Nghiên cứu động thái và khả năng di chuyển của một số kim loại nặng (cu, pb, zn) trong đất lúa sử dụng nước tưới từ sông nhuệ khu vực thanh trì – hà nội

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TƢ̣ NHIÊN

-----------------------

Chu Anh Đào

NGHIÊN CƢ́U ĐỘNG THÁI VÀ KHẢ NĂNG DI CHUYỂN
CỦA MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG (Cu, Pb, Zn) TRONG ĐẤT
LÚA
SƢ̉ DỤNG NƢỚC TƢỚI TƢ̀ SÔNG NHUỆ
KHU VƢ̣C THANH TRÌ, HÀ NỘI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG

Hà Nội, 2016


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TƢ̣ NHIÊN

-----------------------

Chu Anh Đào

NGHIÊN CƢ́U ĐỘNG THÁI VÀ KHẢ NĂNG DI CHUYỂN
CỦA MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG (Cu, Pb, Zn) TRONG ĐẤT
LÚA
SƢ̉ DỤNG NƢỚC TƢỚI TƢ̀ SÔNG NHUỆ
KHU VƢ̣C THANH TRÌ, HÀ NỘI
Chuyên ngành

: Môi trƣờng đấ t và nƣớc

Mã số

: 62440303

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG

Ngƣời hƣớng dẫn khoa ho ̣c:
PGS.TS. Nguyễn Ma ̣nh Khải
PGS.TS. Nguyễn Ngo ̣c Minh

Hà Nội, 2016


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằ ng đây là công trin
̀ h nghiên cƣ́u của tôi

. Các nội dung

nghiên cƣ́u và kế t quả trong đề tài này là trung thƣ̣c và chƣa tƣ̀ng đƣơ ̣c ai công bố
trong bấ t cƣ́ công triǹ h nghiên cƣ́u nào trƣớc đây . Các số liê ̣u của tác giả khác đã đƣơ ̣c
trích dẫn rõ ràng trong luận án.

Tác giả Luận án

Chu Anh Đào

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành Luận án này, với lòng biết ơn sâu sắc tác giả xin gửi lời cảm ơn
tới PGS.TS. Nguyễn Mạnh Khải, PGS.TS. Nguyễn Ngọc Minh đã trực tiếp hƣớng dẫn,
chỉ dẫn những định hƣớng nghiên cứu và truyền cho tác giả lòng đam mê khoa học và
tinh thần tự giác trong học tập, nghiên cứu.
Tác giả xin chân thành bày tỏ lòng cảm ơn đến các Thầy, Cô giáo trƣờng Đại
học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đặc biệt là các Thầy, Cô giáo và tập
thể cán bộ trong Khoa Môi trƣờng đã truyền đạt kiến thức cho tác giả trong quá trình
học tập và nghiên cứu, đặc biệt là những ý kiến nhận xét và đóng góp quý báu để tác
giả hoàn thiện Luận án.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới Lãnh đạo Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam
đặc biệt là Lãnh đạo Trung tâm Kỹ thuật môi trƣờng và An toàn hóa chất đã tạo điều
kiện cho tác giả trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu để hoàn thành Luận án này.
Cảm ơn ba ̣n bè và đồng nghiệp đã luôn quan tâm , chia sẻ, động viên tác giả trong suốt
quá trình thực hiện Luận án.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới các thành viên trong nhóm
nghiên cứu đất lúa đã hợp tác, động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình thực hiện
Luận án.
Lời cảm ơn sâu sắc cuối cùng của tác giả xin giành cho những ngƣời thân yêu
trong gia đình, những ngƣời đã luôn ở bên cạnh động viên, giúp đỡ tác giả cả về vật
chất và tinh thần để tác giả vững tâm hoàn thành Luận án của mình.
Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc về tất cả sự giúp đỡ quý báu này.
Hà Nội, ngày … tháng … năm 2016.
Tác giả Luận án

Chu Anh Đào


MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG ....................................................................................................... 4
DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................................. 5
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .......................................................................................... 6
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 7
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ......................................................................................... 10
1.1. Tổng quan về kim loại nặng trong đất ......................................................................... 10
1.1.1. Nguồn gốc .................................................................................................... 10
1.1.2. Sự phân bố.................................................................................................... 14
1.1.3. Sự chuyển hóa .............................................................................................. 16
1.2. Các con đƣờng di chuyển của kim loại nặng trong đất .............................................. 20
1.2.1. Khuếch tán và phân tán ................................................................................ 21
1.2.2. Dòng chảy ƣu thế ......................................................................................... 21
1.2.3. Di chuyển cùng với keo đất ......................................................................... 22
1.2.4. Sự di chuyển của phức hữu cơ–kim loại hòa tan ......................................... 23
1.2.5. Rửa trôi và di chuyển nhờ dòng chảy bề mặt .............................................. 25
1.2.6. Bay hơi ......................................................................................................... 26
1.3. Tổng quan về đất trồng lúa nƣớc .................................................................................. 26
1.3.1. Đặc tính của đất trồng lúa nƣớc ................................................................... 26
1.3.2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến sự di chuyển của kim loại nặng trong đất lúa ... 33
1.4. Tổng quan về nguồn nƣớc tƣới ..................................................................................... 41
1.4.1. Khái quát chung về các loại nƣớc tƣới ........................................................ 41
1.4.2. Nguy cơ tích lũy kim loại nặng trong đất do sử dụng nƣớc thải ................. 43
1.4.3. Tình hình sử dụng nguồn nƣớc tƣới cho nông nghiệp tại huyện Thanh Trì,
Hà Nội .................................................................................................................... 45
1.5. Mô hình mô phỏng sự tić h lũy , phân bố và di chuyển của kim loại nặng trong đất46
1.5.1. Mô hình mô phỏng sƣ̣ tích lũy, phân bố của kim loại nặng ......................... 46
1.5.2. Mô hình mô phỏng sƣ̣ di chuyể n của kim loại nặng .................................... 47
CHƢƠNG 2. ĐỐI TƢỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN
CỨU............................................................................................................................... 50
1

2.1. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ................................................................................ 50
2.1.1. Mô tả khu vực nghiên cứu ........................................................................... 50
2.1.2. Đối tƣợng nghiên cứu .................................................................................. 51
2.2. Nô ̣i dung nghiên cứu ...................................................................................................... 52
2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................................................... 55
2.3.1. Phƣơng pháp xác định các thông số cơ bản trong môi trƣờng nƣớc , đấ t và
trầ m tić h ................................................................................................................. 55
2.3.2. Phƣơng pháp mô phỏng sự tích lũy, phân bố kim loại nặng trong đất ........ 58
2.3.3. Phƣơng pháp nghiên cƣ́u sự di chuyển kim loại nặng trong đất .................. 59
2.3.4. Nghiên cƣ́u ảnh hƣởng của điề u kiê ̣n khƣ̉ đến động thái kim loại nặng ..... 62
2.3.5. Phƣơng pháp xƣ̉ lý số liê ̣u............................................................................ 63
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ...................................... 64
3.1. Đặc tính cơ bản của nguồn nƣớc tƣới và đất khu vực nghiên cứu ........................... 64
3.1.1. Đặc tính cơ bản nguồn nƣớc tƣới ................................................................. 64
3.1.2. Đặc tính cơ bản của đất khu vực nghiên cứu ............................................... 78
3.2. Sự tích lũy và phân bố của kim loại nặng trong đất ................................................... 83
3.2.1. Hàm lƣợng kim loại nặng tổng số trong đất ................................................ 83
3.2.2. Sự phân bố không gian hàm lƣợng kim loại nặng trong đất ........................ 84
3.2.3. Các dạng liên kết của kim loại nặng trong đất ............................................. 86
3.3. Sự di chuyển của kim loại nặng trong đất ................................................................... 90
3.3.1. Khả năng cố định kim loại nặng của pha rắn ............................................... 90
3.3.2. Tốc độ di chuyển của kim loại nặng trong đất ............................................. 92
3.3.3. Mô hiǹ h thƣ̉ nghiê ̣m tố c đô ̣ di chuyể n và nồ ng đô ̣ của kim loại nặng trong
mẫu đấ t xã Đa ̣i Áng ............................................................................................... 96
3.3.4. Biện luận sai số trong quá trình mô phỏng .................................................. 97
3.4. Ảnh hƣởng của điề u kiê ̣n khƣ̉ đến đô ̣ng thái của kim loại nặng .............................. 99
3.4.1. Động thái thế oxi hóa–khử (Eh) và pH trong đất ......................................... 99
3.4.2. Động thái của Fe2+ và Mn2+ ....................................................................... 100

3.4.3. Động thái của phốt phát (PO43-) và sunfat (SO42-) ..................................... 103
3.4.4. Động thái của Ca2+ và Mg2+ ....................................................................... 104
2


3.4.5. Động thái của các kim loại nặng ................................................................ 105
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHI .....................................................................................
113
̣
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
TIẾN SĨ........................................................................................................................ 116
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 117
PHỤ LỤC .................................................................................................................... 135

3


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Hàm lƣợng trung bình của KLN trong một số loại đá chính ........................11
Bảng 1.2. Hàm lƣợng KLN trong một số nguồn bổ sung trong nông nghiệp ...............13
Bảng 1.3. Hàm lƣợng Zn trong chất thải của mô ̣t số ngành công nghiê ̣p .....................14
Bảng 1.4. KLN trong một số đá và khoáng vật của đất ................................................15
Bảng 1.5. Ảnh hƣởng của điều kiện đất tới khả năng linh động của KLN ...................35
Bảng 2.1. Mô tả phẫu diê ̣n đấ t .......................................................................................54
Bảng 2.2. Các phƣơng pháp phân tích mẫu nƣớc, đấ t và trầ m tić h...............................55
Bảng 3.1. Các dạng liên kết của KLN trong trầm tích ..................................................77
Bảng 3.2. Một số tính chất hóa ho ̣c của mẫu đấ t ...........................................................80
Bảng 3.3. Một số tính chất hóa lý của mẫu đấ t .............................................................81
Bảng 3.4. Hàm lƣợng cation trao đổi và KLN tổng số của mẫu đất .............................82
Bảng 3.5. Hàm lƣợng KLN tổng số tại khu vực nghiên cứu .........................................83

Bảng 3.6. Hàm lƣợng các da ̣ng liên kết của KLN .........................................................87
Bảng 3.7. Hằng số Freundlich Kf và β của các kim loại nặng.......................................91
Bảng 3.8. Hàm lƣơ ̣ng KLN (Cu, Pb, Zn) trong mô hình lý thuyết và trong mô hin
̀ h
PTN ................................................................................................................................ 96
Bảng 3.9. Hê ̣ số tƣơng quan hàm lƣơ ̣ng KLN với các yế u tố môi trƣờng ..................109
Bảng 3.10. Phƣơng triǹ h hồ i quy hàm lƣơ ̣ng KLN với các yế u tố môi trƣờng ..........111

4


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Sơ đồ chuyể n hóa KLN trong đấ t (Hodgson, 1963) ......................................17
Hình 1.2. Hình thái phẫu diện đất lúa ............................................................................27
Hình 2.1. Sơ đồ nô ̣i dung nghiên cƣ́u ............................................................................52
Hình 2.2. Sơ đồ vi ̣trí lấ y mẫu và khu vƣ̣c nghiên cƣ́u ..................................................53
Hình 2.3. Mô hình PTN mô phỏng sƣ̣ di chuyể n và giải phóng KLN ..........................62
Hình 3.1. Giá trị pH của mẫu nƣớc ...............................................................................65
Hình 3.2. Hàm lƣợng chất ô nhiễm của mẫu nƣớc ........................................................66
Hình 3.3. Giá trị PO43- của mẫu nƣớc ............................................................................68
Hình 3.4. Giá trị NH4+ của mẫu nƣớc ............................................................................68
Hình 3.5. Hàm lƣợng cation và anion của mẫu nƣớc ....................................................69
Hình 3.6. Hàm lƣợng KLN của mẫu nƣớc ....................................................................70
Hình 3.7. Hàm lƣợng CHC và TPCG của trầ m tích ......................................................74
Hình 3.8. Thành phần Cation trao đổi của trầm tích .....................................................74
Hình 3.9. Hàm lƣợng KLN của trầ m tích ......................................................................75
Hình 3.10. Sơ đồ phân bố của Cu ..................................................................................84
Hình 3.11. Sơ đồ phân bố của Pb ..................................................................................85
Hình 3.12. Sơ đồ phân bố của Zn ..................................................................................85
Hình 3.13. Sự di chuyển của Cu , Pb, Zn trong phẫu diê ̣n đấ t nghiên cƣ́u ta ̣i

(a) các

điể m quan sát khác nhau (b) thời gian quan sát khác nhau ...........................................95
Hình 3.14. Sự thay đổi của Eh–pH theo thời gian .......................................................100
Hình 3.15. Sự thay đổi nồng độ Fe2+, Mn2+ hòa tan và COD theo thời gian ...............101
Hình 3.16. Sự thay đổi nồng độ PO43- và SO42- theo thời gian ....................................103
Hình 3.17. Sự thay đổi nồng độ Ca2+ và Mg2+ theo thời gian .....................................104
Hình 3.18. Sự thay đổi nồng độ KLN (Cu, Pb và Zn) theo thời gian .........................105
Hình 3.19. Động thái của KLN trong CT2 ..................................................................108

5


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
CEC

: Dung tích trao đổi cation (cation exchange capacity)

CHC

: Chất hữu cơ

CT

: Công thƣ́c

DOM

: Chấ t hƣ̃u cơ hòa tan (dissolved organic matter)

DOC

: Các bon hữu cơ hòa tan (dissolved organic carbon)

HOAc

: Axit axetic

HST

: Hệ sinh thái

KCN

: Khu công nghiệp

KLN

: Kim loại nặng

NH4OAc

: Amoni axetat

NTTS

: Nuôi trồ ng thủy sản

PTN

: Phòng thí nghiệm

RAT

: Rau an toàn

TCVN

: Tiêu chuẩn Việt Nam

TLTK

: Tài liệu tham khảo

TN

: Thí nghiệm

TPCG

: Thành phần cơ giới

VSV

: Vi sinh vật

6

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay ô nhiễm kim loa ̣i nă ̣ng (KLN) trong môi trƣờng đấ t do tác nhân nhân
sinh đã trở thành vấn đề môi trƣờng đáng báo động. Hiện trạng này ngày càng tăng
không những đe dọa tới sản xuất nông nghiệp và chất lƣợng nông sản

, mà còn ảnh

hƣởng gián tiếp tới sức khoẻ con ngƣời và động vật thông qua chuỗi thƣ́c ăn.
Sƣ̣ gia tăng dân số , các nhà máy công sở , các khu vui chơi giải trí , các dịch vụ
xã hội trong quá trình đô thị hóa làm cho lƣợng nƣớc thải tăng lên rất nhanh tại các đô
thị đặc biệt là các đô thị lớn . Cơ sở ha ̣ tầ ng về thoát nƣớc ta ̣i hầ u hế t các đô thi ̣ở Viê ̣t
Nam hiê ̣n nay đang bi ̣xuố ng cấ p , bị lấn chiế m cùng với lƣơ ̣ng nƣớc thải gia tăng dẫn
tới tin
̀ h tra ̣ng quá tải hê ̣ thố ng thoát nƣớc và nguy cơ ô nhiễm môi trƣờng do nƣớc thải .
Sƣ̣ ô nhiễm này không chỉ ảnh hƣởng trƣ̣c tiế p đế n môi trƣờng ta ̣i các đô thi ̣mà còn
ảnh hƣởng lớn đế n vùng ven đô nơi tiế p nhâ ̣n nguồ n nƣớc này .
Ngày nay tại các vùng ven đô này , do tin
̀ h tra ̣ng khan hiế m nguồ n nƣớc tƣới
nên ngƣời ta thƣờng tái s ử dụng nƣớc thải làm nƣớc tƣới cho canh tác nông nghiệp.
Viê ̣c tái sử dụng nƣớc thải làm nƣớc tƣới đã mang l ại cả tác dụng có lợi và có ha ̣i , đó
là tận dụng đƣợc nguồn dinh dƣỡng trong nƣớc thải tuy nhiên trong nguồn nƣớc thải
này có chứa rất nhiều nhân tố gây ha ̣i nhƣ KLN , các chất hữu cơ độc hại khó phân
hủy, các loại vi trùng gây bệnh, v.v....có hại cho sƣ́c khỏe con ngƣ ời. Những chất độc
hại trên mô ̣t phầ n sẽ tích lũy trên cây lƣơng thƣ̣c , rau quả và s ẽ để lại hậu quả nghiêm
trọng cho con ngƣời nếu ăn phải, phần còn lại sẽ tích lũy vào môi trƣờng đất.
Môi trƣờng đất lúa có đă ̣c thù riêng , quá trình ngập nƣớc làm giảm mạnh sự
trao đổi giữa đất và khí quyển, trạng thái khử chiếm ƣu thế trong đất làm cho tính chất
của đất diễn biến theo chiều hƣớng khác nhiều so với đất ban đầu. Các KLN trong đất
lúa chịu ảnh hƣởng đa chiều từ các mối quan hệ với các tính chất và thành phần luôn

biến động của đất . Thêm vào đó , hàm lƣợng và sự chuyển hóa của các KLN trong đất
lúa còn chịu ảnh hƣởng đáng kể bởi nguồn nƣớc tƣới.
Trƣớc những mố i quan hê ̣ phƣ́c ta ̣p giƣ̃a các yế u tố

, quá trình chuyển hóa vật

chấ t trong môi trƣờng đấ t lúa , đã có rất nhiều nghiên cứu đƣợc tiến hành để tim
̀ hiể u
các mối quan hệ này . Trong số đó đã có những nghiên cứu về hàm lƣơ ̣ng KLN trong
7


môi trƣờng đấ t làm tiền đề cho việc giải thích

tính tan của KLN trong môi trƣờng

nƣớc, ngăn chặn và giảm thiểu những tác đô ̣ng tiêu cƣ̣c của chúng . Tuy nhiên nhƣ̃ng
nghiên cƣ́u về đô ̣ng thái và sƣ̣ chuyể n hóa của KLN trong môi trƣờng đấ t đă ̣c biê ̣t là
môi trƣờng đấ t lúa vẫn chƣa đƣơ ̣ c nghiên cƣ́u môt cách có hê ̣ thố ng ta ̣i Viê ̣t Nam . Vì
vậy, chúng tôi thực hiện đề tài “Nghiên cứu động thái và khả năng di chuyển của một
số KLN (Cu, Pb, Zn) trong đất lúa sử dụng nƣớc tƣới từ sông Nhuệ khu vực Thanh Trì,
Hà Nội” nhằ m tim
̀ hiể u động thái, khả năng di chuyển của các kim loại nặng trong các
điều kiện môi trƣờng khác nhau, đồng thời đƣa ra cơ sở khoa học để kiểm soát và quản
lý độc chất, đảm bảo sử dụng bền vững nƣớc thải làm nƣớc tƣới cho nông nghiệp nói
chung và đô thị Hà Nội nói riêng.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Đánh giá đô ̣ng thái , sƣ̣ tić h lũy , di chuyể n , giải phóng, xu hƣớng chuyể n hóa của
KLN (Cu, Pb, Zn) dƣới ảnh hƣởng của điề u kiê ̣n môi trƣờng

(pH, Eh, CHC, SO42-,

PO43-, Ca2+, Mg2+) trong điề u kiê ̣n canh tác lúa sƣ̉ dụng nƣớc tƣới từ sông Nhuệ;
Góp phần cung cấp cơ sở khoa học trong việc tái sử dụng nƣớc thải đô thi ̣làm
nƣớc tƣới cho nông nghiê ̣p.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học
Đề tài đã góp phần xây dựng cơ sở khoa học để khẳng định dạng tồn tại, tính tan,
khả năng kết tủa, di chuyển của các KLN (Cu, Pb, Zn) ngoài việc phụ thuộc vào nồng
độ/hoạt độ của chính chất đó, còn phụ thuộc nhiều vào các điều kiện môi trƣờng nƣớc
(pH, Eh, CHC, cƣờng độ ion cạnh tranh...), thành phần đất (CHC, Sét, Oxit kim
loại…).
Đề tài cũng đã làm rõ ảnh hƣởng của các yếu tố môi trƣờng đến sự tích lũy

, đô ̣ng

thái và tốc độ di chuyển của KLN (Cu, Pb, Zn).
Ý nghĩa thực tiễn
Đề tài góp phầ n phân tích , đánh giá thực trạng nguồn nƣớc sông Nhuệ và sự phù
hợp để làm nƣớc tƣới cho nông nghiệp khu vực Thanh Trì, Hà Nội.
Đề tài cũng cung cấ p thông tin , số liê ̣u về sự tích lũy KLN (Cu, Pb, Zn) trên tầng
đất mặt, tốc độ di chuyển xuống các tầng sâu hơn qua mỗi vụ canh tác, khi sử dụng
8


nƣớc tƣới từ sông Nhuệ. Từ đó giúp các nhà quản lý có hƣớng giải quyết về vấn đề ô
nhiễm này.
4. Những đóng góp mới của đề tài
Nghiên cứu làm sáng tỏ động thái của một số KLN (Cu, Pb, Zn) trong đất lúa khi
sử dụng nƣớc tƣới từ sông Nhuệ

(nguồ n nƣớc chiụ tác đô ̣ng ma ̣nh bởi nƣ ớc thải đô

thị); mối quan hệ/tƣơng quan giữa dạng tồn tại của các kim loại nặng (Cu, Pb, Zn)
trong đất lúa liên quan đến các yếu tố Eh, pH, CHC, SO42-, PO43-, Ca2+, Mg2+.
Lầ n đầ u tiên đánh giá có hê ̣ thố ng về sƣ̣ tić h lũy

, giải phóng , di chuyể n, chuyể n

hóa của các KLN (Cu, Pb, Zn) trong môi trƣờng đất lúa sƣ̉ du ̣ng nƣớc tƣới từ sông
Nhuệ dƣới tác động của các yếu tố Eh , pH, CHC, SO42-, PO43-, Ca2+, Mg2+.
5. Nô ̣i dung nghiên cƣ́u
Nghiên cứu chất lƣợng nƣớc và trầm tích Sông Nhuệ đoạn chảy qua huyện Thanh
Trì, Hà Nội và một số đặc tính lý, hóa học của đấ t trồng lúa khu vƣ̣c nghiên cƣ́u;
Đánh giá sƣ̣ tích lũy , phân bố và dạng tồn tại của KLN (Cu, Pb, Zn) trong đất khu
vực nghiên cứu;
Nghiên cứu khả năng di chuyể n các KLN

(Cu, Pb, Zn) trong đất lúa khu vực

nghiên cứu;
Đánh giá ảnh hƣởng của một số điều kiện môi trƣờng (Eh, pH, CHC, SO42-, PO43-,
Ca2+, Mg2+) đến động thái của các KLN (Cu, Pb, Zn).

9


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về kim loại nặng trong đất
1.1.1. Nguồn gốc

Nguồn phong hóa khoáng vật
KLN tồn tại tự nhiên trong đá và khoáng vật trải qua quá trình phong hóa đƣợc
đƣa vào đất . Nhìn chung , hàm lƣợng các KLN đƣợc đƣa vào đất từ quá trình phong
hóa tại chỗ của đá mẹ là khá thấp , lƣợng lớn hơn và ngày càng tăng của một số KLN
trong môi trƣờng có nguồ n gố c tƣ̀ các hoạt động nhân tạo , chủ yếu là từ các hoa ̣t đô ̣ng
công nghiệp và nông nghiê ̣p . Cambell và nnk (1983) so sánh hàm lƣợng KLN đƣợc
tạo ra từ các nguồn tự nhiên với các nguồ n nhân tạo và chỉ

ra rằng các hoạt động của

con ngƣời đã tạo ra một lƣợng KLN lớn hơn nhiề u lầ n so với các nguồ n tƣ̣ nhiên

, cụ

thể là gấp xấ p xỉ 15 lần đối với Cd, 100 lần đối với Pb, 13 lần đối với Cu và 21 lần đối
với Zn. Các KLN này trong môi trƣờng sẽ tạo ra nhƣ̃ng tác đô ̣ng tiêu cƣ̣c và có thể gây
độc cho môi trƣờng hay không phụ thuộc vào : (i) tính chất vật lý và hóa học của đất :
đô ̣ chua, điều kiện ngập nƣớc, sự có mặt của khoáng sét , oxit Fe – Mn và các hợp chất
hữu cơ của đất…; (ii) địa hình và thủy văn: các yếu tố này không chỉ làm thay đổi hàm
lƣợng chất ô nhiễm tại vị trí bị tác động mà còn có thể vận chuyển các chất ô nhiễm từ
nơi chúng đƣợc giải phóng ra đến những nơi khác ; và (iii) khu hệ vi sinh vâ ̣t (VSV)
với vai trò hấp thụ và chuyển hóa các KLN trong đất và hê ̣ sinh thái (HST).
Các dạng linh động của KLN trong hệ thống đất – cây trồng và các vòng tuần
hoàn của chúng trong HST phụ thuộc vào khả năng phong hóa đá có dễ dàng hay
không. Mức độ phong hóa sẽ xác định khả năng giải phóng các kim loại này vào trong
đất. Đá cát kết là hợp chất của khoáng vật khó bị phong hóa do vậy đóng góp ít nhất
lƣợng KLN ở trong đất . Nếu đá mẹ là đá bazơ phun trào thì có tiềm năng đóng góp
một lƣợng lớn Cr, Mn, Co và Ni vào đất. Trong số các loại đá mẹ trầm tích thì đá
phiến sét là loại có tiềm năng đóng góp lƣợng lớn Cr , Co, Ni, Zn và Pb. Bảng 1.1 đƣa
ra hàm lƣơ ̣ng trung bình của KLN trong mô ̣t số loa ̣i đá chính .

10


Bảng 1.1. Hàm lƣợng trung bình của KLN trong một số loại đá chính
Đơn vị: mg/kg
Nguyên Đá

siêu

Đá bazơ

Granit

Đá vôi

4

42684

Đá

cát Đá

phiến

kết

sét

35

90–100

tố

bazơ

Cr

2000–2980 200

Mn

1040–1300 1500–2200 400–500 620–1100 22007

850

Co

110–150

35–50

1

0,1–4

0,3

19–20

Ni

2000

150

0,5

42711

42615

68–70

Cu

15615

90–100

41548

5,5–15

30

39–50

Zn

50–58

100

40–52

20–25

16–30

100–120

Cd

0,12

0,13–0,2

0,09–0,2 0,028–0,1 0,05

0,2

Sn

0,5

1–1,5

3–3,5

0,5–4

42525

Hg

0,004

0,01–0,08

0,08

0,05–0,16 0,03–0,29 0,18–0,5

Pb

0,1–14

42493

20–24

5,7–7

0,5

42651

20–23

Nguồn: Levinson (1974) và Alloway (1990a)
Nguồn kim loại nặng từ khí quyển
Lịch sử của việc ô nhiễm KLN từ khí quyển ở Tây bắc Châu Âu và Bắc Mỹ đã
đƣợc ƣớc tính từ các nghiên cứu địa hóa than bùn đầm lầy và bùn lòng hồ. Nhiều khu
vực ở châu Âu, sự gia tăng mạnh mẽ của việc tích lũy kim loại từ nguồn khí quyển đã
xuất hiện từ khoảng 200 năm trƣớc, ở Bắc Mỹ, bằng chứng về sự ô nhiễm KLN từ khí
quyển xuất hiện gần đây hơn, khoảng 80–100 năm trƣớc (Norton, 1986).
Các sol kim loại có đƣờng kính khác nhau đƣợc giải phóng vào khí quyển tƣ̀
mặt đất, sau đó đƣơ ̣c khuếch tán lên cao . Các phần tử kim loại lớn nhất rơi xuống đất
dƣới dạng kết tủa khô , mƣa mang phần kim loại hòa tan từ khí quyển dƣới dạng lắng
đọng ƣớt (Lắng đọng ƣớt đƣơ ̣c biế t đế n là quá trình lắng đọng chủ

yếu đƣa KLN vào

đất). Ngoài ra, KLN có thể xâm nhập vào đất từ lắng đọng khí quyển dƣới dạng sƣơng ,
mù. Các nghiên cứu về sự lan truyền trong khí quyển của KLN đã chỉ ra rằng KLN có
thể di chuyể n với một khoảng cách khá xa tính từ nguồn phát thải

(Pacyna và nnk,

1984) vì vậy ở khoảng cách càng gần với điểm phát thải thì hàm lƣợng KLN sẽ càng
lớn.
11


Sự xâm nhập của KLN vào trong đất bởi lắng đọng khí quyển cũng có thể xuất
phát từ các nguyên nhân tự nhiên đó là hoạt động của núi lửa (hoạt động này có thể đƣa
vào khí quyển một lƣợng khá lớn KLN, đặc biệt là Hg, Pb và Ni). Tuy nhiên, hàm lƣợng

KLN trong khí quyển đƣơ ̣c đƣa vào đấ t chủ yế u từ các nguồn nhân tạo nhƣ hoạt động
đốt, thiêu, khai khoáng và luyện kim. Tỷ lệ lớn Cd (22,1%) thâm nhâ ̣p vào đấ t thông qua
lắ ng đo ̣ng khí quyể n xuấ t phát chủ yế u tƣ̀ các hoa ̣t đô ̣ng khai khoáng(Nriagu và Pacyna,
1988). Bên cạnh khai khoáng, khí thải xe cộ cũng đƣợc coi là một nguồn thải gây ô
nhiễm KLN trong khí quyển. Lindberg và Harriss (1989) báo cáo rằng tổng hàm lƣợng
Pb lắng đọng từ khí quyển nằm trong khoảng từ 3,1 mg/m2/năm–31 mg/m2/năm ở các
vùng nông thôn đến khoảng 27 mg/m2/năm–140 mg/m2/năm ở các vùng đô thị và công
nghiệp. Hàm lƣợng Pb trung bình ở đất ven đƣờng tăng lên là do việc sử dụng xăng pha
chì với sự phát thải toàn cầu đƣợc ƣớc tính bởi Pacyna (1986) trong khoảng 176.109
mg/năm (chiếm 45% lƣợng Pb xâm nhập vào trong đất từ khí quyển).
Nguồn bổ sung từ hoạt động nông nghiệp
Bón phân vô cơ, phân hữu cơ, bùn thải, thuốc trừ sâu, nƣớc tƣới… đều có thể
cung cấp KLN với hàm lƣợng gây độc vào đất . Có thể ban đầu sự bổ sung này chƣa
đem lại một lƣợng đủ cao để gây độc ngay lập tức

, nhƣng nếu nhƣ̃ng ứng dụng này

đƣợc lặp đi lặp lại trong một thời gian dài thì cuối cùng cũng sẽ đạt tới mức gây độc
cho HST đất . Hàm lƣợng tiêu biểu của một vài KLN có trong một số nguồn bổ sung
trong nông nghiệp đƣợc liệt kê ở Bảng 1.2.
Bùn thải và phế thải ủ compost cung cấp hàm lƣợng KLN lớn nhất cho đất . Zn,
Cd và Pb là ba kim loại chính có trong bùn thải, bên cạnh đó cũng có một lƣợng đáng
kể Cr, Cu và Hg. McGrath (1987) và Lane (1989) khi nghiên cứu hệ thống nông
nghiệp ở Woburn (Anh) trong vòng 40 năm đã thấy rằng: sau 20 năm trên đất tiếp
nhận bùn thải hàng năm, chỉ có < 0,5% lƣợng Zn bón cho đất đƣợc cây trồng sử dụng.
Tỷ lệ lấy đi của cây trồng cao nhất đối với Zn cũng chỉ bằng 0,57% lƣợng Zn đƣợc bổ
sung vào đất qua bùn thải trong 20 năm. Nếu giả thiết quá trình duy nhấ t nhất lấy Zn
từ đất là do cây trồng thì thời gian tồn dƣ của Zn trong đất sẽ là 3700 năm. Thành phần
của bùn thải thay đổi rất nhiều phụ thuộc vào nguồn gốc phát sinh, vì vậy rất khó để
xác định và đánh giá cụ thể về khả năng gây ô nhiễm đất của chúng. Để giảm đến mức

12


tối thiểu sự tích lũy KLN trong đất đƣợc bón bùn thải, tại nhiều nƣớc trên thế giới đã
xây dựng và áp dụng những ngƣỡng hàm lƣợng bắt buộc và khuyến cáo.
Bảng 1.2. Hàm lƣợng KLN trong một số nguồn bổ sung trong nông nghiệp
Đơn vị: µg/g
Nguyên
tố

Bùn thải

Phế thải ủ Phân

Phân

Phân

compost

chuồng

photphat

nitrat

Vôi

Cr

8–40600

1,8–410

1,1–55

66–245

3,2–19

10–15

Mn

60–3900

–

30–969

40–2000

–

40–1200

Co

1–260

–

0,3–24

1–12

5,4–12

0,4 – 3

Ni

6–5300

0,9–279

2,1–30

7–38

7–34

10 – 20

Cu

50–8000

13–3580

2–172

1–300

–

2 – 125

Zn

91–49000

82–5894

15–566

50–1450

1–42

10 – 450

Cd

<1–3410

0,01–100

0,1–0,8

0,1–190

0,05–8,5 0,04 – 0,1

Hg

0,1–55

0,09–21

0,0 –0,36

0,01–2,0

0,3–2,9

0,05

Pb

2–7000

1,3–2240

0,4–27

4–1000

2–120

20 – 1250

Nguồn: Alloway và Fergusson (1990)
Phân photphat vô cơ là nguồn quan trọng cung cấp Cd và các KLN khác nhƣ Cr
và Pb vào trong đất. Alloway (1990b) còn cho rằng tất cả các loại đất sử dụng cho mục
đích nông nghiệp để tạo ra các sản phẩm có tính thƣơng mại sẽ có hàm lƣơ ̣ng Cd tăng
theo quy mô sử dụng phân photphat. Các số liệu của Alloway (1990b) chỉ ra rằng đá
photphat ở Senegal và Togo chứa hàm lƣợng Cd lớn nhất vào khoảng 160–255 g
Cd/tấn P2O5. Trên toàn thế giới, Nriagu (1980) ƣớc tính rằng phân photphat với hàm
lƣợng Cd trung bình khoảng 7 µg/g sẽ đóng góp khoảng 660 tấn Cd/năm vào đất. Một
hàm lƣợng đáng kể Cr cũng đƣợc đƣa vào đất bởi việc sử dụng phân photphat nhƣng
vì Cr chủ yếu ở dạng Cr+3 nên it́ đô ̣c hơn (McGrath và Smith, 1990).
Có nhiều loại thuốc diệt nấm , thuốc trừ sâu và các vật gây hại khác cho mùa
màng là các muối KLN rất độc , ví dụ nhƣ clorua thuỷ ngân , các hợp chất thủy ngân
hữu cơ, CuSO4, Na3AsO4... Trong quá trình con ngƣời sử dụng, một lƣợng nhất định

13


các hoá chất trên bị rơi xuống đất. Do đặc tính phân hủy trong đất rất chậm nên chúng
tạo ra dƣ lƣợng đáng kể tồn đọng lại trong đất.
Nguồ n bổ sung từ hoạt động công nghiê ̣p
Các hoạt động sản xuất công nghiệp , tiểu thủ công nghiệp và đô thị cũng là
nguồn gây nhiễm bẩn KLN trong môi trƣờng đất. Chất thải của các hoạt động sản xuất
công nghiệp đặc biệt là công nghiệp luyện kim và tái chế kim loại là nguồn đƣa một
lƣợng đáng kể KLN vào trong đất . Bảng 1.3 đƣa ra hàm lƣơ ̣ng Zn có trong chất thải
của một số hoạt động sản xuất công nghiệp.
Bảng 1.3. Hàm lƣợng Zn trong chất thải của một số ngành công nghiệp
Nguồn tạo chất thải

Dạng chất thải

Hàm lƣợng Zn (%)

Nung quặng pirit

Xỉ pirit

1– 5

Luyện kim đen

Bụi lò cao

13,8

Quá trình nấu chảy Cu

Bụi lò

26–31

Nhà máy sản xuất Pb–Zn

Bụi lò

60–64

Mạ Zn nóng (luyện kim đen)

Xỉ nổi

75

Sản xuất tơ nhân tạo

Bã thải

60–67,5

Sản xuất Natri hidrosunfit

Bã thải

61,5–75

Nguồn: Dương Văn Đảm (2004)
1.1.2. Sự phân bố
Trong tự nhiên, KLN phân bố với hàm lƣợng khác nhau trong các loại đá . Các
đá magma chứa một lƣợng KLN lớn hơn so với các đá trầm tích . Mn, Cr, Co, Ni, Cu
và Zn có mặt với hàm lƣợng lớn nhất trong hầu hết các loại đá . Bảng 1.1 nêu lên hàm
lƣơ ̣ng trung biǹ h của KLN trong mô ̣t số loa ̣i đá chin
́ h . Hàm lƣơ ̣ng KLN trong mô ̣t số
đá và khoáng vâ ̣t của đấ t đƣơ ̣c nêu ở Bảng 1.4.
KLN có trong thành phần của rấ t nhiề u khoáng vâ ̣t khác nhau

, nhƣ Olevin,

hornblend và augit đóng góp một lƣợng đáng kể Mn, Co, Ni, Cu và Zn cho đất qua quá
trình phong hóa. Nhiều KLN đƣợc tìm thấy với lƣợng lớn trong quặng sunphua, nhƣ

trong galen (PbS), cinnaba (HgS), chalcopyrit (CuFeS2), sphalerit (ZnS) và pentlandit
((NiFe)9S8). KLN có thể thay thế đồng hình cho các cation kim loại có bán kính ion

14


tƣơng tự chúng trong các silicat và các mạng lƣới khoáng vật khác, ví dụ nhƣ Pb2+
thay thế cho K+ trong silicat, Mn2+ thay thế cho Fe2+ trong các khoáng bát diện, Ni2+
thay thế cho Fe2+ trong pyrit, Ni2+ và Co2+ thay thế cho Mg2+ trong các khoáng vật siêu
bazơ, Cr3+ thay thế cho Fe3+ và Cr6+ thay thế cho Al3+ trong khoáng vật của đá magma.
Phong hóa đá và khoáng vật sẽ chuyển KLN thành các dạng hòa tan hoặc hấp phụ đi
vào trong đất.
Bảng 1.4. KLN trong một số đá và khoáng vật của đất
Mức độ phong
hóa

Khoáng
Olivin

Dễ phong hóa

Anorthit
Augit

Tồn tại trong đá
Đá phun trào

trào và đá biến chất
Đá phun trào thô, trung
bình

Đá phun trào và đá biến
chất
Độ bền phong hóa

Orthoclaz

Đá phun trào axit

Muscovit

Granit, đá phiến, thủy

tăng dần

tinh
Magnetit

Mn, Co, Ni, Cu, Zn
Mn, Cu, Sr

Zn, Pb

Hornblend Phổ biến trong đá phun

Biotit

khoáng

Đá magma bazơ và siêu Mn, Co, Ni, Cu,
bazơ

Albit

KLN chứa trong

Đá phun trào và biến
chất

Mn, Co, Ni, Cu, Zn

Cu

Mn, Co, Ni, Cu, Zn
Cu, Sr
Cu, Sr

Cr, Co, Ni, Zn

Nguồn: Mitchell (1964)
Những nghiên cứu về KLN ở những phẫu diện sâu chỉ ra rằng các nguyên tố
đƣơ ̣c đƣa vào đấ t chủ yế u từ quá trình phong hóa đá và khoáng vật nhƣ Mn , Ni và Cr
có thể tích lũy với hàm lƣợng lớn ở tầng đất gốc. Ví dụ hàm lƣợng của Ni trong đất
hình thành trên serpentin có thể cao tới 700–1000 µgNi/g (Brooks, 1987) nhƣng chỉ

15


tồn tại một hàm lƣợng nhỏ ở lớp bề mặt. Theo kết quả nghiên cứu của Brooks và nnk
(1990) thì đất serpentin ở Brazil có hàm lƣợng Ni nằm trong khoảng từ 2500–15000
µg/g ở lớp đất bề mặt và lên tới 15–30 mg/g ở tầng đất sâu. Các KLN khác thâm nhập

vào đất thông qua lắng đọng khí quyển hay các nguồn nhân tạo khác tập trung chủ yếu
ở lớp đất mặt. Ví dụ nhƣ ngƣời ta tìm thấy ở lớp đất bề mặt một lƣợng lớn Pb ở những
khu vực có mức độ đốt cháy nhiên liệu cao hoặc một lƣợng lớn Cd ở những nơi sử
dụng nhiều phân photphat. Các nguyên tố này tồn tại ở tầng đất mặt và sẽ đƣợc vận
chuyển xuống các tầng đất sâu hơn bởi tác động của rất nhiều cơ chế phức tạp. Có rất
nhiều ví dụ về sự tích lũy Pb trên lớp đất bề mặt . Colbourn và Thornton (1978) đã xây
dựng hệ số thể hiện mối tƣơng quan giữa nồng độ Pb ở trên bề mặt (< 15cm) với nồng
độ Pb ở tầng sâu hơn (> 15cm) để tính toán ô nhiễm Pb trong đất . Kết quả là hê ̣ số này
có giá trị bằng 1,2–2,0 ở các vùng nông thôn và bằng 4–20 ở các vùng bị nhiễm bẩn
bởi hoạt động khai khoáng.
Khi đi vào đất, KLN có thể tồn tại ở trạng thái sau: hòa tan trong dung dịch đất;
bị giữ lại trong các khe hở nhỏ của đất bởi sự chênh lệch kích thƣớc; bị hấp phụ trên
bề mặt các keo đất , trong chất hữu cơ , cacbonat, oxit kim loa ̣i… ; tích lũy trong sinh
khối của sinh vật hay trong các thể rắn vô cơ và hữu cơ của đất. Sự phân bố KLN
trong các hợp phần đất chịu ảnh hƣởng bởi các đặc tính của môi trƣờng đất và bản chất
của kim loại.
1.1.3. Sự chuyển hóa
Các quá trình cơ bản kiểm soát sự chuyển hóa của KLN trong đất bao gồm các
quá trình: vật lý, hóa học và sinh học, hấp phụ, hấp thụ và tạo phức. Sơ đồ chuyể n hóa
KLN trong đấ t đã đƣơ ̣c Hodgson (1963) đƣa ra và đƣơ ̣c thể hiê ̣n trong Hin
̀ h 1.1. Khi
KLN đƣợc hấp phu ̣ đến một mức độ nhất định sẽ xác định sự phân vùng giữa pha rắn
và pha lỏng của đất. Trong đất bị ô nhiễm KLN nghiêm trọng, các quá trình lý hóa học
sẽ chiếm ƣu thế trong khi các quá trình sinh học có thể bị hạn chế bởi độc tính của các
kim loại này. Các quá trình lý hóa học sẽ thúc đẩy và điều chỉnh các cơ chế nhƣ hòa
tan, kết tủa.

16

Những khoáng nguyên sinh

Sự phong hóa và hình thành đất

Phức chất không tan với chất
hữu cơ

Sự hấp thụ bởi thực vật

Dung dịch
Ion tự do

Sự thâm nhập vào cơ
thể sinh vật

Phức chất

Oxy hóa

Hấp thụ trên bề
mặt

Kết tinh trong
kết tủa được
tạo thành

Khử

Kết tủa và hòa tan các oxit,
photphat sắt và mangan

Khuyếch tán vào bên
trong mạng lưới tinh thể
của khoáng vật chất

Hình 1.1. Sơ đồ chuyể n hóa KLN trong đấ t (Hodgson, 1963)
Các quá trình lý hóa học
Phần lớn các KLN trong đất thƣờng tồn tại ở dạng liên kết với pha rắn. Khi đó
hoặc chúng bị hút giữ trên bề mặt của pha rắn hoặc sẽ tạo kết tủa với các khoáng chất.
Chỉ một phần nhỏ KLN tồn tại ở dạng hòa tan, trong đó hầu hết các dạng hòa tan này
sẽ liên kết với axit hữu cơ trong dung dịch đất, phần còn lại tồn tại ở dạng phức vô cơ
hòa tan và các ion tự do. Lƣợng ion tự do này thƣờng khá nhỏ so với các dạng KLN
khác nhƣng chúng lại là thành phần dễ tham gia vào các phản ứng hóa học và sinh học
nhất.
* Sự hòa tan và kết tủa khoáng: KLN sẽ dễ dàng kết tủa nếu trong đất có mặt
các thành phần nhƣ cacbonat, hydroxit, photphat, oxit kim loại (Fe, Mn và Al)…
Những phản ứng này xảy ra phổ biến ở trong đất và có thể đƣợc coi là cơ chế chủ yếu
để “cô lập” KLN, từ đó hạn chế sự di chuyển và tính khả dụng sinh học đối với cơ thể
sinh vật của các KLN. Ví dụ trong đất đá vôi, KLN có thể tồ n ta ̣i ở da ̣ng cacbonat ,

17


trong đất nông nghiệp có mức độ bón phân cao, KLN có thể bị “cô lập” khi chúng
đồng kết tuat với photphat.
* Sự phân bố của KLN giữa pha lỏng và pha rắ n của đấ t

: Để thể hiện cho sự

phân bố KLN giữa pha rắn và pha lỏng của đất, ngƣời ta sử dụng hệ số hấ p phu ̣(Kf). Hệ

số này thể hiện một cách tổng quát sự tƣơng tác của KLN giữa các pha. Nói cách khác,
đó là kết quả về mức độ liên kết hoặc giải phóng KLN từ pha rắn. Hệ số này đƣợc tính
bằng tỷ lệ giữa lƣợng kim loại đƣợc hấp phụ trên pha rắn của đất và lƣợng KLN hòa tan,
do đó nếu Kf càng lớn thì khả năng hấp phụ trên pha rắn của KLN càng cao và khả năng
hòa tan của KLN trong dung dịch đất càng thấp.
(1.1)

Các mô hình mô tả sự hấp phụ KLN chỉ sử dụng duy nhất giá trị Kf trƣớc kia
thƣờng giả định rằng: khả năng hấp phụ KLN của một vật liệu nào đó độc lập tƣơng
đối với các đặc tính hóa lý của đất. Tuy nhiên, sự phụ thuộc của Kf vào cấu trúc đất và
hàm lƣợng CHC đã đƣợc thừa nhận (Buchter và nnk, 1989, Sauve và nnk, 2000a,
2003).
* Sự tạo phức: Sự tạo phức của các nguyên tố vết là khá phổ biến trong cả môi
trƣờng nƣớc và đất, đặc biệt là đối với KLN (ví dụ: Pb, Zn, Cd, Hg, Cu, …). Trong
hầu hết các trƣờng hợp, một tỷ lệ đáng kể các kim loại hòa tan xuất hiện ở dạng liên
kết với chấ t hƣ̃u cơ hòa tan (DOM) trong tự nhiên. DOM là một hỗn hợp không đồng
nhất của axit fulvic và humic (Stevenson, 1994). Các phối tử tự nhiên này xuất hiện
với nồng độ khá lớn trong đất, có thành phần hóa học và cấu trúc đa dạng vì thế phức
chất của kim loại với các axit hữu cơ tự nhiên khá khó để có thể mô hình hóa. Dựa vào
thành phần của phức có thể chia làm 3 loại sau:
 Phức tạo bởi ion trung tâm là cation kim loại và phối tử là các chất vô cơ.
 Phức loại này thƣờng gặp là phức hydrat (phối tử là các phân tử nƣớc) và
phức amoniacat (phối tử là các phân tử NH3) ví dụ [Al(H2O)6]3+, [Cu(NH3)4]2+…;
 Phức tạo bởi ion trung tâm là cation kim loại và phối tử là anion vô cơ nhƣ
Cl–, F–, I–, SO42–, ví dụ: FeF63–, AgCl32–, [Ca(SO4)2]2–...;

18


 Phức tạo bởi ion trung tâm là cation kim loại và phối tử là anion hoặc phân tử

chất hữu cơ, ví dụ: [Fe(C2O4)3]3–.
Các cặp ion vô cơ thƣờng đƣợc hình thành do tƣơng tác tĩnh điện giữa cation
kim loại với một anion vô cơ, trong đó lớp vỏ hydrat hóa của các ion không bị ảnh
hƣởng. Các cặp ion này cấu trúc rõ ràng nên rất dễ để mô phỏng. Các phức khác đƣợc
hình thành nhờ các liên kết phố i trí , trong đó bán kính hydrat hóa của các ion giảm
dần. Trong các phức chelat, kim loại thƣờng chiếm nhiều hơn một vị trí liên kết và lớp
vỏ hydrat của ion hoặc không còn hoặc nếu còn thì rất mỏng.
Các quá trình sinh học
Trong đất không bị ô nhiễm, quá trình sinh học kiểm soát khả năng di động của
KLN diễn ra thông qua hoạt động sống của VSV, động vật không xƣơng sống và hệ rễ
thực vật. Trong đất bị ô nhiễm nghiêm trọng thì độc tính của KLN sẽ hạn chế vai trò
này của sinh vật. Vì vậy, trong các bãi khai thác mỏ bỏ hoang , hệ thực vật khá nghèo
nàn, đa dạng sinh học của các loại vi khuẩn đất , các loại động vật không xƣơng sống
nhƣ sâu, giun tròn… là rất thấp . Tuy nhiên, khi đất đƣợc bón bổ sung để cải thiện môi
trƣờng sống thuận lợi hơn cho các loài sinh vật thì các quá trình sinh học lại có thể có
vai trò quan trọng trong việc làm giảm hàm lƣợng KLN trong đất.
Trong đất nói chung, quá trình sinh học thƣờng xảy ra chủ yếu ở tầng trên cùng,
nơi tập trung phần lớn sinh khối VSV và động vật không xƣơng sống (Adriano, 2001).
Trong đất trồng trọt và đồng cỏ, tầng đất diễn ra các hoạt động sinh học chủ yếu là
tầng canh tác hoặc khu vực tập trung rễ cây dày đặc nhất. Trong những đất mà cây
trồng trên đó có hệ rễ phát triển, đâm sâu xuống tầng nƣớc ngầm để hút nƣớc thì sự
linh động của các KLN cũng sẽ thay đổi. Hoạt động của hệ rễ trong tầng trầm tích yếm
khí sẽ ảnh hƣởng tới quá trình oxy hóa, khô hóa thông qua sự gia tăng lƣợng bốc hơi,
sự thông khí của vùng rễ và làm thay đổi khả năng linh động của một vài KLN nhƣ
Cd, Cu và Zn (Vervaeke và nnk, 2004). Hệ rễ thực vật đóng một vai trò quan trọng
trong việc chuyển hóa và làm thay đổi các đặc tính hóa học của KLN trong đất (Koo
và nnk, 2005). Hệ rễ thực vật có thể ảnh hƣởng tới 3 cơ chế sau: biến đổi điều kiện
môi trƣờng đất trong vùng rễ, biến đổi dạng tồn tại của các KLN và hấp thu sinh học.

19

Vi khuẩn có thể hòa tan các khoáng thông qua các hoạt động trực tiếp hoặc gián
tiếp trong điều kiện hiếu khí và kỵ khí (Kurek, 2002). Khi các hợp chất oxy hóa của
KLN nhƣ Fe3+, Mn4+ hoặc HAsO42- hoạt động nhƣ những chất nhận điện tử thì hô hấp
kỵ khí chính là một ví dụ cho hoạt động hòa tan KLN một cách trực tiếp dƣới điều
kiện kỵ khí. Trong khi đó, sự oxy hóa Fe2+ hoặc các hợp phần của lƣu huỳnh trong hợp
chất sunfua của KLN để lấy năng lƣợng cho hoạt động sống của VSV là một ví dụ cho
tác động hòa tan KLN một cách trực tiếp dƣới điều kiện hiế u khí . Hoạt động của VSV
sản xuất ra các loại axit vô cơ, hữu cơ và các chất oxy hóa làm thay đổi các điều kiện
của đất bao gồm cả các điều kiện về pH, Eh từ đó gián tiếp làm hòa tan các KLN.
KLN cũng có thể đƣợc huy động ra khỏi các hợp chất khoáng bằng cách tạo phức với
các phân tử sinh học thông qua hoạt động chuyển hóa của VSV. Tác động cô lập KLN
trong cơ thể sinh vật đƣợc thực hiện qua hai phƣơng cách: hình thành các thể vùi ví dụ
nhƣ trong không bào (Clemens và nnk, 1999) và tạo liên kết giữa kim loại với protein
bền nhiệt, nhƣ phytochelatin, metallothionein, và các phân tử bền khác nhƣ ferrihydrit
(Hall, 2002; Hansel và Fendorf, 2001).
1.2. Các con đƣờng di chuyển của kim loại nặng trong đất
Ở lớp đất mặt (0–25cm), sự phân bố của KLN chịu ảnh hƣởng chủ yếu bởi các
hoạt động canh tác. Dƣới lớp đất này, sự di chuyển theo chiều sâu của KLN bị chi phối
bởi rất nhiều các cơ chế phức tạp hơn.
Trong đất đƣợc tƣới nƣớc thải, sự di chuyển của KLN đƣợc giải thích nhƣ là kết
quả của việc giảm pH gây ra bởi các CHC (Robertson và nnk, 1982). Tuy nhiên ngay
cả sau khi tăng pH, sự di chuyển của các nguyên tố này vẫn đƣợc quan sát thấy.
Trƣờng hợp này có thể giải thích là do KLN đƣợc vận chuyển dƣới dạng các phức
chelat hòa tan với các CHC (Darmony và nnk, 1983). Hoạt động bón bùn thải và các
loại phế liệu giàu cacbon khác có thể làm tăng DOM, thúc đẩy sự hình thành các phức
chất với DOM, làm giảm sự hấp phụ KLN.
Sự tồn tại của các khe nứt và / hoặc lỗ hổng lớn trong đất đƣợc ghi nhận là có
khả năng làm tăng sự di chuyển theo cơ chế dòng chảy ƣu thế của KLN (Richards và

nnk, 1998) với mức độ di chuyển ƣu tiên phụ thuộc vào khả năng linh động của “keo –
KLN”.
20


Sự di chuyển của KLN phụ thuộc vào thành phần cấp hạt của đất . Trong đất có
thành phần cơ giới (TPCG) nă ̣ng, KLN sẽ di chuyển chậm hơn so với trong đất có cấu
trúc hạt thô. Khi di chuyển theo dòng nƣớc chảy qua các cột đất, KLN có thể khuếch
tán vào trong tập hợp các hạt đất, tại đó khả năng hấp phụ lên pha rắn của chúng sẽ cao
hơn. Ngoài ra các quá trình hấp phụ khác nhƣ hấp phụ vật lý hoặc sự hấ p thu cạnh
tranh giữa các cation cũng có thể ảnh hƣởng tới sự di chuyển của KLN trong đất.
Sự di chuyển của KLN trong đất chịu ảnh hƣởng đồng thời của rất nhiều cơ
chế, mỗi một cơ chế lại bị ảnh hƣởng bởi thuộc tính của KLN (Tam và Wong, 1996),
bởi đặc tính của đất và bởi các chế độ quản lý, sử dụng đất khác nhau (Murray và nnk,
2004).
1.2.1. Khuếch tán và phân tán
Trong đất, sự khuếch tán của KLN tƣơng đối thấp, trừ trƣờng hợp của đất cát
chua (Delolme và nnk, 2004). Wilcke và nnk (1999) đã quan sát thấy sự khác nhau về
nồng độ kim loại giữa bên trong và bên ngoài tập hợp các hạt đất, điều này đƣợc giải
thích là do ảnh hƣởng của sự hấp phụ lên sự khuyếch tán của kim loại. Tuy nhiên, sự
không đồng nhất này cũng có thể phụ thuộc vào khả năng hòa tan của các kim loại. Ví
dụ nhƣ Cu và Pb đƣợc tìm thấy ở bên trong với nồng độ nhỏ hơn so với bên ngoài tập
hợp các hạt đất, nhƣng đối với Cd thì sự sai khác về nồng độ này lại rất nhỏ hoặc
không đƣợc quan sát thấy. Trong đất có cấu trúc tố t , kim loại có thể di chuyển với các
hạt keo. Sự hình thành liên kết giữa kim loại và các phối tử hữu cơ hòa tan có thể làm
suy giảm sự hấp phụ kim loại của các bề mặt hấp phụ khác trong đất có hàm lƣợng sét
cao (Chubin và Street, 1981) và cho phép phân phối lại kim loại trong các thành phần
đất (Dowdy và nnk, 1991).
1.2.2. Dòng chảy ưu thế
KLN muốn di chuyển theo dòng nƣớc cần phải ở trạng thái hòa tan hoặc liên

kết với các thành phầ n có thể di động đƣợc. Đất trong tự nhiên có chứa các lỗ hổng với
đƣờng kính khác nhau và các vết nứt đƣợc hình thành do sự co giãn trong suốt các quá
trình ẩm ƣớt–khô hạn luân phiên của đất, do hoạt động của động vật đất và rễ thực vật.
Chất lỏng, các hạt keo di động và các hạt lơ lửng khác dƣới dạng huyền phù có thể di
chuyển theo chiều dọc xuống các phẫu diện đất thông qua các “kênh dẫn” này. Sự di
21