc trừ sâu: Thông tin về sự phân hủy và sản phẩm chuyển hóa fenobucarb giúp cải tiến công thức thuốc, giảm thiểu tác động môi trường và nâng cao giá trị sản phẩm.

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 rộng rãi trong trồng lúa do hiệu quả diệt sâu và thời gian bán hủy ngắn. Nó được chọn vì phổ biến tại Việt Nam và có nguy cơ ô nhiễm môi trường đất và nước.

2. Phương pháp phân tích fenobucarb trong mẫu đất và nước là gì?
   Phương pháp chính là chiết tách bằng chiết lỏng-lỏng hoặc chiết pha rắn SPE, sau đó định lượng bằng sắc ký khí khối phổ (GC/MS) với độ nhạy cao, giới hạn phát hiện 0,005 µg/L.

3. Yếu tố môi trường nào ảnh hưởng lớn nhất đến sự phân hủy fenobucarb?
   pH môi trường và chất hoạt động bề mặt SDS là hai yếu tố chính. pH kiềm làm tăng tốc độ phân hủy, trong khi SDS tăng khả năng hòa tan và thúc đẩy phân hủy sinh học.

4. Sản phẩm chuyển hóa chính của fenobucarb là gì?
   Sản phẩm chuyển hóa trung gian được xác định là 2-sec-butylphenol, xuất hiện trong quá trình phân hủy fenobucarb trong hệ đất-nước.

5. Làm thế nào để giảm thiểu ô nhiễm fenobucarb trong môi trường?
   Kiểm soát pH môi trường, hạn chế sử dụng chất hoạt động bề mặt trong nước tưới, áp dụng quy trình giám sát dư lượng thuốc trừ sâu và nâng cao nhận thức người sử dụng thuốc trừ sâu là các biện pháp hiệu quả.

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, LOD 0,005 µg/L và LOQ 0,015 µg/L.
• pH môi trường ảnh hưởng rõ rệt đến tốc độ phân hủy fenobucarb, với pH kiềm (9) thúc đẩy phân hủy nhanh nhất.
• Chất hoạt động bề mặt SDS làm tăng khả năng hòa tan và phân hủy fenobucarb trong hệ đất-nước.
• Sản phẩm chuyển hóa trung gian 2-sec-butylphenol được xác định trong quá trình phân hủy, cần theo dõi để đánh giá tác động môi trường.
• Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc quản lý sử dụng thuốc trừ sâu và bảo vệ môi trường đất và nước tại các vùng trồng lúa bị ngập ở Việt Nam.

Next steps: Mở rộng nghiên cứu ảnh hưởng đồng thời của các yếu tố môi trường khác như ánh sáng, nhiệt độ và vi sinh vật; triển khai giám sát thực địa tại các vùng trồng lúa; phát triển mô hình dự báo phân hủy thuốc trừ sâu.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và quản lý môi trường nên áp dụng phương pháp và kết quả nghiên cứu này để nâng cao hiệu quả quản lý và bảo vệ môi trường nông nghiệp bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. ĐỐI TƯƠNG NGHIÊN CỨU. Hóa chất bảo vệ thực vật Hóa chất bảo vệ thực vật (HCBVTV) đóng một vai trò quan trọng và là một biện pháp có tính quyết định và không thể thiếu được trong sản xuất nông nghiệp hiện đại và sản phẩm thực phẩm. Những hóa chất này được nông dân sử dụng rộng rãi để bảo vệ mùa màng diệt trừ sâu bệnh.

Bên cạnh những mặt tích cực thì HCBVTV vẫn còn tính độc hại, bền vững, khó bị phân huỷ trong môi trường và dẫn đến khả năng tích tụ ngày càng nhiều trong môi trường đất, nước và động thực vật, gây ra những vấn đề nguy hại cho môi trường, sức khỏe con người và hệ sinh thái. Hậu quả của việc hấp thu và tích luỹ HCBVTV trên cơ thể con người là nguyên nhân gây ra một số bệnh nguy hiểm như các bệnh ung thư, các bệnh do những biến đổi về cấu trúc gen., có thể gây ảnh hưởng di truyền cho các thế hệ sau. Vì vậy nó là đối tượng đã được quan tâm nghiên cứu từ rất lâu các trong lĩnh vực đời sống, nhất là trong lĩnh vực môi trường, thực phẩm. Theo phân loại của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) [16], HCBVTV có thể được phân loại theo mức độ độc hại và cấu tạo hóa học.

Theo mức độ độc hại HCBVTV được chia làm 3 loại như loại I: Cực kỳ độc hại, loại II: Độc hại ở mức độ vừa phải, loại III: Độc hại nhẹ. Theo cấu tạo hóa học HCBVTV được phân thành 4 nhóm chính là nhóm cơ clo, cơ phốt pho, carbamate và pyrethroid [17]. Nhóm hóa chất bảo vệ thực vật cơ clo (organochlorine): Là các dẫn xuất clo của một số hợp chất hữu cơ như diphenyletan, cyclodien, benzen, hexane. Nhóm này bao gồm những hợp chất hữu cơ rất bền vững trong môi trường tự nhiên và thời gian bán phân huỷ dài, rất ít tan trong nước, tích lũy trong mô mỡ của sinh vật và gây nên sự khuếch đại sinh học theo dây chuyền thức ăn.

Trên thế giới đã cấm sử dụng các loại hóa chất này từ những năm 70 theo công ước Stockholm [18]. Việt Nam có lệnh cấm từ tháng 6/1994 [19], Luan van 6 nhưng đến nay chúng vẫn tồn lưu trong môi trường nước [19], trầm tích [20] và đặc biệt là đất nông nghiệp [21, 22]. Nhóm hóa chất bảo vệ thực vật cơ phốt pho (organophosphorus): Gồm các este, các dẫn xuất hữu cơ của axit photphoric. Khi sử dụng chúng tác động vào thần kinh của côn trùng bằng cách ngăn cản sự tạo thành men cholinestaza làm cho thần kinh hoạt động kém, làm yếu cơ, gây choáng váng và chết.

Nhóm này có thời gian bán phân huỷ ngắn hơn so với nhóm cơ clo và được sử dụng rộng rãi hơn. Nhóm này bao gồm một số hợp chất như parathion, malathion, diclovos, clopyrifos. Nhóm hóa chất bảo vệ thực vật carbamate: Là các dẫn xuất hữu cơ của axit carbamic. Khi sử dụng chúng tác động trực tiếp vào men cholinestraza của hệ thần kinh của côn trùng và có cơ chế gây độc giống như nhóm cơ phốt pho.

Nhóm carbamate gồm những hoá chất ít bền vững hơn trong môi trường tự nhiên, an toàn với cây, ít độc đối với cá hơn các HCBVTV nhóm cơ phốt pho. Chúng không tồn lưu quá lâu trên nông sản và trong môi trường. Độ độc của thuốc đối với động vật máu nóng rất khác nhau, tùy thuộc vào loại thuốc. Đại diện cho nhóm này là các thuốc trừ sâu như: carbofuran, carbaryl, carbosulfan, isoprocarb, fenobucarb, methomyl… Nhóm hóa chất bảo vệ thực vật pyrethroid: Nhóm này là những thuốc trừ sâu có nguồn gốc tự nhiên, là hỗn hợp của các este khác nhau với cấu trúc phức tạp được tách ra từ hoa của những giống cúc.

Đại diện của nhóm này gồm cypermethrin, permethrin, fenvalarate, deltamethrin. Bên cạnh đó còn một số HCBVTV gốc vô cơ (hợp chất của đồng, thủy ngân,…) hoặc HCBVTV có nguồn gốc từ vi khuẩn, nấm và virus (thuốc trừ nấm, trừ vi khuẩn…). Thuốc trừ sâu dùng trong nghiên cứu - Fenobucarb (còn có tên là 2-sec-butylphenylN-methylcarbamate): Là thuốc trừ sâu thuộc nhóm carbamate. Fenobucarb là thuốc diệt côn trùng thông qua ức chế hoạt động của men thần kinh cholinesterase.

Fenobucarb là nông Luan van 7 dược được xếp vào nhóm độc tính cấp II theo phân loại của WHO [23]. Nó cũng độc hại đối với con người, gây ảnh hưởng đến hệ thần kinh, bộ phận sinh sản, gây ung thư và ngộ độc cấp tính và gây hại cho động vật thủy sinh. Liều gây chết trung bình qua miệng đối với chuột là 410 mg/kg. Fenobucarb được sử dụng rộng rãi làm thuốc trừ sâu trên lúa [24, 25].

C12H 17NO2 M = 207,3g/mol Hình 1. Công thức cấu tạo của fenobucarb Công thức cấu tạo và một số tính chất vật lý và hóa học của fenobucarb dùng trong nghiên cứu được chỉ ra ở hình 1. Tính chất vật lý và hóa học của DDT, endosulfan và fenobucarb [26] Tên Fenobucarb Phân loại Carbamate Công thức phân tử C12H17NO2 Khối lượng phân tử 207,27g/mol Nhiệt độ tan chảy 124,7°C Nhiệt độ sôi (760 mmHg) 282,50C Tỷ trọng 1,023 g/cm3 Áp suất bay hơi (mPa) 13 (25oC) Độ tan trong nước (20oC) 420 mg/L pKow 2,79 Thời gian bán hủy 17 (pH = 9) Luan van 8 1. Ô nhiễm môi trường nước do sử dụng HCBVTV ở Việt Nam  Sử dụng HCBVTV ở Việt Nam Theo ước tính của WHO [16] đã cho thấy các nước phát triển tiêu thụ khoảng 20% sản lượng thuốc trừ sâu trên thế giới [27].

Ở các nước Đông Nam Á nơi mà nông nghiệp là hoạt động kinh tế chính, HCBVTV đóng một vai trò quan trọng bởi vì hầu hết các nước ở khu vực này đang tìm kiếm để đi vào nền kinh tế toàn cầu bằng việc cung cấp các trái cây, rau tươi quanh năm và lương thực với sản lượng lớn [16]. Tuy nhiên mục tiêu này không thể đạt được nếu không gia tăng việc sử dụng HCBVTV để tăng năng suất mùa vụ. Việt Nam là nước đông dân thứ 2 trong Đông Nam Á và thu nhập phụ thuộc vào nông nghiệp, xấp xỉ khoảng 47% đất của các vùng đồng bằng châu thổ (820.800 ha) là đất nông nghiệp [28]. Cũng giống như các nước Đông Nam Á khác Việt Nam đã và đang đẩy mạnh việc sử dụng các HCBVTV để tăng năng suất mùa màng trên một diện tích trồng trọt (hecta).

Một khối lượng lớn HCBVTV đã được đưa vào Việt Nam để sử dụng, trong đó lượng thuốc trừ sâu chiếm tỷ lệ cao nhất [29]. Trước năm 1990, hằng năm cả nước nhập khẩu khoảng 13.000 tấn thuốc thành phẩm qui đổi ra các loại. Theo nghiên cứu của Hội và các cộng sự vào năm 2013 ngoài lượng thuốc trừ sâu được sản xuất ra trong nước, lượng thuốc trừ sâu nhập khẩu có giá trị khoảng 500 triệu đô la Mỹ/năm [30]. Hiện nay có khoảng 1376 loại thuốc trừ sâu bệnh và nấm và 223 loại thuốc diệt cỏ đang được sử dụng trên thị trường Việt Nam [27].

Lượng tiêu thụ trung bình của HCBVTV là 5,52 kg/ha trên 1 vụ mùa cho rau; 3,34 kg/ha cho lúa; 0,88 kg/ha cho các cây trồng thực phẩm khác (ngô, khoai, cà chua); 3,34 kg/ha cho các cây công nghiệp ngắn hạn (đậu tương và lạc) và 3,08 kg/ha cho các cây công nghiệp dài ngày (chè và cà phê). Loại và lượng HCBVTV sử dụng phụ thuộc nhiều vào loại sâu bọ phổ biến và mức độ phá hoại tiểm ẩn của chúng đối với mùa màng cũng như là quan điểm thực hiện quản lý sâu bệnh của người nông dân. Với một số quan điểm như: Xu hướng sử dụng HCBVTV như đã dùng trước đây, không đắt, không Luan van 9 có chứng nhận, độc hơn đối với sâu bệnh và bền vững hơn trong môi trường [31].  Sử dụng HCBVTV trên ruộng lúa Lúa gạo vẫn tiếp tục đóng vai trò trung tâm trong sản phẩm nông nghiệp và thực phẩm của Việt Nam, với diện tích canh tác lúa là gần 7,7 triệu ha (năm 2000), Việt Nam đứng thứ 2 thế giới về xuất khẩu gạo với gần 30 nghìn tấn (MARD 2002).

Sản xuất lúa gạo ở Việt Nam được đặc trưng bởi tính đa vụ, sản xuất thâm canh nhỏ lẻ và sử dụng rộng rãi phân bón và thuốc trừ sâu. Mật độ trung bình mùa vụ lúa ở Việt Nam là 1,6. Khoảng 55% tổng diện tích canh tác lúa là 2 vụ gồm vụ Xuân - Hè và vụ Đông - Xuân, canh tác một vụ được trồng ở các vùng trũng và vùng cao. Hóa chất bảo vệ thực vật được sử dụng trên hầu hết các ruộng lúa, theo kết quả nghiên cứu thực địa ở đồng bằng sông Hồng của Thiên và các cộng sự [17] cho thấy có khoảng 40 HCBVTV loại đang được sử dụng ở đây (bảng 1.2) trong đó một số các thuốc trừ sâu bị cấm như endosulfan, DDT vẫn được tìm thấy trong các HCBVTV sử dụng [17, 23].

Theo nghiên cứu của Berg và các cộng sự [32] về việc sử dụng thuốc trừ sâu trên ruộng lúa ở đồng bằng sông Mekong năm 1999 đã tìm thấy 64 các thuốc trừ sâu khác nhau, trong đó xấp xỉ 25% là thuốc trừ sâu bệnh, 25% thuốc trừ nấm và 25 % là thuốc diệt cỏ (bảng 1. Thuốc trừ sâu bệnh thông dụng nhất là fenobucarb, cartarp hydrochloride và lambdacyhalothrin. Luan van 10 Bảng 1. Các thuốc trừ sâu được sử dụng ở đồng bằng sông Hồng [17] Được Hạn Không Cấm Tên Tên phép chế có trong sử thông thường thương mại sử sử danh dụng dụng dụng mục Thiodan Endosulfan * 30EC Endosulfan Thaso dant * Isodrin Isodrin * 2,4 D Qick * Pyrimex Chlorpyrifos * 20EC Basudin Diazinon * 50EC Methyl parathion Wofatox * Methamidophos Filitox 60SC * Methamidophos Monitor * Metyl Fenitrothion * annong Profenofos Selecron * Methyl parathion Wafatox * Carbendazim Carbenzim * Shachong Thiosultap-sodium * shuang Thiosultap-sodium Sanedan * Fenobucarb Bassa 50EC * Carbofuran Furadan 3G * Cypermethrin Arrivo 5EC * Cypermethrin Sherpa * Karate Lambda cyhalothrin * 2,5EC Deltamethrin Decis 2,5EC * Luan van 11 Alpha cypermethrin Fastac 5EC * Fenvalerate+dimetho Fenbis 25EC * ate Sumi alpha Esfenvalerate * 5EC DDT Neocid * Monocrotophos Magic 50SL * Cartap Padan * Imidacloprid Conphai * Methomyl Lannate * Funguran- Copper-hydroxide * OH Vidoc- Copper-oxychloride * 30BTN Sulfur Kummulus * Abamectin Bringtin * Petroleum oil + Soka * abamectin Difenoconazole Tilt super * propiconazole Sodium+nitroguaiac Antonik * olate Fenitrothion+ Ofatox * trichlorfon 400EC Benvil 50SC * Disara 10WP * Kocide 53,8 * DP Luan van 12 Bảng 1.