Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Các Hàm Lượng N, P Đến Khả Năng Chống Chịu, Tích Lũy Asen Của 2 Loài Dương

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

PHẠM THỊ QUYÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC

THÁI NGUYÊN - 2016
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

PHẠM THỊ QUYÊN

Chuyên ngành: Sinh thái học
Mã số: 60.42.01.20

LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC

Người hướng dẫn khoa học: TS. Lương Thị Thúy Vân

THÁI NGUYÊN - 2016
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng cá nhân tôi. Các số
liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong
bất kỳ công trình nào khác.Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Thái Nguyên, tháng 4 năm 2016
Tác giả luận văn

Phạm Thị Quyên

i


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài luận văn thạc sĩ chuyên ngành
Sinh thái học, khoa Sinh học Trường Đại học sư phạm – Đại học Thái Nguyên, tôi đã nhận
được sự ủng hộ giúp đỡ của các thầy cô giáo, các đồng nghiệp, bạn bè và gia đình.
Trước tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến TS. Lương Thị Thúy Vân
– cô là người đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức và kinh nghiệm quý báu để
tôi có thể hoàn thành được luận văn này.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến các thầy cô giáo khoa Sinh học,
trường Đại học sư phạm, phòng sau đại học – Trường Đại học sư phạm Thái Nguyên
đã nhiệt tình giảng dạy và giúp đỡ tôi mọi điều kiện trong suốt quá trình học tập và
nghiên cứu tại trường.
Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn ban quản lý phòng thí nghiệm của khoa Tài
nguyên môi trường, trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên đã tạo điều kiện cho tôi thực
hiện các thí nghiệm để tôi có thể hoàn thành trong quá trình nghiên cứu thực hiện đề tài.
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới toàn thể gia đình bạn bè và đồng nghiệp
đã luôn cổ vũ, động viên tôi trong suốt thời gian qua.
Thái Nguyên, tháng 4 năm 2016
Tác giả luận văn

Phạm Thị Quyên

ii


MỤC LỤC
Trang

Lời cảm ơn ............................................................................................................ i
Lời cam đoan ....................................................................................................... ii
Mục lục ............................................................................................................... iii
Danh mục bảng ................................................................................................... iv
Danh mục hình ..................................................................................................... v
MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1
1.1. Đặt vấn đề ............................................................................................... 1
1.2. Mục tiêu của đề tài.................................................................................. 3
Chương 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ......................................................... 4
1.1. Nghiên cứu tổng quan về Asen (As) ...................................................... 4
1.1.1. Khái niệm chung về Asen (As) ........................................................... 4
1.1.2. Sự tồn tại và chuyển hóa của nguyên tố As trong đất và trong cây .... 6
1.1.3. Ảnh hưởng của As đối với cơ thể con người..................................... 10
1.2. Hiện trạng ô nhiễm As trong đất do khai thác khoáng sản trên thế giới
và Việt Nam ................................................................................................. 12
1.2.1. Tình hình ô nhiễm As trên thế giới.................................................... 12
1.2.2. Tình hình ô nhiễm As ở Việt Nam .................................................... 13
1.3. Sử dụng thực vật xử lý đất ô nhiễm kim loại nặng .............................. 15
1.3.1. Khái niệm chung ................................................................................ 15
1.3.2. Các biện pháp sử dụng thực vật xử lý kim loại nặng trong đất......... 17
1.3.3. Tiêu chuẩn loài thực vật sử dụng để xử lý kim loại nặng trong đất .. 22

1.3.4. Phương pháp xử lý thực vật sau khi tích lũy chất ô nhiễm ............... 22
1.3.5. Ưu điểm và hạn chế của biện pháp sử dụng thực vật xử lý kim loại
nặng trong đất .............................................................................................. 23
1.4. Một số kết quả nghiên cứu sử dụng thực vật xử lý đất ô nhiễm As trên
thế giới và ở Việt Nam ................................................................................ 25
1.4.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới .................................................... 25
1.4.2. Tình hình nghiên cứu As ở Việt Nam ............................................... 26

iii


Chương 2. ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN
CỨU ............................................................................................................. 28
2.1. Đối tượng và địa điểm nghiên cứu ....................................................... 28
2.1.1. Đối tượng nghiên cứu ........................................................................ 28
2.1.2. Địa điểm nghiên cứu.......................................................................... 30
2.2. Nội dung nghiên cứu ............................................................................ 30
2.3. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................... 31
2.3.1. Phương pháp bố trí thí nghiệm ngoài thực địa .................................. 31
2.3.2. Phương pháp đánh giá khả năng chống chịu và tích lũy As của cây 33
2.3.3. Phương pháp xử lý mẫu đất, mẫu cây ............................................... 34
2.3.4. Phương pháp phân tích đất trong phòng thí nghiệm ......................... 34
2.3.5. Phương pháp xác định hệ số BF ........................................................ 37
2.3.6. Phương pháp phân tích và xử lí số liệu ............................................. 38
Chương 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN..................... 39
3.1. Tính chất đất ô nhiễm ở khu vực thí nghiệm........................................ 39
3.1.1. Tính chất lí học .................................................................................. 39
3.1.2. Tính chất hóa học .............................................................................. 40
3.1.3. Tính chất sinh học.............................................................................. 41
3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của P lên khả năng chống chịu và tích lũy As

của 2 loài dương xỉ ...................................................................................... 43
3.2.1. Ảnh hưởng của P đến khả năng ra lá ................................................. 43
3.2.2. Ảnh hưởng của P đến chiều cao trung bình của cây ......................... 44
3.2.3. Ảnh hưởng của P đến chiều dài rễ của cây........................................ 46
3.2.4. Ảnh hưởng của P đến sinh khối của cây ........................................... 47
3.2.5. Ảnh hưởng của P đến hàm lượng As tích lũy trong cây và hệ số BF 49
3.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của N lên khả năng chống chịu và tích lũy As
của 2 loài dương xỉ ...................................................................................... 53
3.3.1. Ảnh hưởng của N đến khả năng ra lá ................................................ 53

iv


3.3.2. Ảnh hưởng của N đến chiều cao trung bình của cây......................... 54
3.3.3. Ảnh hưởng của N đến chiều dài rễ của cây ....................................... 56
3.3.4. Ảnh hưởng của N đến sinh khối của cây ........................................... 57
3.3.5. Ảnh hưởng của N đến hàm lượng As tích lũy trong cây và hệ số
BF................................................................................................................. 58
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ....................................................................... 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................... 65
PHỤ LỤC ................................................................................................... 70

v


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Ô nhiễm As của đất bề mặt (ppm DW) .............................................. 7
Bảng 1.2. Hàm lượng As trong thực phẩm và cây trồng .................................... 9
Bảng 1.3. Hàm lượng As (mg/kg) trong đất của một số mỏ tại Anh ................ 13
Bảng 1.4. Giới hạn tối đa cho phép hàm lượng tổng số của As, Cd, Cu, Pb, Zn

trong đất (mg/kg đất khô)................................................................. 14
Bảng 1.5. Tỷ lệ mẫu có hàm lượng As vượt QCVN 03 :2008 ở một số mỏ
nghiên cứu ........................................................................................ 14
Bảng 1.6. Một số loài thực vật có khả năng siêu tích lũy As ............................ 26
Bảng 3.1. Tỷ trọng và thành phần cơ giới đất ô nhiễm ..................................... 40
Bảng 3.2. Thành phần hóa học đất ô nhiễm ...................................................... 41
Bảng 3.3. Các loài thực vật có khả năng hấp thụ kim loại nặng bắt gặp ở khu
vực đất ô nhiễm do khai thác thiếc tại xã Hà Thượng, huyện Đại Từ,
tỉnh Thái Nguyên.............................................................................. 42
Bảng 3.4. Ảnh hưởng của P đến khả năng ra lá ................................................ 43
Bảng 3.5. Ảnh hưởng của P đến chiều cao cây ................................................. 44
Bảng 3.6. Ảnh hưởng của P đến chiều dài rễ .................................................... 46
Bảng 3.7. Ảnh hưởng của P đến sinh khối cây ................................................. 47
Bảng 3.8. Ảnh hưởng của P đến hàm lượng As tích lũy trong cây .................. 49
Bảng 3.9. Ảnh hưởng của P đến hệ số tích lũy sinh học của cây ..................... 52
Bảng 3.10. Ảnh hưởng của N đến khả năng ra lá ............................................. 54
Bảng 3.11. Ảnh hưởng của N đến chiều cao cây .............................................. 54
Bảng 3.12. Ảnh hưởng của N đến chiều dài của rễ cây .................................... 57
Bảng 3.13. Ảnh hưởng của N đến hàm lượng As tích lũy trong cây ................ 59
Bảng 3.14. Ảnh hưởng của N đến hệ số tích lũy sinh học ................................ 61

iv


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Tác hại của As đối với con người ..................................................... 11
Hình 1.2. Cơ chế tích lũy kim loại nặng trong tế bào thực vật ......................... 18
Hình 2.1.Pteris vittata L. ................................................................................... 28
Hình 2.2. Pityrogramma calomelanos L. .......................................................... 29
Hình 3.1.Ảnh hưởng của P đến chiều cao cây Pteris vittata ............................ 45

Hình 3.2. Ảnh hưởng của P đến chiều cao cây Pityrogramma calomelanos ... 45
Hình 3.3. Ảnh hưởng của P đến sinh khối của cây ........................................... 48
Hình 3.4. Ảnh hưởng của P đến hàm lượng As tích lũy trong cây ................... 50
Hình 3.5. Ảnh hưởng của P bổ sung lên chỉ số tích lũy sinh học của cây ........ 53
Hình 3.6. Ảnh hưởng của N đến chiều cao cây Pteris vittata........................... 56
Hình 3.7. Ảnh hưởng của N đến chiều cao cây Pityrogramma calomelanos ... 56
Hình 3.8. Ảnh hưởng của N đến sinh khối của cây .......................................... 58
Hình 3.9. Ảnh hưởng của N đến hàm lượng As tích lũy trong cây .................. 60
Hình 3.10. Ảnh hưởng của N bổ sung lên chỉ số tích lũy sinh học của cây ..... 61

v


MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề
Hiện nay vấn đề ô nhiễm môi trường đất, trong đó có ô nhiễm kim loại nặng
do khai thác khoáng sản đang diễn ra ở nhiều nơi trên thế giới trong đó có Việt
Nam. Môi trường bị ô nhiễm do các hoạt động khai khoáng và tuyển quặng đã
được nhiều nhà khoa học trên thế giới đặc biệt quan tâm nghiên cứu là do ảnh
hưởng trực tiếp đến môi trường đất, nước, sức khỏe con người và cây trồng. Đất
bị ô nhiễm kim loại nặng là do con người sử dụng các hóa chất trong nông nghiệp
và thải vào môi trường đất các chất thải đa dạng khác nhau. Các hoạt động khai
thác khoáng sản gồm: than đá, quặng thiếc, quặng chì…đã làm cho môi trường
đất, môi trường nước bị ô nhiễm trầm trọng bới các chất độc hại như: As, Pb, Cd,
Zn…và xu hướng ô nhiễm ngày càng tăng lên nếu chúng ta không có biện pháp
xử lí kịp thời và triệt để.
Trong đó, hàm lượng Asen (As) bị ô nhiễm ở mức đáng lo ngại ở nhiều
vùng khai thác khoáng sản. Các tác giả đã chỉ ra những rủi ro có thể xảy ra đối
với con người cũng như mức độ tích tụ As trong các sản phẩm nông nghiệp quan
trọng như lúa, gạo, rau… [1].

Nguồn gốc và sự xuất hiện các nguy hại với môi trường sống do khai thác
mỏ gây ra rất phức tạp và kinh phí cho sự phục hồi là rất đắt. Vì vậy, giải quyết
vấn đề này hiện nay còn gặp nhiều khó khăn. Các phương pháp công nghệ xử lí
truyền thống đã được áp dụng bao gồm: bê tông hóa, ổn định, rửa đất, sử dụng
các phản ứng ôxy hóa – khử, phản ứng hấp thụ ở nhiệt độ thấp, chôn lấp,
đốt,….Hiện nay, trên thế giới công nghệ được sử dụng nhiều nhất dùng để xử lý
đất bị ô nhiễm kim loại nặng vẫn là chôn lấp tại chỗ. Công nghệ này đòi hỏi chi
phí cao, cần có diện tích lớn và hạn chế nhất là đất không được tái sử dụng. Các
nhà khoa học đã đã tìm ra các công nghệ mới thay thế, trong đó công nghệ “xanh”
tức là công nghệ sử dụng thực vật trong xử lý ô nhiễm được đánh giá là có hiệu
quả ứng dụng cao do giá thành thấp, vận hành đơn giản và thân thiện với môi
1


trường. Hiện tại, công nghệ sử dụng thực vật được đánh giá là thích hợp nhất cho
xử lý ô nhiễm kim loại nặng trong đất [11].
Do As tồn tại trong hầu hết các quặng kim loại và mức độ ô nhiễm As
trong đất là rất lớn ở các vùng đã và đang khai thác khoáng sản nên việc xử lý
As là rất cần thiết [4]. Đất đai bị ô nhiễm ngày càng nhiều, đang đòi hỏi phải tìm ra
biện pháp hiệu quả và rẻ nhất để cải tạo. Biện pháp sử dụng thực vật để cải tạo môi
trường đất ô nhiễm kim loại nặng đã và đang được các nhà khoa học quan tâm.
Trong quá trình nghiên cứu kỹ thuật xử lý ô nhiễm bằng thực vật các nhà
khoa học đã khám phá ra rất nhiều loài thực vật có khả năng hút As từ đất. Trong
các loài thực vật siêu tích lũy As, nhiều nhà khoa học đã đặc biệt chú ý đến dương
xỉ bởi nhiều nghiên cứu cho thấy loại thực vật này có khả năng chống chịu và
tích lũy As cao đặc biệt là loài Pteris vittata L. Theo Chen Tongbin [30] Pteris
vittata L. có thể phát triển bình thường trên đất có chứa 50 ÷ 4030 mg As/kg,
thậm chí nó có thể sống được trên phần quặng đuôi có chứa hàm lượng As lên
đến 23.400 mg/kg. Loài này có thể hút 10% As từ đất trong vòng một năm và
hàm lượng As trong lá lên tới 8‰. Ngoài ra, một vài loài dương xỉ khác cũng

được chú ý là Pteris nervosa, Pteris cretica, P. longifolia L., P.umbrosa L.[28].
Hiện nay, tại xã Hà Thượng huyện Đại Từ, tỉnh Thái Nguyên nhiều diện tích
đất trồng trọt bị bỏ hoang, nguồn nước bị ô nhiễm kim loại năng trầm trọng, gây
ảnh hưởng không nhỏ đến cuộc sống của nhân dân đặc biệt là những người dân
nghèo sống gần khu vực mỏ khai thác. Có rất nhiều phương pháp khác nhau để xử
lý kim loại nặng trong đất. Tuy nhiên, gần đây phương pháp sử dụng thực vật để xử
lý kim loại nặng trong đất được các nhà khoa học quan tâm đặc biệt bởi chi phí đầu
tư thấp, an toàn và thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, một trong những vấn đề
quan trọng khi dùng thực vật để xử lý ô nhiễm môi trường là lựa chọn loài thực vật
vừa phù hợp với khu vực đất ô nhiễm nhẹ vừa có giá trị về kinh tế,biện pháp xử lý

2


sinh khối thực vật để kim loại nặng đã được hấp thu trong cây không quay ngược
trở lại gây ô nhiễm môi trường [11].
Xuất phát từ những yêu cầu trên của địa phương và nguyện vọng của bản
thân cùng với sự nhất trí của khoa Sinh học, Trường Đại học Sư phạm, Đại học
Thái Nguyên, chúng tôi tiến hành đề tài nghiên cứu: “Nghiên cứu ảnh hưởng
của các hàm lượng N, P đến khả năng chống chịu, tích lũy Asen của 2 loài
dương xỉ (Pteris vittata L. và Pityrogramma calomelanos L.) trong môi
trường đất ô nhiễm do khai thác khoáng sản tại xã Hà Thượng, huyện Đại
Từ, tỉnh Thái Nguyên” .
1.2. Mục tiêu của đề tài
1.2.1. Mục tiêu chung
Nghiên cứu ảnh hưởng của các hàm lượng P, N đến khả năng chống chịu
và tích lũy As của hai loài dương xỉ Pteris vittata L. và Pityrogramma
calomelanosL. trồng trên khu vực đất ô nhiễm do khai thác khoáng sản tại xã Hà
Thượng, huyện Đại Từ, tỉnh Thái Nguyên.
1.2.2. Mục tiêu cụ thể

- Nghiên cứu tính chất đất bị ô nhiễm As do khai thác khoáng sản: tính
chất lý học, hóa học, sinh học.
-Nghiên cứu ảnh hưởng của các hàm lượng P, N đến khả năng sinh trưởng,
phát triển và tích lũy As của 2 loài dương xỉ (Pteris vittata L. và Pityrogramma
calomelanosL.).

3


Chương 1
TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Nghiên cứu tổng quan về Asen (As)
1.1.1. Khái niệm chung về Asen (As)
Asen (As) là á kim trong nhóm V-A có khối lượng phân tử 74,929. Khi
kết hợp với các nguyên tố khác As có thể có hóa trị khác nhau +5, +3, 0 và -3.
As tham gia liên kết cộng hóa trị với nhiều kim loại và nhiều hợp chất hữu cơ ổn
định. Tuy vậy, As vẫn được xem như là kim loại nặng (KLN) vì các nhà độc tố
học cho rằng, KLN là những kim loại và á kim có liên quan đến vấn đề ô nhiễm
môi trường và có độc tính cao đối với cơ thể sống như Cd, Cu, Cr, Hg, Ni, Pb,
Zn, As...[11].
As có đặc tính là khi bị đốt nóng đến 615,5oC thì thăng hoa mà không trải
qua thời kì nóng chảy. Tuy nhiên, nó lại nóng chảy ở nhiệt độ 817-866oC dưới
áp suất rất cao là 35,8 atm. Trong không khí As dễ bị ôxy hóa tạo thành oxit
aseno theo phương trình: 4As + 3O2 = 2As2O3 (As trắng)
As trắng là một chất bột màu trắng, mịn và có mùi tỏi đặc trưng, rất độc
đối với sự sống. Khi tồn tại ở dạng hợp chất axit asenic (H3AsO4) thì nó có thể
được dùng trong y tế với một liều lượng nhất định như một loại thuốc trị bệnh;
còn khi tồn tại ở dạng hydro asenit AsH3 (asin) thì nó lại ở dưới dạng một chất
khí không màu, không mùi không vị nhưng rất độc cho sự sống. Asenit và asenat
canxi là chất bột màu trắng hay xám chứa 40-62% As2O3 chúng gần như không

tan trong nước và cũng là một chất độc rất mạnh. Chúng được dùng làm thuốc
diệt côn trùng. Asenit chì dùng làm thuốc bảo vệ thực vật (cây ăn quả).
Asen được biết đến là nguyên tố độc hại tùy thuộc vào dạng tồn tại của nó.
Các hợp chất khác nhau thì tính độc của As cũng khác nhau và trong đất không
phải dạng tồn tại của As nào cũng độc [11].
Những nghiên mới đây về vòng tuần hoàn As cho thấy As có nguồn gốc
tự nhiên được đưa vào khí quyển mỗi năm là 45000 tấn trong khi các nguồn nhân
tạo chỉ thêm vào bầu khí quyển khoảng 28000 tấn/năm. Trong tự nhiên, As tồn
4


tại dưới dạng hợp chất. Hiện nay người ta đã tìm thấy hơn 1500 hợp chất có chứa
As, trong đó có gần 400 hợp chất khá bền vững trong tự nhiên. Trong nước ngầm
thường gặp As có hóa trị +3 và hóa trị +5 mà điển hình là các ion HAsO4-2,
HAsO3-2. Hàm lượng của các ion đó phụ thuộc vào điều kiện nhiệt động và tính
chất hóa lí của môi trường [33].
As trong môi trường được tạo ra từ hai nguồn chủ yếu là nguồn tự nhiên
(các hoạt động của núi lửa, lắng đọng từ khí quyển, sự phong hoá của đá mẹ và
khoáng vật) và nguồn nhân tạo (hoạt động nông nghiệp, công nghiệp, khai
khoáng, giao thông...). Hàng năm, sự phát thải toàn cầu của As là 808.107 g,
trong đó có 28.107 g là do tự nhiên ra và 780.107 g là do nguồn nhân tạo. Như
vậy, con người là nguyên nhân chủ yếu làm tăng lượng As trong môi trường.
Khoảng 70% sản lượng As tạo ra trên thế giới được dùng trong ngành xử lý gỗ,
đó là các hợp chất asenat của crôm và đồng, 22% dùng trong nông nghiệp, còn
lại trong công nghiệp thủy tinh và dược phẩm.
Từ vài trăm năm trước đây, As đã được sử dụng rộng rãi trong ngành thuộc
da, là thành phần quan trọng của nhiều chất tạo màu, thuốc bảo quản gỗ, chất
kích thích sinh trưởng cho gia súc, gia cầm, thuốc trừ côn trùng (các muối asenat
của chì, natri, canxi, kẽm) và thuốc trừ cỏ cho công nghiệp trồng bông
(mononatrimethylasonat, axit dimethylasinic). Trong dược phẩm, dung dịch 1%

kaliasenat (thuốc Fowler) đã được dùng để chữa bệnh bạch cầu, bệnh vảy nến,
thấp khớp, hen, giang mai….Tuy nhiên, các sản phẩm trên đã bị hạn chế sử dụng
từ những năm 1974 trên toàn thế giới, khi các hóa chất nông nghiệp chứa clo ra
đời và trong y học người ta đã thay thế bằng nhiều thuốc kháng sinh mới. Với
độc tính rất cao nên As đã được dùng khá phổ biến làm thuốc độc giết người từ
thời Trung cổ cho đến giữa thế kỷ 19 mới bị hạn chế do con người lúc đó đã có
cách để phát hiện As.
Hoạt động khai thác khoáng sản và luyện kim (các kim loại mầu) cũng như
việc tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch là những hoạt động công nghiệp chủ chốt gây
ra sự ô nhiễm As trong không khí, nước và đất. As được tạo ra nhờ quá trình khử

5


oxit asen (As2O3) với than hoạt tính, oxit As là sản phẩm phụ của quá trình luyện
kim và thường có trong bụi khói của quá trình nung quặng, nhất là luyện đồng.
Mặc dù các khoáng As và hợp chất của nó dễ dàng hòa tan, nhưng sự di chuyển
của As là có giới hạn vì bị hút thu trên bề mặt của sét, hydroxit, và các chất hữu
cơ. As có trong thành phần của hơn 200 loại quặng và thường có hàm lượng cao
trong một số loại quặng asenua của Cu, Pb, Ag hoặc tồn tại cùng với các sunfua.
Than đá cũng chứa một lượng đáng kể As và quá trình đốt than đã phát tán
tới 20% lượng chất này có trong khí quyển. Tàn than là nguồn As đáng kể thẩm
thấu vào đất và nước. Tích tụ As trong đất là một trong các nguồn chính làm tăng
nguy cơ ô nhiễm nước mặt và nước ngầm, sự hấp thu do thực vật là sự hấp thu
trực tiếp hay gián tiếp đối với con người.
1.1.2. Sự tồn tại và chuyển hóa của nguyên tố As trong đất và trong cây
a) Sự tồn tại và chuyển hóa của nguyên tố As trong đất
As phân bố không đồng đều trong các dạng của các loại đá chính và hàm
lượng của As trong đá dao động từ 0,5 đến 2,5 ppm. Chỉ duy nhất trong trầm tích
sét là có As với hàm lượng trung bình khoảng 13 ppm. As tồn tại trong đất dưới

dạng các hợp chất chủ yếu như acsenat (AsO43-) trong điều kiện ôxy hóa. Chúng
bị hấp thu mạnh bởi các khoáng sét, sắt, mangan oxyt hoặc hydroxyt và các
chất hữu cơ. Trong đất axit, As có nhiều ở dạng asenat với sắt và nhôm
(AlAsO4, FeAsO4), trong khi ở các đất kiềm và đất cacbonat lại có nhiều ở
dạng Ca3(AsO4)2. Khả năng linh động của As trong đất tăng khi đất ở dạng
khử vì nó tạo thành các asenit As (III) có khả năng hòa tan lớn gấp 5 - 10 lần
các asenat. Tuy nhiên asenit As (III) cũng có tính độc hại cao hơn so với dạng
asenat As (V). Khi bón vôi cho đất cũng làm tăng khả năng linh động của As
do chuyển từ Fe, Al - asenat sang dạng Ca-asenat linh động hơn (Lê Văn Khoa
và cs) [13].
Khi được giải phóng, As tồn tại dưới dạng As2O3 và phần lớn bị hấp thụ vào
các vật liệu dạng hạt khác. Những vật liệu này theo gió bị phát tán rộng và trở lại
mặt đất dưới dạng lắng đọng kết tủa khô hoặc ướt. Những hợp chất Ashình thành

6


dưới tác dụng của vi sinh vật hay bị kết tủa dưới tác dụng của quá trình ôxi hóa
trong không khí sẽ bị đọng lại trên mặt đất. Các dạng không hòa tan trong nước
của As có thể kể đến như asenat, asenit, metyl asenic axit (MMA), dimetyl asenic
axit (DMA). Trong môi trường nước chảy (có nhiều oxi), As có xu hướng tồn tại
ở dạng hợp chất Ashóa trị V. Một số dạng asenit và asenat có thể tự thay đổi
trạng thái ôxi hóa – khử tùy thuộc vào điều kiện pH, thế ôxi hóa khử và một số
quá trình sinh học môi trường. Một số hợp chất của As có ái lực mạnh với khoáng
sét hay hợp chất hữu cơ trong đất. Đặc điểm này giúp As có nhiều động thái khác
nhau trong môi trường. Rất nhiều As có xư hướng bị hấp phụ vào đất và hầu như
ít bị rửa trôi.
Bảng 1.1. Ô nhiễm As của đất bề mặt (ppm DW)
Vị trí và nguồn ô nhiễm

Khoảng hàm lượng
lớn nhất

Nước

727

Anh

90 – 900

Anh

130

Czechoslovakaia

33 – 2000

Canada

2500

Anh

38 – 2470

Nhật Bản

10 – 380

Mỹ

10 – 2000

Hungary

892

Anh

38 – 118

Hà Lan

10 – 290

Canada

21 – 82

Anh

38 – 400

Nhật Bản

Đá gốc khoáng
Mỏ kim loại màu
Công nghiệp chế biến kim loại

Những sản phẩm hóa học
Đất vườn và đất trồng cây ăn quả

Việc sử dụng thuốc trừ sâu có As

Nguồn Alina Kabata – Pendias và nnk (2001) [20]
7


Gốc arsenic kết hợp với Ca, Al, Fe tạo thành những hợp chất không tan như
Ca3(AsO4)2, AlAsO4, FeAsO4. Tích số hòa tan của chất đầu là 6,8.10-19, của hai chất
sau là 5,7.10-21, do đó chất đầu độc hại hơn hai chất sau. Bởi vậy, nếu ta bón các muối
sunphat sắt nhôm (phèn chua) vào đất bị ô nhiễm As thì As có thể được giải độc dần
dần do nguyên nhân nói trên (Lê Thanh Bồn, 2006) [7].
b) Sự tồn tại và chuyển hóa của nguyên tố As trong cây
As có trong hầu hết các loài thực vật, nhưng vai trò sinh học của nó lại rất
ít được biết đến. Một vài loại thực vật có khả năng hấp thu As nhiều hơn đáng
kể so với những thực vật khác. Hiện nay, trên thế giới đã có một số nghiên cứu
về các loại thực vật có khả năng hấp thu một lượng lớn As. Trong đó một số loài
dương xỉ (P. vittata L. và Pteris cretica L.)đã nhận được sự quan tâm của nhiều nhà
khoa học. Khả năng siêu hấp thu As đã được chứng minh rõ ràng trong một số thí
nghiệm, với hàm lượng As trong lá lên tới hơn 3000 mg//kg DW, hàm lượng As trong
cành cây luôn lớn hơn trong rễ. Nghiên cứu quá trình di chuyển của As trong lá P.
vittata L., kết quả cho thấy rằng As có khả năng di chuyển rất linh động trong các ống
xilem và từ xilem tới các tế bào lá [29].
Một vài loài thực vật có khả năng chịu được hàm lượng cao của As trong
mô. Độc As thường được tìm thấy trong những loài thực vật đang phát triển trên
chất thải mỏ, trên những đất được xử lý với thuốc diệt cỏ có chứa As và trên
những đất có As đưa vào do quá trình xử lý bùn thải. Những triệu chứng ngộ độc

As được miêu tả là lá héo, nhuộm màu tím (do tăng hàm lượng anthocyanin), rễ
cây bị bạc màu, co nguyên sinh tế bào. Tuy nhiên, triệu chứng chung nhất là
giảm sự tăng trưởng.
Nghiên cứu quá trình di chuyển của As trong lá dương xỉ Pteris vittata L.
kết quả cho thấy rằng As có khả năng di chuyển rất linh động trong các ống xilem
và từ xilem tới các tế bào lá. Sự di chuyển của As tương tự với K, một trong
những nguyên tố linh động nhất trong thực vật.

8


Bảng 1.2. Hàm lượng As trong thực phẩm và cây trồng (Đơn vị: ppb)
Thực vật

Mẫu mô

FW

DW

Đại mạch

Hạt

-

3 - 18

Yến mạch

Hạt

-

10

Lúa mì

Hạt

-

50,3 - 10

Gạo nâu

Hạt

-

110 - 200

Ngô ngọt

Hạt

25

30 - 400, 30

Đậu đỗ

Quả

0,74 - < 6,7

7 - 100

Cải bắp

Lá

1,2 - < 16,0

20 - 50

Rau bina

Lá

-

200 - 1500

Rau diếp

Lá

< 5,3

20 - 250

Cà rốt

Rễ

4,8 - < 13,0

40 - 80

Hành

Củ

4,5

50 - 200

Thân

-

30 - 200

Khoai tây

FW - Khối lượng tươi (Fresh weight)
DW - Khối lượng khô (Dry weight)
Nguồn: Alina Kabata - Pendias và cs (2001) [20]
Khả năng chống chịu As của thực vật khoảng 2 ppm DW. Tuy nhiên, giá trị

giới hạn trong lúa ở mức cao, khoảng 100 ppm DW ở đỉnh sinh trưởng và 1000
ppm DW ở rễ. Davis và cộng sự đưa ra giá trị giới hạn 20 ppm DW đối với lúa
mạch. Macnicol và Beckett đưa ra nhận xét là khi hàm lượng As trong các loài
thực vật khác nhau dao động từ 1 - 20 ppm DW thì năng suất có thể suy giảm
hơn 10%. Mặc dù có nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng kích thích của As lên sự
hoạt động của vi sinh vật đất, nhưng As được biết đến như là một chất ức chế sự

9


trao đổi chất. Vì vậy, sản lượng rau suy giảm khi rau được trồng trên đất có hàm
lượng As di động cao. As ít độc hơn khi thực vật được bổ sung đầy đủ photpho
(theo Alina Kabata - Pendias và cs) [20].
Phụ thuộc vào vị trí và nguồn gây ô nhiễm, thực vật có thể tích lũy một
lượng rất lớn As, khoảng trên 6000 ppm DW và trên 8000 ppm AW. Mặc dù việc
As gây độc từ thực vật đến động vật là ít gặp, nhưng người ta vẫn chưa ngăn
chặn được những ảnh hưởng không tốt lên sức khỏe do hàm lượng As cao trong
thực vật và trong cây trồng khi chúng được dùng làm thức ăn.
1.1.3. Ảnh hưởng của As đối với cơ thể con người
As có thể gây độc với mức độ từ vài µm đến mg/l tùy thuộc vào từng loài
và mức độ tác động. Khi tác động, As có thể gây chết, ức chế sinh trưởng. Đối
với thực vật, As ảnh hưởng đến quá trình quang hợp, ra hoa, kết quả,…Ở những
khu vực bị nhiễm độc As thường có rất ít sinh vật có thể sống được. Vì vậy, có
thể sử dụng những sinh vật này như những sinh vật chỉ thị [11].
As thường xâm nhập vào cơ thể con người qua chuỗi thức ăn. Đối với
những người không chịu tác động trực tiếp của As thì thức ăn là tác nhân chính
gây ra sự tích tụ As trong cơ thể, tuy nhiên đây là quá trình thâm nhiễm dần dần.
Ở một số vùng, nước uống bị ô nhiễm As lại là nguồn thâm nhiễm chủ yếu vào
cơ thể người.
Tại các vùng mỏ kim loại thì As xâm nhiễm vào cơ thể con người chủ yếu

bắt nguồn từ các hoạt động khai khoáng. Lượng As tích tụ vào cơ thể từ thức ăn
và nước uống dao động khoảng từ 30-300 µg/ngày.Theo số liệu thống kê chưa
đầy đủ, khoảng 25% lượng As đi vào cơ thể là từ thức ăn là As vô cơ, tuy nhiên
tỷ lệ này có thể dao động tùy thuộc vào dạng thức ăn con người tiêu thụ. Các loại
thức ăn chứa nhiều As vô cơ là thịt gia súc, gia cầm, các sản phẩm bơ, sữa và
ngũ cốc. Hàm lượng tích tụ As trong cơ thể người thông qua hô hấp là 10 µg/ngày
đối với người hút thuốc lá và 1 µg/ngày đối với người không hút thuốc lá. Tuy
10


nhiên, hàm lượng này có thể tăng lên ở những vùng ô nhiễm. Hàm lượng As vô
cơ trong nước tiểu phản ánh mức độ hấp thụ As ở mỗi người. Thông thường,
hàm lượng này dao động khoảng từ 5 – 20 µg As/l, tuy nhiên trong một số trường
hợp có thể lên đến 1000 µg/l [33].
As vô cơ hòa tan là dạng hết sức độc hại. Khi sinh vật hay con người tiêu
hóa thức ăn chứa một lượng lớn As dạng này có thể dẫn đến các bệnh về dạ dày,
rối loạn tim mạch và hệ thống thần kinh, thậm chí có thể gây chết. Những người
tiếp xúc nhiều với As có thể bị mắc nhiều bệnh như rối loạn tủy xương, ho ra
máu, ung thư gan, bệnh sắc tố, các bệnh thần kinh và não [33].

Hình 1.1. Tác hại của As đối với con người
Dạng As gây độc lớn là dạng As dễ tiêu sinh học, dạng này phát huy tác
dụng khi đi vào cơ thể con người. Đến nay, có thể kết luận chắc chắn về các bệnh
do nhiễm As như sừng hóa da, hắc tố da và mất sắc tố da, bệnh bowen, bệnh đen
và rụng móng chân. Bệnh sừng hóa da thường xuất hiện ở tay, chân, lòng bàn
tay, gan bàn chân – phần cơ thể cọ xát nhiều hoặc tiếp xúc ánh sáng nhiều lâu
ngày sẽ tạo thành các đinh cứng màu trắng gây loang rộng và đau đớn. Bệnh hắc
tố da và mất sắc tố da bị đen sạm, da bị lốm đốm trắng dẫn đến tế bào bị phá hủy
và làm hỏng da. Biểu hiện đầu tiên của bệnh bowen là một phần cơ thể bị đỏ ửng,
11

sau đó bị chảy nước và lở loét. Bệnh đen và rụng móng chân có thể dẫn đến hoại
tử, rụng dần từng đốt ngón chân. Sau 15 – 20 năm kể từ khi phát hiện, người
nhiễm độc As sẽ chuyển sang ung thư và chết [33].
1.2. Hiện trạng ô nhiễm As trong đất do khai thác khoáng sản trên thế giới
và Việt Nam
1.2.1. Tình hình ô nhiễm Astrên thế giới
Viện nghiên cứu Blacksmith, New York đã bình chọn danh sách 10 thành
phố ô nhiễm nhất thế giới thì có tới 8 thành phố liên quan đến ô nhiễm KLN, đó
là Lâm Phần, Thiên Anh (Trung Quốc); Sukindan (Ấn Độ); La Oroya (Peru);
Dzerzhinsk, Norilsk (Nga); Chernobyl (Ukraine); Kabwe (Zambia). Điển hình
như Lâm Phần, Thiên Anh là nơi bị ô nhiễm nặng As, Pb và nhiều KLN khác.
Số người bị ảnh hưởng do sự ô nhiễm này được ước tính lên đến 3 triệu người
[26].
Các hoạt động khai thác mỏ vàng đã làm cho đất và nước ở bang Minas
Gerais của Brazil bị ô nhiễm As. Các nghiên cứu cho thấy hàm lượng As trong
đất lớn hơn 100 mg/kg cao hơn tiêu chuẩn cho phép của FAO/WHO về hàm
lượng As trong đất nông nghiệp nhiều lần [37]. Tại Thái Lan, các chất thải có
chứa As từ quá trình khai thác thiếc như arsenopyrite đã gây ô nhiễm môi trường
đất và nước ngầm. Hàm lượng As trong các giếng nước khoan chịu ảnh hưởng
của quá trình khai thác thiếc có nơi lên tới 5000 µg/l. Năm 1996 tại quận Ron
Phibun (tỉnh Nakorn Si Thamat) là nơi bị ảnh hưởng bởi ô nhiễm As đã có
khoảng hơn 1000 người đã mắc các chứng bệnh về da. Ô nhiễm As đang có nguy
cơ đe dọa tới hàng chục nghìn cư dân nơi đây do nước ngầm là nguồn cung cấp
nước chính cho sinh hoạt.
Shelmerdine P.A. và cs. [44] cho biết,ở nhiều vùng khai thác khoáng sản
của Anh đất bị nhiễm kim loại nặng ở mức đáng lo ngại. Hàm lượng As trung
bình trong đất là 10,4 mg/kg thì trong đất của mỏ chì Cumbria, mỏ đồng Devon
và mỏ thiếc Cornwall có hàm lượng As tương ứng là 127,7-366,8; 87,5-1246,8

12


và 280,7-2331,6 mg/kg. Hàm lượng này cao hơn mức bình thường từ hàng chục
đến hàng trăm lần.
Bảng 1.3. Hàm lượng As (mg/kg) trong đất của một số mỏ tại Anh
Nguyên

Mỏ chì

Mỏ thiếc, đồng

Mỏ đồng

Hàm lượng

tố

Cumbria

Cornwall

Devon

trung bình
trong đất ở
Anh

As

127,7 – 366,9

280,7 – 2331,6

87,5 - 1246,8

10,4

1.2.2. Tình hình ô nhiễmAs ở Việt Nam
Nằm ở khu vực Đông Nam Á, Việt Nam là nước có nguồn tài nguyên
khoáng sản phong phú, đa dạng và là nguồn nguyên liệu, tiềm năng quý của quốc
gia. Tuy vậy, công nghiệp khai khoáng đã làm suy kiệt các nguồn tài nguyên
thiên nhiên, suy thoái môi trường, thể hiện ở các vấn đề môi trường đất, nước,
không khí, rừng, đa dạng sinh học,….Theo đánh giá của các chuyên gia, công
nghiệp khai thác mỏ đang gây ô nhiễm và suy thoái môi trường đất ở mức độ
nghiêm trọng nhất [4], [5].
Vấn đề ô nhiễm KLN ở khu vực khai thác khoáng sản đã được nhắc tới
nhiều, bởi nó không chỉ gây tác hại ở một khu vực mà có thể lan rộng ra các vùng
khác. Tuy nhiên, cho đến nay, Việt Nam chưa có công trình nào có số liệu hoàn
chỉnh về mức độ ô nhiễm KLN ở một vùng mỏ cụ thể. Các số liệu về đất ô nhiễm
KLN đã xuất hiện lẻ tẻ, tập trung vào khu vực làng nghề và các khu vực chịu ảnh
hưởng của công nghiệp hóa chất, sơn,..song cũng chỉ có thể dùng để tham khảo
vì nhìn chung độ tin cậy chưa cao.
QCVN 03:2008 đưa ra giới hạn tối đa cho phép hàm lượng tổng số của As,
Cd, Cu, Pb, Zn trong đất dùng cho mục đích khác nhau ở Việt Nam như sau:

13


Bảng 1.4. Giới hạn tối đa cho phép hàm lượng tổng số

của As, Cd, Cu, Pb,Zn trong đất (mg/kg đất khô)
Đất nông
nghiệp

Đất lâm
nghiệp

Đất dân
sinh

Đất
thương
mại

Đất công
nghiệp

Asen

12

12

12

12

12

Cadimi

2

2

5

5

10

Đồng

50

70

70

100

100

Chì

70

100

120

200

300

Kẽm

200

200

200

300

300

Thông số

Theo kết quả phân tích đất trồng ở khu vực mỏ thiếc Sơn Dương (Tuyên
Quang) có hàm lượng As là 642mg/kg trong khi quy chuẩn của Việt Nam cho
đất dân sinh là 12mg/kg (QCVN 03:2008). Trước đó, Nguyễn Văn Bình và cộng
sự (2000) [6] khi nghiên cứu sự phân bố của As trong khu vực mỏ thiếc đang
khai thác tại Sơn Dương đã xác định sự có mặt của As trong các mẫu đất, nước,
bùn thải ven suối cao hơn tiêu chuẩn cho phép và là một trong những nguyên
nhân gây ô nhiễm môi trường. Một số tác giả [18], khi nghiên cứu hàm lượng
của kim loại nặng tại một số vùng khai thác mỏ đặc trưng của Việt Nam cho
rằng, hàm lượng As trong hầu hết các mẫu đất và trầm tích tại các mỏ nghiên
cứu vượt QCVN 03:2008 nhiều lần (bảng 1.3).
Bảng 1.5. Tỷ lệ mẫu có hàm lượng As vượt QCVN 03 :2008

ở một số mỏ nghiên cứu

Loại mẫu

Mỏ Titan
Cây
Châm

Mỏ chì –
kẽm Chợ
Đồn

Mỏ thiếc
Kỳ Lâm

Mỏ
antimony
Mậu Duệ

Trầm tích
bùn đáy
(%)

100

100

100

100

Đất (%)

100

100

100

100

14

Mỏ đồng
Sin Quyền

96


Nguồn Phạm Tích Xuân, 2011 [18]
Theo kết quả phân tích Asen do UNICEF hỗ trợ Việt Nam từ năm 2001
đến năm 2004 tại 25 tỉnh thành cho thấy Hà Nam đứng đầu về mức dộ ô nhiễm
Asen. Trong 7040 mẫu nước lấy từ giếng khoan, có tới 3530 mẫu có hàm lượng
lớn hơn 0,05 mg/l (hàm lượng Asen cho phép trong nước uống của Việt Nam là
0,01 mg/l) [18].
Tại huyện Đại Từ (Thái Nguyên) các hoạt động khai thác thủ công ở địa
phương đã tạo ra một lượng đáng kể các chất thải quặng đuôi và đá thải. Quặng
thiếc (caxiterit) trong các mạch trải rộng trong khu vực cũng chứa một lượng
sunfua phong phú, mà chủ yếu là arsenopirit – nguồn gây ô nhiễm As vào hệ sinh
thái địa phương. Đá thải tạo axit đã được sử dụng để làm vật liệu đắp đường và

nền nhà của người dân địa phương. Các nhà máy hiện đang rò rỉ một số nguên
tố như As lên đất, đi vào các nguồn nước ngầm và sẽ tiếp tục là vấn đề môi trường
nan giải từ khi có biện pháp khắc phục được tiến hành. Kết quả phân tích một số
mẫu đá thải cho thấy hàm lượng As trung bình đạt tới 5000 mg/kg, vượt QCVN
03:2008 đối với đất dân sinh 417 lần [8]. Nước ngầm ở nhiều khu vực huyện Đại
Từ có giá trị pH thấp dưới mức tiêu chuẩn cho phép và có biểu hiện ô nhiễm Fe,
Mn, As,…Kết quả nghiên cứu về sức khỏe sinh sản của phụ nữ sống quanh khu
vực Công ty luyện kim màu Thái Nguyên cho thấy, đối tượng có hàm lượng Pb
và As trong máu cao dẫn tới nguy cơ sẩy thai gấp 1,8 lần, thai chết lưu gấp 4,3
lần so với bình thường [8], [10].
Ô nhiễm kim loại nặng ở Việt Nam chưa xảy ra trên diện rộng, tuy nhiên
đã có hiện tượng ô nhiễm cục bộ đặc biệt ở các làng nghề tái chế, các khu công
nghiệp. Có thể nói ở Việt Nam, tình trạng ô nhiễm nói chung và ô nhiễm kim
loại nặng nói riêng đang thách thức môi trường Việt Nam.
1.3. Sử dụng thực vật xử lý đất ô nhiễm kim loại nặng
1.3.1. Khái niệm chung

15


Xử lý chất thải bằng thực vật “Phytoremediation” là biện pháp dựa trên việc
sử dụng thực vật để xử lý chất thải ô nhiễm trong đất và trong nước. Tư tưởng
sử dụng thực vật để loại bỏ kim loại nặng và các chất ô nhiễm khác được đề cập
đến lần đầu tiên năm 1983 nhưng khái niệm này thực chất đã được sử dụng cách
đó 300 năm (Henry J. R., 2000) [35].
Nhiều nghiên cứu đã khẳng định, thực vật có khả năng hấp thụ và tích lũy
các chất ô nhiễm đặc thù từ môi trường, chúng có thể chuyển hóa nhiều chất độc
thành không độc. Các chất độc được tích lũy trong các cơ quan khác nhau của
thực vật, thông qua thu hoạch những chất ô nhiễm sẽ được thải loại khỏi môi
trường. Sử dụng thực vật để làm sạch kim loại, thuốc trừ sâu, các dung môi hữu

cơ, dầu mỡ, thuốc súng, hydratcacbon có nhân thơm... tồn tại ở những vùng đất
bị ô nhiễm kim loại nặng từ các nhà máy sản xuất công nghiệp, các khu vực khai
thác khoáng sản và nơi có hoạt động phóng xạ.
Theo các nhà khoa học nghiên cứu về môi trường thì xử lý ô nhiễm đất,
nước bằng thực vật là một quá trình, trong đó dùng thực vật để thải loại, di
chuyển, tinh lọc và trừ khử các chất ô nhiễm trong đất, trong trầm tích và trong
nước ngầm. Công nghệ thực vật xử lý ô nhiễm trong môi trường đất là phương
pháp xử lý nguyên vị (in-situ) sử dụng các đặc tính tự nhiên của thực vật để xử
lý đất ô nhiễm. Những thực vật này sau đó được thu hoạch và xử lý như những
chất thải nguy hại (Raskin và cs, 1997; Robinson và cs, 2003) [41], [42].
Hiện nay, công nghệ xử lý môi trường bằng thực vật đã được phát triển và
áp dụng rộng rãi vào thực tế ở nhiều khu vực trên thế giới nhằm góp phần giảm
thiểu ô nhiễm kim loại trong môi trường đất, nước và không khí. Tuy nhiên,
những loài thực vật sử dụng để xử lý kim loại nặng là các cơ thể sống nên các
yếu tố sinh thái (nồng độ của kim loại nặng, dạng kim loại, độ pH, hàm lượng
oxy hòa tan, thành phần dinh dưỡng…) trong môi trường là những yếu tố quyết
định hiệu quả của quá trình xử lý.

16