Phân tích dạng một số kim loại trong trầm tích và đánh giá khả năng tích lũy đồng và chì trong Nghêu (Meretrix lyrata) nuôi ở vùng cửa sông Tiền (Luận án tiến sĩ)
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.7 MB, 139 trang )
ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
HOÀNG THỊ QUỲNH DIỆU
TÊN ĐỀ TÀI
PH N T
TR
T
H D NG
H VÀ Đ NH GI
TS
I
O I TRONG
H N NG T
H
Đ NG VÀ H TRONG NGHÊU (Meretrix lyrata NU I Ở
V NG Ử S NG TIỀN
LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC
HUẾ - NĂM 2018
ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
HOÀNG THỊ QUỲNH DIỆU
TÊN ĐỀ TÀI
PH N T
TR
T
H D NG
H VÀ Đ NH GI
TS
I
O I TRONG
H N NG T
H
Đ NG VÀ H TRONG NGHÊU Meretrix lyrata NU I Ở
V NG Ử S NG TIỀN
Chuyên ngành: Hóa Phân tích
Mã số: 62 44 01 18
LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
1. PGS.TS. Nguyễn Văn Hợp
2. TS. Nguyễn Hải Phong
HUẾ - NĂM 2018
ỜI
ĐO N
Luận án này được hoàn thành tại Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế,
dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Văn Hợp và TS. Nguyễn Hải Phong. Tôi
xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các kết quả trong luận án là
trung thực, được các đồng tác giả cho phép sử dụng và chưa từng được ai công bố
trước đó.
Tác giả
Hoàng Thị Quỳnh Diệu
ỜI
ƠN
Luận án được hoàn thành dưới sự hướng dẫn hết sức tận tình và đầy nhiệt
tâm của Thầy Nguyễn Văn Hợp và Thầy Nguyễn Hải Phong. Tôi xin được bày tỏ
lòng biết ơn sâu sắc đến thầy và gia đình.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến Ban Giám hiệu Trường Đại học Khoa học,
Đại học Huế, Phòng Sau đại học, Khoa Hóa học cùng quý thầy cô giáo giảng dạy
lớp nghiên cứu sinh đã tận tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt
thời gian học tập và nghiên cứu.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các bạn đồng nghiệp gần xa đã giúp đỡ,
động viên, khích lệ tác giả trong suốt quá trình làm luận án.
Cuối cùng, tác giả xin dành tình cảm đặc biệt đến gia đình, người thân và
các người bạn của tác giả, những người đã luôn mong mỏi, động viên và tiếp sức
cho tác giả để hoàn thành bản luận án này.
Ụ
Ụ
Ụ
Ụ .................................................................................................................. I
D NH
Ụ H NH ................................................................................................ III
D NH
Ụ B NG ................................................................................................. V
D NH
Ụ TỪ VIẾT TẮT.............................................................................. VIII
Ở Đ U ....................................................................................................................1
HƢƠNG 1. TỔNG QU N .....................................................................................4
1.1. Nguồn phát sinh các kim loại độc trong môi trường ...........................................4
1.2. Các dạng tồn tại của các kim loại độc trong môi trường .....................................5
1.3. Độc tính của kim loại độc ....................................................................................7
1.4. Sự tích lũy kim loại độc vào cơ thể sinh vật, chỉ thị sinh học cho sự ô nhiễm
kim loại độc và các nghiên cứu liên quan ................................................................10
1.5. Giới thiệu về Sông Tiền, vùng cửa sông Tiền và Nghêu (Meretrix lyrata) .......15
1.6. Các phương pháp phân tích lượng vết các kim loại độc ....................................17
1.7. Phương pháp phân tích dạng kim loại độc trong trầm tích và các nghiên cứu
liên quan ....................................................................................................................24
1.8. Đánh giá mức tích lũy kim loại độc trong trầm tích và trong sinh vật ..............28
HƢƠNG 2. N I DUNG VÀ PHƢƠNG PH P NGHIÊN ỨU ......................32
2.1. Nội dung nghiên cứu ..........................................................................................32
2.2. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................32
HƢƠNG 3.
ẾT QU VÀ TH O UẬN .........................................................48
3.1. Nghiên cứu lựa chọn các điều kiện phân tích tối ưu trên thiết bị ICP-MS ........48
3.2. Kiểm soát chất lượng phương pháp phân tích ...................................................53
3.3. Hàm lượng các kim loại độc trong nước sông Tiền ...........................................61
3.4. Hàm lượng các kim loại độc trong nước vùng cửa sông Tiền ...........................61
3.5. Hàm lượng kim loại độc trong trầm tích và Nghêu ở vùng cửa sông Tiền .......65
3.6. Hàm lượng các dạng kim loại độc trong trầm tích và mức tích lũy các dạng
chúng trong Nghêu ở vùng cửa sông Tiền ................................................................75
I
3.7. Tích lũy sinh học Cu và Pb trong Nghêu (Meretrix lyrata) – thí nghiệm phơi
nhiễm trong môi trường nước vùng cửa sông Tiền ...................................................87
3.8. Tích lũy Cu và Pb trong Nghêu (Meretrix lyrata) - Thí nghiệm phơi nhiễm
trong môi trường nước – trầm tích vùng cửa sông Tiền ...........................................93
ẾT UẬN ..............................................................................................................99
D NH
Ụ
NG TR NH
NG B
ẾT QU NGHIÊN ỨU Ủ
UẬN N ...............................................................................................................100
TÀI IỆU TH
H O ....................................................................................101
PHỤ Ụ .................................................................................................................. A
II
D NH
Ụ H NH
Hình 1.1. Ảnh chụp mặt ngoài và mặt trong của Nghêu (Meretrix lyrata) ..............17
Hình 1.2. Sơ đồ hệ thống ICP–MS ...........................................................................20
Hình 1.3. Phổ đồ từ 50 amu đến 84 amu của nền mẫu chứa hỗn hợp HNO3, HCl,
H2SO4, butanol, Ca và Na .........................................................................................23
Hình 1.4. Sơ đồ chiết dạng các kim loại độc trong trầm tích ....................................26
Hình 2.1. Các vị trí lấy mẫu trên sông Tiền ..............................................................33
Hình 2.2. Vùng cửa sông Tiền và các vị trí lấy mẫu nước, trầm tích và Nghêu .......35
Hình 2.3. Sơ đồ bố trí thí nghiệm nuôi Nghêu ..........................................................45
Hình 3.1. Sự phụ thuộc cường độ tín hiệu phép đo 59Co vào tốc độ khí mang ........49
Hình 3.2. Sự phụ thuộc tỷ lệ CeO/Ce vào tốc độ khí mang ......................................49
Hình 3.3. Sự phụ thuộc tỷ lệ S/N vào tốc độ khí He .................................................51
Hình 3.4. Sự phụ thuộc cường độ tín hiệu phép đo 75As vào tốc độ khí He .............51
Hình 3.5. Sự phụ thuộc cường độ tín hiệu vào thời gian phân tích ..........................52
Hình 3.6. Sự phụ thuộc độ ổn định của tín hiệu đo vào thời gian phân tích .............52
Hình 3.7. Sự phụ thuộc tín hiệu nền vào thời gian rửa .............................................53
Hình 3.8. Biến động hàm lượng Ni, Cr, As, Pb, Cu và Zn trong 3 đợt khảo sát ......62
Hình 3.9. Hàm lượng As, Cu và Pb trong trầm tích ở các vị trí khảo sát .................66
Hình 3.10. Hàm lượng Cd, Zn, Ni và Cr trong trầm tích ở các vị trí khảo sát .........68
Hình 3.11. Igeo đối với các kim loại độc trong trầm tích ở vùng cửa sông Tiền .......70
Hình 3.12. EF đối với các kim loại độc trong trầm tích ở vùng cửa sông Tiền ........70
Hình 3.13. Phân bố các dạng kim loại độc trong trầm tích (%) ................................78
Hình 3.14. Các giá trị BSAF trung bình đối với các dạng kim loại độc ...................82
Hình 3.15. Hàm lượng Cu trung bình tích lũy trong Nghêu M.lyrata (µg/kg ướt)
theo thời gian phơi nhiễm .........................................................................................88
III
Hình 3.16. Hàm lượng Pb trung bình tích lũy trong Nghêu M.lyrata theo thời gian
phơi nhiễm.................................................................................................................88
Hình 3.17. Hàm lượng Cu tích lũy trong Nghêu theo thời gian phơi nhiễm ............95
Hình 3.18. Hàm lượng Pb tích lũy trong Nghêu theo thời gian phơi nhiễm.............96
IV
D NH
Ụ B NG
Bảng 1.1. Dạng tồn tại của Cu, Pb trong nước ...........................................................6
Bảng 1.2. Liệt kê các nghiên cứu phơi nhiễm của ĐVHMV với Cu, Pb ..................13
Bảng 1.3. Năng lực phân tích của các phương pháp phân tích vết các kim loại độc –
Các phương pháp phổ nguyên tử ..............................................................................18
Bảng 1.4. Một số hợp chất đa nguyên tử gây nhiễu khối đối với những nguyên tố
cần phân tích trong luận án .......................................................................................22
Bảng 1.5. Liệt kê một số nghiên cứu chính về phân tích các dạng KLĐ trong trầm
tích vùng cửa sông trên thế giới và ở Việt nam ........................................................27
Bảng 1.6. Hàm lượng nền các kim loại trong vỏ Trái đất ........................................29
Bảng 2.1. Các phương pháp (PP) phân tích các mẫu nước, trầm tích và Nghêu ......36
Bảng 2.2. Giá trị cần đạt được sau khi thiết bị ICP-MS tự động tối ưu ....................37
Bảng 2.3. Các thiết bị sử dụng trong nghiên cứu ......................................................46
Bảng 2.4. Các chất chuẩn, nội chuẩn dùng trong phân tích các KLĐ bằng phương
pháp ICP-MS .............................................................................................................46
Bảng 3.1. Kết quả hiệu chỉnh thiết bị ICP-MS sau khi tối ưu các thông số cơ bản ..48
Bảng 3.2. Các điều kiện phân tích tối ưu trên thiết bị ICP-MS ................................53
Bảng 3.3. Các đồng vị của những kim loại độc được lựa chọn để phân tích ............54
Bảng 3.4. Phương trình đường chuẩn xác định các nguyên tố .................................54
Bảng 3.5. Giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng của thiết bị ICP-MS ..............55
Bảng 3.6. Giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng của phương pháp phân tích...55
Bảng 3.7. Kết quả xác định độ lặp lại và độ đúng của phương pháp phân tích nước
sông Tiền ...................................................................................................................58
Bảng 3.8. Kết quả xác định độ lặp lại và độ đúng của phương pháp phân tích nước
vùng cửa sông Tiền ...................................................................................................59
V
Bảng 3.9. Kết quả xác định độ lặp lại và độ đúng của phương pháp phân tích khi
phân tích mẫu vật liệu so sánh ..................................................................................60
Bảng 3.10. So sánh hai phương pháp - phân tích dạng kim loại và tổng kim loại
trong mẫu trầm tích S2-2...........................................................................................60
Bảng 3.11. Kết quả phân tích các kim loại độc trong nước sông Tiền .....................63
Bảng 3.12. Kết quả phân tích các kim loại độc trong nước vùng cửa sông Tiền .....64
Bảng 3.13. Hàm lượng kim loại độc trong trầm tích vùng cửa sông Tiền ...............67
Bảng 3.14. Hệ số tương quan giữa hàm lượng các kim loại độc trong trầm tích .....68
Bảng 3.15. Igeo đối với các kim loại độc trong trầm tích ở vùng cửa sông Tiền .......69
Bảng 3.16. EF đối với các kim loại độc trong trầm tích ở vùng cửa sông Tiền .......69
Bảng 3.17. Hàm lượng tổng kim loại độc trong trầm tích vùng cửa sông Tiền và một
số vùng cửa sông khác ..............................................................................................71
Bảng 3.18. Hàm lượng các kim loại độc trong Nghêu..............................................73
Bảng 3.19. Hàm lượng các kim loại độc trong Nghêu (Meretrix lyrata và Meretrix
meretrix) ở các vùng cửa sông .................................................................................74
Bảng 3.20. Hàm lượng các dạng kim loại độc trong trầm tích .................................79
Bảng 3.21. Thứ tự hàm lượng các dạng kim loại độc trong trầm tích ......................77
Bảng 3.22. Hệ số tích lũy sinh học-trầm tích đối với các dạng kim loại độc ..........81
Bảng 3.23. Tương quan giữa hàm lượng kim loại độc trong Nghêu Meretrix lyrata
và hàm lượng các dạng kim loại trong trầm tích.......................................................84
Bảng 3.24. Hàm lượng các dạng kim loại độc trong trầm tích (% so với tổng các
dạng KLĐ) ở các vùng cửa sông ...............................................................................85
Bảng 3.25. Kết quả xét tương quan tuyến tính giữa hàm lượng Cu, Pb trong Nghêu
và mức kim loại trong nước bể thí nghiệm, và thời gian phơi nhiễm ......................90
Bảng 3.26. Tốc độ tích lũy Cu và Pb trong Nghêu ..................................................91
Bảng 3.27. Hàm lượng Cu, Pb hòa tan trong nước bể nuôi với các mức kim loại
VI
thêm vào khác nhau ...................................................................................................94
Bảng 3.28. Kết quả xét tương quan tuyến tính giữa hàm lượng Cu, Pb trong Nghêu
và hàm lượng kim loại thêm vào bể nuôi, và thời gian phơi nhiễm ........................96
Bảng 3.29. Kết quả xác định tốc độ tích lũy Cu và Pb trong Nghêu trong 28 ngày
phơi nhiễm.................................................................................................................98
VII
D NH
ASTM:
Ụ TỪ VIẾT TẮT
American Society for Testing and Materials – Hiệp hội vật liệu và thử
nghiệm Hoa Kỳ
ANOVA: Analysis of variance – Phân tích phương sai
BSAF:
tích
Biota–Sediment Accumulation Factor – Hệ số tích lũy sinh học – trầm
BTNMT: Bộ Tài Nguyên và Môi Trường
CLTT:
Chất lượng trầm tích
ĐVHMV: Động vật hai mảnh vỏ
EF:
Enrichment Factor – Hệ số làm giàu
US–EPA: United States Environmental Protection Agency – Cơ quan Bảo vệ Môi
trường Hoa Kỳ
F–AAS: Flame Atomic absorption spectroscopy – Phương pháp phổ hấp thu
nguyên tử / nguyên tử hóa bằng ngọn lửa
GF–AAS: Graphite Furnace Atomic Absorption Spectroscopy – Phương pháp phổ
hấp thu nguyên tử / nguyên tử hóa bằng ống than chì
KED:
Kinetic energy discrimination – Kỹ thuật phân biệt khối bằng động lượng
ICP–AES: Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometry – Phương
pháp quang phổ phát xạ nguyên tử nguồn plasma ghép cặp cảm ứng cao tần
ICP–MS: Inductively Coupled Plasma Mass Spectroscopy – Phương pháp quang
phổ nguồn plasma ghép cặp cảm ứng cao tần kết nối khối phổ
Igeo:
Geoaccumulation Index – Chỉ số tích lũy địa chất
ISO:
The International Organization for Standardization – Tổ chức Quốc tế về
Tiêu chuẩn hóa
KLĐ:
Kim loại độc
QCVN:
Quy Chuẩn Việt Nam
ORS:
Octopole Reaction System – Hệ thống phản ứng bát cực
RAC:
Risk Assessment Code – Chỉ số đánh giá rủi ro
RMA:
Rate of Metal Accumulation – Tốc độ tích lũy kim loại
SMEWW: Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater – Các
phương pháp chuẩn xét nghiệm nước và nước thải
TDS:
Total Dissolved Solids – Tổng chất rắn hòa tan
TSS:
Total Suspended Solids – Tổng chất rắn lơ lửng
VIII
Luận án Tiến sĩ
Hoàng Thị Quỳnh Diệu
ỞĐ U
Các kim loại nặng nói chung và các kim loại độc (KLĐ) nói riêng được phát
thải vào môi trường từ các nguồn tự nhiên và nhân tạo (hoạt động công nghiệp,
nông nghiệp, đô thị…). Trong môi trường, các KLĐ (Hg, Cd, Ni, As, Cr, Pb, Cu và
Zn) phân bố trong nước, trầm tích và tích lũy vào sinh vật. Theo chuỗi thức ăn, cuối
cùng các KLĐ đi vào cơ thể người và gây độc [42].
Nhiều nghiên cứu cho rằng, vùng cửa sông là một vùng rất đặc biệt, nó
được xem là kho tồn trữ của KLĐ vì hầu như tất cả các dạng phát thải của KLĐ từ
trong lục địa đều theo dòng chảy của sông và tích tụ tại vùng cửa sông [50]. Mặt
khác vùng cửa sông lại là nơi có đa dạng sinh học cao, là môi trường sống của rất
nhiều sinh vật, do đó vùng cửa sông là một trong những đối tượng thu hút nhiều nhà
khoa học tập trung nghiên cứu. Các nghiên cứu về vùng cửa sông chủ yếu tập trung
vào việc xác định hàm lượng các KLĐ và các dạng tồn tại của chúng trong nước và
trầm tích [48], [70], [81], [131], [136], [137], [139], [142], [152], [172], ngoài ra
còn có một số nghiên cứu về sự tích lũy KLĐ trong các sinh vật sống ở vùng cửa
sông và khả năng sử dụng các sinh vật này làm chỉ thị sinh học cho sự ô nhiễm
KLĐ [71], [76], [95], [97], [99], [161].
Vùng cửa sông Tiền thuộc xã Tân Thành, huyện Gò Công Đông, tỉnh Tiền
Giang là một trong những vùng trọng điểm nuôi Nghêu (Meretrix lyrata) ở miền
Nam nước ta với diện tích khoảng 2.300 ha và có thể mở rộng thêm nữa trong thời
gian tới [11]. Hàng năm, khoảng 20.000 tấn Nghêu được thu hoạch từ vùng nuôi ở
cửa sông Tiền để phục vụ cho tiêu thụ nội địa. Hiện nay tỉnh Tiền Giang đang quy
hoạch và phát triển vùng này hơn nữa nhằm phát triển kinh tế - xã hội ở địa phương,
tăng năng suất và chất lượng Nghêu để phục vụ xuất khẩu [11].
Mặc dù vùng cửa sông Tiền đóng vai trò quan trọng trong kế hoạch phát
triển kinh tế - xã hội của địa phương như vậy, nhưng cho đến nay, hầu như chưa có
nghiên cứu chi tiết nào về hiện trạng môi trường vùng cửa sông Tiền, đặc biệt là sự
tích lũy các KLĐ trong trầm tích và trong Nghêu; các dạng KLĐ trong trầm tích và
khả năng gây độc của chúng đối với môi trường; khả năng sử dụng Nghêu (Meretrix
1
Luận án Tiến sĩ
Hoàng Thị Quỳnh Diệu
lyrata) làm chỉ thị cho sự ô nhiễm các KLĐ trong môi trường. Mặt khác, trong
nhiều năm qua, Trung tâm Quan trắc và Kỹ thuật Môi trường của các tỉnh liên quan
(trong đó có tỉnh Tiền Giang) đã tiến hành quan trắc chất lượng nước (CLN) sông
Tiền – đoạn đi qua từng địa phương, nhưng còn thiếu các số liệu về hàm lượng
KLĐ nên chưa xác định được mức độ ô nhiễm KLĐ trong nước sông Tiền và khả
năng ảnh hưởng của sự ô nhiễm này đến hàm lượng KLĐ trong nước vùng cửa sông
Tiền.
Xuất phát từ các vấn đề trên, đề tài luận án được thực hiện nhằm mục đích
đưa ra thông tin về hàm lượng các KLĐ trong nước, trầm tích và Nghêu, các dạng
KLĐ trong trầm tích vùng cửa sông Tiền thuộc xã Tân Thành, huyện Gò Công
Đông, tỉnh Tiền Giang, đồng thời tìm hiểu khả năng sử dụng Nghêu làm chỉ thị sinh
học cho sự ô nhiễm các KLĐ trong môi trường vùng cửa sông Tiền.
Nội dung nghiên cứu chính của luận án:
1) Phân tích và đánh giá hàm lượng các KLĐ trong nước sông Tiền và nước
vùng cửa sông Tiền;
2) Phân tích và đánh giá hàm lượng các KLĐ và các dạng tồn tại của chúng
trong trầm tích vùng cửa sông Tiền;
3) Phân tích và đánh giá hàm lượng các KLĐ trong Nghêu (Meretrix lyrata) ở
vùng cửa sông Tiền;
4) Nuôi Nghêu (Meretrix lyrata) trong môi trường có chứa Cu, Pb ở các mức
nồng độ tăng dần để tìm hiểu khả năng sử dụng Nghêu (Meretrix lyrata) làm chỉ thị
sinh học cho sự ô nhiễm Cu, Pb trong môi trường vùng cửa sông Tiền.
Ý nghĩa khoa học thực tiễn của luận án:
1) Cung cấp các số liệu quan trắc về hàm lượng các kim loại độc (bao gồm
dạng hòa tan và dạng hấp phụ lên hạt rắn lơ lửng) trong nước sông Tiền và nước
vùng cửa sông Tiền;
2) Cung cấp thông tin về kết quả hàm lượng các kim loại độc có trong trầm
tích và các dạng tồn tại của chúng. Do chưa từng có nghiên cứu nào về dạng kim
loại trong trầm tích tại khu vực cửa sông Tiền nên kết quả nghiên cứu của đề tài
2
Luận án Tiến sĩ
Hoàng Thị Quỳnh Diệu
đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá mức độ ô nhiễm và khả năng tích lũy
sinh học của các kim loại độc có trong trầm tích vùng cửa sông Tiền, cũng như góp
phần tạo nên số liệu nền hỗ trợ cho các nghiên cứu tiếp theo về dạng kim loại độc
trong trầm tích vùng cửa sông;
3) Cung cấp thông tin về hàm lượng kim loại độc có trong Nghêu được nuôi
tại vùng cửa sông Tiền;
4) Chứng minh khả năng sử dụng Nghêu làm sinh vật chỉ thị hỗ trợ Chương
trình quan trắc sinh học ở địa phương (biomonitoring program), hay nói cách khác
là sử dụng nghêu làm biomonitor đối với kim loại độc (Cu, Pb) ở vùng cửa sông
Tiền;
5) Kết quả nghiên cứu của luận án còn góp phần làm cơ sở khoa học cho các
nghiên cứu tiếp theo về phân tích dạng kim loại độc trong trầm tích và tích lũy kim
loại độc trong các loài ĐVHMV tại vùng cửa sông nhằm đưa ra những công cụ chỉ
thị sinh học hay cảnh báo về mối nguy ô nhiễm kim loại độc trong môi trường và
chuỗi thức ăn.
3
Luận án Tiến sĩ
Hoàng Thị Quỳnh Diệu
HƢƠNG 1. TỔNG QU N
1.1. Nguồn phát sinh các kim loại độc trong môi trƣờng
Kim loại độc (KLĐ) là một phân nhóm thuộc nhóm các kim loại nặng, bao
gồm những kim loại có độc tính mạnh đối với sinh vật như Hg, Cr, Pb, Zn, Cu, Ni,
Cd, As, Co, Sn,…; thuật ngữ này từ lâu đã trở nên thông dụng trong các lĩnh vực
hóa học và môi trường. Bên cạnh đó các kim loại trong 2 phân nhóm còn lại của
nhóm kim loại nặng bao gồm kim loại quý (Pd, Pt, Au, Ag, Ru,…) và kim loại
phóng xạ (U, Th, Ra, Am,…) cũng có khả năng gây độc ở những ngưỡng hàm
lượng nhất định [52]. Do đó cho đến nay vẫn chưa có một định nghĩa thống nhất về
thuật ngữ KLĐ, và tùy theo từng trường hợp mà thuật ngữ này sẽ có những ý nghĩa
khác nhau [6], [49]. Trong phạm vi của luận án, thuật ngữ KLĐ sẽ được dùng để đề
cập đến các kim loại bao gồm thủy ngân [Hg], cadmi [Cd], niken [Ni], crom [Cr],
arsen [As], chì [Pb], đồng [Cu] và kẽm [Zn].
KLĐ được phát tán từ nhiều nguồn khác nhau vào môi trường, có thể là từ
các hoạt động tự nhiên cũng như nhân tạo. Nguồn tự nhiên phát tán các KLĐ bao
gồm: hoạt động của núi lửa, sự xói mòn các lớp đá trầm tích hoặc các mỏ kim
loại,… Trong khi đó, KLĐ có nguồn gốc nhân tạo được phát tán từ những hoạt
động như: hoạt động công nghiệp, nông nghiệp và dân sinh thường là nguyên nhân
chính làm ô nhiễm môi trường [145]. Thông thường, có năm nguồn phát thải kim
loại độc có nguồn gốc từ hoạt động của con người, bao gồm [119]:
Khai thác khoáng sản và luyện kim (As, Cd, Pb và Hg);
Công nghiệp (As, Cd, Cr, Co, Cu, Hg, Ni và Zn);
Tích tụ từ khí thải (As, Cd, Cr, Cu, Pb, Hg và U);
Nông nghiệp (As, Cd, Cr, Cu, Pb, Hg và Zn);
Nước thải (As, Cd, Cr, Cu, Pb, Hg và Zn).
Trong các nguồn phát thải KLĐ nêu trên thì nước thải từ các hoạt động
nhân tạo sẽ dễ dàng hòa vào nguồn nước tự nhiên và gây nguy hại cho sức khỏe của
con người cũng như các sinh vật thủy sinh. Ở Việt Nam, Bộ Tài Nguyên và Môi
Trường đã ban hành danh sách cụ thể những ngành sản xuất, chế biến có nước thải
4
Luận án Tiến sĩ
Hoàng Thị Quỳnh Diệu
chứa KLĐ (Thông tư số 06/2013/TT-BTNMT ngày 7 tháng 5 năm 2013), bao gồm:
Thuộc da, Tái chế da; Khai thác than; Khai thác và chế biến khoáng sản kim loại;
Nhuộm vải, sợi; Sản xuất hóa chất….Đối với các KLĐ được đề cập trong phạm vi
của nghiên cứu, chúng có thể phát sinh từ những nguồn như [128]: Thành phần
trong nhiều loại hợp kim; Xi mạ bề mặt; Chất chống ăn mòn; Điện cực của các loại
pin; Thuốc trừ sâu; Thuốc diệt cỏ…
Sự ô nhiễm môi trường nước bởi các chất thải chứa KLĐ sẽ ảnh hưởng tiêu
cực đến đời sống của nhiều loài sinh vật thủy sinh, tiếp theo đó là những ảnh hưởng
gián tiếp đến các sinh vật ở những môi trường khác thông qua sự tích lũy độc chất
trong chuỗi thức ăn. Sinh vật khi tích lũy một lượng lớn các KLĐ sẽ dần thoái hoá
hoặc biến dị làm ảnh hưởng đến sự tồn tại của giống loài. Con người có vị trí cuối
cùng trong chuỗi thức ăn sẽ không thể tránh khỏi những nguy cơ về sức khỏe từ sự
ô nhiễm do chính mình gây ra [42]. Do đó, để bảo vệ môi trường cũng như sức khỏe
của con người, cần thiết phải giám sát chặt chẽ hàm lượng các KLĐ trong nước
nhằm phát hiện và ngăn chặn kịp thời các vấn đề về ô nhiễm môi trường.
1.2.
ác dạng tồn tại của các kim loại độc trong môi trƣờng
1.2.1. Dạng tồn tại của kim loại độc trong nước
Trong nước, KLĐ có hàm lượng thấp và tồn tại ở nhiều dạng hòa tan có tính
chất lý – hóa khác nhau, và được tách ra làm 2 nhóm: Các dạng kém bền (labile
form), đây là những phức kém bền được tạo thành giữa ion kim loại và các phối tử
vô cơ (cacbonat, clorua, sunphat,…); Các dạng bền, đây là dạng phức bền của ion
kim loại với các phối tử hữu cơ tự nhiên hoặc nhân tạo (humic, fulvic, EDTA,
DTPA,…) [154]. Tuy nhiên, không phải tất cả các dạng KLĐ hòa tan trong nước
đều có khả năng tích lũy vào sinh vật, chỉ những dạng kém bền mới có tính linh
động cao và do đó dễ dàng được hấp thu bởi sinh vật [47], [149], [170]. Đối với
những nghiên cứu liên quan đến sinh vật thủy sinh, chẳng hạn như các loài Động
vật hai mảnh vỏ có tập tính ăn lọc (lọc các hạt lơ lửng trong nước làm thức ăn) thì
hàm lượng KLĐ ở dạng dễ trao đổi (dạng kém bền và dạng hấp phụ lên chất rắn lơ
lửng) được quan tâm nghiên cứu.
5
Luận án Tiến sĩ
Hoàng Thị Quỳnh Diệu
Bảng 1.1. Dạng tồn tại của Cu, Pb trong nước
Dạng
TLTK
Pb2+
Kém bền
[140]
Cu2+
Kém bền
[72]
Ion cặp
PbHCO3+
Kém bền
[140]
Kim loại trong chất hữu cơ bị phân
hủy
Pb trong các chất hữu cơ
rắn
Bền
Phức với các chất ô nhiễm hữu cơ
Pb2+/EDTA
Bền
[140]
Ion bị hấp phụ trên bề mặt hạt lơ
lửng
Pb2+/Fe(OH)3
Kém bền
Bền
[140]
Ion rắn
Pb2+ trong đất sét
Bền
[140]
Pb2+/axit fulvic
Bền
Bền
[140]
Dạng tồn tại
Ion tự do
Phức với các axit tự nhiên
Ví dụ
2+
Cu /axit humic/Fe2O3
2+
Cu /axit fulvic
[140]
[72]
[72]
1.2.2. Dạng kim loại độc trong trầm tích
Trong trầm tích, các KLĐ ở dạng linh động sẽ dễ dàng được giải phóng vào
môi trường xung quanh dẫn đến làm tăng sự tích lũy vào cơ thể sinh vật từ đó đi
vào cơ thể con người thông qua chuỗi thức ăn. Trong khi đó các KLĐ tồn tại ở dạng
cặn dư rất khó tan vào nước nên rất ít ảnh hưởng đến sức khỏe con người [73]. Theo
Tessier [162], trong trầm tích và đất, KLĐ tồn tại 5 dạng như sau:
Dạng trao đổi (Exchangeable – F1): KLĐ ở dạng này liên kết yếu với các
hạt keo (sét, hydrat của oxit sắt và oxit mangan, axit humic) bằng lực hấp phụ.
Những thay đổi về lực ion của nước làm ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ hoặc giải
hấp các kim loại này dẫn đến sự giải phóng hoặc tích lũy kim loại tại bề mặt tiếp
xúc của nước và trầm tích. Do đó, kim loại ở dạng này rất linh động có thể dễ dàng
giải phóng từ trầm tích hoặc đất vào môi trường nước và ngược lại;
Dạng liên kết với cacbonat (Carbonate bound – F2): Kim loại ở dạng này
liên kết với cacbonat tạo thành muối khó tan. Lúc này, kim loại rất nhạy cảm với sự
thay đổi pH của môi trường xung quanh, khi pH giảm các kim loại ở dạng này sẽ
được giải phóng;
Dạng liên kết với Fe–Mn oxit (Fe and Mn oxides bound – F3): Trong
dạng này, kim loại được hấp phụ trên bề mặt của Fe–Mn oxit và kém bền trong môi
6
Luận án Tiến sĩ
Hoàng Thị Quỳnh Diệu
trường khử. Nguyên nhân do trong điều kiện khử, trạng thái oxi hóa của sắt và
mangan sẽ bị thay đổi, làm cho các kim loại được giải phóng vào pha nước;
Dạng liên kết với sunfua-chất hữu cơ (Organic matter bound – F4): Các
kim loại liên kết với chất hữu cơ không bền trong môi trường oxi hóa. Khi bị oxi
hóa, các chất hữu cơ bị phân hủy và kim loại được giải phóng vào pha nước;
Dạng cặn dư (Residual – F5): Kim loại ở dạng này nằm trong mạng tinh
thể của các khoáng chất bền vững tồn tại trong tự nhiên, hoặc một số kết tủa bền
khó tan của các kim loại như PbS, HgS... Do vậy, khi kim loại tồn tại trong dạng
này sẽ không thể hòa tan vào nước ở những điều kiện thông thường.
Trong nghiên cứu này, thuật ngữ ―dạng kim loại linh động‖ (hay còn gọi là
dạng dễ tích lũy sinh học hay dạng dễ trao đổi) được hiểu là tổng của các dạng trao
đổi và dạng liên kết với cacbonat (F1+ F2), ―dạng phi cặn dư‖ là tổng của các dạng
trao đổi, dạng liên kết với cacbonat, dạng liên kết với Fe–Mn oxit và dạng liên kết
với sunfua-chất hữu cơ (F1+ F2 + F3 + F4)
1.3. Độc tính của kim loại độc
Khi KLĐ đi vào cơ thể sinh vật, chúng sẽ đi vào máu và từ đó tích lũy vào
các mô và gây độc. Tuy nhiên, mức độ gây độc cũng như cơ chế gây độc của các
KLĐ phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau. Do đó, để có thể đánh giá chính xác
khả năng gây độc của các KLĐ cần phải xem xét toàn diện những yếu tố môi trường
– sinh học của các đối tượng được nghiên cứu.
Dưới đây là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độc tính của KLĐ đối
với sinh vật thủy sinh [49]:
Dạng tồn tại của KLĐ: KLĐ có thể tồn tại ở dạng linh động, hay liên kết
trong các hợp chất cơ kim hoặc kết tủa. KLĐ có tính độc cao khi tồn tại ở dạng linh
động, dạng phức của các KLĐ có tính độc thấp hơn và dạng kết tủa của KLĐ có
tính độc rất thấp do KLĐ bị cố định trong pha rắn dẫn đến khó có thể tích lũy vào
cơ thể sinh vật;
Hiệu ứng về tác động của của các chất độc đối với môi trường và cơ thể
sinh vật, người: Hiệu ứng cộng tác động (synergism) và giảm tác động
(antagonism). Đối với hiệu ứng cộng tác động, đây là hiện tượng các chất độc tương
7
Luận án Tiến sĩ
Hoàng Thị Quỳnh Diệu
hợp với nhau và do đó tăng cường tính độc. Trong khi đó, hiện tượng giảm tác động
khiến các chất độc đối kháng lẫn nhau và do đó làm suy giảm tính độc;
Điều kiện môi trường: Nhiệt độ, độ pH, độ mặn và oxy hòa tan là những
thông số ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động sinh lý và trao đổi chất của các loài
thủy sinh; từ đó tác động đến khả năng hấp thu, khả năng chống chịu với độc tính
của KLĐ, hay nói cách khác, điều kiện môi trường tác động đến mức độ nhạy cảm
của sinh vật thủy sinh đối với các KLĐ;
Điều kiện sinh lý của sinh vật nghiên cứu: Độ nhạy của sinh vật đối với
KLĐ thay đổi theo các yếu tố như độ tuổi, giới tính, tình trạng dinh dưỡng, quá
trình sinh sản, …;
Sự thích nghi của cơ thể sinh vật đối với các KLĐ trong môi trường: Sinh
vật thủy sinh có nhiều cơ chế giải độc giúp cơ thể chống chịu với độc tính của các
KLĐ. Ví dụ lưu giữ kim loại tại các tế bào riêng biệt, chẳng hạn như tế bào bạch
cầu của hàu biển có khả năng lưu trữ đồng và kẽm; KLĐ tạo phức với các phân tử
protein dạng thio có trọng lượng thấp (còn gọi là metallothionein) có trong sinh vật,
quá trình này xảy ra khi các loài động vật giáp xác, thân mềm tiếp xúc với những
kim loại như B, Cu, Ag, Au, Zn, Cd và Hg. Những cơ chế này đều có cùng một mục
đích là hạn chế những tác độc cấp tính của các KLĐ đối với sinh vật.
Tóm lại, KLĐ có độc tính cao nhất khi chúng tồn tại ở dạng linh động (hay
dạng dễ trao đổi) trong môi trường. Khi đi vào cơ thể người, mỗi KLĐ sẽ có những
tác động khác nhau tới sức khỏe con người [67], [125], [128], [145]:
Thủy ngân: Những triệu chứng nhiễm độc thủy ngân trong các loài động
vật có vú, con người là: sự yếu dần của các chi, mất khả năng phối hợp các hoạt
động cơ bắp, thương tổn hệ thống thần kinh. Thông thường, các hợp chất cơ kim
của thủy ngân độc hơn và tích góp dễ dàng hơn so với các hợp chất thủy ngân vô
cơ, chúng thường có nhiều trong thực phẩm và xâm nhập chủ yếu qua đường tiêu
hóa. Trong khi, thủy ngân và hợp chất thủy ngân vô cơ xâm nhập chủ yếu qua
đường hô hấp và thấm qua da;
Cadmi: cadmi xâm nhập vào cơ thể con người chủ yếu qua đường tiêu
hóa, khi sử dụng các thức ăn nhiễm cadmi. Bên cạnh đó, cadmi trong bụi, khí còn
8
Luận án đầy đủ ở file: Luận án full
