Ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường

Kim Loai Doc Hai Trong Moi Truong 1 Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG TRONG MÔI TRƯỜNG I. GIỚI THIỆU Có 40 nguyên tố được xếp loại vào nhóm kim loại. Nhiều kim loại, như nhóm kiềm thổ và một số vi lượng rất cần thiết cho sự sống và cũng có những chất có độ độc hại rất cao. Những nguyên tố bán đa lượng như calcium(Ca), magnesium(Mg), sắt(Fe), kalium(K) và natrium(Na) là những chất quan trọng cho sự sống nhưng chúng trở nên độc hại khi vượt quá một nồng độ nhất định. Các vi lượng như Cr, Co, Cu, Mn, Ni, Se và Zn có trong cấu tạo của nhiều loại phân tử quan trọng và là các đồng yếu tố (cofactor) của những men có mặt trong các quá trình biến dưỡng. Nồng độ các chất kể trên nếu quá cao cũng trở nên độc hại. Một số chất khác như Pb, Cd và Hg tác hại đến các mô ở bất kỳ nồng độ nào. Các kim loại được dùng làm chất độc từ rất lâu. Chì và bạc đã được dùng vào 2000 năm trước thiên chúa giáng sinh. Theophratus (380 BC) đã đề cập đến As và Hg. Hippocrates là người đầu tiên đề cập đến các cơn đau bụng do tiếp xúc với kim loại. Chì có trong hệ thống ống dẫn nước có liên quan đến sự suy thoái và sụp đổ của đế quốc La Mã. Biến cố ngộ độc thủy ngân do ăn các hải sản ở vịnh Minamata Nhật Bản là một mốc quan trọng giúp nhân loại chú ý hơn về tác động của các kim loại tích lũy trong môi trường. Trong việc xác định các mối nguy hiểm đi kèm với các ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường, việc quan trọng nhất là xác định cho được các sinh vật nhạy cảm nhất đối với kim loại nặng. Thông thường động vật nhạy cảm với kim loại nặng hơn thực vật, và con người nhạy cảm với kim loại nặng hơn hết. II. NGUỒN PHÁT SINH KIM LOẠI NẶNG Vỏ trái đất là nguồn lớn nhất của kim loại nặng. Con người không thể tạo ra hoặc tiêu hủy được kim loại nặng, chúng chỉ bị dịch chuyển do các chu kỳ địa chất và sinh học. Các hoạt động liên quan đến công nghiệp và kỹ thuật của con người mang kim loại ra ngoài các quặng mỏ và tạo ra các dạng kim loại mới rồi đưa kim loại nặng vào môi trường thông qua việc đốt các địa khai. 2.1 Công nghiệp Kim loại nặng gây ô nhiễm môi trường không phải chỉ xuất phát từ thiên nhiên mà còn từ các hoạt động công nghiệp của con người. Việc đốt các sản phẩm địa khai phóng vào không khí khoảng 20 kim loại nặng độc hại trong đó có As, Be, Cd, Pb và Ni. Các sản phẩm công nghiệp và thứ liệu công nghiệp có thể chứa nồng độ kim loại nặng cao. Chẳng hạn, thủy ngân được dùng trong công nghiệp sản xuất ra Cl và sút (NaOH) trong công nghiệp sản xuất bột giấy, sản xuất pin, các bóng đèn huỳnh quang, công tắc điện, sơn, các sản phẩm nông nghiệp, sản phẩm dùng cho răng và dược phẩm. DOWNLOAD» AGRIVIET.COM Kim Loai Doc Hai Trong Moi Truong 2 Chì ở dạng tetraethyl có trong xăng và các nguyên liệu đốt dùng trong công nghiệp là một nguồn gây nhiễm quan trọng. Khi khai quặng kẽm và chì sẽ sinh ra phó sản là cadmium gây ô nhiễm môi trường quan trọng. Cd dùng nhiều trong công nghiệp sản xuất sơn, sắc tố, pin và nhựa. Cd cũng dùng cho các sản phẩm chống ăn mòn thép, sắt, đồng, đồng thau và các hợp kim khác. 2.2 Các sản phẩm nông nghiệp Các kim loại nặng có mặt trong phân bón bao gồm Cd, Cr, Cu, Mn, Mo, Ni và Zn. Nguồn As chủ yếu là từ các thuốc BVTV. Arsenat chì là một chất thường có trong nước thải công nghiệp và cũng là một chất dùng trong BVTV. 2.3 Thực phẩm và các phụ gia thực phẩm Đối với người, con đường hấp thu kim loại nặng nhiều nhất là thông qua các loại thực phẩm và các phụ gia thực phẩm. Sự hấp thu kim loại nặng thường thông qua hai cách: cách thứ nhất là do sự nuốt tình cờ các thực phẩm hoặc vật chất có chứa kim loại nặng. Chẳng hạn trẻ em thường hay nuốt phải các thỏi sơn chứa chì. Trong các thỏi sơn, lượng chứa kim loại nặng thường từ 50 đến 100g trên 1 cm2. Nuốt một vài thỏi sơn mỗi ngày là lượng chì đã quá mức cho phép hấp thu hàng ngày (Acceptable Daily Intake). Thời đế quốc La Mã (509 - 476 AD), nước được dẫn đến các gia đình quý tộc bằng ống chì, do vậy họ tiêu thụ một lượng chì rất lớn. Ngoài ra nhiều vật chứa đựng thức ăn cũng chứa chì. Do vậy họ hấp thu một lượng chì lớn và dẫn đến các bệnh tật thần kinh kinh niên. Cách thứ hai là từ sự tích lũy tăng bội sinh học qua chuỗi thực phẩm. Một ví dụ điển hình là sự tích lũy thủy ngân methyl trong cá ở vịnh Minamata Nhật bản. Người ta cũng tìm thấy Cd trong thịt, cá và trái cây. Chất bùn cống và bùn từ nhà máy xử lý nước thải ngoài lượng N, P và S cũng chứa các kim loại nặng như Cd, Cr, Cu, Pb, Hg, Ni và Zn thường được đem dùng làm phân trong sản xuất nông nghiệp. Kim loại nặng ít rửa trôi trong điều kiện đất không bị chua hóa nhưng chúng vẫn được cây hút vào rồi đi vào chuỗi thực phẩm. III. CÁC YẾU TỐ MÔI TRƯỜNG ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘC TÍNH KIM LOẠI NẶNG Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự biến dưỡng và tác động của kim loại nặng. Các yếu tố này bao gồm tính chất đặc thù của sinh vật tiếp xúc với kim loại nặng. Các tính chất này gồm: tuổi, khẩu phần, tìng trạnh miễn dịch, tính phái và giống loài. Độc tính của kim loại nặng cũng bị biến đổi khi sinh vật tiếp xúc cùng lúc hoặc trước đó với những điều kiện phi sinh vật như ánh sáng, ẩm độ, tốc độ gió, lượng mưa, độ phóng xạ và sự thay đổi nhiệt độ. DOWNLOAD» AGRIVIET.COM Kim Loai Doc Hai Trong Moi Truong 3 3.1 Nhiệt độ Sự thay đổi của nhiệt độ môi trường bên ngoài ảnh hưởng đến sự biến dưỡng của các vật chất phi sinh học ở động vật máu nóng lẫn máu lạnh. Có hai loại tác động của nhiệt độ: sự gia tăng tính độc có thể diễn ra khi có sự tăng hoặc giảm nhiệt độ. Thông thường khi nhiệt độ nước biển gia tăng thì độ độc của kim loại nặng lên các sinh vật vô sống tăng theo (có một số ngoại lệ). Tuy nhiên không thể suy luận ra mối quan hệ đặc trưng giữa độc tính của kim loại nặng và các loài cá nước biển hoặc nước ngọt. Chẳng hạn nếu cá hồi tiếp xúc với nitrate bạc thì độc tính thay đổi theo nhiệt độ, nhưng khi cá này tiếp xúc với đồng thì độc tính lại tỉ lệ nghịch với nhiệt độ. Tương tự, độc tính của Cd đối với loài cá khác cá hồi tỷ lệ nghịch với nhiệt độ, trong khi đó đối với cá Oryzias latipes thì ngược lại. Ở các động vật đẳng nhiệt, các loài hữu sống trên cạn, ảnh hưởng của nhiệt độ bị biến đổi do sự tác động của các hormones, trong khi đó ở các động vật vô sống trên cạn và thực vật thì có sự gia tăng đồng hóa ở nhiệt độ cao 3.2 Ánh sáng Tính chất thay đổi giữa ngày và đêm của biến dưỡng tùy thuộc vào chu kỳ sáng hơn là cường độ sáng. Các loại men liên quan đến sự giải độc có một nhịp điệu ngày đêm trong đó hoạt tính mạnh nhất xảy ra vào một thời khoảng nào đó trong chu kỳ sống. Hoạt tính mạnh nhất của cytochrom P450 trong các phản ứng giải độc, diễn ra vào thời kỳ đầu của pha tối. Sự biến đổi tỉ lệ sáng tối cũng ảnh hưởng sâu sắc đến biến dưỡng kim loại ở một số sinh vật như bọn isopod Oniscus asellus. Bọn này biến thái ở điều kiện sáng 18 giờ và tối 8 giờ nhưng sẽ ngừng biến thái nếu tỉ lệ sáng/tối kể trên đảo ngược lại. 3.3 pH pH là một yếu tố phi sinh vật quan trọng qui định tính dễ sử dụng của kim loại cho thực vật. Sự phân hủy của xác bã hữu cơ làm giảm pH đất do sự phóng thích các acid hữu cơ. Sự giảm pH làm tăng tính di động của các loại muối kim loại nặng trong đất. Mưa acid thúc đẩy sự di động của kim loại độc và không độc trong nước và đất và cũng có thể thúc đẩy sự biến đổi một số kim loại nặng sang các thể độc hại hơn 3.4 Sự thích ứng, sự tiếp xúc thay đổi và sự trộn lẫn: Các số liệu về độ độc cấp tính (chứ không phải là các nghiên cứu về độ độc kinh niên trong phòng thí nghiệm) cho thấy có sự thích ứng với độc tính của các kim loại nặng. Trắc nghiệm tính độc với cá hồi (Salmo gairdneri) cho thấy là nếu tiếp xúc trước với đồng trong vòng 21 ngày thì sẽ có sự quan hệ chặt chẽ giữa sự tiếp xúc trước với đồng và LC50 cấp tính. Cá hồi Salmon gairdneri khi bị tiếp xúc trước với kim loại nặng độc hại sẽ có được tính kháng tạm thời với phần lớn kim loại và sẽ mất đi tính kháng này nếu được cho vào một môi trường trong sạch. Hỗn hợp các kim loại nặng thường làm gia tăng tính độc. Có một ít trường hợp khi cho một kim loại nặng vào sẽ làm giảm tính độc của loại khác. Chẳng hạn bạc làm giảm tác dụng của Cd đối với vỏ trứng cá bơn. DOWNLOAD» AGRIVIET.COM Kim Loai Doc Hai Trong Moi Truong 4 IV. CÁC KIM LOẠI NẶNG ĐỘC HẠI TRONG KHÍ QUYỂN Khí quyển là một thực thể biến đổi bao gồm bốn vùng: troposphere, stratosphere, mesosphere và thermosphere. Bốn vùng này được phân cắt bởi ba vùng nghịch đảo nhiệt gọi là tropopause, stratopause và mesopause. Vùng gần mặt đất là troposhere và là vùng có sự di chuyển của kim loại nặng nhiều nhất. Nhiệt độ và gió có ảnh hưởng đến tốc độ di chuyển và lượng của kim loại nặng , các vật chất lơ lửng, aerosol và hơi nước. Sự thay đổi nhiệt độ không khí làm tăng sự thăng động. Ở trong tầng tropo, nhiệt độ không khí giảm khi cao độ tăng nhưng đôi khi cũng xảy ra nghịch đảo nhiệt gây ra sự di chuyển luồng khí theo chiều ngang và tăng sự hòa trộn. Trường hợp nổ lò nguyên tử ở Chernobyl năm 1986, kim loại nặng đã di chuyển rất xa theo hai hướng và phủ trùm xuống toàn bộ Châu Âu trong vòng hai tuần. Núi lửa đưa nhiều kim loại nặng vào trong thiên nhiên nhất. Antimony(Sb), As, Cd, Pb và Se được phun vào không khí và nhiều kim loại nặng khác theo dung nham chảy ra đất. Gió thường cuốn kim loại nặng từ vùng rừng bị cháy và các nguồn khác phát xuất từ hoạt động của con người đi các nơi khác. Nguồn nhân tạo của kim loại nặng gồm: (1) các khu vực công nghiệp và động cơ đốt các nhiên liệu địa khai như than, dầu và khí thiên nhiên, (2) nhà máy chế tạo và đúc kim loại, (3) mỏ và lò nung chảy kim loại nặng, (4) máy thiêu rác và nơi sản xuất xi măng. Nồng độ kim loại nặng trong không khí ở vùng thôn quê và vùng xa xôi rất thấp, chỉ có nguồn từ tự nhiên mà thôi. Đốt than và dầu sinh ra As, bismuth (Bi), Cd, Pb, Cu, Mn, Hg, Ni, Se và Zn vào trong bầu khí quyển. Ở bầu khí quyển đô thị còn tìm thấy cả antimony(Sb) và indium (In). Các kim loại trong không khí cuối cùng cũng lắng tụ xuống đất ở dạng khô hoặc theo nước mưa hoặc tuyết và gây độc cho các vùng sinh thái cạn và nước. V. KIM LOẠI NẶNG TRONG NƯỚC VÀ BÙN Kim loại nặng có mặt trong nước ở thể hòa tan hoặc lắng tụ trong bùn đáy(nơi chứa chủ yếu của kim loại nặng). Ở khu vực cửa sông, kim loại nặng từ không khí và trong nước tích tụ lại, diễn ra các phản ứng hóa lý phức tạp trước khi đổ ra biển. Mưa acid, rửa trôi, chảy tràn, xói mòn đất và phân rã các khoáng vật làm tăng nồng độ của kim loại nặng trong vực nước tự nhiên. Nguồn gốc kim loại nặng do con ngưởi tạo ra gồm: khai thác mỏ, nấu kim loại, rửa trôi từ các nơi thải rác, nước chảy tràn vùng đô thị, nước thải và nước chảy tràn trong nông nghiệp. Nước sông có nồng độ kim loại nặng cao hơn biển vì nó nhận trực tiếp các nguồn thải tập trung và phân tán. Nồng độ kim loại nặng trong sông thay đổi tùy theo dân số hai bên bờ và theo mùa nước. Nồng độ kim loại nặng thay đổi tỷ lệ nghịch với tốc độ nước chảy và khoảng cách tính từ nguồn thải. Trên biển, nguồn tích lũy quan trọng nhất là từ không khí (nhất là đối với chì, khoảng 90% tổng số). Nồng độ của kim loại nặng trong bùn đáy biển thay đổi tùy theo vị trí địa lý. Nước biển vùng DOWNLOAD» AGRIVIET.COM Kim Loai Doc Hai Trong Moi Truong 5 ven bờ gần với các nguồn thải nên có nồng độ kim loại nặng cao nhất. Trong trắc diện bùn đáy, kim loại nặng phân bố nhiều nhất ở lớp trên cùng tiếp xúc với nước và giảm dần theo chiều sâu. Sự phân bố này có thể bị thay đổi do những sự xáo trộn bởi hoạt động của sinh vật đáy hoặc động đất ở đáy biển. Sự ô nhiễm kim loại nặng các vực nước đã được biết đến từ rất lâu, chẳng hạn như sự tích lũy kim loại nặng ở xứ Wales nước Anh đã được ghi nhận từ đầu thế kỷ 19, qua đầu thế kỷ 20 ở một số vực nước chỉ hiện diện các cộng đồng vô sống, trong nước không còn cá nữa. Sự kiện nổi bật làm thế giới chú ý đến là ô nhiễm Hg gây chết người ở Minamata Nhật bản và Cd gây bệnh Itai Itai cũng xảy ra ở Nhật bản. Aûnh hưởng của kim loại nặng trên các sinh vật nước rất khó xác định vì nó lệ thuộc vào nhiều đặc tính lý hóa và vận tốc của dòng chảy. Ngoài ra đặc điểm và kích thước của các thể hạt mà kim loại gắn vào cũng ảnh hưởng đến tính độc của kim loại nặng. Muốn đi vào cơ thể sinh vật, kim loại nặng phải ở thể ăn được hoặc hòa tan trong nước. Sự chelat hóa của kim loại nặng với phân tử chất hữu cơ có thể biến đổi phản ứng hóa học và thay đổi tính thấm qua màng và do đó thay đổi mức hấp thu kim loại nặng của sinh vật. Aûnh hưởng của kim loại nặng lên sinh vật trong môi trường nước rất thay đổi từ giảm sinh trưởng cho đến chết. Thông thường thủy sinh vật còn non dễ bị ảnh hưởng bởi kim loại nặng hơn là sinh vật lớn, tuy nhiên cũng có ngoại lệ như trứng của một vài loại cá nước ngọt không nhạy cảm với kim loại nặng và ấu trùng của côn trùng thường chống chịu kim loại nặng mạnh hơn con trưởng thành. VI. KIM LOẠI NẶNG TRONG MÔI TRƯỜNG CẠN Nhiều kim loại nặng sẵn có trong vỏ trái đất được phóng thích ra đất theo các quá trình phong hóa nhưng nguồn kim loại nặng lớn nhất vẫn là từ các núi lửa. Nguồn kim loại nặng do con người tạo ra gồm đốt nhiên liệu địa khai, chế tạo kim loại, đúc kim loại, hỏa thiêu rác và sản xuất xi măng. Kim loại nặng được đưa vào đất thông qua các loại phân bón, thuốc sát trùng và trong các chất thải được đưa vào làm phân bón trong nông nghiệp. Các kim loại nặng chủ yếu tìm thấy trong đất là: As, Cd, Pb, Hg, Se. Kế đến là antimony, bismuth, indium, tellurium và thallium. Những mức kim loại nặng cao hơn mức ghi ở Bảng 4 có thể tìm thấy được ở đất mỏ hoặc đất nông nghiệp dùng nhiều thuốc trừ dịch hại và bùn từ nhà máy xử lý nước thải. Ở gần các nhà máy luyện kim, nồng độ antimony và Cd cao. Ở gần nhà máy chế tạo kim loại hoặc ở các vùng đất nông nghiệp dùng thuốc chứa As thì nồng độ As cao, đôi khi đến 600 μg/g. Nguồn chì gồm có: nơi chế tạo các sản phẩm kim loại, chì từ tetraetyl chì của xăng trong xe, trong sơn và từ lò luyện kim. Nồng độ chì trong đất có khi lên đến 10%. Thủy ngân trong đất bắt nguồn từ các mỏ, từ sản xuất dichlorine và sút cũng như từ các thủy ngân dùng trong nông nghiệp. Bảng 1 Mức kim loại ở đất mặt DOWNLOAD» AGRIVIET.COM Kim Loai Doc Hai Trong Moi Truong 6 Kim loại Mức biến thiên (μg. g -1) Trung bình (μg. g -1) Sb 0.05 – 260 0.9 As <0.1 – 97 11.3 Bi 0.13 – 10 0.2 Cd 0.1 - 1.0 0.62 In 0.7 - 3.0 1.0 Pb 1 – 888 29.2 Hg 0.005 - 1.11 0.098 Se 0.005 – 230 0.4 Te 0.5 – 37 - Tl 0.03 - 5.0 0.4 Bảng 2 Mức độ hấp thu tương đối của cây đối với một số kim loại Cây Thạch tín (As) Cadmium Chì Thủy ngân Đậu Thấp Thấp – trung bình Bắp cải Cao Trung bình - thấp Thấp Xà lách Cao Cao Cao - Trung bình Đậu Thấp Trung bình - thấp Thấp Radish Trung bình Thấp – trung bình Cao Spinach Thấp Cao Cà chua Cao Trung bình Turnip Trung bình Cao Cao Bắp Trung bình Trung bình Thấp Lúa mạch Cao Thấp Thấp Lúa Thấp Thấp Lúa mì Cao Thấp Thấp Nho Cao Sơ ri Trung bình Đào Thấp Lê Cao Thực vật hấp thu kim loại nặng do bộ rễ hút hoặc qua lá nhưng qua rễ là phổ biến hơn cả. Kim loại nặng được hút vào rễ theo khuynh độ nồng độ xuyên qua màng tế bào. Trong cây, kim loại nặng được vận chuyển theo mô mộc đi đến các bộ phận của cây. Tính chuyển vị của kim loại nặng thay đổi tùy theo từng cây nhưng thông thường thì cao nhất ở rễ và thấp nhất ở hạt. DOWNLOAD» AGRIVIET.COM Kim Loai Doc Hai Trong Moi Truong 7 Kim loại nặng được hấp thu qua biểu bì lá, hấp thu mạnh nhất là kim loại nặng ở thể mù (aerosol). Nồng độ kim loại nặng thay đổi trong các bộ phân sử dụng của cây. Chì thay đổi từ 0,001 μg/g đến 20μg/g. Thực vật có độ hấp thu kim loại nặng khác nhau (xem Bảng 2). Phần lớn các loài thực vật không thể tồn tại ở đất có nồng độ kim loại nặng quá cao nhưng vẫn có ngoại lệ. Do quy tắc sinh tồn, vẫn có một số thực vật biến đổi di truyền để chịu đựng dần với nồng độ kim loại cao trong đất. Cây táo tây rất mẫn cảm với nồng độ kim loại nặng cao trong đất và trở nên bất thụ. Sự hấp thu As của cây thay đổi tùy theo hợp chất As, giống cây, loại đất và khí hậu. Chẳng hạn, rau cải tích lũy nhiều As khi trồng ở đất chứa arsenate chì nhưng không tích lũy nhiều ở đất có arsenic trioxide. Ở đất có nhiều chì arsenate thì củ cải, củ radi, xà lách tăng hấp thu As trong khi đó cà rốt, brocoli, cà tím và cà tô mát không bị ảnh hưởng gì. Cd độc cho nhiều loài cây ở nồng độ thấp và cũng như Zn có thể được vận chuyển vào trong cây dễ dàng. Một số loài cây tích lũy sinh học Cd và Zn đến mức cao hơn nồng độ trong đất, tỉ lệ hàm lượng cây/đất có khi đến 10 lần trong khi trường hợp bình thường đối với Zn là 0,6, Cu và Pb là 0,4. Sự hấp thu Cd ở đậu nành và lúa mì lớn hơn cả, thấp nhất là bắp, lúa và một số loại đậu khác. Phần lớn Cd đi vào cơ thể con người là qua các loại hạt kể trên. Con người có thể hấp thu trực tiếp kim loại nặng từ thực vật hoặc thông qua các chuỗi thực phẩm khác. Các sinh vật vô sống trong đất như trùn, cuốn chiếu (millipedes) và isopod kích thích sự phân hủy xác bã hữu cơ bằng cách làm gia tăng bề mặt phân hủy của vi khuẩn. Bọn centipedes và nhện là sinh vật ăn các isopod sống trong đất và chuyển kim loại nặng từ các sinh vật tiêu thụ bậc nhất sang