Nghiên cứu khả năng hấp thụ một số kim loại nặng As Pb Cd Zn trong đất của cây sậy Phragmites australis và ứng dụng xử lý đất bị ô nhiễm kim loại nặng sau khai thác khoáng sản tại tỉnh Thái Nguyên

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

TRẦN THỊ PHẢ

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP THỤ MỘT SỐ
KIM LOẠI NẶNG (As, Pb, Cd, Zn) TRONG ĐẤT CỦA
CÂY SẬY (Phragmites australis) VÀ ỨNG DỤNG XỬ LÝ
ĐẤT BỊ Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG SAU KHAI THÁC
KHOÁNG SẢN TẠI TỈNH THÁI NGUYÊN
CHUYÊN NGÀNH: MÔI TRƢỜNG ĐẤT VÀ NƢỚC
MÃ SỐ: 62440303

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. Đặng Văn Minh
PGS.TS. Lê Đức

Hà Nội, 2014


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của tơi, có sự hỗ trợ từ
giảng viên hướng dẫn là PGS.TS Đặng Văn Minh và PGS.TS Lê Đức. Các nội
dung nghiên cứu và kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa từng được ai
cơng bố trong bất cứ cơng trình nghiên cứu nào trước đây. Nếu phát hiện có bất
kỳ sự gian lận nào tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm trước Hội đồng, cũng như
kết quả luận án của mình.

Tác giả luận án

Trần Thị Phả

ii


LỜI CẢM ƠN
Để hồn thành luận án này tơi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến quý
thầy, cô trong Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã quan
tâm giúp đỡ chỉ bảo tận tình trong quá trình thực hiện đề tài. Nhờ đó tơi đã tiếp
thu được nhiều ý kiến đóng góp và nhận xét qúy báu của thầy cô thông qua các
buổi bảo vệ đề cương và hội nghị chuyên đề.
Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến PGS.TS. Đặng Văn Minh và
PGS.TS Lê Đức đã trực tiếp hướng dẫn, định hướng chuyên mơn, quan tâm giúp
đỡ tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất trong q trình cơng tác cũng như
thực hiện luận án.
Tơi xin bày tỏ lịng kính trọng và sự biết ơn sâu sắc đến gia đình đã tạo
mọi điều kiện tốt nhất để tơi có thể hồn thành tốt mọi cơng việc trong q trình
thực hiện luận án. Bên cạnh đó, tơi cũng xin gửi lời cảm ơn của mình tới bạn bè
và đồng nghiệp, ln quan tâm, chia sẻ, động viên tôi trong suốt thời gian thực
hiện luận án.
Mặc dù đã rất cố gắng trong quá trình thực hiện nhưng luận án khơng thể
tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả mong nhận được sự góp ý của quý thầy, cô
và bạn bè.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày

tháng năm 2014

Tác giả

Trần Thị Phả

iii


MỤC LỤC
MỤC LỤC .................................................................................................................. 1
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................ 7
DANH MỤC CÁC BẢNG ......................................................................................... 8
DANH MỤC CÁC HÌNH ........................................................................................ 12
MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 14
1. Đặt vấn đề ............................................................................................................. 14
2. Mục tiêu ................................................................................................................ 16
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ................................................................ 16
4. Những đóng góp mới của đề tài ............................................................................. 17
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU ................................................................. 18
1.1. Ô nhiễm kim loại nặng trong đất ......................................................................... 18
1.1.1. Khái niệm ô nhiễm kim loại nặng ..................................................................... 18
1.1.2. Các nguồn gây ô nhiễm KLN trong đất ............................................................ 19
1.1.2.1. Nguồn gốc tự nhiên ....................................................................................... 19
1.1.2.2. Nguồn gốc nhân tạo ...................................................................................... 20
1.1.3. Sự tồn tại và chuyển hóa kim loại nặng trong đất............................................. 20
1.1.3.1. Sự tồn tại và chuyển hóa của nguyên tố asen (As) trong đất .......................... 21
1.1.3.2. Sự tồn tại và chuyển hóa của nguyên tố cadimi (Cd) trong đất ...................... 23
1.1.3.3. Sự tồn tại và chuyển hóa của nguyên tố chì (Pb) trong đất ............................ 24
1.1.3.4. Sự tồn tại và chuyển hóa của nguyên tố kẽm (Zn) trong đất ......................... 25
1.1.4. Đất ô nhiễm kim loại nặng do khai thác khoáng sản ........................................ 26
1.1.5. Tiêu chuẩn đánh giá đất ô nhiễm kim loại nặng ............................................... 30

1

1.1.5.1. Tiêu chuẩn đánh giá đất ô nhiễm kim loại nặng của một số nước
trên thế giới .................................................................................................... 30
1.1.5.2. Tiêu chuẩn đánh giá đất ô nhiễm kim loại nặng của Việt Nam ...................... 32
1.1.6. Một số phương pháp truyền thống xử lý đất ô nhiễm kim loại nặng ................. 33
1.1.6.1. Phương pháp đào và chuyển chỗ (Dig and Haul): ........................................ 33
1.1.6.2. Phương pháp cố định hoặc cô đặc (Stabilization/Solidification) ................... 33
1.1.6.3. Phương pháp thuỷ tinh hoá (Vitrification)..................................................... 34
1.1.6.4. Phương pháp rửa đất (Soil washing)............................................................. 34
1.2. Biện pháp sử dụng thực vật xử lý đất ô nhiễm kim loại nặng .............................. 35
1.2.1. Khái quát về công nghệ thực vật xử lý ô nhiễm ................................................ 35
1.2.2. Cơ chế sinh học của thực vật xử lý kim loại nặng trong đất ............................. 37
1.2.2.1. Cơ chế chiết tách chất ô nhiễm bằng thực vật (Phytoextraction) ................... 38
1.2.2.2. Cơ chế cố định chất ô nhiễm bằng thực vật (Phytostabilization) ................... 39
1.2.2.3. Cơ chế xử lý chất ơ nhiễm nhờ q trình thốt hơi nước ở thực vật
(Phytovolatilization) ........................................................................................ 39
1.2.3. Ưu - nhược điểm và triển vọng của công nghệ xử lý đất ô nhiễm kim loại
nặng bằng thực vật. ......................................................................................... 40
1.2.3.1. Ưu điểm ........................................................................................................ 40
1.2.3.2. Nhược điểm................................................................................................... 41
1.2.3.3. Triển vọng của công nghệ thực vật xử lý KLN trong đất ............................... 43
1.2.4. Tiêu chuẩn loài thực vật được sử dụng để xử lý kim loại nặng trong đất ................. 45
1.2.5. Các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình hấp thụ KLN của thực
vật ................................................................................................................... 45
1.2.6. Các phương pháp xử lý sinh khối thực vật sau khi tích lũy chất ơ nhiễm .......... 47

2

1.2.7. Một số kết quả nghiên cứu khả năng hấp thụ kim loại nặng bằng thực vật trên
thế giới và Việt Nam .......................................................................................... 48
1.2.7.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ................................................................ 48
1.2.7.2. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam .................................................................. 52
1.2.7.3. Một số lồi thực vật có khả năng tích tụ kim loại nặng cao phân bố trên
một số vùng khai thác khoáng sản tại Thái Nguyên ......................................... 53
1.3. Tổng quan về cây sậy và những ứng dụng trong BVMT đất................................ 58
1.3.1. Giới thiệu về cây sậy ........................................................................................ 58
1.3.2. Đặc điểm hình thái ........................................................................................... 59
1.3.3. Đặc điểm sinh thái cây sậy................................................................................ 60
1.3.4. Ứng dụng của cây sậy trong cải tạo môi trường ............................................... 64
CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN
CỨU ............................................................................................................... 69
2.1. Đối tượng nghiên cứu........................................................................................... 69
2.2. Nội dung nghiên cứu............................................................................................. 69
2.3. Phương pháp nghiên cứu và chỉ tiêu theo dõi ...................................................... 70
2.3.1. Phương pháp điều tra thu thập tài liệu .............................................................. 70
2.3.2. Phương pháp lấy mẫu và bảo quản mẫu ........................................................... 70
2.3.3. Phương pháp lập ô tiêu chuẩn (OTC) ........................................................... 76
2.3.4. Phương pháp bố trí thí nghiệm và các chỉ tiêu theo dõi .................................... 76
2.3.4.1. Thí nghiệm trong chậu ở nhà lưới ................................................................. 76
2.3.4.2. Thử nghiệm ngoài thực địa ........................................................................... 79
2.3.4.3. Các chỉ tiêu theo dõi ..................................................................................... 80
2.3.5. Các phương pháp phân tích trong phịng thí nghiệm ........................................ 80
2.3.6. Phương pháp xử lý số liệu ................................................................................ 82

3


CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ................................. 83

3.1. Điều tra đánh giá sự phân bố, sinh trưởng và khả năng hút kim loại nặng
của cây sậy trên những vùng đất khai khoáng khác nhau ................................. 83
3.1.1. Điều tra sự phân bố, khả năng sinh trưởng và phát triển của cây sậy
trong khu vực nghiên cứu ................................................................................ 83
3.1.1.1. Sự phân bố của cây sậy ................................................................................. 83
3.1.1.2. Khả năng sinh trưởng và phát triển của cây sậy ............................................. 84
3.1.2. Khả năng hấp thụ kim loại nặng của cây sậy trên đất bãi thải sau khai
thác quặng....................................................................................................... 88
3.1.2.1 Hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng .................................................................. 88
3.1.2.2. Hiện trạng một số yếu tố môi trường đất tại khu vực nghiên cứu ................... 90
3.1.2.3 Khả năng hấp thụ kim loại nặng của cây sậy trên đất bãi thải sau khai
thác quặng....................................................................................................... 91
3.1.3. Tương quan giữa hàm lượng kim loại nặng trong đất và hàm lượng kim
loại nặng hấp thụ trong cây ............................................................................. 94
3.1.3.1. Tương quan giữa hàm lượng Pb trong đất và trong cây ................................. 94
3.1.3.2. Tương quan giữa hàm lượng Cd trong đất và trong cây ................................. 95
3.1.3.3. Tương quan giữa hàm lượng As trong đất và trong cây ................................. 96
3.1.3.4. Tương quan giữa hàm lượng Zn trong đất và trong cây ................................ 97
3.1.4. Tương quan của một số tính chất đất với hàm lượng KLN trong đất và
khả năng hấp thụ trong cây sậy ........................................................................ 99
3.1.4.1. Tương quan giữa hàm lượng kim loại nặng hấp thụ trong cây với hàm
lượng kim loại nặng trong đất và pH đất ......................................................... 99
3.1.4.2. Tương quan giữa hàm lượng kim loại nặng hấp thụ trong cây với hàm
lượng kim loại nặng trong đất và dung tích trao đổi cation của đất
(CEC) ............................................................................................................ 101

4


3.1.4.3 Tương quan giữa hàm lượng kim loại nặng hấp thụ trong cây với hàm

lượng kim loại nặng trong đất và hàm lượng chất hữu cơ (OM) trong đất ......... 103
3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến khả năng sinh trưởng và hấp thụ kim
loại nặng của cây sậy ..................................................................................... 106
3.2.1 Đánh giá khả năng tích lũy KLN của cây sậy trong môi trường pH khác
nhau .............................................................................................................. 106
3.2.2. Đánh giá khả năng xử lý KLN trong đất của cây sậy ở môi trường pH khác
nhau .............................................................................................................. 110
3.2.2.1. Đánh giá khả năng xử lý KLN tổng số trong đất của cây sậy ......................... 110
3.2.2.2. Đánh giá khả năng xử lý KLN di động trong đất của cây sậy ........................ 112
3.3. Khả năng hấp thụ KLN của cây sậy trong các môi trường đất với hàm
lượng KLN khác nhau ................................................................................... 114
3.3.1. Đánh giá khả năng sinh trưởng, phát triển của cây sậy trong các môi
trường đất với hàm lượng kim loại nặng khác nhau ....................................... 114
3.3.1.1. Kết quả theo dõi chiều cao cây sậy ............................................................. 114
3.3.1.2. Kết quả theo dõi chiều dài lá cây sậy .......................................................... 118
3.3.1.3. Kết quả theo dõi số cây tăng thêm trong q trình thí nghiệm ..................... 121
3.3.1.4. Kết quả theo dõi chiều dài rễ của cây sậy ................................................... 125
3.3.2. Khả năng hấp thụ kim loại nặng của cây sậy trong các môi trường đất
khác nhau ...................................................................................................... 127
3.3.3 Đánh giá khả năng xử lý KLN của cây sậy trong môi trường đất với hàm
lượng KLN khác nhau.................................................................................... 131
3.3.3.1. Đánh giá khả năng xử lý KLN tổng số của cây sậy trong môi trường đất
với hàm lượng KLN khác nhau ...................................................................... 131
3.3.3.2. Đánh giá khả năng xử lý KLN di động của cây sậy trong môi trường
đất với hàm lượng KLN khác nhau ................................................................ 134

5


3.4. Nghiên cứu khả năng hấp thụ kim loại nặng của cây sậy để xử lý đất ô

nhiễm kim loại nặng sau khai thác khoáng sản tại tỉnh Thái Nguyên ....... 139
3.4.1. Đánh giá khả năng sinh trưởng và phát triển của các lồi thực vật trên
đất ơ nhiễm kim loại nặng sau khai thác khoáng sản ..................................... 139
3.4.1.1 Khả năng sinh trưởng và phát triển về chiều cao cây ................................... 139
3.4.1.2 Khả năng sinh trưởng và phát triển về chiều dài lá ....................................... 142
3.4.1.3. Chiều dài rễ cây trên đất sau khai thác khoáng sản. .................................... 144
3.4.2. Khả năng hấp thu kim loại nặng của cây sậy trong thân lá và rễ .................... 146
3.4.2.1 Khả năng hấp thụ kim loại nặng của cây sậy trên đất bãi thải tại mỏ
thiếc Hà Thượng............................................................................................ 146
3.4.2.2 Khả năng hấp thụ KLN của cây sậy trên đất bãi thải tại mỏ sắt
Trại Cau ...................................................................................................... 150
3.4.3. Đánh giá khả năng xử lý hàm lượng KLN trong đất của cây sậy. ................... 156
3.4.3.1. Khả năng xử lý kim loại nặng tổng số trong đất .......................................... 156
3.4.3.2. Khả năng xử lý kim loại nặng di động trong đất .......................................... 164
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................. 175
1. Kết luận:............................................................................................................... 175
2. Kiến nghị: ............................................................................................................ 176
DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN
ĐẾN LUẬN ÁN ........................................................................................... 177
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 178

6


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

BTNMT

: Bộ Tài nguyên Môi trường

BVTV

: Bảo vệ thực vật

BVMT

: Bảo vệ mơi trường

CEC

: Dung tích trao đổi cation của đất
(Cation exchange capacity)

Cs

: Cộng sự

CT

: Công thức

ĐVC

: Đơn vị Cacbon

HT

: Hà Thượng

KH

: Ký hiệu

KLN

: Kim loại nặng.

LSD

: Sự sai khác nhỏ nhất có ý nghĩa
(Least Significant Difference)

Nnk

: Những người khác

OM

: Chất hữu cơ của đất (Organic matter)

OTC

: Ô tiêu chuẩn

QCVN

: Quy chuẩn Việt Nam

STT

: Số thứ tự

TCVN

: Tiêu chuẩn Việt Nam

7


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Thành phần kim loại vết trong một số khống vật điển hình............ 19
Bảng 1.2: Khả năng linh động của một số nguyên tố KLN trong đất ............... 21
Bảng 1.3: Hàm lượng KLN trong một số loại đất ở khu mỏ hoang Songcheon ......... 27
Bảng 1.4: Hàm lượng KLN trong chất thải của một số mỏ vàng điển
hình ở Úc .......................................................................................... 28
Bảng 1.5: Mức độ ơ nhiễm KLN ở Anh .......................................................... 30
Bảng 1.6: Đánh giá mức ô nhiễm kim loại trong đất ở Hà Lan ........................ 31
Bảng 1.7: Hàm lượng tối đa cho phép của các KLN được xem là độc đối
với thực vật trong đất nông nghiệp ................................................... 31
Bảng 1.8: Đánh giá ô nhiễm đất mặt bởi các KLN ở Ba Lan ........................... 32
Bảng 1.9: Giới hạn tối đa cho phép hàm lượng tổng số đối với As, Cd,
Cu, Pb và Zn trong đất (tầng đất mặt) ............................................... 33
Bảng 1.10: Một số loài thực vật có khả năng tích luỹ kim loại nặng cao ......... 37
Bảng 1.11. So sánh chi phí xử lý KLN trong đất của các công nghệ khác
nhau ......................................................................................................... 41
Bảng 1.13: So sánh tính chống chịu kim loại nặng của cỏ vetiver và các
loài cỏ khác ...................................................................................... 55

8

Bảng 1.14. Đặc điểm hình thái của sậy ............................................................. 59
Bảng 2.1: Vị trí các điểm lấy mẫu cây và mẫu đất trong khu vực nghiên cứu ......... 70
Bảng 2.2: Đặc tính lý hóa và KLN trong đất dùng để thí nghiệm .................... 77
Bảng 2.3. Các pH và nồng độ KLN được chọn làm thí nghiệm 1 .................... 78
Bảng 2.4: Nồng độ các KLN được chọn nghiên cứu ở thí nghiệm 2 ................ 79
Bảng 2.5. pH và hàm lượng kim loại nặng trong đất trước khi trồng cây ......... 79
Bảng 3.1. Sự phân bố của cây sậy tại một số mỏ khai thác quặng trong
khu vực nghiên cứu .......................................................................... 83
Bảng 3.2: Sự sinh trưởng và phát triển của cây sậy trên khu vực nghiên
cứu ................................................................................................... 85
Bảng 3.3: Kết quả xác định sinh khối cây sậy trên các mỏ nghiên cứu ........... 87
Bảng 3.4. Kết quả phân tích mẫu kim loại nặng tại khu vực nghiên cứu .......... 88
Bảng 3.5. Kết quả phân tích một số yếu tố mơi trường đất tại khu vực nghiên
cứu ........................................................................................................... 90
Bảng 3.6: Khả năng hấp thụ KLN của cây sậy trên đất bãi thải sau
khai thác quặng ..................................................................... 92
Bảng 3.7: Phương trình hồi quy giữa hàm lượng kim loại nặng hấp thụ
trong cây với hàm lượng kim loại nặng trong đất và pH đất ............. 99
Bảng 3.8: Phương trình hồi quy giữa hàm lượng kim loại nặng hấp thụ
trong cây với hàm lượng kim loại nặng trong đất và dung tích
trao đổi cation của đất (CEC) ......................................................... 102
9


Bảng 3.9: Phương trình hồi quy giữa hàm lượng kim loại nặng hấp thụ
trong cây với hàm lượng kim loại nặng trong đất và chất hữu
cơ trong đất (OM)........................................................................... 104
Bảng 3.10: Hàm lượng As, Pb, Cd và Zn tích lũy trong thân + lá và rễ của cây
sậy .................................................................................................................. 107

Bảng 3.11: Khả năng xử lý As, Pb, Cd và Zn tổng số trong đất của cây
sậy ở mơi trường có pH khác nhau ................................................. 111
Bảng 3.12. Khả năng xử lý As, Pb, Cd và Zn di động trong đất của cây
sậy ở mơi trường có pH khác nhau ................................................. 112
Bảng 3.13: Kết quả theo dõi chiều cao cây sậy trong mơi trường đất có
hàm lượng kim loại nặng khác nhau .............................................. 116
Bảng 3.14: Kết quả theo dõi chiều dài lá cây sậy trong môi trường đất khác
nhau ................................................................................................ 120
Bảng 3.15: Kết quả theo dõi số cây con của cây sậy trong môi trường đất
khác nhau ....................................................................................... 123
Bảng 3.16: Kết quả theo dõi chiều dài rễ của cây sậy trong môi trường
đất bị ô nhiễm ................................................................................. 125
Bảng 3.17: Hàm lượng KLN tích lũy ở thân + lá và rễ của cây sậy ............... 128
Bảng 3.18: Khả năng xử lý kim loại nặng tổng số trong đất của cây sậy ở
môi trường đất khác nhau ............................................................... 132
Bảng 3.19: Khả năng xử lý As, Pb, Cd và Zn di động trong đất của cây
sậy ở mơi trường đất có hàm lượng khác nhau ............................... 134
Bảng 3.20 : Sự biến động về chiều cao cây sậy trong thời gian thí nghiệm tại
các bãi thải ............................................................................................ 141
Bảng 3.21: Sự biến động về chiều dài lá cây sậy trong thời gian nghiên
cứu tại các bãi thải .......................................................................... 143
Bảng 3.22: Chiều dài rễ cây sau khi trồng 4 và 8 tháng tại các bãi thải .......... 145

10


Bảng 3.23 : Hàm lượng As, Pb, Cd và Zn tích lũy trong thân + lá và rễ
của cây sậy tại mỏ thiếc Hà Thượng sau 4 tháng và 8 tháng ........... 147
Bảng 3.24: Hàm lượng As, Pb, Cd và Zn tích lũy trong thân + lá và rễ
của cây sậy tại mỏ sắt Trại Cau sau 4 tháng và 8 tháng .................. 151

Bảng 3.25: Hàm lượng As, Pb, Cd và Zn trong đất sau khi trồng sậy
tại mỏ thiếc Hà Thượng .................................................................. 156
Bảng 3.26: Hàm lượng As, Pb, Cd và Zn trong đất sau khi trồng sậy
tại mỏ sắt Trại Cau................................................................................. 156
Bảng 3.27: Hàm lượng As, Pb, Cd và Zn di động trong đất sau khi trồng sậy
tại mỏ thiếc Hà Thượng ......................................................................... 164
Bảng 3.28: Hàm lượng As, Pb, Cd và Zn di động trong đất sau khi trồng sậy
tại mỏ sắt Trại Cau................................................................................. 165

11


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 2.1. Sơ đồ vị trí tại các điểm mỏ nghiên cứu ................................................ 72
Hình 3.1: Tương quan giữa hàm lượng Pb trong đất và hàm lượng Pb trong
rễ và thân + lá cây sậy........................................................................... 95
Hình 3.2: Tương quan giữa hàm lượng Cd trong đất và hàm lượng Cd trong
rễ và thân, lá cây sậy ....................................................................... 96
Hình 3.3: Tương quan giữa hàm lượng As trong đất và hàm lượng As
trong rễ và thân, lá cây sậy ............................................................. 97
Hình 3.4: Tương quan giữa hàm lượng Zn trong đất và hàm lượng Zn
trong rễ và thân, lá cây sậy ............................................................. 98
Hình 3.5. Hàm lượng As, Pb, Cd, Zn tích lũy trong sậy sau 4 tháng trồng ........ 108
Hình 3.6. Hàm lượng As, Pb, Cd, Zn tích lũy trong sậy sau 8 tháng
trồng ............................................................................................. 109
Hình 3.7. Hàm lượng kim loại nặng tổng số cịn lại trong đất sau khi trồng
sậy....................................................................................................... 110
Hình 3.8: Hàm lượng kim loại di động còn lại trong đất sau khi trồng
sậy ................................................................................................ 113
Hình 3.9: Ảnh hưởng của KLN đến sự biến động về chiều cao cây sậy

trong 8 tháng nghiên cứu .............................................................. 117
Hình 3.10: Ảnh hưởng của KLN đến sự biến động về chiều dài lá cây
sậy trong thời gian 8 tháng nghiên cứu ......................................... 121
Hình 3.11: Ảnh hưởng của KLN đến sự biến động về số cây con của
cây sậy trong thời gian 8 tháng nghiên cứu .................................. 124
Hình 3.12: Ảnh hưởng của KLN đến sự biến động về chiều dài rễ của
cây sậy trong thời gian 8 tháng nghiên cứu .................................. 126
Hình 3.13: Hàm lượng kim loại nặng tích lũy trong cây sậy sau 4 tháng
trồng ................................................................................................... 129

12


Hình 3.14: Hàm lượng kim loại nặng tích lũy trong cây sậy sau 8 tháng trồng ........ 130
Hình 3.15. Tương quan giữa hàm lượng KLN trong đất và hàm lượng
KLN tích lũy trong các bộ phận của cây sậy sau trồng 8 tháng ............. 133
Hình 3.16: Khả năng xử lý KLN tổng số của cây sậy ở mơi trường đất
có hàm lượng khác nhau ............................................................... 135
Hình 3.17: Biến động hàm lượng As di động trong đất. ............................... 136
Hình 3.18. Biến động hàm lượng Pb di động trong đất ................................ 137
Hình 3.19. Biến động hàm lượng Cd di động trong đất ............................... 138
Hình 3.20: Biến động hàm lượng Zn di động trong đất ................................ 142
Hình 3.21: Sự biến động về chiều cao cây sậy trong thời gian thí
nghiệm tại đồng ruộng .................................................................. 142
Hình 3.22: Sự biến động về chiều dài lá cây sậy sậy trong thời gian thí
nghiệm tại đồng ruộng .................................................................. 145
Hình 3.23: Biểu đồ thể hiện chiều dài rễ sau 4 tháng và 8 tháng .................. 148
Hình 3.24. Hàm lượng As, Pb, Cd, Zn tích lũy trong sậy sau 4 tháng
rồng tại mỏ thiếc Hà Thượng ........................................................ 149
Hình 3.25: Hàm lượng As, Pb, Cd, Zn tích lũy trong sậy sau 8 tháng trồng ...... 152

Hình 3.26. Hàm lượng As, Pb, Cd, Zn tích lũy trong sậy sau 4 tháng
trồng tại bãi thải mỏ sắt Trại cau .................................................. 153
Hình 3.27: Hàm lượng As, Pb, Cd, Zn tích lũy trong sậy sau 8 tháng
trồng tại bãi thải mỏ sắt Trại cau .................................................. 157
Hình 3.28: Hàm lượng As tổng số cịn lại trong đất sau khi trồng sậy ......... 159
Hình 3.29: Hàm lượng Pb tổng số còn lại trong đất sau khi trồng sậy.......... 160
Hình 3.30: Hàm lượng Cd tổng số cịn lại trong đất sau khi trồng sậy ......... 162
Hình 3.31: Hàm lượng Zn tổng số còn lại trong đất sau khi trồng sậy .......... 166
Hình 3.32: Hàm lượng As di động trong đất sau khi trồng sậy .................... 168
Hình 3.33: Hàm lượng Pb di động trong đất sau khi trồng sậy..................... 170
Hình 3.34: Hàm lượng Cd di động trong đất sau khi trồng sậy .................... 171

13


MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Khu vực miền núi phía Bắc là vùng giàu tài nguyên khoáng sản bậc
nhất nước ta. Các khống sản chính là than, sắt, thiếc, chì – kẽm, đồng, apatit,
pyrit… Vùng Tây Bắc có một số mỏ khá lớn như mỏ quặng đồng – niken
(Sơn La), đất hiếm (Lai Châu), mỏ chì – kẽm Tú Lệ (Yên Bái). Vùng Đơng
Bắc có nhiều mỏ kim loại, đáng kể hơn là mỏ sắt, mỏ quặng đa kim (Thái
Nguyên), thiếc và bơxit (Cao Bằng), kẽm – chì (Chợ Điền - Bắc Kạn), đồng –
vàng (Lào Cai).
Sự phát triển của khai thác khoáng sản là động lực để tăng trưởng kinh tế xã hội, tạo ra những thị trường mạnh để thu hút đầu tư từ nước ngồi nhưng nó
cũng đang tạo ra những mặt tiêu cực gây ảnh hưởng xấu tới con người và hệ
sinh thái xung quanh khu vực khai thác. Các hoạt động khai thác than, quặng
và vật liệu xây dựng như: tiến hành xây dựng mỏ, khai thác thu hồi khoáng sản,
đổ thải, thoát nước mỏ… đã làm phá vỡ các điều kiện sinh thái được hình thành
từ hàng chục triệu năm, gây ô nhiễm nặng nề đối với môi trường đất, nước.

Đây là hiện trạng chung của nhiều tỉnh đang có cơ sở khai thác trên cả
nước cũng như ở Thái Nguyên. Tình hình khai thác khoáng sản ở tỉnh Thái
Nguyên trong những năm qua cho thấy, số lượng và sản lượng mỏ khoáng sản
được đưa vào khai thác ngày càng tăng. Đây cũng là một trong những ngành
chiếm dụng diện tích đất sử dụng lớn. Vì vậy ơ nhiễm đất là khơng thể tránh
khỏi, có những khu vực đã bị ô nhiễm nghiêm trọng không còn khả năng canh
tác. Một số nguyên tố vết và siêu vết có tính độc hại tích luỹ trong nơng sản,
từ đó gây tác hại nghiêm trọng đối với động, thực vật và con người. Qua đó
vấn đề cần được quan tâm trong hoạt động khai thác khoáng sản là những giải
pháp khắc phục, đặc biệt là các giải pháp hiệu quả để khắc phục diện tích đất
bị ơ nhiễm sau khai thác.

14


Nguồn gốc và sự xuất hiện các chất nguy hại với môi trường sống do
khai thác mỏ là rất phức tạp và kinh phí cho sự phục hồi là rất cao. Vì vậy,
khắc phục ơ nhiêm mơi trường đất do hoạt động khai thác khống sản hiện
nay cịn gặp rất nhiều khó khăn [72,139]. Các phương pháp, cơng nghệ xử lý
truyền thống đã được áp dụng bao gồm rửa đất, bê tơng hóa, sử dụng các phản
ứng oxy hóa, cố định tại chỗ,...[ 63]. Tuy nhiên, các phương pháp này đều có
chi phí cao, chỉ phù hợp với quy mơ nhỏ, trong khi tình trạng ơ nhiễm đất do
khai thác khống sản lại xảy ra trên diện rộng, chất ơ nhiễm lại phân tán trong
môi trường đất, không những thế một số phương pháp cịn có thể gây nên hiện
tượng ô nhiễm thứ sinh ... Vì vậy, cần phải lựa chọn một phương pháp xử lý
KLN trong đất sao cho vừa hiệu quả, vừa dễ thực hiện, chi phí thấp mà lại
thân thiện với môi trường.
Từ những năm 1990, phương pháp sử dụng thực vật để xử lý ô nhiễm
đã được giới thiệu như là loại công nghệ thương mại. Cơng nghệ này được
đánh giá là có nhiều ưu điểm nổi trội: dễ thực hiện, khơng địi hỏi trình độ kỹ

thuật cao, chi phí xử lý thấp và đặc biệt là thân thiện với môi trường [48]. Tuy
nhiên, hạn chế của công nghệ thực vật xử lý ô nhiễm là ở chỗ trong tự nhiên
có rất ít lồi thực vật hội tụ đủ các tiêu chí của một thực vật siêu tích tụ: phát
triển được ở mơi trường đất ơ nhiễm, sinh trưởng nhanh, sinh khối cao, có khả
năng hấp thụ được các chất ô nhiễm với hàm lượng cao, biên độ sinh thái
rộng và khơng có nguy cơ trở thành sinh vật ngoại lai.
Những tác động trên môi trường đất, nước ở các vùng sau khi khai thác
khoáng sản đã bị suy thối nghiêm trọng đã gây khó khăn cho việc xử lý đất ô
nhiễm KLN bằng thực vật. Vì vậy để phục hồi mơi trường ơ nhiễm KLN thì
một trong những yêu cầu tiên quyết là phải tạo được các điều kiện cần thiết
cho thực vật sinh trưởng, phát triển để hút thu KLN cao nhất.
Cây sậy là lồi cây có sinh khối lớn và khả năng hút KLN tốt, khả năng
15


hấp thụ KLN này bị ảnh hưởng bởi điều kiện pH, loại đất và điều kiện cạn úng
khác nhau.
Trước thực trạng trên, đề tài: "Nghiên cứu khả năng hấp thụ một số kim
loại nặng (As, Pb, Cd, Zn) trong đất của cây sậy (Phragmites australis) và ứng
dụng xử lý đất bị ơ nhiễm kim loại nặng sau khai thác khống sản tại tỉnh Thái
Nguyên" được thực hiện nhằm cung cấp các cơ sở khoa học để có thể sử dụng
cây sậy để cải tạo đất ô nhiễm kim loại nặng.
2. Mục tiêu
- Nghiên cứu, đánh giá sự phân bố, sinh trưởng và khả năng hấp thụ kim
loại nặng của cây sậy trên những vùng đất sau khai khoáng khác nhau.
- Xác định khả năng tích lũy một số kim loại nặng của cây sậy dưới ảnh
hưởng của các yếu tố môi trường (pH) và hàm lượng kim loại nặng trong môi
trường đất.
- Nghiên cứu biện pháp sử dụng cây sậy để xử lý ô nhiễm môi trường
đất tại vùng đất sau khai thác khoáng sản tỉnh Thái Nguyên.

3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Khẳng định khả năng chống chịu và khả năng hút thu kim loại nặng của
cây sậy, làm cơ sở lý luận cho những nghiên cứu tiếp theo.
- Thành công của đề tài sẽ góp phần giải quyết tình trạng ơ nhiễm mơi
trường đất, nước tại huyện Đại Từ, huyện Đồng Hỷ, tỉnh Thái Nguyên.
- Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể được áp dụng vào thực tế để xử lý
những vùng đất bị ô nhiễm kim loại nặng, đặc biệt những vùng đất bị ơ nhiễm
do khai thác khống sản.

16


4. Những đóng góp mới của đề tài
- Xác định được khả năng hấp thụ KLN của cây sậy dưới tác động của
một số yếu tố môi trường: pH và nồng độ các KLN trong đất tại Việt Nam.
- Ứng dụng thành công việc sử dụng cây sậy bản địa để xử lý KLN
trong đất sau khai thác khoáng sản ở ngoài hiện trường tại Thái Nguyên.

17


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Ô nhiễm kim loại nặng trong đất
1.1.1. Khái niệm ô nhiễm kim loại nặng
Thuật ngữ “Kim loại nặng” được từ điển hóa học định nghĩa là các
kim loại có tỷ trọng lớn hơn 5. Đối với các nhà độc tố học, thuật ngữ “kim
loại nặng” chủ yếu dùng để chỉ các kim loại có nguy cơ gây nên các vấn đề
môi trường bao gồm: Cu, Zn, Pb, Hg, Ni, Mn, Cr, Fe, Mn, Ti, Fe, Ag, Sn
(Rainbow, 1985, Hopkin, 1989; Bryan & Langston, 1992). Ngoài ra, các phi
kim như As và Se cũng được xem là các KLN [44].

Các nguyên tố này thường ở dạng vết trong môi trường đất tự nhiên. Các
kim loại nặng phổ biến nhất là: Cd, Cr, Cu, Zn, Pb, Hg. Trong đó Cu và Zn là
các nguyên tố vi lượng có vai trị quan trọng đối với q trình trao đổi chất
trong tế bào và là thành phần, cấu trúc của các protein và enzym. Tuy nhiên
các nguyên tố vi lượng nói riêng và các KLN nói chung ở hàm lượng cao là
yếu tố cực kì độc hại đối với quá trình trao đổi chất của tế bào. Vì vậy ơ nhiễm
đất bởi tác nhân KLN có thể dẫn đến mất cân bằng của các loài động, thực vật
bậc cao, đặc biệt trong môi trường đất bị ô nhiễm KLN với hàm lượng cao,
thực vật phát triển kém, độ che phủ bề mặt thấp, hậu quả là các KLN sẽ xâm
nhập vào nguồn nước mặt và nước ngầm [96].
Trong những năm gần đây, ô nhiễm KLN trong đất đã thu hút sự quan
tâm của các nhà khoa học vì tính chất bền vững của chúng. Độc tính của kim
loại đối với sinh vật liên quan đến cơ chế oxy hóa và độc tính gen [55]. Sự
tích tụ các chất độc hại, các KLN trong đất sẽ làm tăng khả năng hấp thụ các
nguyên tố có hại trong cây trồng, vật nuôi và gián tiếp gây ảnh hưởng xấu tới
sức khoẻ con người, làm thay đổi cấu trúc tế bào, gây ra nhiều bệnh di truyền,
bệnh về máu, bệnh ung thư... [21]. Tác hại của KLN đối với động vật và con
người là làm tổn hại hoặc giảm chức năng của hệ thần kinh trung ương, giảm
năng lượng sinh học, tổn hại đến cấu trúc của máu, phổi, thận, gan và các cơ
quan khác. Tiếp xúc với KLN trong thời gian dài có thể ảnh hưởng mãn tính

18


đến thể chất, cơ và q trình thối hóa hệ thần kinh dẫn đến biểu hiện các
bệnh Parkinson, bệnh teo cơ, bệnh đa xơ cứng, ung thư…Hơn nữa KLN còn
làm tăng các tương tác dị ứng và gây nên đột biến gen, cạnh tranh với các kim
loại cần thiết khác trong cơ thể ở các vị trí liên kết sinh hóa và phản ứng như
các kháng sinh giới hạn rộng chống lại cả vi khuẩn có lợi và có hại. Độc tính
KLN trong chuỗi thức ăn là một trong những vấn đề bức xúc về môi trường và

sức khỏe cộng đồng trong xã hội công nghiệp ngày nay [149].
1.1.2. Các nguồn gây ô nhiễm KLN trong đất
1.1.2.1. Nguồn gốc tự nhiên
Trong các khống vật hình thành nên đất thường chứa một hàm lượng
nhất định kim loại nặng, trong điều kiện bình thường một số KLN là những
nguyên tố vi lượng không thể thiếu cho cây trồng và sinh vật đất. Tuy
nhiên, trong một số điều kiện đặc biệt chúng vượt một giới hạn nhất định và
trở thành chất ô nhiễm.
Bảng 1.1: Thành phần kim loại vết trong một số khoáng vật điển hình
Trạng thái
phong hố

Khống vật

Hiện diện

Olivine
Anorthite

Đá macma

Augite
Dễ bị phong
hố

Hornblende
Albite
Biotit
Orthoclase
Muscovite

Khả năng ổn
định khoáng
tăng

Magnetite

Đá siêu bazơ và bazơ
núi lửa
Phân bố rộng trong đá
macma và biến chất
Đá nham thạch
Đá macma axít
Granite, phiến thạch,
thuỷ tinh
Đá mácma và biến
chất

Thành phần
kim loại
Mn, Co, Ni, Cu, Zn
Mn, Cu, Sr
Mn, Co, Ni, Cu, Zn,
Pb
Mn, Co, Ni, Cu, Zn
Cu
Mn, Co, Ni, Cu, Zn
Cu, Sr
Cu, Sr
Cr, Co, Ni, Zn

Nguồn: Trích theo Lê Đức, Trần Khắc Hiệp 2006[11] .

19


1.1.2.2. Nguồn gốc nhân tạo
Đây là nguyên nhân gây ô nhiễm mơi trường đất trên phạm vi tồn thế
giới cũng như ở Việt Nam.
+ Ơ nhiễm do chất thải cơng nghiệp
Các hoạt động công nghiệp rất phong phú và đa dạng, chúng có thể là
nguồn gây ơ nhiễm đất một cách trực tiếp hoặc gián tiếp. Q trình phát triển
cơng nghiệp và đơ thị cũng ảnh hưởng đến tính chất lý và hóa học đất.
Những tác động về vật lý đất như: gây xói mịn, nén chặt và phá hủy cấu
trúc đất do kết quả của các hoạt động xây dựng, sản xuất khai thác mỏ.
Những tác động về hóa học như: các chất thải rắn, lỏng và khí tác động đến
đất.
+ Ơ nhiễm đất do chất thải nơng nghiệp
Sử dụng phân bón và thuốc BVTV có hai mặt của một vấn đề : tích
cực và tiêu cực. Tích cực là góp phần nâng cao năng suất và sản lượng nông
sản; tiêu cực là gây ô nhiễm môi trường. Trong phân bón và thuốc bảo vệ thực
vật (BVTV) thường có sẵn kim loại nặng và chất khó phân hủy, khi tích lũy
đến một giới hạn nhất định, chúng sẽ thành chất ơ nhiễm.
1.1.3. Sự tồn tại và chuyển hóa kim loại nặng trong đất
Trong đất, các kim loại độc hại có thể tồn tại dưới nhiều dạng khác
nhau, liên kết với các hợp chất hữu cơ, vô cơ hoặc tạo thành các chất phức
hợp (chelat). Khả năng dễ tiêu của chúng đối với thực vật phụ thuộc vào
nhiều yếu tố như: pH, dung tích trao đổi cation (CEC) và sự phụ thuộc lẫn
nhau vào các kim loại khác. Ở đất có CEC cao, chúng bị giữ lại nhiều trên
các phức hệ hấp phụ. Nhìn chung, KLN có khả năng linh động lớn ở đất

chua (pH < 5,5).

20


Bảng 1.2: Khả năng linh động của một số nguyên tố KLN trong đất
Điều kiện

Khả năng linh
động

Oxy hóa

Trung tính

Axit

Khử

-

-

– kiềm
Se

Se

Se, Hg

-

-

Trung bình

Hg, As, Cd

As, Cd

As, Cd

-

Thấp

Pb, As, Sb,

Pb, Bi, Sb, Ti

Pb, Bi, Sb,

-

Te
Ti
-

Te

Hg,
TiTe
-

Te, Se, Hg

Rất cao
Cao

Rất thấp
Không linh động

-

-

Cd, Pb, Bi,

Nguồn: Diels L. và nnk, 1999
Ti [64].
1.1.3.1. Sự tồn tại và chuyển hóa của nguyên tố asen (As) trong đất
As tồn tại trong đất dưới dạng các hợp chất chủ yếu như asenat (As5+)
trong điều kiện oxy hóa. Chúng bị hấp thụ mạnh bởi các khoáng sét, sắt,
mangan oxyt hoặc hydroxyt và các chất hữu cơ. Trong các đất axit, As tạo
nhiều hợp chất ở dạng As5+ với sắt và nhôm (AlAsO4, FeAsO4), trong khi ở các
đất kiềm và đất cacbonat lại có nhiều ở dạng Ca3(AsO4)2. Khi bón vơi cho đất
cũng làm tăng khả năng linh động của As do chuyển từ Fe, Al – asenat sang
dạng Ca – asenat linh động hơn [56].
Asen kết hợp với Ca, Al, Fe tạo thành những hợp chất không tan như
Ca3(AsO4)2, AlAsO4, FeAsO4. Tích số hịa 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 [13].
Trong nước tự nhiên, As tồn tại chủ yếu ở 2 dạng hợp chất vô cơ là
asenat (As+5), asenit (As+3). As+5 là dạng tồn tại chủ yếu của As trong nước bề
mặt và As+3 là dạng chủ yếu của As trong nước ngầm. Trong môi trường

21


trung tính, As+5 tồn tại chủ yếu ở dạng H2AsO4- và HAsO42-, còn As+3 tồn tại
chủ yếu ở dạng axit không phân ly H3AsO3 [13].
Trong đất As thường tồn tại ở dạng hấp phụ, tạo hợp chất với Al, Fe, Ca
và hợp chất hữu cơ. Nguồn As trong đất có thể là từ các sản phẩm phong hóa
đá và khống vật chứa As, chất thải khí từ các nhà máy dùng than, chất thải
rắn, lỏng dùng thuốc bảo vệ thực vật, v.v… Chẳng hạn, trung bình hàng năm ở
Canada người ta phun thuốc diệt côn trùng vào vườn cây ăn quả đã đưa vào đất
đến 2,7 kg As/ha. Trên 94% As trong đất tồn tại ở pha rắn, còn lại chỉ có
khoảng 6% tổng As tồn tại trong dung dịch đất (có thể là dạng natri asenit) dễ
dàng di chuyển và ra khỏi đất. Khi tồn tại ở dạng linh động, As đặc biệt nguy
hiểm cho sinh vật và con người. Sự biến đổi điều kiện oxy hóa - khử trong đất
làm cho As di chuyển và phân bố lại trong đất và thơng qua đó làm thay đổi
hàm lượng As đi vào sinh vật và con người [17].
Khoáng vật quan trọng nhất của As trong tự nhiên là arsenopyrit
(FeAsS), nó thường có mặt trong thành phần của nhiều loại quặng sunfua.
Trong điều kiện oxy hóa, asenopyrit bị oxy hóa theo phản ứng sau:
2FeAsS + 2O2 + 6 H2O = 2 (FeAsO4.2H2O) + 2H2SO4
Ngồi ra Fe2(SO4)3 cũng đóng vai trị chất oxy hóa và phản ứng cũng xảy
ra hồn tồn tương tự:
FeAsS + Fe2(SO4)3 + 4H2O + 3O2 = FeAsO4.2H2O + FeSO4 + 2H2SO4

Như vậy, trong q trình oxy hóa, asenopyrit được thay thế bằng
scorodit là một khoáng vật bền vững trong điều kiện đới oxy hóa. Tuy nhiên,
dưới tác dụng của nước mặt dù rất chậm, xảy ra quá trình thủy phân theo phản
ứng sau:
FeAsO4.2H2O + H2O = Fe(OH)3 + H3AsO4
Trong trường hợp các đá vây quanh không chứa các nguyên tố có thể
liên kết với As thành các liên kết bền vững, As sẽ dần dần được phân tán theo

22