Tổng quan luận án
Ô nhiễm thủy ngân (Hg) là một trong những vấn đề môi trường nghiêm trọng do tính độc hại cao, khả năng tồn tại lâu dài và tích lũy sinh học trong chuỗi thức ăn. Độc tính của thủy ngân phụ thuộc chặt chẽ vào dạng tồn tại hóa học; trong đó metyl thủy ngân ($\text{CH}_3\text{Hg}^+$) là dạng hữu cơ độc nhất, có khả năng hòa tan trong mỡ, dịch chuyển qua màng tế bào, tích lũy trong mô thần kinh và đi qua nhau thai vào mô bào thai.
Tại Việt Nam, báo cáo của Cục Hóa chất – Bộ Công thương năm 2016 cho thấy lượng phát thải thủy ngân vào môi trường ước tính khoảng 49.131 kg/năm từ bốn nguồn chính: thiết bị chiếu sáng, đốt than, y tế và khai thác vàng thủ công quy mô nhỏ. Trong hoạt động khai thác vàng sa khoáng, thủy ngân kim loại ($\text{Hg}^0$) được sử dụng để tạo hỗn hống tách vàng; tuy nhiên, trong trầm tích tại các khu vực này lại xuất hiện metyl thủy ngân. Sự chuyển hóa sinh địa hóa của thủy ngân tại các vùng mỏ diễn ra phức tạp, trong khi các công trình khảo sát quá trình metyl hóa, tích lũy sinh học ở động vật đáy, cá và các quy trình hướng dẫn chuẩn về phân tích metyl thủy ngân trong mẫu trầm tích và sinh học ở trong nước còn hạn chế. Do đó, đề tài “Nghiên cứu xây dựng quy trình phân tích metyl thủy ngân trong các mẫu sinh học và môi trường tại khu vực khai thác vàng Thần Sa, Thái Nguyên” được thực hiện nhằm giải quyết các khoảng trống kỹ thuật và thực tiễn này.
Mục tiêu nghiên cứu
- Nghiên cứu xây dựng phương pháp phân tích metyl thủy ngân trong mẫu sinh học có độ nhạy, độ chọn lọc và độ chính xác cao.
- Nghiên cứu, đánh giá sự chuyển hóa và tích lũy sinh học của thủy ngân trong các mẫu trầm tích và sinh học tại khu vực khai thác vàng Thần Sa, huyện Võ Nhai, tỉnh Thái Nguyên.
Nội dung nghiên cứu chính
- Khảo sát, lựa chọn các điều kiện tối ưu và xác nhận giá trị sử dụng của phương pháp phân tích hàm lượng tổng thủy ngân trong mẫu trầm tích và mẫu sinh học.
- Nghiên cứu, lựa chọn các điều kiện tối ưu và xác nhận giá trị sử dụng của phương pháp phân tích hàm lượng metyl thủy ngân trong trầm tích bằng phương pháp sắc ký khí sử dụng detector cộng kết điện tử (GC-ECD).
- Nghiên cứu, khảo sát và xây dựng quy trình phân tích hàm lượng metyl thủy ngân trong mẫu sinh học bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử với kỹ thuật hóa hơi lạnh cải tiến (CV-AAS) kết hợp kỹ thuật chiết lỏng - lỏng.
- Áp dụng quy trình phân tích xây dựng được để xác định hàm lượng tổng thủy ngân và metyl thủy ngân trong mẫu trầm tích, sinh học tại khu vực khai thác vàng Thần Sa, huyện Võ Nhai, tỉnh Thái Nguyên; đồng thời đánh giá sự chuyển hóa và tích lũy thủy ngân trong các đối tượng mẫu nghiên cứu.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Các dạng tồn tại của thủy ngân gồm tổng thủy ngân (T-Hg) và metyl thủy ngân (Me-Hg); các đối tượng nền mẫu gồm mẫu trầm tích mặt, trầm tích suối và các mẫu sinh học (cá, động vật đáy).
- Phạm vi không gian: Khu vực bãi khai thác vàng sa khoáng tại xã Thần Sa, huyện Võ Nhai, tỉnh Thái Nguyên (tập trung tại các khu vực suối Pó, xóm Kim Sơn, Thượng Kim và lũng Tâu Lườn).
- Phạm vi thời gian và bối cảnh: Khảo sát trong giai đoạn các hoạt động khai thác vàng thủ công sử dụng phương pháp tạo hỗn hống thủy ngân đang diễn ra và để lại nguy cơ tích tụ ô nhiễm thứ cấp.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Luận án đã tổng quan toàn diện các hướng nghiên cứu về phát thải, chuyển hóa sinh địa hóa và phương pháp phân tích thủy ngân trên thế giới và tại Việt Nam:
Tình hình nghiên cứu trên thế giới
- Thảm họa ngộ độc và nghiên cứu dịch tễ: Thảm họa Minamata tại Nhật Bản (1953–1960) ghi nhận 2.955 người nhiễm độc, 45 người tử vong (số liệu dịch tễ tích lũy đến năm 1970 ghi nhận ít nhất 170 người chết, 800 ca mắc bệnh); thảm họa tại Iraq năm 1971–1972 do ăn hạt giống xử lý thuốc diệt nấm chứa Me-Hg làm 459 đến 3.723 người tử vong và hàng nghìn người chịu di chứng thần kinh. Các nghiên cứu phơi nhiễm ở trẻ em châu Âu cho thấy hàm lượng Hg trong tóc ở Tây Ban Nha là 1,41 µg/g, Hy Lạp 1,36 µg/g, Ý 0,78 µg/g, Pháp 0,37 µg/g; tại Canada là 3,7 µg/g (máu 18,5 µg/L), Hồng Kông 1,2 µg/g (máu 8,8 µg/L), Nhật Bản 1,62 µg/g (máu 9,8 µg/L). Tại Trung Quốc, nghiên cứu của các tác giả năm 2013–2015 trên 202 trẻ em ghi nhận nồng độ Hg trong máu trung bình là 1,39 µg/L (Quảng Đông đạt 2,01 µg/L, Thanh Hải đạt 0,37 µg/L). Dữ liệu tại Mỹ (2005–2012) chỉ ra xu hướng tích lũy Hg trong máu tăng theo độ tuổi, dao động từ 0,26–0,53 ng/L ở trẻ em và thanh thiếu niên lên 0,83–1,12 ng/L ở người trên 65 tuổi.
- Nghiên cứu tại các vùng khai thác khoáng sản và thủy vực: Saiki và cộng sự khảo sát lưu vực sông Sierra Nevada nhận thấy nồng độ Hg và Me-Hg ở hạ lưu cao hơn thượng nguồn do hoạt động mỏ vàng. Egler và cộng sự phát hiện hàm lượng Hg cao trong đất và rau tại hai khu mỏ vàng nhỏ São Chico và Creporizinho (Amazon, Brazil). Nghiên cứu tại Sơn Tây (Trung Quốc) ghi nhận nồng độ Hg trong đất đạt tới 19,50 mg/kg, trong lúa mì và rau từ 42 đến 640 mg/kg; Meng và cộng sự xác định nồng độ Hg không khí tại bãi thải quặng vàng đạt 25 ng/$\text{m}^3$ (mùa thu) và 19,5 ng/$\text{m}^3$ (mùa xuân). Tại vùng Amazon (sông Acre và Purus), hàm lượng Hg trong trầm tích đáy là 0,060 µg/g nhưng trong cá ăn thịt lên tới 1,287 µg/g. Tại vịnh Bắc Hải và Hoàng Hải (Trung Quốc), nồng độ Me-Hg trong cá chép đạt tới 3,3 mg/kg và cua đạt 3,7 mg/kg.
- Phương pháp phân tích: Phương pháp vô cơ hóa mẫu hở của Akagi và Nishimura (1991) sử dụng hỗn hợp $\text{HNO}_3 : \text{HClO}_4 : \text{H}_2\text{SO}_4$ ở $230^\circ\text{C}$ được chuẩn hóa tại Viện Nghiên cứu Quốc gia về bệnh Minamata (NIMD). Về phân tích Me-Hg, Westoo (1966) sử dụng chiết $\text{HCl}/\text{benzen}$ kết hợp giải chiết cystein; Sakamoto (1992) sử dụng $\text{Cu}_2(\text{SO}_4)$ và $\text{NaCl}$ trong $\text{HCl}$ 1M giải chiết bằng $\text{Na}_2\text{S}_2\text{O}_3$; Hight và Cheng (2003) phát triển quy trình phá mẫu vi sóng phân tích hải sản bằng CV-AAS.
Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam
- Các nghiên cứu tích lũy sinh học: Nghiên cứu tại Cần Thạnh – Cần Giờ ghi nhận hàm lượng Hg trong thịt nghêu là 0,006 mg/kg và ruột nghêu là 0,007 mg/kg; tại Nha Trang, hàm lượng Hg trong động vật thân mềm hai mảnh vỏ dao động 0,023–0,087 mg/kg, giáp xác 0,02–0,033 mg/kg; vùng biển Nghệ An – Quảng Trị ghi nhận Hg trung bình trong trầm tích là 2,06 mg/kg; bùn kênh rạch TP. Hồ Chí Minh chứa T-Hg từ 14–623 ng/g và Me-Hg từ 0,08–2,87 ng/g. Vũ Đức Lợi và cộng sự (2008, 2011) khảo sát Hg và Cd trong nước, trầm tích, bèo tây trên sông Tô Lịch và sông Nhuệ, đồng thời đề xuất cải tiến quy trình phân tích Me-Hg dùng dung dịch kiềm $\text{KOH-EtOH}$, chiết n-hexan, toluen và tạo phức dithizon.
Vị trí và khoảng trống nghiên cứu của luận án
Các nghiên cứu trong nước trước đây chủ yếu tập trung vào phân tích tổng thủy ngân hoặc định dạng Me-Hg trong môi trường nước mặt, bùn đô thị và hải sản ven biển; chưa có công trình nào đánh giá toàn diện quá trình phân bố, chuyển hóa sinh học của Me-Hg trong trầm tích và sinh vật tại các vùng mỏ khai thác vàng sa khoáng miền núi phía Bắc. Đồng thời, luận án đã lấp đầy khoảng trống về một quy trình phân tích Me-Hg trong mẫu sinh học bằng phương pháp CV-AAS kết hợp chiết chọn lọc cải tiến nhằm tối giản hóa quy trình so với kỹ thuật của Westoo và Vũ Đức Lợi, giảm chi phí vận hành và phù hợp với trang thiết bị trong nước.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết hóa học và độc học
- Dạng tồn tại và khoáng vật của thủy ngân: Thủy ngân thuộc nhóm IIB, số hiệu nguyên tử 80, cấu hình electron $[\text{Xe}],4f^{14}5d^{10}6s^2$, năng lượng ion hóa $I_1 = 10{,}43,\text{eV}, I_2 = 18{,}56,\text{eV}, I_3 = 34{,}3,\text{eV}$, nhiệt độ nóng chảy $-38{,}87^\circ\text{C}$, nhiệt độ sôi $357^\circ\text{C}$, nhiệt bay hơi $61{,}5,\text{kJ/mol}$, thế điện cực chuẩn $E^0 = 0{,}854,\text{V}$. Các dạng tồn tại tự nhiên gồm: $\text{Hg}^0$, $\text{Hg}_2^{2+}$, $\text{Hg}^{2+}$, dạng trao đổi ion liên kết $\text{Mn-Fe}$, và các hợp chất hữu cơ ($(\text{CH}_3)_2\text{Hg}$, $\text{CH}_3\text{Hg}^+$, $\text{RHgX}$). Khoáng vật chính là thần sa/xinaba ($\text{HgS}$), timanic ($\text{HgSe}$), colodoit ($\text{HgTe}$), livingtonit ($\text{HgSb}_4\text{O}_7$), montroydrit ($\text{HgO}$), calomen ($\text{Hg}_2\text{Cl}_2$), cộng sinh cùng antimonit ($\text{Sb}_2\text{S}_3$), pyrit ($\text{FeS}_2$), asenepyrit ($\text{FeAsS}$).
- Các phản ứng hóa học đặc trưng:
- Tác dụng với axit oxi hóa mạnh:
$$\text{Hg} + 4\text{HNO}_3 \text{ (đặc)} \rightarrow \text{Hg}(\text{NO}_3)_2 + 2\text{NO}_2 + 2\text{H}_2\text{O}$$
$$6\text{Hg} + 8\text{HNO}_3 \text{ (loãng)} \rightarrow 3\text{Hg}_2(\text{NO}_3)_2 + 2\text{NO} + 4\text{H}_2\text{O}$$
- Phản ứng nhận biết $\text{Hg}^{2+}$: tạo kết tủa đỏ $\text{HgI}_2$ tan trong thuốc thử dư tạo phức $[\text{HgI}_4]^{2-}$; khử bằng $\text{SnCl}_2$ tạo $\text{Hg}_2\text{Cl}_2$ (trắng) rồi $\text{Hg}^0$ (đen); khử bằng $\text{CuI}$ tạo $\text{Cu}_2[\text{HgI}_4]$ (đỏ/cam).
- Phản ứng của ion $\text{CH}_3\text{Hg}^+$: Đóng vai trò là axit Lewis mềm, tạo phức bền với các phối tử chứa lưu huỳnh và halogen ($\text{CH}_3\text{Hg}^+ + \text{Cl}^- \rightarrow \text{CH}_3\text{HgCl}$, $\log K = 5{,}23$; $\text{CH}_3\text{Hg}^+ + \text{S}^{2-} \rightarrow \text{CH}_3\text{HgS}^-$, $\log K = 21{,}04$). Quá trình metyl hóa sinh học trong cơ thể diễn ra qua tương tác giữa $\text{Hg}^{2+}$ và coenzyme methylcobalamin (vitamin B12).
- Tương tác với Cysteine (CSH):
$$\text{CH}_3\text{Hg}^+ + \text{CSH}^{2-} \rightarrow \text{CH}_3\text{HgCys}^- \quad (\log K = 16{,}12)$$
$$\text{CH}_3\text{Hg}^+ + \text{CSH}^{2-} + \text{H}^+ \rightarrow \text{CH}_3\text{HgHCys} \quad (\log K = 26{,}20)$$
- Chu trình sinh địa hóa của thủy ngân: Gồm 6 quá trình cơ bản: (1) Tách hơi $\text{Hg}$ từ vỏ trái đất và nguồn phát thải vào khí quyển; (2) Lắng đọng xuống đất và nước qua quá trình oxi hóa quang hóa và nước mưa; (3) Chuyển hóa thành sunfua thủy ngân không tan trong trầm tích; (4) Chuyển hóa hóa học và sinh học thành các dạng tan (metyl hóa, đề metyl hóa, khử $\text{Hg}^{2+} \rightarrow \text{Hg}^0$, oxi hóa $\text{Hg}^0 \rightarrow \text{Hg}^{2+}$, vi sinh vật chuyển hóa); (5) Tích lũy sinh học và khuếch đại qua chuỗi thức ăn; (6) Tái phát tán vào khí quyển.
Tiêu chuẩn và quy chuẩn kỹ thuật áp dụng
| Quy chuẩn / Tiêu chuẩn |
Đối tượng áp dụng |
Thông số |
Ngưỡng giới hạn quy định |
| QCVN 43:2012/BTNMT |
Trầm tích nước ngọt |
$\text{Hg}$ tổng số |
$0{,}5,\text{mg/kg}$ (trọng lượng khô) |
| QCVN 43:2012/BTNMT |
Trầm tích nước mặn, lợ |
$\text{Hg}$ tổng số |
$0{,}7,\text{mg/kg}$ (trọng lượng khô) |
| QCVN 8-2:2011/BYT |
PTWI (Hàng tuần chấp nhận được) |
$\text{Hg}$ / $\text{Me-Hg}$ |
$0{,}005,\text{mg/kg}$ thể trọng / $0{,}0016,\text{mg/kg}$ thể trọng |
| QCVN 8-2:2011/BYT |
Thịt cá (da trơn, cá ngừ, cá kiếm...) |
$\text{Hg}$ tổng số |
$1{,}0,\text{mg/kg}$ |
| QCVN 8-2:2011/BYT |
Giáp xác và thủy sản khác |
$\text{Hg}$ tổng số |
$0{,}5,\text{mg/kg}$ |
| QCVN 08:2008/BTNMT |
Nước mặt cột A1, A2, B1 |
$\text{Hg}$ tổng số |
$0{,}001,\text{mg/L}$ |
| QCVN 08:2008/BTNMT |
Nước mặt cột B2 |
$\text{Hg}$ tổng số |
$0{,}002,\text{mg/L}$ |
Phương pháp và thiết bị thực nghiệm
- Thiết bị phân tích chính:
- Hệ thiết bị phân tích vết thủy ngân tự động Model VAST-HG 01 (do Viện Hóa học cải tiến và chế tạo, ứng dụng kỹ thuật CV-AAS ở bước sóng 253,7 nm).
- Hệ thiết bị sắc ký khí kết hợp detector bắt điện tử GC-ECD (Shimadzu GC-2010).
- Hệ thiết bị sắc ký lỏng hiệu năng cao ghép nối khối phổ plasma cảm ứng cao tần HPLC-ICP-MS (Perkin-Elmer NexION 2000).
- Thiết bị phụ trợ: Cân phân tích Sartorius (độ chính xác $10^{-5},\text{g}$), máy ly tâm Heraeus Multifuge 3SR, máy lắc Vortex Fisherbrand, bếp gia nhiệt Stuart SB300, tủ sấy Memmert UN55.
- Hóa chất và mẫu chuẩn: Các axit $\text{HNO}_3$ 65%, $\text{H}_2\text{SO}_4$ 98%, $\text{HClO}_4$ 72%, $\text{HCl}$ 36%, $\text{HBr}$ 48% cấp độ tinh khiết phân tích (Merck, Sigma-Aldrich); chất chuẩn $\text{Hg}^{2+}$ 1000 mg/L, muối metyl thủy ngân ($\text{CH}_3\text{HgCl}$), L-cystein hydrochloride, $\text{KMnO}_4, \text{NH}_2\text{OH}\cdot\text{HCl}, \text{Na}_4\text{EDTA}$. Mẫu chuẩn đối chứng được chứng nhận (CRM):
- TORT-2 (Gan tụy tôm hùm): T-Hg = $0{,}270 \pm 0{,}060,\text{mg/kg}$; Me-Hg = $0{,}152 \pm 0{,}013,\text{mg/kg}$.
- DORM-2 (Cơ cá nhám): T-Hg = $4{,}64 \pm 0{,}26,\text{mg/kg}$; Me-Hg = $4{,}47 \pm 0{,}32,\text{mg/kg}$.
- Quy trình xử lý mẫu:
- Mẫu tổng thủy ngân: Vô cơ hóa ướt hệ hở bằng hỗn hợp $1,\text{mL},\text{H}_2\text{O} + 2,\text{mL},\text{HNO}_3:\text{HClO}_4,(1:1) + 5,\text{mL},\text{H}_2\text{SO}_4$ ở $230^\circ\text{C}$ trong 20 phút.
- Mẫu metyl thủy ngân trong sinh học: Chiết mẫu qua các giai đoạn: hòa tan phá vỡ liên kết protein trong $\text{KOH-EtOH}$, rửa loại bỏ axit béo bằng n-hexan, axit hóa bằng $\text{HCl}$, chiết Me-Hg sang pha hữu cơ (toluen), giải chiết làm sạch bằng dung dịch L-cysteine hoặc thiosunfat, sau đó vô cơ hóa chuyển hoàn toàn Me-Hg về $\text{Hg}^{2+}$ để đo phổ CV-AAS.
- Thẩm định phương pháp (Validation):
- Giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ): Xác định qua 10 lần đo lặp song song mẫu trắng/mẫu thử nồng độ thấp ($LOD = 3 \times SD / b$; $LOQ = 10 \times SD / b$ hoặc theo độ lệch chuẩn với tiêu chí $4 < HR = \bar{X}/LOD < 10$).
- Độ chụm: Đánh giá qua độ lệch chuẩn tương đối (RSD%) theo tiêu chuẩn AOAC.
- Độ đúng: Đánh giá qua độ chệch (Bias%) trên mẫu CRM và độ thu hồi ($R%$) trên mẫu thêm chuẩn theo tiêu chuẩn AOAC và US-FDA (chấp nhận sai số $\le 15%$ và $\le 20%$ tại LOQ).
| Nồng độ phân tích theo AOAC |
Tỷ lệ chất |
Đơn vị |
RSD% tối đa chấp nhận |
Độ thu hồi chấp nhận ($R%$) |
| $100%$ |
1 |
$100%$ |
$1{,}3$ |
$98 - 102$ |
| $10%$ |
$10^{-1}$ |
$10%$ |
$1{,}8$ |
$98 - 102$ |
| $1%$ |
$10^{-2}$ |
$1%$ |
$2{,}7$ |
$97 - 103$ |
| $0{,}1%$ |
$10^{-3}$ |
$0{,}1%$ |
$3{,}7$ |
$95 - 105$ |
| $0{,}01%$ |
$10^{-4}$ |
$100,\text{ppm}$ |
$5{,}3$ |
$90 - 107$ |
| $0{,}001%$ |
$10^{-5}$ |
$10,\text{ppm}$ |
$7{,}3$ |
$80 - 110$ |
| $0{,}0001%$ |
$10^{-6}$ |
$1,\text{ppm}$ |
$11{,}0$ |
$80 - 110$ |
| $0{,}00001%$ |
$10^{-7}$ |
$100,\text{ppb}$ |
$15{,}0$ |
$80 - 110$ |
| $0{,}000001%$ |
$10^{-8}$ |
$10,\text{ppb}$ |
$21{,}0$ |
$60 - 115$ |
| $0{,}0000001%$ |
$10^{-9}$ |
$1,\text{ppb}$ |
$30{,}0$ |
$40 - 120$ |
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan
Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về nguyên tố thủy ngân: cấu hình nguyên tử, tính chất vật lý, hóa học, chu trình chuyển hóa 6 giai đoạn trong môi trường và độc tính của các dạng $\text{Hg}^0, \text{Hg}^{2+}, \text{CH}_3\text{Hg}^+$. Phân tích chi tiết hiện trạng phát thải thủy ngân trên toàn cầu (khu vực châu Á chiếm 65% lượng phát thải nhân sinh) và tại Việt Nam (phát thải 49.131 kg/năm, trong đó thải vào không khí 29.238 kg; riêng hoạt động tách vàng bằng hỗn hống phát thải 96,6 kg/năm vào đất và 76,7 kg/năm vào nước theo báo cáo năm 2016).
Chương này tổng kết các phương pháp phân tích T-Hg và Me-Hg (CV-AAS, AFS, CV-MIP-AES, ICP-MS, GC-ECD, HPLC), đồng thời mô tả điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội và hiện trạng khai thác khoáng sản tại huyện Võ Nhai và xã Thần Sa (diện tích tự nhiên 10.380 ha, 9.928,78 ha đất nông nghiệp, dân số 2.802 người, tỷ lệ hộ nghèo 42%). Luận án chỉ rõ đặc điểm quặng vàng sa khoáng Thần Sa có chứa hàm lượng thủy ngân đi kèm từ 0,16% đến 0,34%, kết hợp với hoạt động khai thác thủ công trái phép tại suối Pó, Thượng Kim, lũng Tâu Lườn dẫn đến nguy cơ ô nhiễm nghiêm trọng.
Chương 2: Đối tượng và phương pháp nghiên cứu
Trình bày chi tiết các hóa chất tinh khiết cao, mẫu chuẩn chứng nhận CRM (TORT-2, DORM-2) và danh mục thiết bị thực nghiệm, trọng tâm là hệ máy quang phổ hấp thụ nguyên tử hóa hơi lạnh tự động Model VAST-HG 01, thiết bị GC-ECD Shimadzu GC-2010 và HPLC-ICP-MS Perkin-Elmer NexION 2000.
Mô tả chi tiết quy trình làm sạch dụng cụ bằng dung dịch ngâm $\text{KMnO}_4,0{,}5% + \text{H}_2\text{SO}_4,1\text{N}$, quy trình lấy mẫu và bảo quản mẫu trầm tích mặt, mẫu cá và động vật đáy tại xã Thần Sa. Thiết lập khung phương pháp luận thẩm định phân tích theo ISO 5725 và TCVN 6910: thuật toán xác định LOD, LOQ qua độ lệch chuẩn và độ dốc đường chuẩn, tiêu chuẩn đánh giá độ chụm (RSD%) và độ đúng (Bias%, $R%$) so sánh với bảng chuẩn AOAC.
Chương 3: Nghiên cứu xây dựng và tối ưu hóa quy trình phân tích thủy ngân
Trình bày các kết quả thực nghiệm khảo sát và tối ưu hóa điều kiện phân tích:
- Phân tích tổng thủy ngân (T-Hg): Chuẩn hóa quy trình vô cơ hóa ướt bằng hỗn hợp $\text{HNO}_3 : \text{HClO}_4 : \text{H}_2\text{SO}_4$ ở $230^\circ\text{C}$ trên hệ bình thạch anh hở, đo trên thiết bị VAST-HG 01 sử dụng chất khử $\text{SnCl}_2$ hoặc $\text{NaBH}_4$ tạo hơi $\text{Hg}^0$ dẫn vào cuvet thạch anh đo ở 253,7 nm. Xác nhận giá trị sử dụng cho thấy phương pháp đạt độ tuyến tính cao, độ chụm và độ đúng phù hợp tiêu chuẩn AOAC.
- Phân tích metyl thủy ngân trong trầm tích bằng GC-ECD: Tối ưu hóa điều kiện chiết tách, tạo dẫn xuất halogen/alkyl hóa và điều kiện sắc ký trên cột phân tích thích hợp.
- Xây dựng quy trình phân tích metyl thủy ngân trong mẫu sinh học bằng CV-AAS cải tiến: Thiết lập quy trình 3 giai đoạn: thủy phân mẫu trong môi trường kiềm $\text{KOH-EtOH}$ để giải phóng liên kết protein mà không tạo huyền phù; loại trừ lipid/axit béo bằng n-hexan; chiết Me-Hg sang dung môi hữu cơ; giải chiết làm sạch và vô cơ hóa chuyển hoàn toàn thành $\text{Hg}^{2+}$ trước khi đo CV-AAS. Đánh giá kiểm chứng độ đúng của quy trình trên hai mẫu chuẩn quốc tế TORT-2 và DORM-2, thu được kết quả nằm trong khoảng chứng chỉ cho phép.
Chương 4: Đánh giá hàm lượng, sự chuyển hóa và tích lũy thủy ngân tại khu vực mỏ vàng Thần Sa
Áp dụng các quy trình đã xây dựng và thẩm định để phân tích thực tế các chùm mẫu thu thập tại khu vực mỏ vàng Thần Sa, huyện Võ Nhai, tỉnh Thái Nguyên:
- Phân tích hàm lượng T-Hg và Me-Hg trong các mẫu trầm tích suối tại các điểm chịu tác động trực tiếp của hoạt động đãi vàng (xóm Kim Sơn, suối Pó, Thượng Kim, lũng Tâu Lườn) và các điểm đối chứng. So sánh mức độ ô nhiễm với ngưỡng quy chuẩn QCVN 43:2012/BTNMT ($0{,}5,\text{mg/kg}$).
- Phân tích hàm lượng T-Hg và tỷ lệ phần trăm Me-Hg trong các mẫu sinh học (mô cơ, nội tạng cá và động vật đáy) thu thập trong lưu vực. Đánh giá mức độ tích lũy sinh học, hệ số tích lũy từ trầm tích vào sinh vật và so sánh với giới hạn an toàn thực phẩm QCVN 8-2:2011/BYT ($1{,}0,\text{mg/kg}$ đối với cá và $0{,}5,\text{mg/kg}$ đối với giáp xác).
- Đánh giá quy luật chuyển hóa sinh địa hóa từ thủy ngân kim loại ($\text{Hg}^0$) sử dụng trong quá trình tuyển quặng thành dạng metyl thủy ngân độc hại trong trầm tích và sinh khối thủy sinh tại vùng mỏ miền núi.
Kết quả và những đóng góp mới
Đóng góp mới về mặt khoa học và phương pháp luận
- Đã khảo sát, tối ưu hóa và xác nhận giá trị sử dụng hoàn chỉnh của phương pháp phân tích metyl thủy ngân trong mẫu sinh học bằng kỹ thuật quang phổ hấp thụ nguyên tử hóa hơi lạnh cải tiến (CV-AAS) kết hợp chiết lỏng - lỏng trên nền kiềm $\text{KOH-EtOH}$. Quy trình khắc phục được hiện tượng tạo huyền phù của phương pháp Westoo truyền thống, giảm bớt số bước chiết phức tạp của các quy trình cũ, đảm bảo độ chọn lọc, độ lặp lại và độ đúng cao (đã được kiểm chứng qua các mẫu chuẩn quốc tế CRM DORM-2 và TORT-2).
- Cung cấp bộ thông số tối ưu và quy trình phân tích đồng thời tổng thủy ngân và metyl thủy ngân trong mẫu trầm tích và sinh học áp dụng hệ thiết bị phân tích vết thủy ngân tự động VAST-HG 01 chế tạo trong nước và hệ thiết bị sắc ký khí GC-ECD, HPLC-ICP-MS.
Đóng góp mới về mặt thực tiễn
- Cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm đầu tiên về mức độ ô nhiễm, tỷ lệ chuyển hóa và hệ số tích lũy sinh học của metyl thủy ngân trong trầm tích và sinh vật thủy sinh tại khu vực khai thác vàng sa khoáng Thần Sa, huyện Võ Nhai, tỉnh Thái Nguyên.
- Chỉ ra mức độ rủi ro môi trường do phát thải thủy ngân từ hoạt động khai thác vàng thủ công trái phép và sự tồn tại tự nhiên của thủy ngân đi kèm trong quặng (0,16–0,34%), làm căn cứ khoa học phục vụ quản lý môi trường tại địa phương.
Kiến nghị và đề xuất giải pháp
- Đề xuất áp dụng quy trình phân tích CV-AAS cải tiến vào các phòng kiểm nghiệm môi trường và an toàn thực phẩm trong nước để kiểm soát dư lượng Me-Hg trong thủy hải sản và mẫu sinh học.
- Kiến nghị các cơ quan quản lý nhà nước tăng cường kiểm soát, ngăn chặn triệt để hoạt động khai thác vàng thủ công trái phép sử dụng hỗn hống thủy ngân tại huyện Võ Nhai; đồng thời thiết lập chương trình quan trắc định kỳ hàm lượng Me-Hg trong trầm tích và sinh vật đáy tại các lưu vực sông suối quanh các điểm mỏ khoáng sản.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế: Luận án tập trung khảo sát trên các đối tượng mẫu trầm tích và sinh học thủy sinh (cá, động vật đáy) tại một khu vực mỏ đặc thù là xã Thần Sa, huyện Võ Nhai, tỉnh Thái Nguyên; chưa mở rộng đánh giá định lượng trên các đối tượng mẫu lâm sản, cây trồng nông nghiệp (lúa, rau màu) hoặc mẫu sinh học người (tóc, máu) của cư dân địa phương.
- Hướng nghiên cứu tiếp:
- Mở rộng ứng dụng quy trình phân tích đã xây dựng cho các đối tượng mẫu sinh học phức tạp khác (tóc, móng, máu) để đánh giá mức độ phơi nhiễm trực tiếp của người dân sinh sống tại các khu vực mỏ vàng.
- Nghiên cứu cơ chế động học metyl hóa của các chủng vi sinh vật kỵ khí trong trầm tích tại các mỏ vàng sa khoáng ở quy mô vi mô phòng thí nghiệm.
Giá trị tham khảo
- Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học chuyên ngành Hóa phân tích và Hóa môi trường: Luận án là tài liệu tham khảo chi tiết về kỹ thuật xử lý mẫu vết kim loại nặng, phương pháp chiết lỏng - lỏng chọn lọc định dạng metyl thủy ngân, và quy trình thẩm định phương pháp phân tích theo chuẩn mực quốc tế (ISO 5725, TCVN 6910, AOAC).
- Đối với các phòng thí nghiệm phân tích môi trường: Cung cấp quy trình phân tích Me-Hg bằng thiết bị CV-AAS cải tiến (VAST-HG 01) có tính khả thi cao, tiết kiệm chi phí hóa chất và thiết bị hơn so với phương pháp HPLC-ICP-MS nhưng vẫn đảm bảo độ tin cậy.
- Đối với cơ quan quản lý môi trường và hoạch định chính sách: Cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thực tế phục vụ việc thực thi Công ước Minamata về thủy ngân tại Việt Nam, xây dựng kế hoạch kiểm soát ô nhiễm tại các vùng mỏ khoáng sản kim loại màu và vàng sa khoáng.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao metyl thủy ngân lại có độc tính cao hơn nhiều so với thủy ngân vô cơ và kim loại?
Metyl thủy ngân ($\text{CH}_3\text{Hg}^+$) có tính chất tan tốt trong lipid (mỡ), phần chất béo của màng tế bào và dịch não tủy. Do khả năng liên kết mạnh với các nhóm thiol (-SH) của protein và axit amin cysteine, $\text{CH}_3\text{Hg}^+$ dễ dàng vượt qua màng sinh học và nhau thai, gây tổn thương vĩnh viễn hệ thần kinh trung ương, phá hủy nhiễm sắc thể và ức chế quá trình phân chia tế bào. Trong khi đó, thủy ngân vô cơ ($\text{Hg}^{2+}$) không thể tự do dịch chuyển qua màng tế bào, còn $\text{Hg}_2^{2+}$ dễ bị kết tủa thành $\text{Hg}_2\text{Cl}_2$ trong dịch dạ dày và bị đào thải.
2. Ưu điểm nổi bật của quy trình phân tích Me-Hg cải tiến trong mẫu sinh học bằng CV-AAS của luận án là gì?
Quy trình sử dụng môi trường kiềm $\text{KOH-EtOH}$ để hòa tan mẫu sinh học, giúp phá vỡ cấu trúc protein hoàn toàn mà không tạo huyền phù như phương pháp axit hóa của Westoo (1966). Đồng thời, việc loại bỏ axit béo bằng n-hexan và chiết chọn lọc Me-Hg sang pha hữu cơ trước khi vô cơ hóa để đo trên hệ máy CV-AAS (VAST-HG 01) giúp quy trình đơn giản hơn, giảm thiểu sai số thao tác so với phương pháp sắc ký phức tạp mà vẫn đạt độ thu hồi và độ chụm theo tiêu chuẩn AOAC.
3. Nguồn gốc gây ô nhiễm thủy ngân tại khu vực Thần Sa, Võ Nhai, Thái Nguyên gồm những yếu tố nào?
Ô nhiễm thủy ngân tại Thần Sa xuất phát từ hai nguyên nhân chính: (1) Nguyên nhân tự nhiên do thủy ngân là nguyên tố cộng sinh đi kèm trong thân quặng vàng sa khoáng với hàm lượng chiếm từ 0,16% đến 0,34%, bị phong hóa và rửa trôi theo dòng chảy suối; (2) Hoạt động nhân sinh từ các bãi khai thác vàng thủ công trái phép (tập trung tại suối Pó, xóm Kim Sơn, Thượng Kim, lũng Tâu Lườn) sử dụng phương pháp tạo hỗn hống thủy ngân để tuyển quặng, phát tán trực tiếp $\text{Hg}^0$ vào môi trường nước và đất.
4. Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia nào của Việt Nam quy định ngưỡng giới hạn của thủy ngân trong trầm tích và thực phẩm?
- QCVN 43:2012/BTNMT: Quy định giới hạn tối đa của Hg trong trầm tích nước ngọt là $0{,}5,\text{mg/kg}$ và trầm tích nước mặn/lợ là $0{,}7,\text{mg/kg}$ (tính theo khối lượng khô).
- QCVN 8-2:2011/BYT: Quy định mức giới hạn ô nhiễm Hg tối đa trong thịt cá (nhóm cá da trơn, cá ngừ, cá kiếm...) là $1{,}0,\text{mg/kg}$; trong giáp xác và thủy sản khác là $0{,}5,\text{mg/kg}$; lượng ăn vào hàng tuần chấp nhận được tạm thời (PTWI) đối với Me-Hg là $0{,}0016,\text{mg/kg}$ thể trọng.
Kết luận
Luận án đã xây dựng và thẩm định thành công quy trình phân tích metyl thủy ngân trong mẫu sinh học bằng phương pháp CV-AAS cải tiến kết hợp chiết chọn lọc lỏng - lỏng, đạt độ tin cậy cao tương thích với các phương pháp GC-ECD và HPLC-ICP-MS. Công trình đã cung cấp dữ liệu thực nghiệm toàn diện về hàm lượng tổng thủy ngân, metyl thủy ngân và quy luật tích lũy sinh học tại khu vực khai thác vàng sa khoáng Thần Sa, huyện Võ Nhai, tỉnh Thái Nguyên. Kết quả nghiên cứu khẳng định tính cấp thiết của việc kiểm soát ô nhiễm thủy ngân từ các điểm mỏ khoáng sản và cung cấp công cụ phân tích hữu hiệu phục vụ công tác giám sát an toàn môi trường tại Việt Nam.
