Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Cơ sở khoa học của vấn đề nghiên cứu 1. Ô nhiễm kim loại nặng trong đất 1.1 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(d 5g/cm3). 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.
Một định nghĩa khác cho rằng, kim loại nặng là những nguyên tố có đặc tính kim loại và có số nguyên tử lớn hơn 20. 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 enzyme.
Tuy nhiên các nguyên tố ni lượng nói riêng và các KLN nói chung ở nồng độ 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 nồng độ 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. Sự tích tụ các chất độc hại, các KLN trong đất xẽ 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. Trong những năm gần đây, ô nhiễm KLN đã thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học vì tính chất bền vững của chúng.
Độc tính của KLN đối với sinh vật liên quan đến cơ chế oxy hóa và độc tính gen. Tác hại của KLN đối với n 6 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 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 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.2 Các nguồn gây ô nhiễm KLN trong đất a) Quá trình khoáng hoá đá Nguồn từ quá trình phong hoá đá: Nguồn này phụ thuộc nhiều vào đá mẹ nhưng hàm lượng các kim loại nặng trong đá thường rất thấp, vì vậy nếu không có các quá trình tích lũy do xói mòn, rửa trôi… thì đất tự nhiên ít có khả năng có hàm lượng kim loại nặng cao.1: Hàm lượng trung bình một số KLN trong đá và đất (ppm) Vỏ Nguyên Đá bazo Đá Axit Đá trầm Dao động Trung bình phong tố (Ba selt) (Granite) tích trong đất trong đất hóa As 1,5 1,5 7,7 1,5 0,1-40 6 Bi 0,031 0,065 0,4 0,048 0,1-0,4 0,2 Cd 0,13 0,09 0,17 0,11 0,01-2 0,35 Hg 0,012 0,08 0,19 0,05 0,01-0,5 0,06 In 0,058 0,04 0,044 0,049 0,2-0,5 0,2 Pb 3 24 19 14 2-300 19 Sb 0,2 0,2 1,2 0,2 0,2-10 1 Se 0,05 0,05 0,42 0,05 0,01-1,2 0,4 Te - - <0,1 0,005 - - Ti 0,08 1,1 0,95 0,6 0,1-0,8 0,2 (Nguồn: Fergusson, 1990) n 7 b) Nguồn ô nhiễm KLN do các hoạt động khai khoáng Quá trình khai khoáng gây ô nhiễm và suy thoái môi trường đất ở mức độ nghiêm trọng nhất và là một thực tế đáng báo động.
Các dạng ô nhiễm môi trường tại những mỏ đã và đang khai thác rất đa dạng như ô nhiễm đất, nước mặt, nước ngầm. Các tác nhân gây ô nhiễm là axit, kim loại nặng, cyanide, các loại khí độc v.v… Hiện tượng suy giảm chất lượng nước mặt, nước ngầm ở nhiều nơi do ô nhiễm kim loại nặng có nguồn gốc công nghiệp như Ni, Cr, Pb, As, Cu, Se, Hg, Cd … cần phải sớm có giải pháp xử lý. Nhiều kim loại nặng rất độc đối với con người và môi trường cho dù ở nồng độ rất thấp. Công đoạn nào của quá trình khai thác khoáng sản cũng đều gây nên ô nhiễm kim loại vào đất, nước, không khí và cơ thể sinh vật.
Sự nhiễm bẩn kim loại không chỉ xảy ra khi mỏ đang hoạt động mà còn tồn tại nhiều năm sau kể từ khi mỏ ngừng hoạt động. S và cộng sự (2004)[35], tại mỏ vàng – bạc Soncheon đã bỏ hoang ở Hàn Quốc, đất và nước nhiều khu vực ở đây vẫn còn bị ô nhiễm một số kim loại ở mức cao [35].2: Hàm lượng kim loại nặng trong một số loại đất ở khu mỏ hoang Songcheon Đơn vị: mg/ kg Đất Đất bình Bãi thải Đất vùng Nguyên tố thường trên quặng núi trang trại thế giới As 3 584- 143 813 695 -3 082 7-626 6 Cd 2,2- 20 1,32 0,75 0,35 Cu 30-749 36- 89 13-673 30 Pb 125- 50 803 63- 428 23-290 35 Zn 580- 7 541 115 – 795 63-110 90 Hg 0,09- 1,01 0,19- 0,55 0,09-4,90 0,06 (Nguồn: H. Lim và cộng sự, 2004) [40] n 8 Theo các tác giả thì bãi thải đuôi quặng ở đây là nguồn điểm gây ô nhiễm các kim loại cho đất ở những khu vực xung quanh. Hàm lượng các kim loại cao trong đất trang trại là do sự phát tán kim loại bởi gió, nước từ các bãi quặng đuôi.
Đa số cây trồng ở các khu đất bị nhiễm kim loại đã bị nhiễm As và Zn ở mức cao. Môi trường đất tại các mỏ vàng mới khai thác thường có độ kiềm cao (pH: 8 – 9), ngược lại ở các mỏ vàng cũ, thường có độ axit mạnh (pH: 2,5 - 3,5); dinh dưỡng trong đất thấp và hàm lượng kim loại nặng rất cao. Chất thải ở đây thường là nguồn gây ô nhiễm môi trường, cả phần trên mặt đất và phần dưới mặt đất. Ở Úc, chất thải từ các mỏ vàng chứa hàm lượng các kim loại nặng vượt tiêu chuẩn cho phép rất nhiều lần [24].3: Hàm lượng kim loại nặng trong chất thải của một số mỏ vàng điển hình ở Úc Kim loại nặng Hàm lượng kim loại nặng tổng số (mg/kg) As 1 120 Cr 55 Cu 156 Mg 2 000 Pb 353 St 335 Zn 283 (Nguồn: ANZ, 1992) [24] Ở Việt Nam, trong thời gian qua, tình trạng khai thác khoáng sản trái phép đã diễn ra tràn lan ở một số địa phương (như khai thác vàng, than thổ phỉ ở Thái Nguyên, thiếc ở Tĩnh Túc Cao Bằng …).
Các chất thải từ các hoạt n 9 động khai thác khoáng sản có chứa kim loại nặng như: Pb, Zn, Cd, As, Ni, Cu … thường được thải trực tiếp ra môi trường mà không qua xử lý, làm cho môi trường đất bị ô nhiễm. Đồng thời một diện tích lớn rừng đã bị ảnh hưởng và tác động, làm cho môi trường đất bị suy thoái (Võ Văn Minh, 2009) [17]. Ảnh hưởng của sự suy thoái và ô nhiễm đất sẽ gây ra những hậu quả nghiêm trọng, dẫn đến làm giảm năng suất cây trồng, làm nghèo thảm thực vật, suy giảm đa dạng sinh học. Đồng thời chúng có tác động ngược lại làm cho quá trình xói mòn, rửa trôi thoái hóa diễn ra nhanh hơn.
Nhiều diện tích đất canh tác nông nghiệp phải bỏ hoang, diện tích đất trống đồi trọc tăng lên. Sự tích tụ cao các chất độc hại, các kim loại nặng 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 khỏe con người. Thái Nguyên cũng là một tỉnh có nhiều điểm quặng, những tác động tiêu cực tới môi trường: ô nhiễm môi trường không khí, ô nhiễm môi trường nước, ô nhiễm môi trường đất. do hoạt động sản xuất, khai thác, chế biến là không thể tránh khỏi.
Kết quả nghiên cứu về thực trạng môi trường đất, nước tại một số khu vực khai thác khoáng sản của tỉnh Thái Nguyên cho thấy: - Mỏ sắt Trại Cau: Nước thải sản xuất của mỏ sắt Trại Cau chủ yếu là nước thải từ khâu tuyển rửa quặng. Hầu hết các chỉ tiêu kim loại đều vượt so với tiêu chuẩn nước thải cho phép. Cụ thể: hàm lượng sắt (Fe) trong mẫu vượt tiêu chuẩn tới trên 670 lần, hàm lượng chì (Pb) vượt chuẩn cho phép xấp xỉ 6,7 lần, hàm lượng asen (As) vượt chuẩn từ 3,78 đến 3,88 lần, hàm lượng cadimi (Cd) vượt chuẩn trên 2 lần tiêu chuẩn cho phép. Các chỉ tiêu về ô nhiễm hữu cơ như BOD5, COD cũng đều xấp xỉ mức cho phép.
- Theo Báo cáo của Trung tâm quan trắc và bảo vệ môi trường Thái Nguyên (2005) cho biết, nước thải của xí nghiệp khai thác thiếc Hà Thượng, Đại Từ có dấu hiệu ô nhiễm về kim loại, hàm lượng Zn vượt 7 lần so với TCVN-5945-1995, hàm lượng Fe vượt gần 2 lần, trong mẫu nước có phát hiện As, Hg. Ngoài ra nước mang tính axit (pH - 2,5). n 10 Kết quả phân tích các mẫu đất khu vực xí nghiệp thiếc Đại Từ cho thấy: Chỉ số As trong đất vượt tiêu chuẩn, As từ 13,10 đến 15,48 mg/kg trong khi tiêu chuẩn là 12 (TCVN 7209-2002). - Xí nghiệp chì - kẽm làng Híc, Đồng Hỷ: Kết quả phân tích chất lượng nước thải cho thấy ở tất cả các mẫu, nước thải đã có dấu hiệu ô nhiễm kim loại nặng, đặc biệt là hàm lượng kẽm trong nước tại các điểm quan trắc đều vượt từ 2,11 đến 7,23 lần so với tiêu chuẩn cho phép ( TCVN 5045:1995), hàm lượng chất lơ lửng trong nước (TSS) rất cao.
Mẫu bùn lắng ở 2 điểm lấy mẫu cho thấy có dấu hiệu ô nhiễm kim loại nặng. Các chỉ tiêu kim loại nặng phân tích nhận được đều cho giá trị rất cao. Cụ thể, hàm lượng kẽm vượt từ 2,3 đến 2,7 lần, cadimi cao hơn từ 4,5 đến 8,4 lần so với tiêu chuẩn cho phép (TCVN 7209: 2002) và asen cũng gần xấp xỉ tiêu chuẩn cho phép (từ 11,37 đến 12,95 mg/l, TCVN 7209:2002 là 12mg/l.