Tài liệu Đánh giá khả năng tạo chất hoạt hóa bề mặt sinh học của vi khuẩn, ứng dụng xử lý môi trường nhiễm kim loại nặng Luận văn ThS. Khoa học môi trường và bảo vệ môi trường

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- NGUYỄN THỊ THU HÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TẠO CHẤT HOẠT HÓA BỀ MẶT SINH HỌC CỦA VI KHUẨN, ỨNG DỤNG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG NHIỄM KIM LOẠI NẶNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- NGUYỄN THỊ THU HÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TẠO CHẤT HOẠT HÓA BỀ MẶT SINH HỌC CỦA VI KHUẨN, ỨNG DỤNG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG NHIỄM KIM LOẠI NẶNG Chuyên ngành: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG Mã số : 60 44 03 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. KIỀU THỊ QUỲNH HOA TS. TRẦN THỊ HUYỀN NGA Hà Nội – Năm 2014 LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới TS. Kiều Thị Quỳnh Hoa, phó Trưởng phòng Phòng Vi Sinh Vật Dầu Mỏ, Viện Công nghệ Sinh học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, đồng hướng dẫn TS. Trần Thị Huyền Nga Giảng viên Khoa Môi trường, đã tận tình hướng dẫn và truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm quý báu cho tôi trong suốt quá trình thực tập và làm luận văn tốt nghiệp. Để hoàn thành luận văn này, tôi xin cảm ơn các cán bộ, học viên, sinh viên thuộc Phòng Vi Sinh Vật Dầu Mỏ, Viện Công nghệ Sinh học đã hỗ trợ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình làm thực nghiệm. Đồng thời, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến tập thể thầy cô giáo Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội đã truyền thụ những kiến thức quý báu cho tôi trong suốt quá trình học tập. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè, những người đã quan tâm giúp đỡ, động viên và khuyến khích tôi trong suốt thời gian qua để tôi hoàn thành luận văn được tốt hơn. Tuy đã có những cố gắng nhất định nhưng do thời gian và trình độ có hạn nên chắc chắn luận văn này có nhiều thiếu sót và hạn chế nhất định. Kính mong nhận được sự góp ý của thầy cô và các bạn. Hà Nội, tháng 12 năm 2014 Học viên cao học Nguyễn Thị Thu Hà CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN KLN Kim loại nặng CHHBMSH Chất hoạt hóa bề mặt sinh học CHHBM Chất hoạt hóa bề mặt TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam CMC Nồng độ mixen tối thiểu HC Hydrocacbon WHO Tổ chức sức khỏe thế giới EEC Cộng đồng kinh tế Châu Âu DNA Deoxyribonucleoic Acid BTNMT Bộ tài nguyên môi trường HKTS Hiếu khí tổng số DO Diesel Oil DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Hàm lượng KLN trong chất thải của một số mỏ vàng điển hình tại Úc…….5 Bảng 1.2. Phân loại CHHBMSH tạo ra từ vi sinh vật…………………………….…..14 Bảng 1.3. Một số loài vi sinh vật có khả năng tạo CHHBMSH………………….…..19 Bảng 3.1. Đặc điểm hình thái khuẩn lạc và tế bào của 24 chủng vi khuẩn nghiên cứu...................................................................................................................................38 Bảng 3.2. Khả năng sinh trưởng và tạo CHHBMSH của các chủng vi khuẩn nghiên cứu…………………………………………………………………………….40 Bảng 3.3. Khả năng loại Cd và Pb của CHHBMSH tạo ra từ chủng CB5a…………..55 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Mối quan hệ giữa nồng độ CHHBMSH và sự hình thành các mixen, sức căng bề mặt……………………………………………………………………….26 Hình 1.2. Cơ chế loại kim loại nặng từ đất của CHHBMSH…………………………..27 Hình 3.1. Hình thái khuẩn lạc của chủng vi khuẩn CB5a…………………………….42 Hình 3.2. Hình thái tế bào của chủng CB5a dưới kính hiển vi điện tử quét ……….42 Hình 3.3. Ảnh hưởng của các nguồn carbon khác nhau đến sinh trưởng và tạo CHHHBMSH của chủng CB5a……………………………………………………….44 Hình 3.4. Khả năng tạo CHHBMSH của chủng CB5a ở các nguồn carbon khác nhau………………………………………………………………………………..….44 Hình 3.5. Ảnh hưởng của nồng độ glycerol đến sinh trưởng và tạo CHHBMSH của chủng CB5a………………………………………………………………………........46 Hình 3.6. Khả năng tạo CHHBMSH của chủng CB5a ở các hàm lượng glycerol nuôi cấy khác nhau…………………………………………………………………….47 Hình 3.7. Ảnh hưởng của các nguồn nitơ khác nhau đến quá trình sinh trưởng và tạo CHHBMSH của chủng CB5a………………………………………………………….48 Hình 3.8. Khả năng tạo CHHBMSH của chủng CB5a ở các nguồn nitơ khác nhau….48 Hình 3.9. Ảnh hưởng của hàm lượng Urea đến sinh trưởng và tạo CHHBMSH của chủng CB5a……………………………………………………………………………50 Hình 3.10. Khả năng sinh trưởng và tạo CHHBMSH của chủng CB5a ở các hàm lượng Urea khác nhau…………………………………………………………………………50 Hình 3.11. Ảnh ưởng của nhiệt độ đến khả năng sinh trưởng và tạo CHHBMSH của chủng CB5a…………………………………………………………………………….51 Hình 3.12. Khả năng tạo CHHBMSH của chủng CB5a ở các nhiệt độ khác nhau…....52 Hình 3.13. Ảnh hưởng của pH đến khả năng sinh trưởng và tạo CHHBMSH của chủng CB5a……………………………………………………………………………………53 Hình 3.14. Khả năng tạo CHHBMSH của chủng CB5a ở các điều kiện pH môi trường khác nhau………………………………………………………………………………54 MỤC LỤC MỞ ĐẦU……………………………………………………………………….......................1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU…………………………………………………….3 1.1. Ô nhiễm kim loại nặng………………………………………………………………..3 1.1.1. Khái niệm kim loại nặng……………………………………………………………3 1.1.2. Tính độc hại của kim loại nặng………………………………………………..........4 1.1.3. Ô nhiễm Chì (Pb)……………………………………………………………………6 1.1.3.1. Sự phân bố - dạng tồn tại của chì trong môi trường………………………………6 1.1.3.2. Nguồn ô nhiễm…………………………………………………………………………7 1.1.3.3. Tính độc của Chì……………………………………………………………………...9 1.1.4. Ô nhiễm Cadimi (Cd)……………………………………………………………..10 1.1.4.1. Sự phân bố - dạng tồn tại của cadimi trong môi trường………………….........10 1.1.4.2. Nguồn ô nhiễm………………………………………………………………………..11 1.1.4.3. Tính độc của Cadimi……………………………………………...........................11 1.1.5. Hiện trạng ô nhiễm Chì và Cadimi ở Việt Nam………………………………….12 1.2. Chất hoạt hóa bề mặt sinh học (CHHBMSH)…………………………................13 1.2.1. Khái niệm chất hoạt hóa bề mặt sinh học……………………………………….13.. 1.2.2. Phân loại chất hoạt hóa bề mặt sinh học…………………………………..…….13 1.2.3. Tính chất của chất hoạt hóa bề mặt sinh học……………………………….........16 1.2.3.1. Hoạt tính bề mặt………………………………………………………………........16 1.2.3.2. Khả năng chịu nhiệt, pH và chịu lực ion………………………………….….….17 1.2.3.3. Khả năng phân hủy sinh học và tính độc thấp…………………………….…….17 1.2.3.4. Sự hình thành nhũ hóa chủa CHHBMSH………………………………………..17 1.2.3.5. Đa dạng về cấu trúc hóa học………………………………………………….......18 1.2.4. Vi sinh vật có khả năng tạo chất hoạt hóa bề mặt sinh học…………………........18 1.2.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tạo chất hoạt hóa bề mặt sinh học……….....20 1.2.5.1. Ảnh hưởng của nguồn cacbon……………………………………………............20 1.2.5.2. Ảnh hưởng của nguồn nitơ………………………………………………………...21 1.2.5.3. Ảnh hưởng của các yếu tố môi trường………………………………………..…..22 1.2.6. Ứng dụng của chất hoạt hóa bề mặt sinh học trong công nghiệp và xử lý ô nhiễm môi trường…………………………………………………………………………………….22 1.3. Một số phương pháp xử lý kim loại nặng…………………………………….......23 1.3.1. Xử lý bằng phương pháp hóa học……………………………………………….23 1.3.2. Xử lý bằng phương pháp hóa lý……………………………………………........23 1.3.3. Xử lý bằng phương pháp sinh học…………………………………………….....24 1.4. Xử lý kim loại nặng bằng chất hoạt hóa bề mặt sinh học………………………..25 1.4.1. Cở chế xử lý đất nhiễm kim loại nặng bằng CHHBMSH………………………..25 1.4.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam…………………………………27 CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU…………………………29 2.1. Vật liệu…………………………………………………………………………………29 2.1.1. Chủng giống………………………………………………………………………...29 2.1.2. Hóa chất……………………………………………………………………….........29 2.1.3. Thiết bị máy móc…………………………………………………………………...30 2.1.4. Môi trường nuôi cấy………………………………………………………………..30 2.2. Phương pháp nghiên cứu……………………………………………………………..31 2.2.1. Phương pháp nghiên cứu đặc điểm hình thái của vi khuẩn………………………..31 2.2.2. Phương pháp xác định Gram của vi khuẩn………………………………………...32 2.2.3. Phương pháp quan sát hình thái tế bào dưới kính hiển vi quang học....................32 2.2.4. Phương pháp quan sát hình thái tế bào bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM - Scanning Electron Microscope)..................................................................32 2.2.5. Phương pháp phân lập vi khuẩn tạo CHHBSMH trên môi trường chọn lọc.........33 2.2.6. Phương pháp đánh giá khả năng sinh tổng hợp CHHBMSH của các chủng vi khuẩn phân lập thông qua chỉ số nhũ hoá E24.......................................................33 2.2.7. Đánh giá khả năng sinh trưởng của vi khuẩn dựa vào phương pháp đo độ đục của dung dịch nuôi cấy (OD).......................................................................................34 2.2.8. Phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng của các điều kiện môi trường nuôi cấy lên khả năng sinh trưởng và tạo CHHBMSH..............................................................34 2.2.9. Lên men, tách chiết và tinh sạch CHHBMSH......................................................35 2.2.10. Loại Cd và Pb từ đất ô nhiễm bằng CHHBMSH…………………………...…35 2.2.11. Phân tích trình tự gen 16S rDNA định tên đến loài chủng CB5a……………...36 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.....................................................................38 3.1. Đặc điểm hình thái khuẩn lạc, đặc điểm gram các chủng vi khuẩn phân lập......38 3.2. Khả năng tạo CHHBMSH của các chủng vi khuẩn..................................................40 3.3. Đặc điểm hình thái khuẩn lạc, hình thái tế bào chủng vi khuẩn CB5a……………41 3.4. Định tên loài chủng CB5a…….…………………………………………………….43 3.5. Ảnh hưởng các yếu tố môi trường đến khả năng tạo CHHBMSH của chủng vi khuẩn nghiên cứu………………………………………………………………………..43 3.5.1. Ảnh hưởng của nguồn cacbon lên quá trình sinh trưởng và tạo CHHBMSH của chủng vi khuẩn nghiên cứu…………………………………………………………......43 3.5.2. Ảnh hưởng của nồng độ Glycerol………………………………………………..45 3.5.3. Ảnh hưởng của nguồn nitơ ……………………………………………………...47 3.5.4. Ảnh hưởng của nồng độ Urea đến quá trình sinh trưởng và tạo CHHBMSH của chủng CB5a……………………………………………………………………………..49 3.5.5. Ảnh hưởng của nhiêt độ nuôi cấy………………………………………………..51 3.5.6. Ảnh hưởng của pH đến khả năng sinh trưởng và tạo CHHBMSH của chủng CB5a………………………………………………………………………………….52 3.6. Nghiên cứu khả năng xử lý đất nhiễm Cd và Pb từ đất bằng CHHBMSH tạo ra bởi chủng CB5a……………………………………………………………….............54 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ…………………………………………………………...56 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………………………...57 MỞ ĐẦU Ô nhiễm kim loại nặng đang là vấn đề môi trường được quan tâm ở Việt Nam và trên thế giới. Ô nhiễm kim loại nặng gia tăng cùng với sự phát triển của quá trình công nghiệp hóa cũng như các hoạt động khai thác khoáng sản. Kim loại nặng như Pb, Cd, Cr, Cu, As, Zn, Hg và Ni... được xem là những nguyên tố chính gây ô nhiễm. Sự tích tụ của những kim loại nặng độc hại này trong đất và nước gây ảnh hưởng tiêu cực tới con người, sinh vật cũng như môi trường xung quanh. Đặc biệt, ở người, các bệnh thường gặp ở những vùng ô nhiễm kim loại nặng là bệnh viêm đường hô hấp, quái thai, gan, thận, ung thư, sẩy thai, thai chết lưu.... Các phương pháp thường được sử dụng để xử lý đất nhiễm kim loại nặng bao gồm: kết tủa, hấp phụ, trao đổi ion, ổn định hóa, chôn lấp... Tuy nhiên, phương pháp kết tủa, hấp phụ, trao đổi ion thường có giá thành cao, gây ô nhiễm thứ cấp do sử dụng nhiều hóa chất, phương pháp ổn định hóa và chôn lấp lại đòi hỏi nhiều diện tích để xử lý. Với những đặc tính như tính hòa tan, ổn định và tạo được phức bền với kim loại, chất hoạt hóa bề mặt sinh học (CHHBMSH) tạo bởi vi sinh vật có tiềm năng xử lý hiệu quả kim loại từ môi trường ô nhiễm. CHHBMSH là hợp chất sinh học do vi sinh vật (vi khuẩn, nấm men, nấm mốc) tạo ra chứa cả hai nhóm chức ưa nước và kị nước trong cùng một phân tử. Vì vâỵ, chúng có thể tập trung tác động tương hỗ với nhau làm giảm sức căng bề mặt, đồng thời làm giảm lực hút tĩnh điện ở bề mặt tiếp giáp giữa hai pha (lỏng –lỏng; lỏng – rắn) giúp CHHBMSH (tích điện âm) dễ dàng tiếp xúc và tạo phức bền vững với kim loại nặng (tích điện dương). Ưu điểm của việc ứng dụng CHHBMSH để xử lý kim loại nặng là tính tương hợp, khả năng phân hủy sinh học, an toàn với môi trường, giá thành rẻ do có thể tận dụng được các chất thải làm nguồn carbon, nitơ, không tạo nhiều cặn dư thừa gây ô nhiễm thứ cấp cho môi trường và chịu được các yếu tố môi trường (pH, nhiệt độ, ...) khắc nghiệt. Do những ưu điểm vượt trội kể trên, nghiên cứu xử lý kim loại nặng bằng CHHBMSH hiện thu hút được sự quan tâm của 1 nhiều nhà khoa học trên thế giới. Tuy nhiên, ở Việt Nam hướng nghiên cứu này vẫn còn mới mẻ. Từ thực trạng ô nhiễm kim loại nặng nói chung, cũng như cadimi (Cd) và chì (Pb) nói riêng, cùng với nhu cầu tìm kiếm các giải pháp phù hợp để xử lý môi trường nhiễm kim loại nặng hiệu quả ở Việt Nam, chúng tôi thực hiện đề tài luận văn “Đánh giá khả năng tạo chất hoạt hóa bề mặt sinh học của vi khuẩn, ứng dụng xử lý môi trường nhiễm kim loại nặng”.  MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU: • Lựa chọn được một chủng vi khuẩn có khả năng tạo chất hoạt hóa bề mặt sinh học cao, cùng các điều kiện sinh trưởng và tạo CHHBMSH tối ưu. • Đánh giá được khả năng loại chì (Pb) và cadimi (Cd) trong đất ô nhiễm bằng CHHBMSH tạo bởi chủng vi khuẩn lựa chọn.  Đưa ra các phương pháp tiếp cận mới nhằm xử lý đất ô nhiễm KLN.  KẾT QUẢ CHÍNH ĐÃ ĐẠT ĐƯỢC: • Lựa chọn được một chủng vi khuẩn CB5a có khả năng tạo chất hoạt hóa bề mặt sinh học cao. • Phân tích trình tự 16S rDNA: chủng CB5a tương đồng 99,9% với loài Pseudomonas aeruginosa. • Tìm được điều kiện tối ưu cho sinh tổng hợp CHHBMSH của chủng vi khuẩn CB5a là 37oC, pH 7, 2% Glycerol, 2g urea/l với chỉ số nhũ hóa E24 đạt 60%. • Hiệu quả loại chì và cadimi trong đất bằng CHHBMSH tạo bởi chủng CB5a lần lượt là 89 và 79% sau 3 ngày thí nghiệm. 2 Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Ô nhiễm kim loại nặng 1.1.1. Khái niệm kim loại nặng Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều quan điểm về kim loại nặng, như: - Quan điểm phân loại theo tỉ trọng: cho rằng kim loại nặng là các kim loại có tỉ trọng (ký hiệu d) lớn hơn 5, bao gồm: Pb (d = 11,34), Cd ( d = 8,6), As (d = 5,72), Zn (d = 7,10) Co (d = 8,9), Cu (d = 8,96), Cr (d = 7,1), Fe (d = 7,87), Mn ( d = 7,44)....Trong số các nguyên tố này có một số nguyên tố được coi là nguyên tố vi lượng cần cho dinh dưỡng của con người, cây trồng và sinh vật ở liều lượng thấp, ví dụ: Mn, Co, Cu, Zn, Fe….Tuy nhiên, với hàm lượng cao các nguyên tố này sẽ gây độc [53]. - Theo quan điểm độc học: kim loại nặng là các kim loại có nguy cơ gây nên các vấn đề về môi trường, bao gồm: Cu, Zn, Pb, Cd, Hg, Ni, Cr, Co, Vn, Ti, Fe, Mn, Ag, Sn, As, Se. Có 4 nguyên tố được quan tâm nhiều là Pb, Cd, As và Hg. Bốn nguyên tố này gây độc cho sinh vật và con người kể cả ở liều lượng thấp [7]. Một định nghĩa khác cho rằng, kim loại nặng là những nguyên tố có đặc tính kim loại và có số nguyên tử lớn hơn 20. Các nguyên tố này thường ở dạng vết trong môi trường đất tự nhiên [43]. Các kim loại nặng phổ biến nhất là: Cd, Cr, Cu, Zn, Pb, Hg. Các KLN nói chung ở nồng độ cao là yếu tố cực kì độc hại đối với quá trình trao đổi chất của tế bào. Ô nhiễm KLN có thể dẫn đến mất cân bằng của các loài động, thực vật bậc cao, đặc biệt trong môi trường đất chứa hàm lượng KLN cao thực vật phát triển kém dẫn đến độ che phủ bề mặt thấp, hậu quả là các KLN từ đất sẽ xâm nhập vào nguồn nước mặt và nước ngầm [43]. 3 1.1.2. Tính độc hại của kim loại nặng Trong số 70 kim loại nặng tồn tại trong tự nhiên, chỉ có một số nguyên tố là các nguyên tố vi lượng (<10-4) như: Cu, Zn, Mn, B, Mo…Những nguyên tố này cần thiết cho cơ thể ở lượng rất nhỏ, cần dùng trong các chức năng trao đổi chất quan trọng cho cuộc sống. Đa số các kim loại nặng như Pb, Hg, Cd, As…không cần thiết cho sự sống, với đặc tính bền vững trong môi trường, khả năng gây độc ở liều lượng thấp và tích lũy lâu dài ở chuỗi thức ăn, những kim loại nặng này được xem như chất thải nguy hại tác động tiêu cực đến môi trường sống của sinh vật và con người. Kim loại nặng xâm nhập vào cơ thể người và sinh vật chủ yếu qua đường hô hấp, tiêu hóa và da. Chúng tác động đến gốc sulfate làm vô hiệu hóa các enzyme, gây cản trở sự chuyển hóa của các chất qua màng tế bào của người và sinh vật. Độ độc của kim loại nặng không chỉ phụ thuộc vào bản thân kim loại mà nó còn liên quan đến hàm lượng trong đất, trong nước và các yếu tố hoá học, vật lý cũng như sinh vật. Trong tự nhiên kim loại nặng thường tồn tại ở dạng tự do, khi ở dạng tự do thì độc tính của nó yếu hơn so với dạng liên kết, ví dụ khi Cu tồn tại ở dạng hỗn hợp Cu - Zn thì độc tính của nó tăng gấp 5 lần khi ở dạng tự do [20]. Độc tính của KLN đối với sinh vật liên quan đến cơ chế oxy hóa và độc tính gen. Tác hại của KLN đối với động vật và con người là làm 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 đến thể chất, cơ và quá trình thoái hóa hệ thần kinh dẫn đến biểu hiện các bệnh Parkinson, bệnh teo cơ, bệnh đa xơ cứng…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 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. 4 Bảng 1.1. Tác động của kim loại nặng đến các bộ phận của cơ thể người Bộ phận vùng Nguyên tố Các tác động +Hệ thần kinh trung ương Hg2+ +Hư hại não: Giảm chức năng sinh lý Pb2+ của nơtron Hg2+ -Đi lại và phản xạ không bình thường Pb2+ -Tác động đến nơtron ngoại vi +Hệ thần kinh ngoại vi As +Hệ bài tiết -Bệnh thần kinh ngoại vi Hg2+ -Bệnh thận, bệnh đường tiết niệu As -Rối loạn đường tiết niệu +Gan As -Bệnh sơ gan +Hệ thống máu Pb -Kìm hãm sinh tổng hợp của máu Cd -Thiếu máu nhẹ As -Thiếu máu +Miệng, tóc, đường hô hấp +Xương Hg2+ -Viêm miệng As -Loét, lên nhọt, hói đầu Hg -Gây tác động đến cuống phổi Se -Sưng hoặc viêm đường hô hấp Cd -Nhuyễn xương Se -Mục răng +Hệ thống tim mạch Cd, As -Mỡ tim +Hệ thống sinh sản Hg, As -Sảy thai +Phổi, da, tuyến tiết niệu Cd, As -Ung thư 5 1.1.3. Ô nhiễm chì (Pb) Chì (tên Latin là Plumbum, gọi tắt là Pb) là nguyên tố hóa học nhóm IV trong bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleev; số thứ tự nguyên tử là 82; khối lượng nguyên tử bằng 207,2; nóng chảy ở 327, 4oC; sôi ở 1725oC; khối lượng riêng bằng 11,34 g/cm3. Chì là nguyên tố màu xám xanh, rất mềm, có thể cắt bằng dao. Là nguyên tố KLN có khả năng linh động kém, có thời gian bán phân hủy trong đất từ 800-6000 năm. Chì là nguyên tố độc hại đối với con người và hầu hết các sinh vật. Sự có mặt của chì làm giảm hoạt động của vi sinh vật đất, gây rối loạn quá trình tuần hoàn nitơ trong đất [1, 4]. 1.1.3.1. Sự phân bố - dạng tồn tại của chì trong môi trường Sự phân bố - dạng tồn tại của chì trong đất * Chì (Pb): là nguyên tố kim loại nặng có khả năng linh động kém, có thời gian bán phân huỷ trong đất từ 800 - 6000 năm. Theo thống kê của nhiều tác giả hàm lượng chì trong đất trung bình từ 15 – 25 ppm [13]. Chì thường nằm ở dạng phức chất bền với các anion (CO32-; Cl¯; SO32-; PO43-) ở trong đất. Hàm lượng chì bị hấp phụ trao đổi chiếm tỷ lệ nhỏ (< 5%) tổng hàm lượng chì có trong đất. Chì cũng có khả năng kết hợp với các chất hữu cơ hình thành các chất dễ bay hơi như (CH3)4Pb. Trong đất chì có tính độc cao, hạn chế hoạt động của các vi sinh vật và tồn tại khá bền vững dưới dạng phức hệ với các chất hữu cơ [13]. Chì trong đất có khả năng thay thế ion K+ trong các phức hệ hấp phụ có nguồn gốc hữu cơ hoặc khoáng sét. Khả năng hấp thu chì tăng dần theo thứ tự sau [13]: Montmorillonit < Axit humic < Kaolinit < Allophane < Ôxyt Sắt Theo các nhà khoa học Mỹ, chì trong đất được chia thành 10 dạng bao gồm: hòa tan trong nước, trao đổi, có khả năng bị thay thế bởi bạc, cacbonat, dạng dễ khử, tạo phức với chất hữu cơ, kết hợp với oxit Fe ở dạng vô định hình, kết hợp với oxit Fe ở 6 dạng tinh thể, dạng sulfit….Dạng không tan của Pb bao gồm: Pb(OH)2, PbCO3, PbS, PbO, Pb3(PO4)2, Pb5(PO4)3OH, PbSO4, Pb4O(PO4)2 [2]. Phần lớn các hợp chất của chì đều ít tan. Các anion có ảnh hưởng nhiều nhất đến tính tan của chì là CO32-, OH-, S2-, PO42- và SO42-. Ở môi trường đất trung tính hoặc kiềm, chì dễ kết tủa ở dạng Pb(OH)2. Nếu trong đất có chứa photphat hòa tan thì Pb(OH)2 sẽ dần dần chuyển thành Pb3(PO4)2 hay các photphat khó tan khác như plumbogumit PbAl3H(OH)6(PO4)2. Các hợp chất này xác định trực tiếp mức nồng độ linh động của Pb trong dung dịch đất [3]. Sự phân bố - dạng tồn tại của chì trong nước Trong nước chì thường tồn tại ở 3 dạng là hoà tan, lơ lửng ở dạng keo và phức chất. Tính năng của hợp chất chì được xác định chủ yếu thông qua độ tan . Tính tan của chì phụ thuộc vào pH, khi pH tăng thì tính tan giảm. Ngoài ra tính tan của chì còn phụ thuộc vào các yếu tố như hàm lượng các ion khác và điều kiện ôxy-hoá khử trong nước. Chì thường tồn tại ở dạng keo trong nước mặt sử dụng cho sản xuất nông nghiệp (pH 7) và ít tồn tại ở dạng keo trong nước sinh hoạt (pH 6). Nhờ tác dụng ngoại lực của chất hữu cơ mà các phức keo của Pb ở dạng Pb(CH3)32+ ; Pb(CH3)4 và Pb(CH3)22+ thường lắng đọng ở bùn cặn đáy, Pb trong nước tự nhiên chủ yếu tồn tại dưới dạng hoá trị +2 [7]. 1.1.3.2. Nguồn ô nhiễm Chì được thải ra từ mỏ quặng chì, cơ sở sản xuất pin, ắc quy, chất dẻo tổng hợp, sơn, thuốc nổ, mực in, bột màu… Chì tích đọng trong xương và hồng cầu gây rối loạn tủy xương, đau khớp, viêm thận, liệt, thần kinh… Nhiễm độc chì có thể gây tử vong cho người thậm chí chỉ với liều lượng nhỏ. 7 Trong tự nhiên, chì là nguyên tố vi lượng có trong thành phần của vỏ trái đất. Hàm lượng chì trong vỏ trái đất khoảng 13,0 µg/g [2]. Chì tồn tại trong khoảng 84 khoáng chất, điển hình là galen PbS, ngoài ra còn có cernsute PbCO3, cunglesite PbSO4…Tuy nhiên, nguồn phát sinh tự nhiên này chỉ gây ô nhiễm một lượng không đáng kể. Chính các hoạt động nhân tạo của con người mới là những nguồn chủ yếu nhất phát thải chì ra ngoài môi trường, gây tình trạng ô nhiễm và nhiễm độc chì. Trong tổng lượng chì phát sinh ra ngoài môi trường, chì từ các hoạt động nhân tạo chiếm tới 95% [2]. Chì được sử dụng hầu như ở mọi lĩnh vực trong đời sống con người, do đó nguồn gây ô nhiễm chì xảy ra trên diện rộng ở hầu hết loại hình sản xuất và sinh hoạt của xã hội. Sau đây là một số những nguồn chính gây ô nhiễm chì [2, 43].  Trong công nghiệp Công nghiệp khai khoáng và luyện kim là nguồn phát thải chì lớn nhất. Không chỉ riêng ngành khai thác và tinh chế chì, mà nhiều ngành khai thác và tinh chế các kim loại khác cũng phát sinh chất thải chứa chì. Những dòng thải chứa chì trong loại hình công nghiệp này bao gồm: - Chất thải rắn từ các khu khai thác và tuyển quặng - Nước thải ở các khu vực mỏ, khu tuyển quặng, luyện quặng. - Nước thải tại các lò luyện quặng Chất thải, chủ yếu là nước thải của một số ngành công nghiệp khác như sản xuất ác quy, sản xuất sơn, bột màu… cũng là nguồn phát thải rất đáng kể chì ra môi trường.  Trong nông nghiệp Nguồn phát thải chì trong nông nghiệp chủ yếu là từ thuốc trừ sâu và từ khói thải của các máy nông nghiệp chạy bằng nhiên liệu xăng pha chì. Qua quá trình sa lắng ướt, chì sẽ xâm nhập vào nguồn nước ngầm, nước mặt, đất… gây ô nhiễm. 8  Trong hoạt động quân sự Chì được sử dụng trong ngành chế tạo đạn dược phuc vụ cho mục đích quân sự chiếm một lượng không nhỏ tổng lượng chì được con người sử dụng. Ngoài ra, chì còn được phát thải từ việc sử dụng xăng pha chì trong các động cơ, như xe tăng, máy bay… 1.1.3.3. Tính độc của chì Chì có độc tính cao. Sau khi đi vào cơ thể, chì ít bị đào thải mà tích tụ theo thời gian rồi mới gây độc. Chì xâm nhập vào cơ thể người gián tiếp qua chuỗi thức ăn hoặc trực tiếp qua đường hô hấp, tiêu hóa, da… gây ức chế một số enzyme quan trọng, làm rối loạn quá trình tạo huyết ở tủy, phá vỡ quá trình tạo hồng cầu, gây hại đến hệ thần kinh, nhất là hệ thần kinh của trẻ sơ sinh. Đối với phụ nữ mang thai, khi tiếp xúc với chì ở mức cao có thể bị sẩy thai. Nam giới tiếp xúc lâu dài với chì sẽ làm giảm khả năng sinh sản [1, 20]. Một số dạng nhiễm độc chì được biết đến là: nhiễm độc mãn tính và nhiễm độc cấp tính. Nhiễm độc chì thường làm rối loạn trí óc, nhức đầu, co giật, có thể dẫn đến động kinh, hôn mê, thậm chí tử vong. Độc chất chì còn làm viêm thận, thấp khớp. Cơn đau bụng chì là biểu hiện của sự nhiễm độc nghiêm trọng: đau bụng kèm với buồn nôn. Chì tích lũy và làm tổn hại nghiêm trọng đến xương. Nhiễm độc chì mãn tính là một trong những tác nhân gây ung thư [1]. Triệu chứng thể hiện nhiễm độc chì là mệt mỏi, ăn không ngon, đau đầu do chì tác dụng lên hệ thần kinh trung ương và ngoại vi. Tác dụng sinh hoá quan trọng của chì là can thiệp vào hồng cầu, ức chế một số enzym quan trọng của quá trình tổng hợp máu. Chì kìm hãm việc sử dụng O2 và glucoza để sản xuất năng lượng cho quá trình sống. Sự kìm hãm này có thể nhận thấy khi nồng độ chì trong máu khoảng 0,3 mg/l. Khi nồng độ chì trong máu cao hơn 0,8ppm có thể gây hiện tượng thiếu máu do thiếu Hemoglobin, sẽ gây rối loạn chức năng thận và phá hủy não [21]. 9 1.1.4. Ô nhiễm Cadimi ( Cd) Cadimi (tên Latin là Cadmium, viết tắt là Cd), là nguyên tố hóa học nhóm IIB trong bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleev; số thứ tự nguyên tử là 48; khối lượng nguyên tử bằng 112,41; nóng chảy ở 321,1oC; sôi ở 766,5oC; khối lượng riêng bằng 8,65 g/cm3. Cd là nguyên tố màu trắng xanh, mềm, dễ nóng chảy, dễ tan trong HNO3. Trong tự nhiên Cd thường tồn tại cùng với kẽm, đồng. cadimi độc hại đối với con người và hầu hết các sinh vật [20]. 1.1.4.1. Sự phân bố - dạng tồn tại của cadimi trong môi trường Sự phân bố - dạng tồn tại của chì trong đất * Cadmium (Cd): là kim loại nằm sâu trong lòng đất, tồn tại ở dạng Cd2+. Trong các điều kiện oxy hoá Cd thường ở các dạng hợp chất rắn như CdO, CdCO3, Cd3(PO4)2. Trong điều kiện khử (Eh ≤ - 0,2V) thì Cd thường tồn tại ở dạng CdS, ngoài ra Cd có thể tồn tại dạng phức như CdCl+ ; CdHNO3+ ; CdHClˉ ; CdCl4ˉ ; Cd(OH)4ˉ. Trong đất chua, Cd tồn tại ở dạng linh động hơn, tuy nhiên nếu đất chứa nhiều Fe, Al, Mn và chất hữu cơ thì Cd sẽ liên kết với các nguyên tố này dẫn tới giảm khả năng linh động. Trong đất trung tính hoặc kiềm do bón vôi, Cd bị kết tủa dưới dạng CdCO3. Thông thường Cd tồn tại trong đất ở dạng hấp phụ trao đổi chiếm 20 - 40%, dạng các hợp chất cacbonat là 20%, hyđrôxit và ôxit là 20%, phần liên kết các hợp chất hữu cơ chiếm tỷ lệ nhỏ [13]. Quá trình hấp phụ Cd trong đất xảy ra khá nhanh, 80 % Cd đưa vào đất bị hấp phụ trong vòng 10 - 15 phút và 100 % trong vòng 1 giờ. Khả năng hấp phụ Cd của các chất trong đất giảm dần theo thứ tự: Hyđrôxit và ôxit sắt, nhôm, halloysit > Allphane > kaolinit, axit humic > montmorillonit [13]. 10 Sự phân bố - dạng tồn tại của chì trong nước Trong nước Cd tồn tại chủ yếu ở dạng hoá trị +2 và rất dễ bị thuỷ phân trong môi trường kiềm. Ngoài dạng hợp chất vô cơ, Cd còn liên kết với các hợp chất hữu cơ đặc biệt là axit humic tạo thành phức chất có khả năng hấp phụ tốt trên các hạt sa lắng, chiếm 60 - 75% nồng độ tổng số của Cd trong nước. 1.1.4.2. Nguồn ô nhiễm Nguồn gây ô nhiễm Cd chủ yếu là do các chất thải từ công nghiệp mỏ, mạ điện, ống dẫn plastic, sơn…Theo Phạm Quang Hà (2002) [6] khi nghiên cứu hàm lượng Cd trong đất ở những vùng ven thành phố, nơi chịu ảnh hưởng của rác thải, nước thải sinh hoạt và công nghiệp hay từ các làng nghề truyền thống như gò đúc nhôm, đồng có hàm lượng Cd khá cao. Cadimi có trong nguyên liệu dùng để sản xuất phân lân và vôi. Việc sử dụng phân bón trong ngành nông nghiệp, nhất là phân bón có chứa photphat lâu dài là yếu tố chủ yếu làm gia tăng hàm lượng Cd trong đất. Hàm lượng Cd trong đá photphat được sử dụng làm nguyên liệu sản xuất phân lân thay đổi theo nguồn gốc địa chất và loại đá : 0,15mg – 5mg Cd/kg ở đá có nguồn gốc núi lửa và 5 – 300mg Cd/kg ở các đá trầm tích. Trong sản xuất phân bón công nghiệp, khoảng 60 – 80% Cd trong đá photphat nằm lại trong thành phần của phân hóa học [5]. Cadimi từ phân bón sẽ xâm nhập vào môi trường qua nước thải và phát tán vào đất…Theo ước tính của các nước EEC lượng Cd đưa vào đất hàng năm qua phân bón phosphat là 5g/ha (Nguyễn Đình Mạnh, 2000 [11]). 1.1.4.3. Tính độc của cadimi (Cd) Cadimi là nguyên tố độc hại đặc biệt khi xâm nhập vào cơ thể người. Cadimi có thể tích tụ trong cơ thể người bằng nhiều cách khác nhau nhưng chuỗi thức ăn là con đường chính đưa Cd vào cơ thể. Việc hút thuốc lá cũng là nguồn tích lũy Cd với lượng từ 20 - 35μg Cd/ngày. 11