Nội dung

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN NĂNG LƢỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM ------------ LÊ THỊ THANH TRÂN NGHIÊN CỨU SỰ PHÂN BỐ HÀM LƢỢNG CỦA CÁC ION KIM LOẠI NẶNG (Cu2+, Pb2+, Zn2+) LÊN SINH KHỐI MỘT SỐ LOẠI RAU (CÀ RỐT, KHOAI TÂY, BÓ XÔI, XÀ LÁCH MỠ) ĐƢỢC TRỒNG TRÊN NỀN ĐẤT CHUYÊN CANH RAU ĐÀ LẠT Chuyên ngành: Hóa phân tích Mã số: 62.44.01.18 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA PHÂN TÍCH Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. NGUYỄN MỘNG SINH 2. PGS.TS. NGUYỄN NGỌC TUẤN Đà Lạt, năm 2016. MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT VÀ MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN 1.1. Tính cấp thiết Hóa học phân tích đóng vai trò quan trọng đối với sự phát triển của khoa học, công nghệ, sản xuất và đời sống xã hội; đặc biệt, trong giai đoạn hiện nay, khi các vấn đề khoa học mới đặt ra yêu cầu sự liên kết các ngành khoa học với nhau để giải quyết. Với chức năng của mình, hóa học phân tích hoàn toàn có khả năng cung cấp một nguồn dữ liệu đáng tin cậy, tạo nền tảng cho các ngành khoa học khác nghiên cứu và giải quyết các vấn đề mang tính đa ngành. Vì vậy, hoàn thiện các phương pháp phân tích và sử dụng hóa phân tích như một công cụ để tạo bộ dữ liệu hoàn chỉnh về một vấn đề mới cung cấp cho các ngành khoa học khác vẫn đang là mối quan tâm lớn của các nhà phân tích hóa học. Hiện nay, một trong những vấn đề sinh thái nghiêm trọng mà thế giới đang phải đối mặt là sự ô nhiễm kim loại nặng trong đất nông nghiệp. Kết quả của nhiều công trình nghiên cứu đã chứng minh, việc canh tác trên môi trường đất bị ô nhiễm kim loại sẽ dẫn đến sự hấp thu, tích lũy kim loại nặng trên nông sản. Vì vậy, ô nhiễm kim loại nặng trong nông sản đang ngày càng trở thành vấn đề đáng lo ngại đối với nhiều quốc gia trên thế giới, trong đó có Việt Nam bởi độc tính, tính bền vững và khả năng tích lũy sinh học của chúng. Do vậy, đánh giá lượng kim loại nặng thâm nhập từ đất vào cây trồng là việc làm hết sức cần thiết. 1.2. Mục tiêu - Tối ưu hóa quy trình xử lý mẫu nhằm giảm thiểu thời gian và hóa chất. - Đánh giá khả năng tích lũy đồng, chì và kẽm từ đất trồng bị ô nhiễm các ion kim loại này lên sinh khối các loại rau: cà rốt, khoai tây, bó xôi, xà lách mỡ. - Đánh giá ảnh hưởng của chế độ canh tác bao gồm việc sử dụng vôi, các loại phân bón hóa học N, P, K và lượng của các loại phân bón này đến khả năng tích lũy đồng, chì và kẽm lên sinh khối các loại rau trên. - Đánh giá khả năng cạnh tranh giữa đồng, chì và kẽm khi tích lũy từ đất trồng lên sinh khối các loại rau trên. 2. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN 2.1. Ý nghĩa khoa học Kết quả của luận án sẽ góp phần giải thích mối tương quan giữa hàm lượng kim loại nặng trong môi trường canh tác và hàm lượng kim loại nặng tích lũy trong sinh khối thực vật. Việc làm rõ ảnh hưởng của bản chất kim loại nặng, đặc điểm sinh lý thực vật, chế độ canh tác, sự cạnh tranh giữa các kim loại nặng khi cùng tồn tại trong môi trường đến sự tích lũy kim loại nặng trong sinh khối thực vật sẽ cung cấp cơ sở cho phép dự báo mức độ tích lũy kim loại nặng từ đất lên cây trồng. Bộ dữ liệu về mức độ tích lũy các kim loại nặng từ đất ô nhiễm lên cây trồng, ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau sẽ cung cấp cơ sở triển khai hướng nghiên cứu đa ngành – xu thế mới của khoa học hiện đại. 2.2. Ý nghĩa thực tiễn Quy trình xử lý mẫu sau khi tối ưu hóa sẽ rút ngắn được thời gian, tiết kiệm hóa chất cho phép xử lý một lượng lớn mẫu trong thời gian ngắn với hiệu suất thu hồi cao. Kết quả nghiên cứu sẽ cho phép đánh giá được mức độ hấp thu kim loại nặng ở thực vật khi canh tác trên môi trường ô nhiễm. Bộ số liệu nhận được có thể cung cấp cơ sở cho các ngành khoa học khác như sinh học phân tử, sinh học di truyền, nông học, môi trường, ... 3. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN Xây dựng được quy trình tối ưu xử lý mẫu thực vật để phân tích hàm lượng kim loại trong chúng bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử. Đánh giá được khả năng tích lũy các kim loại Cu, Pb, Zn từ đất trồng chuyên canh rau Đà Lạt lên sinh khối các loại rau: cà rốt, khoai tây, bó xôi, xà lách mỡ. Đánh giá được ảnh hưởng của lượng vôi, lượng phân bón N, P, K cũng như sự có mặt của kim loại khác đến khả năng tích lũy Cu, Pb, Zn trên sinh khối các loại rau nghiên cứu khi trồng trên đất ô nhiễm kim loại nặng. 4. BỐ CỤC CỦA LUẬN ÁN Luận án được trình bày theo ba chương, bao gồm: Chương một: Tổng hợp các nội dung liên quan đến luận án, những nghiên cứu trong và ngoài nước. Chương hai: Giới thiệu về đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu được sử dụng để giải quyết các nội dung nghiên cứu của luận án. Chương ba: Trình bày những kết quả nghiên cứu và thảo luận về kết quả mà luận án đã đạt được. Chƣơng 1. TỔNG QUAN 1.1. KIM LOẠI NẶNG Kim loại nặng được định nghĩa là các kim loại có tỷ trọng lớn hơn 5g/cm3. Với sự phân loại này, kim loại nặng bao gồm các nguyên tố chuyển tiếp và các kim loại có trọng lượng nguyên tử cao hơn của các nguyên tố từ nhóm III đến nhóm V trong bảng phân loại hệ thống tuần hoàn. Chúng bao gồm: As (d = 5,72), Pt (d = 21,45), Sn (d = 6,99), Cd (d = 8,6), Cr (d = 7,10), Co (d = 8,90), Cu (d = 8,96), Pb (d = 11,34), Hg (d = 13,53), Bi (d = 9,78), Ni (d = 8,91), Fe (d = 7,87), Mn (d = 7,44), Zn (d = 7,10), ... 1.2. VẤN ĐỀ Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG TRONG MÔI TRƢỜNG ĐẤT 1.2.1. Thực trạng ô nhiễm kim loại nặng trong môi trƣờng đất tại Việt Nam Kết quả của nhiều nghiên cứu cho thấy tình trạng ô nhiễm kim loại nặng trong đất nông nghiệp đang diễn biến ngày càng phức tạp do dân số tăng nhanh, các hoạt động sản xuất công nghiệp và nông nghiệp không ngừng phát triển. 1.2.2. Nguyên nhân gây ô nhiễm kim loại nặng trong đất Ngoài nguồn từ quá trình phong hóa tự nhiên, có nhiều nguồn khác nhau từ các hoạt động nhân sinh đưa các kim loại nặng vào đất, bao gồm: hoạt động công nghiệp, khai thác khoáng sản, luyện kim, hoạt động sản xuất nông nghiệp, chăn nuôi, chất thải từ các làng nghề, … Các hoạt động này đóng góp chủ yếu vào sự gia tăng hàm lượng kim loại nặng trong môi trường. 1.2.3. Sự chuyển hóa của kim loại nặng trong môi trƣờng đất Từ các nguồn khác nhau, sau khi đến bề mặt đất, các kim loại nặng sẽ tham gia vào các quá trình chuyển hóa hóa học, quang hóa hoặc chuyển hóa sinh học, bị đất giữ lại ở dạng hấp phụ hoặc tạo thành dạng tồn dư. Một phần khác linh động trong môi trường đất, theo phương thức thấm lọc đi vào nước ngầm hoặc bị thực vật hấp thu. Các kim loại nặng được phân bố lại trong phẫu diện đất ở dạng hòa tan hoặc hấp phụ trên keo đất. Trong quá trình di chuyển qua môi trường đất, các kim loại nặng cũng tham gia vào các phản ứng trong đất, bao gồm: phản ứng hòa tan, kết tủa, phân hủy hóa học, … 1.3. QUÁ TRÌNH HẤP THU VÀ TÍCH LŨY KIM LOẠI NẶNG TỪ ĐẤT LÊN THỰC VẬT 1.3.1. Quá trình hấp thu và tích lũy kim loại nặng từ đất lên thực vật Ban đầu, các ion trong dung dịch đất được chuyển từ các lỗ khí trong đất tới bề mặt rễ cây bằng hai con đường chính: sự khuếch tán và dòng chảy khối. Cả hai quá trình này xảy ra không đồng đều theo các tốc độ khác nhau tùy thuộc vào nồng độ dung dịch đất. Quá trình xâm nhập kim loại nặng từ đất vào cây trồng trải qua ba giai đoạn: đi vào vùng tự do của rễ cây, xâm nhập vào trong tế bào của rễ và vận chuyển đến các mầm chồi. 1.3.2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình hấp thu kim loại nặng từ đất lên thực vật Quá trình hấp thu kim loại nặng từ đất lên thực vật là một quá trình phức tạp, chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố, bao gồm đặc tính của đất (nhiệt độ, độ mặn, pH, ...), hàm lượng các kim loại nặng trong đất, đặc điểm sinh lý của thực vật (loài, tuổi, các bộ phận khác nhau của cây, ...) và các điều kiện môi trường. 1.3.3. Tình hình nghiên cứu về quá trình hấp thu kim loại nặng từ môi trƣờng canh tác vào thực vật Nhiều công trình khoa học trong và ngoài nước đã chứng minh rằng các loại nông sản được trồng trên các vùng đất ô nhiễm hoặc được tưới bằng nước thải chứa nhiều kim loại nặng là nguyên nhân tích lũy kim loại nặng trong các sản phẩm này. 1.4. TÁC ĐỘNG CỦA KIM LOẠI NẶNG ĐẾN SỨC KHỎE CON NGƢỜI Sinh vật cần các kim loại thiết yếu để duy trì sự sống; tuy nhiên, khi vượt quá nhu cầu của cơ thể thì kim loại nặng sẽ tích lũy sinh học và gây độc cho tế bào. Các kim loại nặng độc khi tồn tại với hàm lượng nhỏ nhất vẫn sẽ gây hại cho cơ thể khi thâm nhập. Kim loại nặng tương tác và làm biến đổi nội bào hoặc liên kết với nội bào hình thành những enzyme phân hủy protein, tăng sự tổng hợp các protein dị thường là những cơ chế gây độc thường gặp nhất của các kim loại nặng. 1.5. PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ MẪU THỰC VẬT Quá trình vô cơ hóa thường được thực hiện bằng hai kỹ thuật chủ yếu: vô cơ hóa khô và vô cơ hóa ướt. Dựa trên đặc điểm của mỗi kỹ thuật, sự kết hợp hai kỹ thuật xử lý mẫu này cho phép hạn chế những nhược điểm và phát huy các ưu điểm của mỗi kỹ thuật xử lý mẫu. Nguyên tắc của kỹ thuật này là xử lý ướt sơ bộ bằng một lượng nhỏ acid để phá vỡ sơ bộ cấu trúc ban đầu của các hợp phần của mẫu và tạo điều kiện phòng ngừa sự bay hơi ở giai đoạn tiếp theo. Sau đó tiến hành nung mẫu ở nhiệt độ thích hợp. Quá trình nung được gia nhiệt dần từ nhiệt độ phòng lên nhiệt độ cần thiết. Với kỹ thuật này, lượng acid dùng để xử lý thường chỉ bằng ¼ hay 1/5 lượng cần dùng cho xử lý ướt. Thời gian nung sẽ nhanh hơn và quá trình xử lý sẽ triệt để hơn xử lý ướt, đồng thời hạn chế được sự mất mát của một số kim loại khi nung. 1.6. MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP HIỆN ĐẠI PHÂN TÍCH HÀM LƢỢNG ĐỒNG, CHÌ VÀ KẼM TRONG MẪU THỰC VẬT HIỆN NAY 1.6.1. - Trong nƣớc TCVN 7766:2007: xác định hàm lượng Pb trong rau bằng GF- AAS với giới hạn phát hiện là 0,0002mg/kg. - TCVN 7766: 2007 (ISO 6633: 1984): xác định hàm lượng chì trong mẫu rau, quả bằng phương pháp đo phổ hấp thụ nguyên tử không ngọn lửa F-AAS. - TCVN 7811-1:2007: xác định hàm lượng Zn trong rau bằng phương pháp phân tích cực phổ với giới hạn phát hiện là 10-7g/g. - TCVN 7811-3:2007: xác định hàm lượng Zn trong rau bằng phương pháp đo phổ dithizon với giới hạn phát hiện là 0,05mg/kg. - TCVN 8126: 2009: xác định hàm lượng chì, kẽm và đồng bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử sau khi đã phân hủy bằng vi sóng. - AOAC 999.11: xác định hàm lượng Cu, Pb, Zn bằng AAS với giới hạn phát hiện tương ứng là 0,04; 0,026; 0,01 mg/kg. 1.6.2. - Trên thế giới Phương pháp AAS: xác định hàm lượng của Cu, Pb và Zn bằng F- AAS với độ nhạy tương ứng là 10; 100 và 1ng/g, bằng GF-AAS với độ nhạy tương ứng là 0,1; 1; 0,01ng/g (EN 14082:2003, EN 14083:2003, EN 14084:2003, AOAC 999.11) - Phương pháp ICP-OES cho phép xác định hàm lượng Cu, Pb và Zn với độ nhạy tương ứng là 10; 100 và 10ng/g. - Phương pháp ICP-AES (giới hạn phát hiện của Cu = 0,001 mg/kg, Pb = 0,020 mg/kg và Zn = 0,001 mg/kg). - Phương pháp ICP-MS cho phép xác định hàm lượng Cu, Pb và Zn với độ nhạy tương ứng là 0,01; 0,11 và 1ng/g. - Xác định hàm lượng Cu bằng phương pháp so màu carbamate (phương pháp IUPAC) với độ nhạy 0,008mg/kg. Các kết quả trên chứng tỏ, cho đến nay, phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử vẫn chiếm ưu thế trong việc xác định hàm lượng các kim loại nặng, đặc biệt ở dạng vết trong các đối tượng mẫu khác nhau. Chƣơng 2. ĐỐI TƢỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU Ion kim loại nặng: Cu2+, Pb2+ và Zn2+. Đất: Đất feralit vàng đỏ ở vùng chuyên canh rau của thành phố Đà Lạt Thực vật: Bó xôi (Spinacia oleracea L.), xà lách mỡ (Lactuca sativa L.), khoai tây (Solanum tuberosum L.), cà rốt (Daucus carota L.). 2.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu xây dựng quy trình xử lý mẫu thực vật trên cơ sở kết hợp hai kỹ thuật vô cơ hóa khô và ướt. - Nghiên cứu áp dụng phương pháp AAS để định lượng các nguyên tố Cu, Pb, Zn trong các đối tượng nghiên cứu. - Khảo sát mức độ tích lũy của các ion kim loại Cu2+, Pb2+ và Zn2+ từ đất ô nhiễm lên sinh khối cây bó xôi, xà lách mỡ, khoai tây và cà rốt. - Khảo sát ảnh hưởng của chế độ canh tác đến sự tích lũy các ion kim loại Cu2+, Pb2+ và Zn2+ từ đất ô nhiễm lên sinh khối các loại rau nghiên cứu bao gồm: sử dụng vôi để cải tạo đất trước khi canh tác, sử dụng các loại phân vô cơ (N, P, K) trong quá trình canh tác. - Khảo sát ảnh hưởng của sự có mặt các ion kim loại khác trong quá trình tích lũy Cu2+, Pb2+ và Zn2+ từ đất ô nhiễm lên sinh khối các loại rau trên. 2.3. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.3.1. Xây dựng mô hình thực nghiệm Mô hình 1: Nghiên cứu khả năng tích lũy các ion kim loại Cu2+, Pb2+ và Zn2+ từ đất trồng bị ô nhiễm lên sinh khối rau bó xôi, xà lách mỡ, cà rốt, khoai tây. Mô hình 2: Nghiên cứu ảnh hưởng của sự thay đổi pH đất trồng do bón vôi đến khả năng tích lũy Cu2+, Pb2+ và Zn2+ từ đất trồng lên sinh khối các loại rau. Mô hình 3: Nghiên cứu ảnh hưởng của các loại phân hóa học N, P, K và hàm lượng của chúng đến khả năng tích lũy Cu2+, Pb2+ và Zn2+ từ đất trồng lên sinh khối các loại rau nghiên cứu. Mô hình 4: Nghiên cứu ảnh hưởng của các ion kim loại khác đến quá trình tích lũy Cu2+, Pb2+ và Zn2+ từ đất trồng lên sinh khối rau bó xôi, xà lách mỡ, cà rốt, khoai tây. 2.3.2. Triển khai mô hình thực nghiệm 2.3.2.1. Chuẩn bị đất Đất sử dụng để triển khai mô hình thực nghiệm được lấy tại khu vực đất chuyên canh rau trên đường Nguyên Tử Lực, phường 8, thành phố Đà Lạt. Đất được lấy ở tầng mặt (0 ÷ 20cm), sau đó đập nhỏ đất, hong khô không khí trong 48 giờ rồi rây qua rây có đường kính lỗ là 2mm. Cân đất đã được rây với khối lượng xác định phù hợp với từng loại cây trồng, dàn mỏng rồi tiến hành phối trộn theo các mô hình đã hoạch định. 2.3.2.2. Gieo trồng và chăm sóc cây Cây giống bó xôi, xà lách mỡ, khoai tây mô được lấy tại vườn ươm, sau đó trồng vào từng nghiệm thức của mô hình với mật độ 10 cây/thùng đối với bó xôi và xà lách, 4 cây/thùng đối với khoai tây. Hạt cà rốt được ủ đến khi hạt nảy mầm, gieo vào từng nghiệm thức trong mô hình với mật độ 20 hạt/thùng. Cây trồng được áp dụng chế độ canh tác thực tế do Chi cục Bảo vệ thực vật tỉnh Lâm Đồng ban hành. 15 ngày sau khi trồng, chỉ để lại những cây phát triển tốt, mật độ 5 cây/thùng đối với xà lách mỡ và bó xôi, 10 cây/thùng đối với cà rốt, 2 cây/thùng đối với khoai tây. Cây trưởng thành được thu hoạch trong cùng thời điểm.