CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Tổng quan về kim loại nặng (KLN) 1. Khái niệm KLN Có nhiều khái niệm về KLN, trong đó có 2 quan điểm chính được sử dụng nhiều về KLN là: Quan điểm thứ nhất cho rằng KLN là các kim loại có tỉ trọng lớn hơn 5, bao gồm: As (tỉ trọng 5,72), Ag (tỉ trọng 10,5), Bi (tỉ trọng 9,8), Cd (tỉ trọng 9,6), Co (tỉ trọng 8,9), Cu (tỉ trọng 8,96), Cr (tỉ trọng 7,1), Fe (tỉ trọng 7,87), Hg (tỉ trọng 13.Trong số các nguyên tố này có một số nguyên tố cần cho dinh dưỡng cây trồng, ví dụ: Mn, Co, Cu, Zn, Fe,.Các nguyên tố này được cây trồng cần với hàm lượng nhỏ, gọi là nguyên tố vi lượng, nếu hàm lượng cao sẽ gây độc cho cây trồng (Prasad, 1974) [128]).
Quan điểm thứ hai theo quan điểm độc tố học cho rằng KLN là các kim loại có nguy cơ gây nên các vấn đề về môi trường. Theo quan điểm này các nguyên tố sau được xem là KLN: Cu, Zn, Pb, Cd, Hg, Ni, Cr, Co, Vn, Ti, Fe, Mn, Ag, Sn, As, Se. Có 3 nguyên tố được quan tâm nhiều là Pb, Hg, Cd. Hiện nay người ta chưa biết được vai trò sinh thái của 3 nguyên tố này, tuy nhiên nếu dư thừa một lượng nhỏ 3 nguyên tố này thì tác hại rất lớn (Rainbow, 1985 [117]; Hopkin, 1989 [84]; Bryan & Langston, 1992 [57]).
Cần phân biệt thuật ngữ KLN và nguyên tố vi lượng, nguyên tố vi lượng gồm 7 nguyên tố mà thực vật cần với số lượng nhỏ như Cu, Zn, Mn, Mo, B, Fe, Cl. Thuật ngữ nguyên tố vi lượng không có nghĩa là các nguyên tố này tồn tại với số lượng nhỏ trong đất. Ví dụ, Fe và Mn là 2 nguyên tố vi lượng nhưng có hàm lượng phong phú nhất trong đất. Các nguyên tố vi lượng khác (Cu, Zn, Mo, B, Cl), có hàm lượng < 0,1% trong đất được gọi là nguyên tố vết (Harmsen & nnk 1985 [81]).
Tính độc hại của KLN Nhiều tác giả đã chỉ ra rằng tính độc của các KLN trong đất không phụ thuộc vào hàm lượng tổng số của nó mà phụ thuộc vào dạng di động, bị thay đổi phụ thuộc vào sự biến đổi các điều kiện của môi trường xung quanh gây ra bởi 15 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com các quá trình ở vùng rễ hay tác động của các hoạt động canh tác như bón lân, chất hữu cơ, vôi và các chất điều hoà khác [53, 66, 89, 124]. Kim loại nặng không bị phân hủy sinh học (Tam & Wong, 1995 [125]), không độc khi ở dạng nguyên tố tự do nhưng nguy hiểm đối với sinh vật sống khi ở dạng cation do khả năng gắn kết với các chuỗi các bon ngắn dẫn đến sự tích tụ trong cơ thể sinh vật sau nhiều năm (Shahidul & Tanaka, 2004 [102]). Đối với con người, có các nguyên tố kim loại nặng gây độc như Pb, Hg, Al, As, Cd, Ni,… Một số kim loại nặng được tìm thấy trong cơ thể và thiết yếu cho sức khỏe con người, chẳng hạn như Fe, Ze, Mn, Co, Mg, Mo và Cu mặc dù với lượng rất ít nhưng nó hiện diện trong quá trình chuyển hóa. Tuy nhiên, ở mức thừa của các nguyên tố thiết yếu có thể nguy hại đến đời sống của sinh vật (Foulkes, 2000 [70]).
Một số nguyên tố khác là các nguyên tố không thiết yếu và có thể gây độc tính cao khi hiện diện trong cơ thể, các nguyên tố này bao gồm Hg, Ni, Pb, As, Cd, Al, Pt và Cu ở dạng ion kim loại. Chúng đi vào cơ thể qua các con đường hấp thụ của cơ thể như hô hấp, tiêu hóa và qua da. Nếu kim loại nặng đi vào cơ thể và tích lũy bên trong tế bào lớn hơn quá trình đào thải thì chúng sẽ tăng dần và sự ngộ độc sẽ xuất hiện (Foulkes, 2000 [70]). Do vậy, con người không những ngộ độc với hàm lượng cao của KLN mà còn với hàm lượng thấp và thời gian kéo dài sẽ đạt đến hàm lượng gây độc.
Tính độc hại của các kim loại nặng được thể hiện qua: (1) Một số kim loại nặng có thể bị chuyển từ tính độc thấp sang dạng tính độc cao hơn trong một vài điều kiện môi trường, ví dụ thủy ngân ở dạng nguyên tố lỏng là ít độc nhưng dạng hơi, hợp chất và muối của thủy ngân là rất độc; (2) Sự tích tụ và khuếch đại sinh học của các kim loại này qua chuổi thức ăn có thể làm tổn hại các hoạt động sinh lý bình thường và sau cùng gây nguy hiểm cho sức khỏe của con người; (3) Tính độc của các nguyên tố này có thể ở một nồng độ rất thấp khoảng 0.1-10 mg/l (Alkorta và nnk. Tính độc của Cd đối với sức khỏe con người Trong thiên nhiên cadmi đi kèm với kẽm. Bệnh nhân bị ngộ độc cadmi xương giòn, dễ gẫy. Ngộ độc trầm trọng thì hại thận, thiếu máu, rồi loạn tuỷ xương.
Bệnh đau xương cơ (hay còn gọi là bệnh itai-itai) là bệnh do sự ngộ độc Cd trầm trọng, tất cả những bệnh nhân với bệnh này điều bị tổn hại thận, xương đau nhức trở nên giòn và dễ gãy (Nogawa và nnk, 1999 [110]). 16 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Tính độc của Pb đối với sức khỏe con người Trong cơ thể người, chì trong máu liên kết với hồng cầu, và tích tụ trong xương. Khả năng loại bỏ chì ra khỏi cơ thể rất chậm chủ yếu qua nước tiểu.
Chu kì bán rã của chì trong máu khoảng một tháng, trong xương từ 20-30 năm (Tổ chức y tế thế giới,1995 trích dẫn từ [88]). Các hợp chất chì hữu cơ rất bền vững độc hại đối với con người, có thể dẫn đến chết người (Castro & Michael, 2003 [58]). Những biểu hiện của ngộ độc chì cấp tính như nhức đầu, tính dễ cáu, dễ bị kích thích, và nhiều biểu hiện khác nhau liên quan đến hệ thần kinh. Con người bị nhiễm độc lâu dài đối với chì có thể bị giảm trí nhớ, giảm khả năng hiểu, xáo trộn khả năng tổng hợp hemoglobin có thể dẫn đến bệnh thiếu máu (Lars Jarup, 2003 [88]).
Chì cũng được biết là tác nhân gây ung thư phổi, dạ dày và u thần kinh đệm. Nhiễm độc chì có thể gây tác hại đối với khả năng sinh sản, gây sẩy thai, làm suy thoái nòi giống (Ernest & Patricia, 2000 [68]). Đánh giá mức độ ô nhiễm kim loại nặng trong đất Để đánh giá mức độ ô nhiễm của KLN trên quan điểm độc tố học, hàm lượng KLN trong đất có thể phân thành hai mức, đó là hàm lượng "nền" (background level) và hàm lượng vượt quá ngưỡng "nền" (excessive background level). Hàm lượng nền của KLN trong đất được xem là hàm lượng thông thường của KLN đó trong các điều kiện tự nhiên của đất, liên quan chủ yếu với nguồn gốc phát sinh tự nhiên (đá mẹ, điều kiện hình thành đất,.
Hàm lượng KLN vượt quá ngưỡng nền trong đất biểu thị đất đã có dấu hiệu tích lũy và ô nhiễm ở một mức độ nhất định, thường liên quan đến các hoạt động nhân tạo. Sự đa dạng về các nguồn phát thải bao gồm khai thác kim loại, giao thông, sơn và nấu chảy kim loại có thể tạo nên hàm lượng Pb rất cao trong tầng đất mặt. Các đất bị ô nhiễm có thể có các mức Cd rất cao liên quan đến các khu vực gần nguồn phát thải như các khu vực tái chế kim loại. Ba nguồn gây ô nhiễm đất bởi Hg chủ yếu là: các hoạt động khai mỏ, sản xuất Cl2 và Na2CO3 ăn da dùng điện cực Hg - KCl và từ việc sử dụng các hợp chất Hg trong nông nghiệp như các loại thuốc diệt nấm.
17 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Các nước trên thế giới đã đưa ra quy định giới hạn hàm lượng KLN đối với đất dùng cho mục đích nông nghiệp (Bảng 1. Mục tiêu của giới hạn này, ở hầu hết các nước, là bảo vệ năng suất của đất, môi trường và sức khoẻ con người cũng như động vật.1: Đề xuất hàm lượng tối đa cho phép (MAC) của KLN được xem là độc đối với thực vật trong các đất nông nghiệp ppm KLN Áo Canađa Ba Lan Nhật Anh Đức Cu 100 100 100 125 50 (100) 50 (200) Zn 300 400 300 250 150 (300) 300 (600) Pb 100 200 100 400 50 (100) 500 (1000) Cd 5 8 3 - 1 (3) 2 (5) Hg 5 0,3 5 - 2 10 (50) Nguồn: Kabata & Pendias, (1992) [113] Ở Việt Nam, nghiên cứu hàm lượng của KLN trong một số nhóm đất chính đã được tiến hành bởi các tác giả như Cao Liêm, (1971), Phạm Đình Thái, (1974), Trần Kông Tấu & Văn Huy Hải, (1976) [34], Lê Đức, (1994) [6], Trần Kông Tấu, Trần Kông Khánh, (1998) [35], Phạm Quang Hà, 2005 [12]. Hiện nay nước ta đã có quy chuẩn đối với KLN trong môi trường đất quy định mức giới hạn hàm lượng tổng số của một số KLN trong môi trường đất: Asen (As), cadimi (Cd), đồng (Cu), chì (Pb) và kẽm (Zn) trong tầng đất mặt theo mục đích sử dụng đất như: đất nông nghiệp, đất lâm nghiệp, đất dân sinh, đất thương mại và đất công nghiệp (bảng 1.2: Quy chuẩn Việt Nam QCVN 03-MT:2015/BTNMT quy định về hàm lượng KLN trong đất cho một số mục đích sử dụng nông nghiệp khác nhau. Đơn vị: ppm Đất nông Đất lâm Đất dân Đất công Đất thương TT Thông số nghiệp nghiệp sinh nghiệp mại, dịch vụ 1 Asen (As) 15 20 15 25 20 2 Cadimi (Cd) 1,5 3 2 10 5 3 Chì (Pb) 70 100 70 300 200 4 Crom (Cr) 150 200 200 250 250 5 Đồng (Cu) 100 150 100 300 200 6 Kẽm (Zn) 200 200 200 300 300 Nguồn: Bộ Tài nguyên và Môi trường, (2014).
18 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Nguồn KLN (Cd và Pb) trong đất Có 2 nguồn chính là từ phong hoá đá hình thành đất và hoạt động nhân sinh. Quá trình phong hoá đá Phong hóa đá là nguồn cung cấp đầu tiên các nguyên tố khoáng và có vai trò quan trọng trong việc tích lũy các KLN trong đất. Trong những điều kiện xác định, phụ thuộc vào các loại đá mẹ khác nhau mà các đất được hình thành có chứa hàm lượng khác nhau các KLN, ví dụ: Pb có nhiều trong đá mắc ma axit và các trầm tích sét, có ít trong các đá siêu bazơ, các trầm tích đá vôi; Cd có nhiều trong đá mắc ma bazơ, siêu bazơ và các trầm tích sét, có ít trong đá mác ma axit (granit), các trầm tích đá vôi và sa thạch (bảng 1.