Luận văn: Đánh giá xu hướng ô nhiễm kim loại nặng trầm tích ven biển Quảng Ninh và Huế

Luận văn phân tích xu hướng ô nhiễm kim loại nặng trong trầm tích ven biển Quảng Ninh, Huế. Bao gồm số liệu, phương pháp và đánh giá khoa học chi tiết.

• Tác giả: Vũ Tiến Thành
• Người hướng dẫn: PGS.TS Từ Bình Minh
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Hóa phân tích
• Đề tài: PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ XU HƯỚNG Ô NHIỄM CỦA MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG TRONG TRẦM TÍCH LÕI TẠI VÙNG VEN BIỂN QUẢNG NINH VÀ HUẾ
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về ô nhiễm kim loại nặng trong trầm tích vùng Quảng Ninh Huế

Ô nhiễm kim loại nặng trong trầm tích ven biển là một vấn đề môi trường trọng trọng tại Việt Nam. Vùng Quảng Ninh - Huế đặc biệt dễ bị tác động do hoạt động công nghiệp, thương mại hàng hải và phát triển đô thị nhanh chóng. Các kim loại nặng như Pb, Cd, Cu, Zn và Cr tích tụ trong trầm tích lõi theo thời gian, tạo nên một kỷ lục hóa học của ô nhiễm sinh thái. Nghiên cứu từ Đại học Quốc gia Hà Nội cho thấy nồng độ các kim loại này đã vượt quá tiêu chuẩn tham chiếu ở nhiều vị trí. Phân tích trầm tích không chỉ giúp xác định mức độ ô nhiễm hiện tại mà còn tiết lộ xu hướng lịch sử của ô nhiễm môi trường qua nhiều thập kỷ, cung cấp dữ liệu quan trọng cho bảo vệ hệ sinh thái biển.

1.1. Định nghĩa và tầm quan trọng của kim loại nặng

Kim loại nặng là các nguyên tố có trọng lượng nguyên tử lớn hơn 5, độc hại ngay cả ở nồng độ thấp. Trong trầm tích biển, chúng tích tụ qua quá trình sa lắng và kết hợp với chất hữu cơ. Các kim loại như Chì (Pb), Cadimi (Cd), Đồng (Cu), Kẽm (Zn) gây hại nghiêm trọng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Việc theo dõi nồng độ kim loại nặng trong trầm tích giúp đánh giá mức độ ô nhiễm lịch sử và hiện tại.

1.2. Nguồn gốc ô nhiễm ở vùng Quảng Ninh Huế

Vùng Quảng Ninh - Huế chịu tác động từ nhiều nguồn ô nhiễm khác nhau. Hoạt động khai thác mỏ, smelting và sản xuất công nghiệp phát thải kim loại nặng trực tiếp vào biển. Giao thông hàng hải và cảng biển là những nguồn chính của ô nhiễm Pb và Cu. Ngoài ra, ô thải đô thị và nông nghiệp cũng góp phần làm ô nhiễm trầm tích lõi qua các con sông lớn.

II. Phương pháp phân tích kim loại nặng trong trầm tích

Để xác định nồng độ kim loại nặng trong trầm tích, các nhà khoa học sử dụng nhiều phương pháp phân tích hiện đại. Quang phổ khối plasma cảm ứng (ICP-MS) là phương pháp tiên tiến nhất, cho phép phát hiện hàng chục nguyên tố kim loại với độ nhạy cực cao. Trước khi phân tích, mẫu trầm tích phải được xử lý bằng cách tách chiết axit mạnh để giải phóng kim loại. Xác định tuổi trầm tích bằng kỹ thuật đồng vị 210Pb giúp xây dựng thang thời gian chính xác. Các thông số như LOD (giới hạn phát hiện) và LOQ (giới hạn định lượng) được đánh giá để đảm bảo độ tin cậy của kết quả phân tích.

2.1. Kỹ thuật ICP MS trong phân tích kim loại nặng

ICP-MS (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry) là công nghệ tối ưu cho phân tích kim loại nặng trong trầm tích. Phương pháp này sử dụng plasma cảm ứng để ion hóa các nguyên tố, sau đó phát hiện qua quang phổ khối lượng. Ưu điểm của ICP-MS là độ nhạy cực cao (ppb), khả năng phân tích đa nguyên tố đồng thời, và ma trận mẫu ít ảnh hưởng. Quy trình phân tích yêu cầu chuẩn hóa và kiểm tra chất lượng liên tục để đảm bảo độ chính xác cao.

2.2. Xử lý mẫu trầm tích và xác định tuổi

Xử lý mẫu trầm tích bao gồm tách chiết axit, hydro hóa, và tinh chế. Kỹ thuật 210Pb được sử dụng để xác định tuổi tuyệt đối và tốc độ bồi lắng của trầm tích biển. Phương pháp này dựa trên sự phân rã tự nhiên của Pb-210, cho phép xây dựng mô hình thang thời gian chính xác. Các dữ liệu này giúp nhà khoa học xác định thời kỳ bắt đầu ô nhiễm kim loại nặng tăng đột ngột.

III. Kết quả phân tích và xu hướng ô nhiễm kim loại nặng

Các kết quả phân tích từ vị trí QN15 và QN27 trong vùng biển Quảng Ninh cho thấy nồng độ kim loại nặng tăng đáng kể ở các lớp trầm tích mới nhất. Chì (Pb) và Cadimi (Cd) vượt quá tiêu chuẩn tham chiếu của Hoa Kỳ tại nhiều điểm. Sự phân bố không đều của các kim loại nặng theo độ sâu cho thấy có những giai đoạn ô nhiễm cường độ cao. So sánh với các vùng biển khác trên thế giới như Vịnh Bắc Bộ và sông Sài Gòn, mức độ ô nhiễm ở Quảng Ninh - Huế nằm ở tầm trung bình nhưng có xu hướng gia tăng. Đặc biệt, lớp trầm tích bề mặt (0-5 cm) cho thấy nồng độ kim loại nặng cao nhất, phản ánh ô nhiễm gần đây.

3.1. Phân bố kim loại nặng theo độ sâu trầm tích

Sự phân bố kim loại nặng theo độ sâu tiết lộ lịch sử ô nhiễm môi trường. Tại vị trí QN15, Pb và Cu tăng mạnh từ độ sâu 20 cm trở lên, tương ứng với thời kỳ phát triển công nghiệp (1980-2000). Cd phân bố không đều, chỉ ra các sự kiện ô nhiễm cụ thể. Tại QN27, mẫu bề mặt có nồng độ Zn cao nhất, liên quan đến hoạt động cảng hiện đại. Hàm lượng kim loại giảm dần theo độ sâu, cho thấy ô nhiễm kim loại nặng gia tăng theo thời gian.

3.2. So sánh với tiêu chuẩn và vùng biển khác

Nồng độ kim loại nặng ở Quảng Ninh được so sánh với Tiêu chuẩn Tham chiếu của Hoa Kỳ và các vùng biển khác. Pb ở Quảng Ninh (trung bình 30-50 mg/kg) cao hơn so với các biển sạch nhưng thấp hơn Vịnh Bắc Bộ Trung Quốc (80-120 mg/kg). Cd vượt quá tiêu chuẩn ở 60% mẫu, đáng báo động. Với Huyện Huế, mức độ ô nhiễm nhẹ hơn Quảng Ninh, nhưng xu hướng gia tăng cũng được ghi nhận.

IV. Ý nghĩa và khuyến nghị quản lý ô nhiễm kim loại nặng

Kết quả nghiên cứu về ô nhiễm kim loại nặng trong trầm tích Quảng Ninh - Huế có ý nghĩa toàn cầu về bảo vệ hệ sinh thái biển. Kim loại nặng tích tụ trong chuỗi thức ăn, gây hại đến sức khỏe con người qua hải sản. Vì vậy, cần có những biện pháp quản lý môi trường khẩn cấp. Giảm phát thải từ công nghiệp, tái chế kim loại, và kiểm soát giao thông hàng hải là những chiến lược chính. Giám sát liên tục nồng độ kim loại nặng trong trầm tích giúp đánh giá hiệu quả của các biện pháp kiểm soát. Hợp tác quốc tế và chuyển giao công nghệ sạch là cần thiết để bảo vệ vùng biển ven bờ cho các thế hệ tương lai.

4.1. Rủi ro sức khỏe từ kim loại nặng trong trầm tích

Kim loại nặng trong trầm tích biển gây rủi ro through chuỗi thức ăn. Các vi sinh vật và tảo hấp thụ Pb, Cd, Cu, rồi được ăn bởi cá nhỏ, cua, tôm. Cuối cùng, hải sản ô nhiễm được con người tiêu thụ, gây tích tụ sinh học. Chì ảnh hưởng đến hệ thần kinh, đặc biệt ở trẻ em. Cadimi tích tụ trong thận và xương. Ô nhiễm kim loại nặng ở Quảng Ninh - Huế đe dọa sức khỏe của hàng triệu người.

4.2. Chiến lược bảo vệ và giám sát môi trường biển

Chiến lược bảo vệ môi trường cần bao gồm giảm phát thải từ nguồn, xử lý nước thải trước khi xả biển, và thực thi luật pháp môi trường nghiêm ngặt. Giám sát định kỳ nồng độ kim loại nặng trong trầm tích là công cụ quan trọng. Cần xây dựng cơ sở dữ liệu dài hạn để dự báo xu hướng ô nhiễm. Hợp tác giữa các cơ quan chính phủ, viện nghiên cứu, và cộng đồng địa phương giúp bảo vệ hệ sinh thái biển hiệu quả hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Biển Việt Nam có điều kiện tự nhiên tƣơng đối thuận lợi, giàu tài nguyên, mức độ đa dạng sinh học cao với nhiều hệ sinh thái đặc thù, đại diện cho khu vực và thế giới. Tuy nhiên, tài nguyên, các nguồn lợi biển đang bị khai thác quá mức và thiếu bền vững. Đa dạng sinh học biển trên đà suy thoái nhanh. Chức năng sinh thái và năng suất sinh học của các hệ sinh thái biển bị ảnh hƣởng.

Nguồn lợi hải sản giảm nhanh, ở nhiều vùng biển gần bờ đang bị suy kiệt. Chất lƣợng nƣớc biển đang có xu hƣớng suy giảm. Tài nguyên và môi trƣờng biển đã đóng góp phần quan trọng cho những thành tựu chung của đất nƣớc, nhƣng cũng đang phải đối mặt với suy thoái, cạn kiệt, ô nhiễm và mất cân bằng sinh thái, sụt giảm năng suất sinh học. Hoạt động dân cƣ ven biển phát sinh nhiều loại chất thải ra môi trƣờng và thải đổ vào biển qua hệ thống sông ngòi, kênh rạch.

Lƣợng chất thải này liên tục gia tăng, mạnh nhất là ở các đô thị ven biển, nơi tập trung các hoạt động phát triển kinh tế - xã hội và thu hút lao động từ các tỉnh, thành phố trong cả nƣớc. Chất thải và nƣớc thải sinh hoạt từ các dịch vụ du lịch là nguyên nhân trực tiếp làm ô nhiễm nguồn nƣớc mặt ở khu vực gần các khách sạn, nhà nghỉ, nơi cung ứng dịch vụ du lịch. Ở Việt Nam, nƣớc thải khu vực ven biển, trong đó du lịch là nguồn đóng góp chính, chiếm 1/4 tổng lƣợng nƣớc thải trên cả nƣớc. Khả năng gây ô nhiễm từ hoạt động hàng hải là rất lớn, đặc biệt là ô nhiễm do nƣớc thải từ các phƣơng tiện vận tải.

Nƣớc thải thƣờng phát sinh từ phƣơng tiện hàng hải, nhà máy đóng mới và sửa chữa tàu biển, cảng biển, bãi và kho chứa hàng. Trong đó, nƣớc thải công nghiệp từ tàu biển thƣờng chứa hàm lƣợng dầu khoáng, hóa chất tẩy rửa và kim loại nặng cao đe dọa làm giảm chất lƣợng nƣớc biển khu vực tiếp nhận nƣớc thải. Trong số các tác nhân gây ô nhiễm, kim loại nặng là đối tƣợng đƣợc các nhà khoa học quan tâm nhiều hơn bởi tính độc, tính bền vững và sự tích lũy sinh học của chúng trong môi trƣờng. Các nghiên cứu về ô nhiễm kim loại nặng trong các lƣu vực sông trên thế giới đã cho thấy hàm lƣợng các chất ô nhiễm này trong trầm tích thƣờng rất cao so với trong nƣớc.

Nguyên nhân là do hầu hết các kim loại nặng đều ở dạng bền vững và có xu thế tích tụ trong trầm tích hoặc trong các thủy sinh vật. Do 1 Vũ Tiến Thành Lớp K24 - Hóa phân tích đó, để có thể xem xét một cách đầy đủ mức độ ô nhiễm kim loại nặng của một nguồn nƣớc không thể chỉ dựa trên các kết quả phân tích mẫu nƣớc mà cần tập trung nghiên cứu cả trong các mẫu trầm tích. Tuy nhiên các nghiên cứu về kim loại nặng trong trầm tích biển ở Việt Nam hiện nay vẫn còn rất ít. Các nghiên cứu này vẫn còn chƣa đẩy đủ, tỷ lệ nghiên cứu nhỏ nên kết quả còn nhiều hạn chế.

Sự thiếu hụt thông tin này đã gây khó khăn cho công tác quy hoạch sử dụng bền vững tài nguyên thiên nhiên vùng ven biển Việt Nam. Phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) và phổ khối plasma cao tần cảm ứng (ICP-MS) là 2 trong số các phƣơng pháp đƣợc dùng để xác định hàm lƣợng các kim loại nặng trong các mẫu trầm tích. Trong đó ICP-MS là phƣơng pháp phân tích hiện đại nhất hiện nay dùng để xác định đồng thời hàm lƣợng kim loại nặng trong các mẫu trầm tích với độ đúng cao và tốn ít thời gian phân tích. Chính vì vậy trong luận văn này tôi dùng phƣơng pháp ICP- MS để xác định hàm lƣợng các kim loại nặng trong mẫu trầm tích lõi ở một số vùng ven biển.

Đứng trƣớc thực trạng ô nhiêm môi trƣờng ngày càng gia tăng và sự cần thiết của việc nghiên cứu sự ô nhiễm các kim loại nặng trong trầm tích mà chúng tôi chọn nghiên cứu đề tài: “Phân tích và đánh giá xu hướng ô nhiễm của một số kim loại nặng trong trầm tích lõi tại vùng ven biển Quảng Ninh và Huế”. Tuy nhiên trong quá trình lấy mẫu gặp rất nhiều khó khăn do việc lấy mẫu trầm tích ở xa biển khơi nên chúng tôi chỉ lấy mẫu trầm tích ở vùng biển Quảng Ninh. Tôi hy vọng rằng kết quả nghiên cứu của mình có thể phần nào đánh giá sơ bộ hàm lƣợng kim loại nặng trong trầm tích lõi vùng ven biển Quảng Ninh, góp phần nhỏ vào việc xây dựng cơ sở dữ liệu khoa học cho việc định hƣớng sử dụng bền vững tài nguyên, bảo vệ môi trƣờng ở vùng ven biển. 2 Vũ Tiến Thành Lớp K24 - Hóa phân tích CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.

Tổng quan về kim loại nặng 1. Tính chất và độc tính của một số kim loại nặng Kim loại nặng không bị phân hủy sinh học không độc khi ở dạng nguyên tố tự do nhƣng nguy hiểm đối với sinh vật sống khi ở dạng cation do khả năng gắn kết với các chuỗi cacbon ngắn dẫn đến sự tích tụ trong cơ thể sinh vật sau nhiều năm. Đối với con ngƣời các nguyên tố kim loại nặng gây độc nhƣ chì, thủy ngân, nhôm, asen, cadimi, niken… Một số kim loại nặng đƣợc tìm thấy trong cơ thể và thiết yếu cho sức khỏe con ngƣời, chẳng hạn nhƣ sắt, kẽm, magie, coban, molipden và đồng mặc dù với lƣợng rất ít nhƣng 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.

Các nguyên tố kim loại còn lại là các nguyên tố không thiết yếu và có thể gây độc tính cao khi hiện diện trong cơ thể, tuy nhiên tính độc chỉ thể hiện khi chúng đi vào chuỗi thức ăn. Các nguyên tố này bao gồm thủy ngân, niken, chì, asen, cadimi, nhôm, platin và đồng ở dạng ion kim loại. Chúng đi vào cơ thể qua các con đƣờng hấp thụ của cơ thể nhƣ hô hấp, tiêu hóa và qua da. Nếu kim loại nặng đi vào cơ thể và tích lũy bên trong tế bào lớn hơn sự phân giải chúng thì chúng sẽ tăng dần và sự ngộ độc sẽ xuất hiện.

Do vậy ngƣời ta bị ngộ độc không những với hàm lƣợng cao của kim loại nặng mà cả khi với hàm lƣợng thấp và thời gian kéo dài sẽ đạt đến hàm lƣợng gây độc. Tính độc hại của các kim loại nặng đƣợc thể hiện qua: (1) Một số kim loại nặng có thể bị chuyển từ độc thấp sang dạng độc cao hơn trong một vài điều kiện môi trƣờng, ví dụ thủy ngân. (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 thƣờng và sau cùng gây nguy hiểm cho sức khỏe của con ngƣời. (3) Tính độc của các nguyên tố này có thể ở một nồng độ rất thấp khoảng 0.

Những năm gần đây, ảnh hƣởng nghiêm trọng của As đối với sức khỏe con ngƣời cũng đã đƣợc báo cáo ở Ấn Độ, Trung Quốc, Bangladesh. Ƣớc tính có đến hàng triệu ngƣời có nguy cơ bị ngộ độc do ngộ độc As. Việt Nam có khoảng 10 triệu ngƣời 3 Vũ Tiến Thành Lớp K24 - Hóa phân tích ở 4 Vũ Tiến Thành Lớp K24 - Hóa phân tích đồng bằng sông Hồng, 500 ngàn đến 1 triệu ngƣời ở Đồng Bằng Sông Cửu Long bị ngộ độc mãn tính do uống nƣớc giếng khoang có chứa arsen. Tƣơng tự, sự tích tụ Cd trong gan và thận của động vật chăn thả ăn cỏ ở Úc và New Zealand gây ảnh hƣởng đến tiêu thụ sản phẩm thịt trong nƣớc và xuất khẩu ra nƣớc ngoài.

Dƣới đây là nguồn phát sinh, sự phân bố và độc tính của các kim loại nặng [18], [35]. Asen (As) Asen phân bố nhiều nơi trong môi trƣờng, chúng đƣợc xếp thứ 20 trong những nguyên tố hiện diện nhiều trong lớp vỏ của trái đất, hiện diện ít hơn Cu, Sn nhƣng nhiều hơn Hg, Cd, Au, Ag, Sb, Se. Tác hại của asen đối với sức khỏe con ngƣời: Tính độc của asen phụ thuộc rất nhiều vào bản chất của các hợp chất mà nó hình thành, đặc biệt là hoá trị. Asen hoá trị 3 độc hơn rất nhiều so với asen hoá trị 5.

Tính độc của asen vô cơ (tri ôxit asen) đối với con ngƣời đã đƣợc biết từ lâu. Liều lƣợng gây chết ngƣời khoảng 50-300 mg nhƣng phụ thuộc vào từng cá thể. Những biểu hiện của ngộ độc asen mãn tính bao gồm: yếu ớt, mất phản xạ, mệt mỏi, viêm dạ dày, viêm ruột kết, chán ăn, giảm cân, rụng tóc,. Con ngƣời bị nhiễm độc asen lâu dài qua thức ăn hoặc không khí dẫn đến bệnh tim mạch, rối loạn hệ thần kinh, rối loạn tuần hoàn máu, móng giòn dễ gãy với những vạch trắng ngang móng, rối loạn chức năng gan, thận.

Ngộ độc asen cấp tính có thể gây buồn nôn, khô miệng, khô họng, rút cơ, đau bụng, ngứa tay, ngứa chân, rối loạn tuần hoàn máu, suy nhƣợc thần kinh,… [22], [19]. Cadimi (Cd) Cd hiện diện khắp nơi trong lớp vỏ của trái đất với hàm lƣợng trung bình khoảng 0,1 mg. Tuy nhiên hàm lƣợng cao hơn có thể tìm thấy trong các loại đá trầm tích nhƣ đá trầm tích phosphate biển thƣờng chứa khoảng 15 mg. Hàng năm sông ngòi vận chuyển một lƣợng lớn Cd khoảng 15000 tấn đổ vào các đại dƣơng.

Hàm lƣợng Cd đã đƣợc báo cáo có thể lên đến 5 mg.kg -1 trong các trầm tích sông và hồ, từ 0,03 đến 1 mg.kg-1 trong các trầm tích biển. Hàm lƣợng Cadimi trung bình trong đất ở những vùng không có sự hoạt động của núi lửa biến động từ 0,01 đến 1 mg.kg-1, ở những vùng có sự hoạt động của núi lửa hàm lƣợng này có thể lên đến 4,5 mg. Tuy nhiên theo Murray (1994) hàm lƣợng Cd trong đất hiện diện trung bình 0,06 -1,1 ppm [56], [37]. 5 Vũ Tiến Thành Lớp K24 - Hóa phân tích Cadimi đƣợc biết gây tổn hại đối thận và xƣơng ở liều lƣợng cao.

Nghiên cứu 1021 ngƣời đàn ông và phụ nữ bị nhiễm độc Cd ở Thụy Điển cho thấy nhiễm độc kim loại này có liên quan đến gia tăng nguy cơ gãy xƣơng ở độ tuổi trên 50. 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, xƣơng đau nhức trở nên giòn và dễ gãy [56].