Nghiên cứu cadimi trong một số nhóm đất ở việt nam và tích luỹ cadimi trong rau ăn lá

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

HÀ MẠNH THẮNG

NGHIÊN CỨU CADIMI TRONG MỘT SỐ NHÓM ĐẤT
Ở VIỆT NAM VÀ TÍCH LUỸ CADIMI TRONG RAU ĂN LÁ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ NÔNG NGHIỆP

HÀ NỘI, 2019

i


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

HÀ MẠNH THẮNG

NGHIÊN CỨU CADIMI TRONG MỘT SỐ NHÓM ĐẤT
Ở VIỆT NAM VÀ TÍCH LUỸ CADIMI TRONG RAU ĂN LÁ

Chuyên ngành
Mã số

: Khoa học đất
: 9 62 01 03

LUẬN ÁN TIẾN SĨ NÔNG NGHIỆP

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phạm Quang Hà
PGS.TS. Nguyễn Đình Mạnh

HÀ NỘI, 2019

ii


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả, số
liệu, nội dung nghiên cứu trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được tác
giả nào công bố trong bất cứ công trình nghiên cứu nào trước đây. Các tài liệu, số liệu
tham khảo trong quá trình nghiên cứu, hoàn thành luận án của các tác giả, các nhà
khoa học, các công trình nghiên cứu liên quan đã được trích dẫn rõ nguồn gốc theo quy
định của Bộ Giáo dục và Đào tạo trong quá trình nghiên cứu, hoàn thành luận án.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2019

Tác giả luận án

Hà Mạnh Thắng

iii


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt thời gian nghiên cứu, hoàn thành Luận án, với lòng biết ơn sâu sắc,
tác giả luận án xin gửi tới PGS.TS Phạm Quang Hà; Cố PGS.TS. Nguyễn Đình Mạnh
đã trực tiếp hướng dẫn, sửa chữa, giúp nghiên cứu sinh đưa ra được những định hướng
nghiên cứu có hàm lượng khoa học cao, sát với thực tiễn. Trong quá trình nghiên cứu,
tìm tòi, hoàn thành luận án, tác giả được các quý thầy truyền cảm hứng, lòng đam mê
nghiên cứu khoa học, động viên tinh thần nghiên cứu sinh vững tin, tự giác, tự tin để
ngày càng hoàn thiện hơn trong công tác nghiên cứu khoa học.
Tác giả xin chân thành cảm ơn tới các Thầy, các Cô, t ập thể Lãnh Đạo Viện
Khoa học Nông nghiệp Việt Nam, tập thể cán bộ đã và đang công tác tại Ban Đào tạo
sau Đại học, Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam đã dạy dỗ, định hướng, truyền đạt
những kiến thức cho tác giả trong quá trình học tập, nghiên cứu, hoàn thành luận án.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới Lãnh đạo Viện Môi trường Nông nghiệp, lãnh
đạo và tập thể cán bộ Bộ môn Hoá Môi trường, Viện Môi trường Nông nghiệp đã tạo
mọi điều kiện giúp đỡ, động viên, quan tâm, chia sẻ tác giả trong suốt quá trình nghiên
cứu và hoàn thành luận án.
Cuối cùng tác giả cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới bạn bè đồng nghiệp,
tới những người thân yêu trong gia đình đã tận tìn h giúp đỡ, động viên tác giả về vật
chất, tinh thần để tác giả luôn yên tâm nghiên cứu và hoàn thành luận án./.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2019

Tác giả luận án

Hà Mạnh Thắng

iv


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN........................................................................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN............................................................................................................................................ iv
MỤC LỤC.................................................................................................................................................... v
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT........................................................................................................ viii
DANH MỤC BẢNG............................................................................................................................... ix
DANH MỤC HÌNH................................................................................................................................ xii
MỞ ĐẦU....................................................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết.......................................................................................................................................... 1
2. Mục đích nghiên cứu........................................................................................................................... 2
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn.......................................................................................................... 2
3.1. Ý nghĩa khoa học........................................................................................................................... 2
3.2. Ý nghĩa thực tiễn........................................................................................................................... 2
4. Tính mới của nghiên cứu.................................................................................................................... 3
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU............................................................................................ 4
1.1 Cadimi và một số ứng dụng........................................................................................................ 4
1.2. Đôc tính của Cd trong thực vật................................................................................................ 5
1.3. Độc tính của Cd đối với sinh vật và môi trường sinh thái.......................................... 11
1.4. Độc tính của Cd đối với con người...................................................................................... 13
1.5. Nguồn gây ô nhiễm Cadimi trong đất nông nghiệp....................................................... 15
1.6. Tổng quan đất Việt Nam và một số nghiên cứu về Cadimi trong đất, cây trồng
và môi trường ở Việt Nam............................................................................................................... 25
1.6.1. Một số loại đất chính sản xuất nông nghiệp ở Việt Nam......................................... 25
1.6.2. Một số kết quả nghiên cứu về Cadimi trong đất, cây trồng và môi trường ở

Việt Nam................................................................................................................................................. 27
1.7. Tổng quan một số nghiên cứu về Cadimi trong đất, cây trồng và môi trường trên
thế giới..................................................................................................................................................... 33
CHƯƠNG II: VẬT LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.............48
2.1. Đối tượng nghiên cứu.................................................................................................................... 48
2.3. Nội dung, vật liệu và địa điểm nghiên cứu............................................................................ 49
2.3.1 Nội dung nghiên cứu............................................................................................................... 49

v


2.3.2. Vât liệu và địa điểm nghiên cứu........................................................................................ 49
2.3.2.1. Vật liệu nghiên cứu........................................................................................................ 49
2.3.2.2. Địa điểm nghiên cứu...................................................................................................... 50
2.4. Phương pháp nghiên cứu.............................................................................................................. 50
2.4.1. Phương pháp lấy mẫu đất, cây trồng và xử lý mẫu.................................................... 50
2.4.2. Phương pháp thí nghiệm trong chậu................................................................................ 52
2.4.3. Phương pháp phân tích......................................................................................................... 55
2.4.4. Phương pháp xử lý số liệu................................................................................................... 56
CHƯƠNG III: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN............................................. 58
3.1. Đánh giá hàm lượng Cadimi trong một số nhóm đất chính sản xuất nông nghiệp ở
Việt Nam..................................................................................................................................................... 58
3.1.1. Cd trong nhóm đất phù sa Việt Nam............................................................................... 58
3.1.1.1. Cd trong tầng mặt đất phù sa Việt Nam................................................................. 58
3.1.1.2. Cd trong một số phẫu diện đất phù sa Việt Nam................................................. 61
3.1.2. Cd trong nhóm đất xám Việt Nam.................................................................................... 62
3.1.2.1. Cd trong tầng mặt nhóm đất xám.............................................................................. 62
3.1.2.2. Cd trong một số phẫu diện đất xám Việt Nam..................................................... 66
3.1.3. Cd trong nhóm đất đỏ.......................................................................................................... 67
3.1.3.1. Cd trong tầng mặt đất đỏ Việt Nam......................................................................... 68

3.1.3.2. Cd trong một số phẫu diện đất đỏ Việt Nam........................................................ 70
3.1.4. Cd trong nhóm đất cát........................................................................................................... 72
3.1.5. Hàm lượng Cd trong đất ở một số vùng có nguy cơ ô nhiễm do tác động của
chất thải................................................................................................................................................... 75
3.2. Hàm lượng Cd trong một số loại cây trồng chính ở Việt Nam...................................... 76
3.2.1. Hàm lượng Cd trong rau tại một số vùng ở Việt Nam.............................................. 76
3.2.2. Cd trong nhóm cây lương thực tại một số vùng ở Việt Nam.................................. 78
3.2.3. Cd trong nhóm cây thực phẩm tại một số vùng ở Việt Nam.................................. 79
3.3. Mối quan hệ giữa Cd trong đất và cây trồng dưới các loại hình tác động khác nhau80

3.3.1 Mối quan hệ Cd trong đất và cây trồng dưới tác động của thâm canh nông
nghiệp....................................................................................................................................................... 82
3.3.2 Mối quan hệ hàm lượng Cd trong đất và cây trồng tại một số vùng chịu ảnh
hưởng của chất thải công nghiệp, đô thị và chất thải làng nghề........................................ 84
vi


3.4. Ảnh hưởng của các ngưỡng Cd trong đất đến tích luỹ Cd trong rau ăn lá trên đất
phù sa sông Hồng và đất xám bạc màu Việt Nam....................................................................... 86
3.4.1. Một số tính chất hoá học, vật lý và kim loại nặng của đất thí nghiệm...............86
3.4.2. Ảnh hưởng của Cd trong đất đến sinh trưởng, năng suất của (cải mơ, rau
muống) trên đất xám bạc màu và đất phù sa sông Hồng...................................................... 88
3.4.2.1. Trên đất phù sa sông Hồng.............................................................................................. 88
3.4.2.2. Trên đất xám bạc màu....................................................................................................... 89
3.4.3. Ảnh hưởng của Cd trong đất đến tích luỹ Cd trong cải mơ, rau muống trên đất
phù sa sông hồng và đất xám bạc màu Việt Nam.................................................................... 92
3.4.3.1. Ảnh hưởng của Cd trong đất đến tích luỹ Cd trong cải mơ, rau muống trên
đất phù sa sông hồng.......................................................................................................................... 92
3.4.3.2. Ảnh hưởng của Cd trong đất xám bạc màu đến tích luỹ Cd trong cải mơ, rau
muống...................................................................................................................................................... 95

3.4.4. Ảnh hưởng của Cd trong đất đến vi sinh vật tổng số trên đất phù sa sông hồng
và đất xám bạc màu................................................................................................................................. 98
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ............................................................................................................... 101
1. Kết luận................................................................................................................................................ 101
2. Đề nghị................................................................................................................................................. 102
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN TIẾN SĨ .. 103

TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................................. 104
1. Tài liệu tham khảo tiếng việt................................................................................................... 104
2. Tài liệu tham khảo nước ngoài................................................................................................ 108

vii


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
ACIAR (Australian Centre for International Trung tâm nghiên cứu nông nghiệp quốc
Agricultural Research) tế Úc
BNN&PTNT

Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn

BĐKH

Biến đổi khí hậu

BTNMT

Bộ Tài nguyên và Môi trường

BYT

Bộ Y tế

CCME (Canadian Council of Ministers of
Bộ Tài nguyên Môi trường Canada
the Environment)
ĐBSCL
Đồng bằng sông Cửu Long
ĐBSH

Đồng bằng sông Hồng

FAO (Food and Agriculture Organization) Tổ chức Nông lương liên hợp quốc
BVTV

Bảo vệ thực vật

HCM

Hồ Chí Minh

KLN

Kim loại nặng

IARC (International Agency for Research

Tổ chức nghiên cứu ung thư quốc tế

on Cancer)

LD50

Liều gây chết trung bình

MT

Môi trường

MTNN

Môi trường Nông nghiệp

NCCGKT

Nghiên cứu chuyển giao kỹ thuật đất phân

NCMC (An initiative of the National
Ủy ban giảm thiểu Cadimi quốc gia Úc
Cadmium Minimisation Committee)
QCVN
Quy chuẩn Việt Nam
TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

TP

Thành phố

WHO (World Health Organization)

Tổ chức y tế thế giới

viii


DANH MỤC BẢNG
TT bảng
1.1
1.2

Tên các bảng
Hàm lượng KLN trong một số loại đá chính hình thành đất
Hàm lượng một số KLN trong phân bón

Trang
16
19

1.3

Hàm lượng Cd trong phân bón tại miền BắcViệt Nam

1.4

Hàm lượng (ppm) một số kim loại nặng trong các sản phẩm dùng

1.5
1.6

làm phân bón trong sản xuất nông nghiệp ở Việt Nam
Hàm lượng Cd trong một số mẫu chất hình thành đất
Hàm lượng Cd trong đất bị ô nhiễm ở một số Quốc gia

20
21
21

1.7

Hàm lượng Cd trong một số loại cây trồng tại một số điểm ô nhiễm

23

1.8
1.9

Diện tích của các nhóm đất chính ở Việt Nam
Hàm lượng Cd trong đất mặt tại một số Quốc gia trên thế giới

25
33

1.10

Hàm lượng Cd trong quặng phốt phát tại một số nước trên thế giới

34

1.11

1.12

Hàm lượng Cd trong một số loại đất trên thế giới
Hàm lượng Cd và một số nguyên tố trong mẫu chất hình thành đất

35

1.13
1.14

(mg/kg)
Hàm lượng Cd được cây trồng hút tại Đài Loan
Hàm lượng Cd trong đất nông nghiệp tại một số Quốc gia

36
37
38

1.15

Hàm lượng Cd trung bình trong một số cây thực phẩm (ppm)

39

1.16

Khối lượng kim loại nặng đã được cây trồng lấy đi sau thu hoạch
liên quan đến khối lượng bổ sung từ bùn thải và thời gian tồn dư ước
tính trong đất ở Voburn, Anh.
Hàm lượng Cd trong đất, Cd tích luỹ trong thực vật và hệ số hút Cd

của một số cây trồng
Hàm lượng một số kim loại nặng trong các loại nước thải
Hàm lượng kim loại nặng trong nước chảy tràn từ các khu vực khác

1.17
1.18
1.19

20

40
43
45
45

2.2
2.3

nhau của đô thị
Công thức thí nghiệm và lượng CdCl2.5H2O bón bổ sung cho các ô
thí nghiệm trên đất phù sa
Số liệu phân tích nước tưới dùng cho thí nghiệm
Lượng phân hóa học bón cho cây cải mơ của thí nghiệm

2.4

Lượng phân hóa học bón cho cây rau muống của thí nghiệm

53

2.5

Công thức thí nghiệm và lượng CdCl2.5H2O bón bổ sung cho các ô
thí nghiệm trên đất xám

54

2.1

ix

52
53
53


2.6

Các chỉ tiêu và phương pháp phân tích trong đất

55

3.1

Lượng chứa Cd trong một số đá mẹ hình thành đất

59

3.2

hàm lượng Cd (mg/kg) trong các loại đất phù sa các hệ thống sông

60

3.3

Phân bố hàm lượng Cd trong đất phù sa theo xác suất

60

3.4

Hàm lượng Cd trong một số phẫu diện phù sa

61

3.5

Hàm lượng Cd (mg/kg) trong một số loại đất xám ở Việt Nam

3.6

Phân bố hàm lượng Cd trong đất xám theo xác suất

63
64

3.7

Hàm lượng Cd trong nhóm đất xám tại một số tỉnh ở Việt Nam

65

3.8

Hàm lượng Cd trong một số phẫu diện đất xám Việt Nam

66

3.9
310

Hàm lượng Cd (mg/kg) trong đất đỏ vàng Việt Nam theo các vùng
sinh thái
Phân bố hàm lượng Cd trong đất đỏ vàng theo xác suất

69
70

3.11

Hàm lượng Cd trong một số phẫu diện đất đỏ vàng Việt Nam

3.12

Hàm lượng Cd (mg/kg đất) trong đất cát theo các vùng sinh thái

3.13

Hàm lượng Cd (mg/kg đất) trong nhóm đất cát Việt Nam, phân loại

theo FAO
Phân bố hàm lượng Cd trong đất cát theo xác suất

3.14
3.15

70
72
73
74

3.19

Hàm lượng Cd (mg/kg) trong đất ở một số khu vực chịu ảnh hưởng
của chất thải công nghiệp và làng nghề
Hàm lượng Cd (mg/kg) trong đất và rau ăn lá tại một số điểm nghiên
cứu
Hàm lượng Cd trong đất và cây lương thực tại một số tỉnh thành ở
Việt Nam
Hàm lượng Cd trong đất và cây thực phẩm tại một số điểm nghiên
cứu ở Việt Nam
Hệ số tương quan tuyến tính r ở mức sai khác 5% và 1%

3.20

Hệ số tương quan giữa Cd trong đất và cây trồng

82

3.21

3.22

Hệ số tương quan giữa Cd trong đất và cây trồng ở một số vùng chịu
ảnh hưởng của chất thải
Một số tính chất lý hoá đất bạc màu trước thí nghiệm

85
86

3.23

Một số tính chất lý hoá đất phù sa sông Hồng trước thí nghiệm

3.24

Ảnh hưởng của các mức Cd trong đất đến sinh trưởng và năng suất
của rau cải mơ trên đất phù sa sông Hồng
Ảnh hưởng của Cd trong đất đến sinh trưởng và năng suất của rau
muống trên đất phù sa sông Hồng
Ảnh hưởng của Cd trong đất đến sinh trưởng và năng suất của rau

3.16
3.17
3.18

3.25
3.26

x

75
77
78
79
81

87
88
89
90


cải mơ trên đất xám bạc màu

3.28
3.29
3.30
3.31
3.32

mu
ống
trên
đất
xá
m
bạc
mà
u
Hàm

lư

Cd trong

3.33

và

rau

mơ trên
phù sa
Hồng
lượng

trong đấ
rau

mu

trên đất
sa
Hồng
lượng
trong
xám bạc
và

rau

mơ

Hàm lượ
Cd trong
và rau
muống tr
đất xám b
màu

3.27

Ảnh hưởng của Cd trong đất đến sinh trưởng và năng suất của rau

Ảnh hưở
của Cd tr
đất đến v
sinh vật t
sốtrên đấ
phù sa sô
Hồng Việ
Nam


Ảnh hưởng của Cd trong đất xám bạc màu đến vi sinh vật tổng số
91
93
94
95
96

98
99

xi


DANH MỤC HÌNH
TT hình
1.1
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
3.10
3.11
3.12
3.13
3.14
3.15
3.16
3.17
3.18
3.19
3.20

Nội dung
Nguồn Cd và vòng tuần hoàn Cd trong hệ thống nông nghiệp
Hàm lượng Cd (mg/kg) trong đất phù sa theo các hệ thống sông
Mật độ xác suất hàm lượng Cd trong đất phù sa theo phân bố
Normal
Trung bình hàm lượng Cd trong một số phẫu diện đất phù sa
Hàm mật độ xác suất Cd trong đất xám Việt Nam theo phân bố
Normal
Hàm lượng Cd trong một số loại đất xám Việt Nam
Trung bình hàm lượng Cd trong một số phẫu diện đất xám Việt
Nam
Hàm lượng Cd trong đất đỏ vàng Việt Nam
Mật độ xác suất Cd trong đất đỏ vàng Việt Nam theo phân bố
Normal
Trung bình hàm lượng Cd trong một số phẫu diện đất đỏ vàng
Việt Nam
Hàm lượng Cd (mg/kg) trong đất cát Việt Nam phân theo vùng
Mật độ xác suất Cd trong đất cát theo phân bố Normal
Hàm lượng Cd trong đất và rau các loại tại các điểm nghiên
cứu
Hàm lượng Cd trong đất và cây lượng thực tại các điểm nghiên
cứu
Hàm lượng Cd trong đất và cây thực phẩm tại các điểm nghiên
cứu
Tương quan Cd trong đất và cây trồng
Tương quan giữa hàm lượng Cd trong đất và cây trồng ở khu
vực chịu ảnh hưởng của chất thải
Tương quan hàm lượng Cd trong đất và rau cải mơ trên đất phù
sa sông Hồng
Tương quan hàm lượng Cd trong đất và rau muống trên đất phù

sa sông Hồng
Tương quan hàm lượng Cd trong đất xám bạc màu và rau cải
mơ
Tương quan hàm lượng Cd trong đất xám bạc màu và rau
muống

xii

Số
trang
15
60
61
62
63
64
67
69
69
71
73
74
77
79
80
83
85
93
94
96

97


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết
Do áp lực của tăng trưởng kinh tế và tăng dân số, việc đẩy mạnh đô thị hoá và
công nghiệp hoá một cách không có quy hoạch cũng như quản lý môi trường nên một
số khu vực ven đô thị và khu công nghiệp đã bị ô nhiễm. Ô nhiễm Đất do nước thải đô
thị và khu công nghiệp thường chứa các kim loại nặng (KLN) độc hại như: Cr, Cu, As,
Ag, Zn, Ni, Pb, Hg và Cd. Một diện tích đáng kể đất nông nghiệp ven đô thị và các
khu công nghiệp bị ô nhiễm các KLN do sử dụng các nguồn nước nói trên để tưới. Mặt
khác, tại một số vùng có sự chuyển đổi cơ cấu cây trồng từ lúa sang rau màu do cơ chế
thị trường, là những nơi tập trung dân cư, có trình độ sản xuất, thâm canh cây trồng
cao, việc sử dụng phân bón và các hoá chất bảo vệ thực vật (HCBVTV) cao đã cung
cấp cho đất một lượng KLN đáng kể, gây độc hại cho sản xuất nông nghiệp.
Cadimi (Cd) được xem là một trong những kim loại nặng độc nhất cho môi
trường sinh thái đất, cây trồng, sức khoẻ con người và động vật máu nóng (FAO,
1992). Kết quả nghiên cứu của dự án (ACIAR - LWRI/1998/119, 2005) ở một số quốc
gia đang phát triển, cho thấy, Cd được xác định là nguyên tố có nguy cơ tích tụ trong
đất với một tốc độ đáng báo động, nguy cơ gây hại đến cây trồng, môi trường và sức
khoẻ con người.
Các nghiên cứu về ô nhiễm môi trường đất do KLN nói chung và Cd nói riêng ở
Việt Nam còn ít và khá mới, do vậy chưa đủ cơ sở khoa học, đủ tin cậy để tìm ra được
nguyên nhân gây ô nhiễm Cd hoặc ngưỡng đánh giá mức độ độc hại của Cd đối với
cây trồng và môi trường sinh thái. Nghiên cứu về ô nhiễm đất nói chung và ô nhiễm
đất do Cd nói riêng cũng như các ngưỡng độc của Cd đối với các cây trồng, đặc biệt
cây rau ăn lá là hết sức cần thiết. Các kết quả nghiên cứu này, sẽ tìm ra nguyên nhân
gây ô nhiễm Cd trong đất trồng trọt nói riêng và ô nhiễm Cd đối với môi trường sinh
thái nói chung, thông qua nghiên cứu sẽ cung cấp cơ sở khoa học tin cậy phục vụ xây
dựng các tiêu chuẩn, quy chuẩn về Cd trong đất phục vụ sản xuất nông nghiệp bền

vững cũng như đặt ra các yêu cầu về chất lượng nông sản có liên quan đến Cd. Nghiên
cứu về độc tính Cd đối với cây trồng cũng như xác định được mối q uan hệ giữa hàm
lượng Cd trong đất và sản phẩm cây trồng là rất cần thiết làm cơ sở cho việc đề xuất
các giải pháp về sản xuất, về công nghệ cũng như chiến lược phát triển sản xuất nông
1


nghiệp, đặc biệt với các vùng có nguy cơ ô nhiễm cao về Cd. Bên cạnh đó các kết quả
nghiên cứu sẽ góp phần xây dựng cũng như phát triển những định hướng nghiên cứu
về độc học của Cd đối với cây trồng cũng như đề xuất các giải pháp kiểm soát ô nhiễm
Cd trong sản xuất nông nghiệp.
2. Mục đích nghiên cứu
- Xác định, đánh giá hàm lượng Cd trong một số nhóm đất chính phục vụ sản
xuất nông nghiệp ở Việt Nam, mối quan hệ của Cd trong đất và Cd tích luỹ trong cây
trồng dưới tác động của thâm canh sản xuất nông nghiệp, chất thải công nghiệp, đô thị
và chất thải làng nghề.
- Xác đ ịnh mức đ ộ ảnh hưởng của các ngưỡng Cd trong đ ất đến sinh trưởng,
năng suất, Cd tích luỹ trong rau ăn lá (cải mơ, rau muống) trên đất phù sa sông Hồng
và đất xám bạc màu Việt Nam.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
3.1. Ý nghĩa khoa học
- Đề tài góp phần xác định và làm rõ được hiện trạng Cd trong một số nhóm đất
chính (đất xám, đ ất phù sa, đ ất đ ỏ vàng, đ ất cát), tác đ ộng của một số yếu tố hình
thành đất, vùng sinh thái đến hàm lượng Cd trong đất trồng trọt, cung cấp cơ sở khoa
học để đề xuất các tiêu chuẩn, quy chuẩn quốc gia về sản xuất nông nghiệp cũng như
trong công tác bảo vệ môi trường.
- Các nghiên cứu chỉ ra được những tác động, áp lực của công nghiệp, chất thải
đô thị, hoạt đ ộng sản xuất nông nghiệp… đến khả năng tích luỹ và gây ô nhiễm Cd
trong đ ất sản xuất nông nhiệp. Thông qua nghiên cứu khuyến cáo đư ợc những tác
động của ô nhiễm Cd trong đất đến chất lượng nông sản, môi trường sinh thái và sức

khoẻ con người.
- Đóng góp cơ sở khoa học về nguồn tác động của Cd đối với môi trường cũng
như độc tính của Cd đối với con người, môi trường sinh thái, tìm hiểu một số giải pháp
làm giảm ô nhiễm Cd trong đất trồng trọt ở những khu vực ô nhiễm Cd.
3.2. Ý nghĩa thực tiễn
- Đề tài đã nghiên cứu, thu thập và đánh giá đư ợc hàm lượng Cd trong một số
loại đ ất sản xuất nông nghiệp chính ở Việt Nam, cung cấp cơ sở khoa học cho xây

2


dựng các tiêu chuẩn, quy chuẩn quốc gia về Cd trong môi trường đất. Góp phần cung
cấp cơ sở dữ liệu cho quy hoạch các vùng sản xuất nông nghiệp an toàn, định hướng
chiến lược trong sản xuất nông nghiệp bền vững và sát với thực tiễn ở Việt Nam.
- Đề tài góp phần khuyến cáo được độc học về Cd trong đất, khuyến cáo về các
nguồn gây tác động, tích luỹ Cd trong đất sản xuất nông nghiệp, làm cơ sở khoa học
tin cậy cho người sản xuất đưa ra các quyết định, các biện pháp giảm thiểu tác động
của Cd đến chất lượng thực phẩm, nông sản và sức khoẻ con người.
- Đề tài đã xác định được ảnh hưởng của hàm lượng Cd trong đất đến quá trình
sinh trưởng và phát triển của cây rau ăn lá (c ải mơ, rau muống) cũng như đ ộng thái
tích lũy của Cd trong cây trồng dưới tác động của hàm lượng Cd trong đất trên 02 loại
đất chính (đất xám, đất phù sa sông Hồng) ở Việt Nam, phục vụ cho việc xây dựng và
hoàn thiện các tiêu quẩn, quy chuẩn quốc gia về môi trường đất ở Việt Nam.
4. Tính mới của nghiên cứu
- Luận án là công trình đầu tiên công bố các kết quả nghiên cứu định lượng, có
hệ thống về Cd trong một số nhóm và loại đất sản xuất nông nghiệp chính theo phân
loại đất Việt Nam.
- Đánh giá được mối quan hệ giữa Cd trong đất và cây trồng, khả năng nhiễm
độc, tích luỹ của Cd trong cây rau ăn lá, cũng như những tác động của Cd trong đất đối
với sinh trưởng và phát triển của cây rau ăn lá trên đất phù sa sông Hồng và đất xám

bạc màu ở Việt Nam.
- Kết quả nghiên cứu luận án là cơ sở khoa học cho việc xác định những công
nghệ xử lý ô nhiễm Cd trong vùng đất trồng rau trọng điểm, các giải pháp nhằm giảm
thiểu ô nhiễm Cd trong đất và giảm thiểu tích luỹ Cd đối với cây trồng ở những khu
vực có nguy cơ ô nhiễm về Cd trong đất sản xuất nông nghiệp tại Việt Nam hiện nay
và trong tương lai.

3


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1 Cadimi và một số ứng dụng
Cadimi tên la tinh là Cadmium, ký kiệu hoá học (Cd) là nguyên tố hoá học
nhóm II trong hệ thống tuần hoàn Mendeleev, số thứ tự nguyên tử 48 khối lượng
nguyên tử 112,41. Nguyên tố này do nhà hoá học Đức Stromeyer tìm ra năm 1817
không thuộc loại nguyên tố đặc biệt quen thuộc. Đó là một nguyên tố hiếm, chiếm
1,3.10-5% khối lượng vỏ trái đất. Cd thường gặp với kẽm trong các quặng, tên gọi của
nguyên tố này cho thấy mối liên hệ với kẽm, (tiếng cổ Hy Lạp ‘’Cadmea’’ có nghĩa là
các quặng kẽm và kẽm ôxit, tiếng Anh là Cadmium) và trong đó người ta tìm thấy Cd.
Về tính chất vật lý và hoá học Cd giống với kẽm hơn hết. Cd là một kim loại có màu
trắng bạc, mềm dễ rèn, dễ cán, trong môi trường không khí Cd bị mờ đục do lớp màng
CdO bảo vệ khỏi bị oxi hoá tiếp tục. Cd tác dụng với các halogen, tan chậm trong axit,
nhưng khá bền trong môi trường kiềm, khác với kẽm. Sự khác chủ yếu giữa Cd và kẽm
là tính bazơ của hidroxit Cd(OH)2 thể hiện khá rõ rệt, trong khi đó kẽm hidroxit lại
lưỡng tính. Cd trong tự nhiên phần lớn tồn tại dưới các dạng muối (Cd 2+) ít khi tồn tại
ở dạng nguyên chất. Cd có nhiệt độ sôi là 756 oC, các muối Cd có tích số tan thấp
khoảng 0.00013-140g/100ml (Từ điển bách khoa hoá học, 1996).
Ứng dụng thực tế của Cd và hợp chất của nó khá đa dạng. Vì đồng vị

113

Cd hấp

thụ tốt các nơtron nhiệt (lò phản ứng hạt nhân), Cd sử dụng rộng rãi làm thanh điều
chỉnh trong công nghiệp chế tạo lò phản ứng. Cd có trong thành phần các hợp kim dễ
nóng chảy dùng để làm chất hàn, một phần khá lớn Cd sử dụng để mạ kim loại, một
vài hợp chất của Cd có màu sắc khá rực rỡ bởi vậy người ta dùng cađimi sunfua (CdS)
để chế tạo các loại sơn màu vàng có sắc thái khác nhau. Trong công nghiệp sơn người
ta dùng catmopon là hai sản phẩm của cùng một phản ứng (từ điển bách khoa hoá học,
1996).
CdSO4 + BaS = CdS + BaSO4
Nguồn: Từ điển bách khoa hoá học,
1996
Ứng dụng thường thấy của Cd là sản xuất pin, acquy, dùng mạ kim loại. Ngoài
ra, do có tác dụng cho màu sắc đẹp, nó thường dùng làm phẩm màu trong sản xuất sơn,
đồ trang sức, đồ chơi trẻ em...d o Cd rất độc, độc gấp nhiều lần so với chì, mà người ta
quy định Cd không chứa quá giới hạn cho phép trong môi trường, đặc biệt
4


trong các sản phẩm có dùng các hợp chất chứa độc chất này.
Cd là một nguyên tố không thiết yếu ảnh hưởng tiêu cực đến tăng trưởng và
phát triển của cây trồng, gây độc cho môi trường sinh thái và động vật. Cd được phát
tán và xâm nhập vào môi trường bởi chất thải của các nhà máy điện, hệ thống sưởi ấm,
các ngành công nghiệp kim loại hoặc giao thông đô thị. Nó được sử dụng rộng rãi
trong mạ điện, bột màu, chất ổn định nhựa và pin niken -cadimi (Sanita di Toppi and
Gabrielli, 1999).
1.2. Đôc tính của Cd trong thực vật
Ô nhiễm môi trường do kim loại trở nên rộng rãi khi các hoạt động khai thác và
công nghiệp tăng vào cuối thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20, nó bắt nguồn từ sự gia tăng số

lượng lớn các nguồn nhân tạo khác nhau (nước thải và chất thải rắn công nghiệp, nước
thải đô thị, nhà máy xử lý nước thải; phân bón, thuốc BVTV trong nông nghiệp, bãi
rác, hoạt động khai thác khoáng sản...), đã ảnh hưởng dần dần đến các hệ sinh thái
khác nhau (Macfarlane and Burchett, 2001). Thực vật sở hữu cơ chế tế bào nội môi để
điều chỉnh nồng độ của các ion kim loại bên trong tế bào nhằm giảm thiểu thiệt hại
tiềm năng có thể phát sinh do tiếp xúc với các ion kim loại không cần thiết, vai trò của
thành tế bào, màng huyết tương và mycorrhizas, là rào cản chính chống lại sự thâm
nhập Cd đối với tế bào.
Độc tính và khả năng chịu đựng kim loại trong thực vật là một chủ đề đã được
đánh giá rộng rãi, được các nhà khoa học quan tâm ngay từ những năm đầu của thế kỷ
20. Trong số các kim loại này, Fe, Mo và Mn có vai trò quan trọng như vi chất dinh
dưỡng, trong khi Zn, Ni, Cu, Co, Va và Cr là các nguyên tố độc hại, có tầm quan trọng
cao hoặc thấp là nguyên tố vi lượng. Cd và các nguyên tố (Ag, As, Hg, Pb, Sb) không
có chức năng được biết đến như chất dinh dưỡng và dường như ít nhiều độc hại đối với
thực vật và vi sinh vật (Niess, 1999).
Độc tính của Cd và các kim loại phụ thuộc vào dạng hóa trị, pH và sự có mặt
của các ion khác (Das P et al, 1997), các triệu chứng độc tính quan sát thấy ở thực vật
với sự có mặt của một lượng kim loại nặng quá mức có thể là do một loạt các tương
tác ở cấp độ tế bào (Hall, 2002). Độc tính có thể là kết quả của việc gắn kim loại với
các nhóm sulphydryl trong protein, dẫn đến ức chế hoạt động hoặc gián đoạn cấu trúc.
Enzyme là một trong những mục tiêu chính bị tác động do các ion kim loại nặng, đất
5


bị phơi nhiễm kéo dài với kim loại nặng dẫn đến giảm đáng kể hoạt động của các
enzym trong đất. Sự tương tác kim loại với các nhóm ligand của enzyme phần lớn xác
định độc tính của chúng, sự ức chế enzym gây biến tính các protein (Das et al., 1997).
Ngoài ra, dư thừa kim loại nặng có thể kích thích sự hình thành các gốc tự do và các
loại ôxy phản ứng (Dietz et al, 1999). Để thích ứng và đối phó với các kim loại độc hại
cao, hoặc để duy trì mức kim loại thiết yếu trong phạm vi sinh lý, thực vật đã phát triển

các cơ chế phức tạp phục vụ kiểm soát sự hấp thụ, tích tụ và giải độc kim loại.
Cd được các nhà khoa học công nhận là một chất ô nhiễm cực nguy hiểm do
độc tính cao và độ hòa tan lớn t rong nước, các dung dịch đất không bị ô nhiễm có
nồng độ Cd dao động từ 0,04 đến 0,32 mM. Dung dịch đất có nồng độ Cd thay đổi từ
0,32 đến khoảng 1 mM có thể được coi là ô nhiễm đến mức vừa phải ( Pinto et al.,
2004). Cd trong đất có thể làm thay đổi sự hấp thụ của các chất khoáng dinh dưỡng
của thực vật, phụ thuộc vào nồng độ của Cd sẵn có trong đất, hoặc thông qua việc tác
động làm giảm mật độ hoạt động của vi khuẩn, vi sinh vật, sinh vật trong đất (Moreno
JL et al., 1999). Cd có tác động đến v iệc mở khí khổng, thoát hơi và quang hợp của
thực vật, tuy nhiên ở thực vật việc sử dụng dinh dưỡng chứa hàm lượng Cd cao có tác
động lớn hơn so với hàm lượng Cd từ đất (Sanitá di Toppi và Gabrielli, 1999). Nghiên
cứu đã cho thấy bệnh nhiễm đốm lá, cuộn lá và còi cọc là các triệu chứng ngộ độc Cd
chính và dễ thấy ở thực vật. Bệnh vàng lá có thể xuất hiện là thiếu Fe (Haghiri, 1973),
thiếu phốt pho hoặc giảm vận chuyển Mn (Godbold and Hutterman, 1985). Sự ức chế
của reductase gốc Fe (III) gây ra bởi Cd dẫn đến thiếu Fe (II) và nó ảnh hưởng nghiêm
trọng đến quang hợp (Alcantara et al., 1994). Nói chung, Cd đã được chứng minh là
can thiệp vào sự hấp thu, vận chuyển và sử dụng một số nguyên tố (Ca, Mg, P and K)
và nước bằng thực vật (Das P et al., 1997). Cd cũng làm giảm sự hấp thụ nitrat và vận
chuyển của nó từ rễ sang chồi, bằng cách ức chế hoạt động của nitrate reductase trong
các chồi (Hernandez et al., 1996). Sự ức chế khả năng ức chế hoạt động của nitrate
reductase cũng được tìm thấy ở thực vật Silene cucubalus (Mathys, 1975). Cd còn cho
thấy ảnh hưởng đến s ự cố định nit ơ và đồng hóa amoniac trong các nốt của cây đậu
tương ở các thí nghiệm nghiên cứu về độc tính của Cd đến cây trồng (Balestrasse et al.,
2003). Độc tính kim loại có thể ảnh hưởng đến tính thấm của màng tế bào, làm giảm
hàm lượng nước; cụ thể là Cd đã được báo cáo là tương tác với sự cân bằng nước

6


(Barcelo et al., 1986; Poschenrieder et al., 1989). Cd đã được chứng minh là làm giảm

hoạt tính ATPase của phần màng huyết tương của rễ lúa mì và hướng dương. Cadimi
tạo ra sự thay đổi trong chức năng của màng bằng cách gây ra lipid peroxidation
(Fodor và cộng sự, 1995) và rối loạn trong quá trình chuyển hóa lục lạp bằng cách ức
chế sinh tổng hợp chlorophyll và giảm hoạt động của các enzyme liên quan đến cố
định CO2 (De Filippis và Ziegler, 1993).
Một số nghiên cứu trước đây cho rằng ức chế quá trình oxy hóa có thể liên quan
đến độc tính Cd, bằng cách gây ra oxy tự do hoặc bằng cách giảm các chất chống oxy
hóa enzyme và không enzyme (Balestrasse và cộng sự, 2001; Fornazier et al., 2002;
Cho and Seo, 2004). Sự lão hóa nhanh được quan sát thấy trong các nốt của cây đậu
tương được xử lý bằng Cd là do ức chế oxy hóa do kim loại tạo ra (Balestrasse et al.,
2004).
Tác động của Cd đối với thực vật phụ thuộc vào nhiều cơ chế sinh lý và phân tử
liên quan bao gồm sự hấp thu và tích tụ Cd thông qua liên kết với dịch ngoại bào và
thành tế bào, sự phức tạp của các ion bên trong tế bào bởi nhiều chất khác nhau ví dụ
như (axit, ferritin, phytochelatin và metallothionein). Các phản ứng phòng ngừa ức chế
sinh hóa nói chung như sự kích thích các enzym chống oxy hóa và kích hoạt hoặc điều
chỉnh sự trao đổi chất thực vật để cho phép vận hành đầy đủ các đ ường chuyển hóa và
sửa chữa nhanh các cấu trúc tế bào bị hư hại (Hall, 2002; Cho M và cộng sự, 2003).
Độc tính sinh học của Cd và một số kim loại bị hạn chế do độ hòa tan thấp trong
nước oxy hóa và gắn kết chặt chẽ với các hạt đất. Cả hai quá trình axit hóa của thân rễ
và sự tiết dịch carboxylat được coi là các mục tiêu tiềm năng để tăng cường tích tụ kim
loại (Clemens et al., 2002). Mức độ ảnh hưởng của Cd đối với cây trồng phụ thuộc vào
nồng độ của nó trong đất và khả dụng sinh học của nó, đ ược điều tiết bởi sự hiện diện
của chất hữu cơ, pH, khả năng oxi hóa khử, nhiệt độ và nồng độ của các nguyên tố
khác. Ngoại trừ Fe, được hòa tan bằng cách giảm Fe (II) hoặc tạo ra các
phytosiderophores liên kết Fe (III) (Hirsch, 1998). Đặc biệt, sự hấp thu các ion Cd
trong thực vật có tính cạnh tranh với các chất dinh dưỡng như (K, Ca, Mg, Fe, Mn, Cu,
Zn, Ni) trong chu trình dinh dưỡng của thực vật (Clarkson and Luttge, 1989; Rivetta et
al., 1997). Màng tế bào đóng một vai trò trong cân bằng nội môi kim loại, ngăn ngừa
hoặc giảm nhập vào tế bào. Cd là một trong những kim loại nguy hiểm nhất do tính di

7


động cao, ngay cả khi ở nồng độ thấp đã có những hiệu ứng của nó trên thực vật bắt
đầu xuất hiện (Barcelo and Poschenrieder, 1990).
Mặc dù có sự di chuyển khác nhau của các ion kim loại trong thực vật, tuy
nhiên hàm lượng kim loại thường lớn hơn ở rễ so với bộ phận khác của cây trồng trên
mặt đất (Ramos et al., 2002). Trong hầu hết các điều kiện môi trường, Cd đi vào rễ đầu
tiên, và do đó rễ thường bị tổn thương Cd trước so với các bộ phận khác khi cây trồng
ở môi trường đất ô nhiễm Cd (Sanita di Toppi and Gabrielli, 1999). Cd dễ dàng thâm
nhập vào rễ thông qua các mô vỏ tế bào và được chuyển đến các mô trên mặt đất, ngay
khi Cd đi vào rễ, nó có thể đến đ ược tế bào thông qua con đường dinh dưỡng của cây
trồng (Salt và cộng sự,1995a). Thông thường, các ion Cd chủ yếu được giữ lại trong rễ
và chỉ một lượng nhỏ được vận chuyển đến các chồi (Cataldo et al., 1983). Nói chung,
hàm lượng Cd trong cây giảm theo thứ tự: rễ> thân cây> lá> quả> hạt (Blum, 1997).
Theo nghiên cứu của Moral và cộng sự (1994) cho thấy, Cd dễ dàng được vận chuyển
đến các bộ phận (rễ, thân, lá) của cây cà chua nhưng không được phát hiện trong các
loại quả. Gần đây người ta đã đ ưa ra giả thuyết rằng tích lũy Cd trong việc phát triển
các loại trái cây có thể xảy ra thông qua vận chuyển qua trung gian phloem (Hart JJ và
cộng sự, 1998). Hinesly và cộng sự (1984) nghiên cứu và cho thấy pH đất ảnh h ưởng
rất lớn đến sự hấp thu và vận chuyển Cd trong ngô. Nồng độ Cd trong ngô và lúa mạch
đen có tương quan nghịch với pH của đất, bên cạnh đó kết quả nghiên cứu cũng cho
thấy, hàm lượng ion Na+ trong đất cũng có tác dụng làm tăng tích luỹ Cd trong thực
vật (Chiy PC and Phillips, 1999).
Ngoại trừ các Cd-carbonic anhydrase mới được phát hiện gần đây của các tảo
cát biển, các kết quả nghiên cứu cũng cho thấy Cd và Pb không có chức năng sinh học
nào đối với cây trồng. Cd và Zn đã được tìm thấy là đồng tích tụ trong các bộ phận của
cây họ cải châu phi (Arabidopsis halleri), đây là loài cây có khả năng tích luỹ Cd và
các KLN rất cao, thường có mặt ở những vùng ô nhiễm, điều này cho thấy sự hấp thu

Cd và Zn tương quan về mặt di truyền, cho thấy các kim loại được đưa lên bởi cùng
một con đường vận chuyển (Lane and Morel, 2000).
Nói chung, sự tích tụ trong thực vật của một kim loại nhất định là một chức
năng của khả năng hấp thu và các vị trí liên kết nội bào. Ở mọi cấp độ, nồng độ và ái
lực của phức chất vòng càng giữa các hợp chất hữu cơ dẫn xuất từ amino

8


polycacboxylic axit với các ion kim loại, cũng như sự hiện diện và chọn lọc của các
hoạt động vận chuyển dinh dưỡng gây ảnh hưởng đến tỷ lệ tích tụ kim loại (Clemens
và cộng sự, 2002). Có nhiều cách tránh ngộ độc kim loại nặng như: lập rào cản ức chế
hấp thu, vận chuyển Cd, cố định Cd bằng phương tiện thành tế bào ở vùng rễ cũng có
nhiều hiệu quả trong việc làm giảm tích luỹ Cd trong thực vật (Nishizono và cộng sự,
1989). Trong rễ và lá, các ion Cd tích luỹ phụ thuộc bởi các vị trí pectic và các nhóm
hystidyl của thành tế bào. Tuy nhiên, các cơ chế này có thể thay đổi theo nồng độ Cd
trong đất , loài thực vật, thời gian phơi nhiễm và các yếu tố ngoại cảnh khác. Ngăn
chặn các ion Cd xâm nhập vào cytosol thông qua hoạt động của màng plasma, có
nghĩa là loại trừ các ion khỏi thành tế bào thực vật, về cơ bản là giải pháp khá tốt trong
việc giảm tích luỹ của Cd trong thực vật. Nghiên cứu cũng cho thấy, trong giai đoạn
đầu của hạt giống nảy mầm củ cải Cd xâm nhập vào tế bào thông qua con đường hấp
thu, vận chuyển Ca2+ trong màng plasma (Rivetta và cộng sự, 1997).
Trong môi trường đất ô nhiễm Cd và các KLN, thành của các tế bào rễ đ ược
tiếp xúc đầu tiên và trực tiếp với các kim loại trong dung dịch đất. Hoạt động, tương
tác của các kim loại với thành tế bào thông qua quá trình hút dinh dưỡng, hút nước…
mà KLN có thể xâm nhập vào thực vật ở các mức độ nhất định . Hầu hết các kim loại
nặng liên quan đến thành tế bào đều liên kết với các axit polygalacturonic, trong đó ái
lực của các ion kim loại thay đổi theo kim loại (Ernst và cộng sự, 1992). Màng plasma
là cấu trúc "sống" đầu tiên nhắm vào độc tính kim loại nặng do đó, cũng có thể liên
quan đến hút KLN. Độc tính của KLN có thể do các cơ chế khác nhau bao gồm quá

trình oxy hóa và liên kết chéo các protein thiols, ức chế protein màng tế bào như H+ ATPase, hoặc thay đổi thành phần và tính lưu động của lipid màng. Một tác dụng trực
tiếp của Cd và Cu đã đ ược nghiên cứu và cho thấy có mối liên quan đến thành phần
lipid của màng tế bào (Fodor và cộng sự, 1995; Hernandez và Cooke, 1997; Quartacci
và cộng sự, 2001). Nhiều nghiên cứu về độc tính đã cho thấy Cd làm giảm hoạt tính
ATPase của phần màng huyết tương của rễ lúa mì và hướng dương (Fodor và cộng sự,
1995).
Đối với thực vật sống trong môi trường đất ô nhiễm Cd và các KLN, chúng
cũng tạo ra cơ chế thường xuyên để giải độc kim loại nặng là chelation của kim loại
bằng một phối tử, trong một số trường hợp, sự phân chia tiếp theo của phức hợp

9


(ligand-metal). Việc phân chia không bào ngăn cản sự lưu thông tự do của các ion Cd
trong cytosol và cố định các Ion vào một khu vực giới hạn nhằm giảm thiểu độc tính
của chúng (Sanita di Toppi and Gabrielli, 1999). Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng
không bào là vị trí tích lũy của một số kim loại nặng bao gồm Zn, Cd để làm giảm mức
độ độc tố đến quá trình sinh trưởng (Ernst et al., 1992). Một ví dụ là sự tích tụ của Cd
trong không bào liên quan đến một vận chuyển ABC (Hall, 2002). Hai polypeptit kim
loại nặng có đặc tính tốt nhất liên quan đến chelation và cô lập các kim loại nặng bao
gồm các metallothioneins (MT), các polypeptit có nhiều mã hóa, cysteine, và các
phytochelatin (PC), ngược lại, là enzym tổng hợp, peptide giàu cysteine (Cobbett,
2000).
Phytochelatin (PC) là các peptide gắn kết kim loại nhỏ với cấu trúc (g-glu-cys)
n-gly, (g-glu-cys) nb-ala, (g-glu-cys) n-ser, (g-glu) -n) n-glu, (g-glu-cys) n-gln hoặc (gglu-cys) n, trong đó n thay đổi từ 2 đến 11 (Grill và cộng sự, 1985, 1986a, b). PC lần
đầu tiên được xác định vào năm 1983 trong nấm men Schizosaccharomyces pombe
(Cobbett, 2000), sau đó đã được xác định trong một loạt các loài thực vật và trong một
số vi sinh vật khác (Grill và cộng sự, 1989; Cobbett và cộng sự, 2000). Nhiều nghiên
cứu sinh lý, sinh hóa và di truyền đã xác nhận rằng glutathione tripeptide (GSH; g Glu-CysGly) là chất nền cho sinh tổng hợp PC (Rauser, 1999). Tổng hợp PC từ GSH
được xúc tác bởi một transpeptidase, có tên là phytochelatin synthase (EC 2.3.2.15), là

một enzyme cấu thành cần kích hoạt sau dịch bởi các kim loại nặng (Grill và cộng sự,
1989; De Knecht và cộng sự, 1995). Phytochelatin synthase (PCS) chỉ được kích hoạt
khi có các ion kim loại nặng, đặc biệt là Cd, Ag, Pb, Cu, Hg, Zn, Sn, Au và As
(Cobbett, 2000).
Một số báo cáo đã chứng minh rằng PC S là thiết yếu đối với khả năng chịu
đựng cấu thành bình thường đối với một số kim loại không cần thiết, đặc biệ t là Cd.
Gián đoạn gen PCS ở S. pombe dẫn đến quá mẫn cảm với Cd (Clemens và cộng sự,
1999; Ha SB và cộng sự, 1999). Hơn nữa, sự biểu hiện của PCS cDNA từ lúa mì,
Arabidopsis và S. pombe làm tăng đáng kể khả năng chịu Cd trong Saccharomyces
cerevisiae, ngay cả trong các đột biến thiếu hụt sự hình thành không bào hoặc axit hóa
không bào (Clemens và cộng sự, 1999). Một số đột biến Cid -hypersensitive
Arabidopsis dường như bị suy yếu trong tổng hợp PC (Howden và cộng sự, 1995;

10


Cobbett và cộng sự, 1998). Ngoài ra, các dòng tế bào cà chua được chọn để tăng dung
nạp với Cd cho thấy sự tổng hợp PC tăng cường theo phơi nhiễm Cd, do tăng gglutamyl cysteine synthetase (g-ECS) hoạt động (Chen JJ và Goldsbrough, 1994).
Mặc dù Cd không phải là yếu tố thiết yếu hoặc có lợi cho cây trồng, nhưng
chúng thường tích luỹ ở mức độ nào đó Cd có thể đo được, đặc biệt là rễ, lá, người ta
thường gọi là do sự hấp thu và dịch chuyển vô ý (Assunção et al., 2003). Nồng độ lá
trên 100 µg/kg khô (0,01%) đ ược coi là ngoại lệ và đ ược sử dụng như một giá trị
ngưỡng cho sự tích lũy Cd (Baker AJM, McGrath SP, 2000).
Cd trong đất có đặc điểm khá linh động, có bán kính hydrát hóa giống với Zn vì
vậy cây trồng bị1 với yếu tố dinh dưỡng là Zn. Cây trồng hút Cd khác nhau tuỳ thuộc vào
loài và sự di chuyển của Cd trong cây cũng khác nhau, Cd không phải là yếu tố dinh
dưỡng cho cây trồng vì vậy khi xâm nhập vào cây trồng gây nên kìm hãm sự sinh trưởng,
phát triển. Cd ở nồng độ 2,5 - 4mg/kg đất khô, ở nồng độ này làm cho năng suất lúa mỳ
giảm 21%, tỷ lệ nảy mầm của ngô giảm 28% (Phạm Quang Hà, 2001). Theo Andresen,
Elisa and Hendrik Kupper, (2013) nghiên cứu về độc tính của Cd đối với một số cây trồng

thông qua các thí nghiệm và phản ứng sinh lý của cây trồng cho thấy, Cd là một chất gây ô
nhiễm quan trọng trong môi trường, độc hại đối với hầu hết các sinh vật và nguy cơ tiềm
tàng đối với sức khỏe con người. Cây trồng lấy Cd từ đất hoặc nước và có thể làm giàu
trong rễ và chồi, tác động của Cd bao gồm ức chế quá trình oxy hóa, gây độc tính gen, ức
chế bộ máy quang hợp và ức chế chuyển hóa trong rễ.

1.3. Độc tính của Cd đối với sinh vật và môi trường sinh thái
Trong công nghiệp thực phẩm, Cd được coi là nguyên tố nguy hiểm nhất, khi
hàm lượng Cd >15ppm thì thực phẩm được coi là nhiễm độc. Các hợp chất của Cd
trong nước, không khí, trong dung dịch và trong thức ăn đều gây độc. Trong không
khí, nồng độ Cd tối đa cho phép là 0,1mg/m 3. Với động vật , liều chết chắc chắn là
210mg Cd/kg thể trọng. Hít phải một lượng hơi Cd sẽ làm cho cơ thể mệt mỏi, đau
đầu, kém ăn, sút cân, ho, răng lung lay, rụng tóc, thận hoạt động rối loạn. Ngộ độc Cd
qua tích tụ từ nước còn có thể dẫn đến quái thai ở động vật, cho bò và cừu ăn thức ăn
có chứa 50-500mgCd/kg trong một năm liên tục sẽ gây những biến đổi dị dạng cho
thai của chúng. Nhưng đối với người bị nhiễm độc Cd không thấy dị tật bẩm sinh ở trẻ

11


em mới sinh nhưng trọng lượng của chúng thấp hơn và có vài trường hợp xuất hiện
chứng còi xương.
Cd ảnh hưởng đến vi sinh vật đất: Cd trong đất có ảnh hưởng khá rõ nét đến quá
trình sinh trưởng của một số chủng vi sinh vật có lợi, khi hàm lượng Cd trong đất ở
ngưỡng 2,9mg/kg đất khô làm tổng số vi khuẩn và nấm bắt đầu giảm đáng kể; ở nồng
độ 5mg/kg đất khô làm cho quá trình khoáng hoá giảm đến 17 - 39% và khi nồng độ
1000mg/kg đất khô, quá trình nitrat hoá giảm 60%. Nhiều nghiên cứu cho thấy giun
đất có thể sống trong môi trường chứa một hàm lượng và tích luỹ Cd trong cơ thể ở
một mức độ nào đó. Các nghiên cứu cũng cho thấy mức độ hấp thu của Cd trong giun
đất phụ thuộc rất nhiều vào pH và CEC (dung tích hấp thu của đất), nồng độ LD 50 của

Cd trong đất đối với giun đất là 253-1843 mg/kg đất khô tuỳ thuộc vào loại đất (Phạm
Quang Hà, 2001).
Theo Phạm Khắc Hiếu (1998), vật nuôi và động vật hoang dã có thể bị ngộ độc
Cd khi ăn phải thức ăn giàu Cd, mức độ độc hại tuỳ theo loài, tuổi và trọng lượng cũng
như phụ thuộc vào cả các cation khác trong thức ăn. Các loại động vật có vú và chim
có thể bị ngộ độc Cd ở nồng độ 15 - 1350 mg/kg khối lượng. Trong giai đoạn tăng
trọng, khối lượng đàn lợn có thể giảm đến 96% mức tăng trọng nếu ăn mỗi ngày
140mg Cd/kg trọng lượng. Đối với vật nuôi thí nghiệm, liều bán tử vong LD50 qua thí
nghiệm ở chuột theo con đường tiêu hóa là 88 đến 357mg CdCl/kg khối lượng. Trong
môi trường chứa oxit Cd, LD50 (hô hấp) là 29mgCd/m3 trong 15 phút.
Kim loại nặng là các chất gây ô nhiễm môi trường quan trọng và độc tính của
chúng là vấn đề tăng ý nghĩa cho các lý do sinh thái, tiến hóa, dinh dưỡng và môi
trường. Cd được xem là một trong những KLN không có ý nghĩa đối với sự sinh
trưởng và phát triển của cây trồng, là kim loại thu hút sự chú ý nhất trong khoa học đất
và dinh dưỡng thực vật do độc tính tiềm tàng đối với con người và tính di động tương
đối của nó trong sinh thái của đất. Độc tính Cd trên thực vật liên quan đến các khía
cạnh sinh thái, sinh lý và sinh hóa, các triệu chứng độc hại của Cd trong thực vật
nghiên cứu cho thấy như (giảm tăng trưởng và phát triển cây trồng, thay đổi trong
quang hợp, điều hòa stomatal, hoạt động enzyme, quan hệ nước, hấp thu khoáng,
chuyển hóa protein, hoạt động màng tế bào...). Bên cạnh đó Cd cũng là yếu tố gây ức
chế quá trình oxy hóa trong tế bào của cây trồng (Tran Tuan Anh and Losanka, 2013).

12