Tài liệu Phân tích các sinh vật chỉ thị môi trường nước (trai, ốc, hến…), sống tại các mương nước, ao, hồ, gần các bãi thu gom và tái chế rác thải điện, điện tử thuộc khu vực triều khúc –thanh trì hà nội

MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU………………………………………………………………………. 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN……………………………………………………. 6 1.1 Tổng quan về rác thải điện,điện tử ……………………………. ….. 6 Tình hình rác thải điện, điện tử trên thế giới…………………….. 6 1.1.2 Đặc điểm rác thải điện, điện tử…………………………………… 7 1.1.3 Tình hình thu gom, tái chế và xử lý rác thải điện tử ở Việt Nam 10 1.2 Chỉ thị sinh học…………………………………………………………... 12 1.3 Độc tính kim loại nặng…………………………………………………... 16 1.4 Các phương pháp phân tích kim loại nặng………………………………. 19 1.4.1 Phương pháp quang phổ khối plasma cảm ứng (ICP- MS)………… 19 1.4.2 Các phương pháp khác xác định kim loại nặng……………………. 23 1.5 Các phương pháp xử lý mẫu trầm tích và sinh vật ……………………… 26 1.5.1 Nguyên tắc xử lý mẫu ……………………………………………... 26 1.1.1 1.5.2 Một số phương pháp xử lý mẫu động vật nhuyễn thể xác định hàm lượng kim loại nặng………………………………………………………. 28 1.5.3 Một số phương pháp xử lý mẫu đất, trầm tích xác định hàm lượng kim loại nặng…………………………………………………………… 29 1.5.4 Một số phương pháp xử lý mẫu thực vật xác định hàm lượng kim loại nặng………………………………………………………………….. 30 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM……………………………………………… 31 2.1 Đối tượng, nội dung, phương pháp nghiên cứu………………………….. 31 2.2 Hóa chất và dụng cụ ……………………………………………………... 31 2.3 Lấy mẫu, xử lý mẫu, bảo quản mẫu………………………………………. 33 2.3.1 Lấy mẫu …………………………………………………………… 33 2.3.2 Xử lý mẫu sơ bộ và bảo quản mẫu………………………………… 38 1 2.4 Phương pháp xử lý mẫu động vật nhuyễn thể ……………………………. 40 2.5 Xử lý mẫu trầm tích ………….………………………………………… 41 2.6 Xử lý mẫu thực vật………………………………………………………... 41 2.7 Xử lý thống kê số liệu phân tích ………………………………………… 42 2.7.1 Phân tích thành phần chính (PCA)………………………………… 42 2.7.2 Phân tích nhóm (CA)………………………………………………. 43 2.7.3 Phần mềm máy tính ……………………………………………….. 43 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN………………………………….. 44 3.1 Tối ưu hóa điều kiện phân tích bằng ICP – MS…………………………… 44 3.1.1 Chọn đồng vị phân tích …………………………………………… 44 3.1.2 Độ sâu mẫu ( Sample Depth – SDe)………………………………. 45 3.1.3 Công suất cao tần ( Radio Frequency Power – RFP)……………… 45 3.1.4 Lưu lượng khí mang ( Carier Gas Flow Rate – CGFR)…………… 45 3.1.5 Tóm tắt các thông số tối ưu của thiết bị phân tích…………………. 46 3.2 Đánh giá phương pháp phân tích………………………………………….. 47 3.2.1 Khoảng tuyến tính…………………………………………………. 47 3.2.2 Đường chuẩn……………………………………………………….. 48 3.2.3 Giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng ………………………… 50 3.2.4 Đánh giá độ đúng của phép đo……………………………………... 52 3.3 Lựa chọn và đánh giá các quy trình xử lý mẫu động vật nhuyễn thể……... 53 3.3.1 Đánh giá hiệu suất thu hồi các quy trình xử lý mẫu động vật nhuyễn thể…………………………………………………………………………. 53 3.3.2 Đánh giá độ chụm ( qua độ lặp lại) quy trình xử lý mẫu động vật nhuyễn thể………………………………………………………………... 3.4 Đánh giá quy trình xử lý mẫu trầm tích…………………………………. 3.4.1 Đánh giá hiệu suất thu quy trình xử lý mẫu trầm tích ……..…… 3.4.2 Đánh giá độ chụm (qua độ lặp lại) quy trình xử lý mẫu trầm tích 56 58 58 60 3.5 Đánh giá quy trình xử lý mẫu thực vật …………………………………... 61 3.5.1 Đánh giá hiệu suất thu quy trình xử lý mẫu thực vật …. …..…… 61 3.5.2 Đánh giá độ chụm (qua độ lặp lại) quy trình xử lý mẫu thực vật 62 3.6 Kết quả phân tích hàm lượng kim loại nặng trong mẫu ốc bươu vàng…. 2 63 3.7 Kết quả phân tích hàm lượng kim loại nặng trong mẫu trầm tích ……….. 66 3.8 Kết quả phân tích hàm lượng kim loại nặng trong mẫu nước bề mặt…….. 67 3.9 Kết quả phân tích hàm lượng kim loại nặng trong mẫu thực vật…………. 69 3.10 Phân tích thống kê đa biến xác định nguồn gốc và phân bố ô nhiễm kim loại nặng……………………………………………………………………… 70 3.10.1 Mẫu trầm tích…………………………………………………….. 70 3.10.2 Mẫu ốc ………………………………………………………….. 75 3.10.3 Mẫu thực vật( cây rau rệu)……………………………………… 79 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN……………………………………………………... 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………….. 85 MỞ ĐẦU Ngành điện tử ngày một phát triển, rác thải từ ngành này ngày một nhiều; làm tăng nguy cơ ô nhiễm và độc hại tới môi trường . Chính vì vậy, rác thải điện tử là vấn đề “nóng’’đang được cả thế giới quan tâm, bởi số lượng rác thải điện tử ngày càng nhiều, trong khi việc xử lý rác thải điện tử đòi hỏi chi phí khá tốn kém. Ngay ở các quốc gia phát triển, chỉ một phần nhỏ rác thải điện tử được xử lý, còn lại sẽ được thu gom và xuất sang các nước khác. Tại Việt Nam hiện nay đang có một lượng rất lớn rác thải điện, điện tử vừa là trong nước thải ra, vừa là nhập khẩu từ nước ngoài về. Lượng rác thải “đặc biệt” này một phần được xử lý rất thô sơ tại các nhà máy điện tử trong nước, phần lớn còn lại được thu gom, tái chế tại các làng nghề đồng nát như khu vực Dị Sử- Mỹ HàoHưng Yên hay khu Triều Khúc –Thanh Trì- Hà Nội, và còn có nhiều rác thải điện, điện tử còn lẫn trong rác thải sinh hoạt. Tại các làng nghề thu gom tái chế thì rác thải điện, điện tử được tái chế một cách rất thô sơ thủ công, nước thải của quá trình tái chế được thải trực tiếp xuống mương nước, ao, hồ ở xung quanh khu vực gần nơi tái chế gây ô nhiễm môi trường. Để đánh giá sự ô nhiễm môi trường tại khu vực ô nhiễm, người ta có thể lựa chọn các đối tượng mẫu khác nhau để tiến hành phân tích như mẫu nước, mẫu đất, mẫu trầm 3 tích, mẫu sinh vật …Song việc sử dụng các chỉ thị sinh học môi trường sống tại các khu vực nghiên cứu để đánh giá mức độ ô nhiễm tỏ ra ưu việt hơn hẳn. Bởi vì thông qua chúng có thể nhận diện được sự có mặt của các chất và đánh giá chất lượng môi trường nhằm phục vụ cho việc giám sát và quan trắc với ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn. Chính vì vậy trong bản luận văn này, chúng tôi đã lựa chọn đối tượng phân tích là các sinh vật chỉ thị môi trường nước (trai, ốc, hến…), sống tại các mương nước, ao, hồ, gần các bãi thu gom và tái chế rác thải điện, điện tử thuộc khu vực Triều Khúc –Thanh TrìHà Nội, tiến hành nghiên cứu các quy trình xử lý mẫu sinh vật chỉ thị, tìm ra quy trình xử lý mẫu tốt nhất ứng dụng cho việc phân tích xác định tổng hàm lượng các kim loại nặng. Đồng thời chúng tôi cũng tiến hành xác định tổng hàm lượng kim loại nặng trong mẫu trầm tích, mẫu nước, thực vật. Bên cạnh đó ứng dụng phương pháp phân tích đa biến nhằm tìm ra nguồn phát tán kim loại nặng, mức độ lan truyền ô nhiễm kim loại nặng từ môi trường vào các sinh vật này. Từ hàm lượng các kim loại nặng trong động vật nhuyễn thể và trong trầm tích, chúng tôi dựa trên chỉ số sinh học để đánh giá khả năng tích lũy sinh học đối với từng kim loại trong sinh vật chỉ thị. 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về rác thải điện, điện tử 1.1.1 Tình hình rác thải điện, điện tử trên thế giới Khoa học kỹ thuật phát triển đã kéo theo sự ra đời hàng loạt các thiết bị điện tử. Tuy nhiên, do các thiết bị điện tử lạc hậu quá nhanh và nhu cầu sử dụng chúng ngày càng nhiều, trong khi chi phí tái chế loại rác này lại quá cao, Theo số liệu của Cục Bảo vệ môi trường Mỹ (EPA) chi phí xuất khẩu rác điện tử rẻ hơn 10 lần so với chi phí xử lý trong nước. Điều đó chính là nguyên nhân đẩy những loại rác này vào con đường... xuất ngoại.Chỉ riêng tại Mỹ, mỗi năm có khoảng 300.000 – 400.000 tấn rác thải điện tử được thu gom để tái chế tại, nhưng có tới 50 – 80% “tìm đường” xuất khẩu sang châu lục khác, đây là một cách làm tiện lợi và rẻ tiền. Một số nước châu Á, chủ yếu là Trung Quốc, Malaysia và Việt Nam là điểm đến của các loại rác thải này.Tại Liên minh châu Âu, khối lượng rác điện tử dự kiến tăng từ 3-5% mỗi năm, còn ở các nước đang phát triển, con số này sẽ tăng gấp 3 lần vào năm 2010. [3], [13] Vì lợi ích kinh tế, không ít quốc gia đang phát triển đã tiếp nhận và xử lý loại rác thải này. Nhưng đi kèm với nó là hàng nghìn tấn phế liệu ẩn chứa rất nhiều độc hại. Theo số liệu thống kê, hiện châu Á đã trở thành núi rác khổng lồ của thế giới phát triển. 5 Hình 1 : Rác thải điện tử chất thành đống Chương trình môi trường Liên hợp quốc UNEP nhận định vấn đề then chốt hiện nay là phải tạo ra một khuôn khổ toàn cầu về xử lý rác thải độc hại, kể cả việc quản lý, theo dõi hoạt động vận chuyển rác thải để biết được nguồn gốc và điểm đến của nguồn rác độc hại. Các tổ chức, các nhà khoa học đang nghiên cứu và tìm ra kinh nghiệm xử lí các loại rác thải như máy tính, điện thoại, acquy, xe hơi, tàu thủy, các linh kiện điện tử khác…[3]. Những giải pháp giúp giải quyết tận gốc vấn đề rác thải điện tử là gắn trách nhiệm với nhà sản xuất việc làm này sẽ mang lại hai lợi ích. Thứ nhất, các nhà sản xuất sẽ đưa chi phí quản lý rác thải vào giá thành sản phẩm, sẽ thúc đẩy họ thay đổi thiết kế sản phẩm theo hướng thân thiện với môi trường hơn và kéo dài vòng đời của sản phẩm. Thứ hai, các nhà sản xuất sẽ buộc phải thiết kế các sản phẩm “sạch” hơn bằng cách loại bớt các chất nguy hiểm, thay thế các chất gây hại bằng cách sử dụng các vật liệu thay thế an toàn hơn. 1.1.2. Đặc điểm của rác thải điện tử Rác thải điện tử chứa rất nhiều các kim loại nặng hoặc những hợp chất độc hại với con người và môi trường sống. Rác thải điện tử làm ô nhiễm không khí, ô nhiễm đất, ô nhiễm nguồn nước, gây ra các căn bệnh nguy hiểm. Chất đô ôc sản sinh ra như những chất liê uô không cháy được và các kim loại nă nô g có thể là mối nguy cơ đối với sức khỏe của công nhân sản xuất thiết bị và những người sinh sống gần các “núi rác” máy tính phế thải. Rất nhiều trẻ em địa phương và công nhân làm việc tại những cơ sở tái chế kém chất 6 lượng trên đã mắc những chứng bệnh liên quan đến đường hô hấp, bệnh ngoài da, thậm trí ung thư do linh kiện điện tử. Theo Ted Smith, giám đốc điều hành Công ty bảo vệ môi trường ở Califonia, mỗi máy tính có chứa 1.000 – 2.000 chất liệu khác nhau, trong đó có rất nhiều chất độc hại: “Một số chất chúng ta đã biết từ lâu như chì, thủy ngân, cadmi. Bên cạnh đó, còn có rất nhiều chất độc thần kinh. Nhiều người cho rằng máy tính là công nghệ sạch, nhưng họ không biết rằng bên trong máy tính tiềm ẩn những thứ có thể gây hại cho sức khỏe và môi trường”. Trong bảng 1 thống kê các chất độc hại trong rác thải điện, điện tử và tác hại chủ yếu của chúng. [3] Bảng 1: Các chất độc hại trong rác thải điện, điện tử Chất độc hại Nguồn gốc trong rác thải điện tử Tác hại đối với môi trường và cơ thể sống Các hợp chất halogen Polyclobiphenyl (PCB) Tetrabrombisphenol-A (TBBA) Polybrombiphenyl (PBB) Diphenylete (DPE) Gây ung thư, ảnh hưởng Tụ điện, máy biến thế đến hệ thần kinh, hệ miễn dịch, tuyến nội tiết Chất chống cháy cho nhựa (nhựa chịu nhiệt, cáp cách điện) Gây tổn thương lâu dài TBBA được dùng rộng rãi trong đến sức khỏe, gây ngộ chất chống bắt lửa của bản mạch độc sâu khi cháy máy in và phủ lên các bộ phận khác Polycloflocacbon Trong bộ phận làm lạnh, bọt cách (CFC) điện Polyvinyclorua (PVC) Cáp cách điện Khi cháy gây nhiễm độc, chất phá hủy tầng ozon Cháy ở nhiệt độ cao sinh ra dioxin và furan Kim loại nặng và các kim loại khác 7 Có trong đèn hình đời cũ và lượng As nhỏ ở dạng gali asenua, bên trong các diod phát quang Gây ngộ độc cấp tính và mãn tính Ba Chất thu khí màn hình CRT Gây nổ nếu ẩm ướt Be Bộ chỉnh lưu, bộ phận phát tia Độc nếu nuốt phải Pin Ni-Cd sạc lại, lớp huỳnh quang (đèn hình CRT), mực máy in và Cd trống, máy photocopy (trong máy photo), trong bo mạch Độc cấp tính và mãn tính và chất bán dẫn. Cr(VI) Băng và đĩa ghi dữ liệu Galli asenua Diod phát quang Pb Li Hg Ni Các nguyên tố đất hiếm ( Y, Eu) Kẽm sunfua tính, gây dị ứng Tổn thương đến sức khỏe Màn hình CRT, pin, bản mạch máy in, các mối hàn Gây độc với hệ thần kinh, thận, mất trí nhớ đặc biệt với trẻ em Pin liti Gây nổ nếu ẩm Trong đèn hình màn hình LCD, pin Gây ngộ độc cấp tính và kiềm và công tắc, trong vỏ máy. Pin Ni-Cd sạc lại hoặc trong màn hình CRT Lớp huỳnh quang màn hình CRT Xuất phát từ bộ chỉnh lưu nguồn Se Độc cấp tính và mãn điện trong bo mạch, trong máy phô tô cũ Các bộ phận bên trong màn hình CRT, trộn với nguyên tố đất hiếm 8 mãn tính Gây dị ứng Gây độc với da và mắt Lượng lớn sẽ gây hại cho sức khỏe độc nếu nuốt phải Các chất khác Các chất độc hữu cơ Bụi màu Chất phóng xạ Thiết bị hội tụ ánh sáng, màn hình tinh thể lỏng LCD Hộp màu máy in laser, máy photocopy Thiết bị y tế, detector Gây độc đến hệ hô hấp Gây ung thư 1.1.3. Tình hình thu gom, tái chế và xử lý rác thải điện tử ở Việt Nam Rác thải điện tử ở các nước phát triển đã và đang được đẩy sang cho các nước đang và kém phát triển. Ở những nơi này chúng được tái chế và xử lý rất thủ công, gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng tới sức khỏe người dân. Rác thải điện tử nhập vào Việt Nam chủ yếu bằng đường biển. Ở miền Bắc chủ yếu ở cảng Hải Phòng, miền Nam là ở thành phố Hồ Chí Minh. Ở Hải Phòng có rất nhiều công ty, tổ chức nhập khẩu tàu cũ, các thiết bị điện tử đã qua sử dụng, rác thải điện tử sau khi nhập về được đưa về các cơ sở tái chế (là hộ gia đình hoặc một tổ chức kinh tế nhỏ). Riêng đối với “rác” là máy tính, tuy chưa có thống kê chính thức nhưng theo các chuyên gia ước tính, mỗi tháng có khoảng từ 10.000 đến 20.000 bộ máy tính cũ được nhập khẩu vào nước ta mà chưa có cơ quan nào theo dõi xử lý. Hình 2: Thu gom rác thải điện tử Ngoài rác thải điện tử được nhập về còn có cả rác thải điện tử trong nước (số này cũng không nhỏ) được người dân thu gom. Chúng được chất thành các đống lớn ở ngoài trời, sau khi tái chế thủ công được bán làm nguyên liệu cho các cơ sở sản xuất. Ở các cơ 9 sở tái chế, rác thải được nhập về từ nhiều nơi thông qua nhiều con đường và dưới nhiều hình thức. Việc tái chế thường bao gồm các bước sau: - Phân loại rác thải nhập về. - Tách riêng những nguyên liệu khác nhau (nhựa, kim loại…), lấy ra những thứ còn dùng được. Dây kim loại thì đốt nhựa để lấy kim loại, đối với nhựa thì nghiền nhỏ, rửa sạch, phơi khô…. - Đóng gói và chuyển đến các nơi tiêu thụ (thường dùng làm nguyên liệu đầu cho các ngành sản xuất khác ).[14] Hình 3: Tái chế rác thải điện tử Hiện nay ở Việt Nam có nhiều hộ gia đình làm nghề thu gom và tái chế rác thải điện tử, có những nơi cả làng cùng làm nghề này. Việc xử lý và tái chế rác thải điện tử còn rất lạc hậu. Các công việc này được làm thủ công bằng tay và các thiết bị xử lý rất thô sơ, thiết bị bảo hộ lao động cho những người tham gia làm hầu như không có, đồng thời họ còn tận dụng ngay cả nhà mình là nơi chứa, xử lý, tái chế các loại rác thải này. Với các điều kiện làm việc này, chất độc có thể bám vào quần áo, dính vào tay, ngoài ra chất độc còn có thể lọt qua đường hô hấp. Các lao động thủ công đập vỡ các thiết bị, làm chảy các mối hàn chì để tháo rời các chip máy tính đem bán lại. Chì được gom lại, nung nóng trên chảo, từ đó làm bay các hơi kim loại độc như chì, cadimi, thủy ngân… và giải phóng chúng vào không khí dưới dạng hơi sương độc hại. Sau khi các “chip” được lấy ra, chì 10 được “tự do” chảy xuống đất. Thế nhưng, không mấy người làm nghề này hay biết rằng, chì nằm trong số những chất độc thần kinh mạnh nhất, gây tác hại đặc biệt lên trẻ em và những bé sơ sinh. Các phế liệu thừa và nước thải của quá trình ngâm rửa sau khi sử dụng không được xử lý mà thải ngay ra môi trường. Để thu hồi đồng và vàng trong biến thế máy tính, bo mạch chủ, chip vi tính, người ta cho nung chảy các thiết bị này. Theo những người này giải thích “Chúng cho rất nhiều vàng”. Vì vậy, hàm lượng các kim loại độc hại tích lũy trong đất ngày càng nhiều, không khí cũng bị ô nhiễm nặng. Việc xử lý lạc hậu, không đúng cách đang làm ô nhiễm nghiêm trọng môi trường sống xung quanh, gây rất nhiều bệnh nguy hiểm. [4], [3] 1.2. Chỉ thị sinh học Kiểm tra, đánh giá ô nhiễm môi trường nước thường tiến hành với các mẫu: mẫu nước, mẫu trầm tích, mẫu thực vật nước hoặc dùng các loại chỉ thị sinh học [46]. Để quan trắc, đánh giá chất lượng nước, thường dựa trên kết quả xác định các thông số lý hóa và được tiến hành một cách định kì, điều đó có nghĩa là chỉ xác định được chất lượng nước tại từng thời điểm. Phân tích trầm tích tỏ ra có nhiều ưu điểm hơn so với phân tích nước trong việc kiểm tra, đánh giá sự ô nhiễm kim loại ở sông hồ. Mặc dù hàm lượng kim loại có thể bị biến động theo thời gian nhưng sự biến động đó ít hơn so với sự biến động hàm lượng kim loại trong nước. Lớp bùn bề mặt thường bị tác động bởi các chất sa lắng rồi chính nó thải kim loại vào lớp nước phía trên, bề dày vài centimet của lớp bùn phía trên phản ánh sự thay đổi liên tục hàng ngày mức độ ô nhiễm. Các sinh vật sống trong nước hấp thu các chất ô nhiễm từ nước hoặc các hạt lắng đọng dưới đáy và tích tụ trong cơ thể của chúng. Các sinh vật sống có phản ứng khác nhau khi bị nhiễm các chất độc hại. Một số loài chịu tác động mạnh bởi ngay hàm lượng thấp của các chất độc hại trong khi một số loài có khả năng tích tụ lượng lớn chất ô nhiễm mà không chịu một tác động xấu nào, các loài này được dùng làm chỉ thị cho sự ô nhiễm và gọi là chỉ thị sinh học  Chỉ thị sinh học: Khái niệm chung về chỉ thị sinh học được mọi người thừa nhận là [8 ] 11 “ Những đối tượng sinh vật có yêu cầu nhất định về điều kiện sinh thái liên quan đến nhu cầu dinh dưỡng, hàm lượng oxi cũng như khả năng chống chịu một hàm lượng nhất định các yếu tố độc hại trong môi trường sống và do đó, sự hiện diện của chúng biểu thị một tình trạng về điều kiện sinh thái của môi trường sống nằm trong giới hạn nhu cầu và khả năng chống chịu của đối tượng sinh vật đó.” Sinh vật chỉ thị ở trong bản luận văn này chúng tôi sử dụng là sinh vật tích tụ:là những sinh vật chỉ thị, không những có tính chất chỉ thị cho môi trường thích ứng mà còn có thể tích tụ một số chất ô nhiễm nào đó trong cơ thể của chúng với hàm lượng cao hơn nhiều lần môi trường bên ngoài( kim loại nặng…) [23]. Nhờ đó bằng phương pháp phân tích hóa sinh hữu cơ cơ thể chúng, ta có thể phát hiện, đánh giá mức độ ô nhiễm dễ dàng hơn gấp nhiều lần so với phương pháp phân tích thủy hóa. Việc dùng các cơ thể sống (sinh vật tích tụ) để đánh giá ô nhiễm môi trường tỏ ra ưu việt hơn hẳn việc phân tích mẫu nước, mẫu trầm tích. Thứ nhất, hàm lượng kim loại nặng tìm thấy trong cơ thể sống cho ta nhiều thông tin hơn về tác động sinh học của chất ô nhiễm tới môi trường. Thứ hai, mẫu nước, trầm tích chịu biến động nhiều cả về thời gian, không gian cho nên việc kiểm tra đánh giá khó khăn, tốn kém về mặt tài chính [40]. Thứ ba, sinh vật chỉ thị có sự phân bố địa lý rộng, dễ dàng so sánh mức độ ô nhiễm ở các vị trí khác nhau [30,46] * Điều kiện lựa chọn sinh vật tích tụ: Các sinh vật tích tụ được lựa chọn thỏa mãn yêu cầu sau: - Đã được định loại rõ ràng. - Sinh vật có khả năng thể hiện được sự tương quan đơn giản giữa lượng chất ô nhiễm tích tụ trong cơ thể chúng và nộng độ trung bình của chất ô nhiễm trong môi trường hoặc trong những chất nền lắng đọng hay trong thức ăn ở bất kì vị trí nào, dưới bất kì điều kiện nào. - Sinh vật có thể tích tụ chất ô nhiễm mà không bị chết. 12 -Sinh vật có đời sống tĩnh tại để đảm bảo rằng chất ô nhiễm mà nó tích tụ có liên quan đến khu vực nghiên cứu. - Sinh vật có số lượng phong phú ở khu vực nghiên cứu và tốt hơn là phân bố rộng ( tối ưu là phân bố toàn cầu) để có thể đối chiếu giữa các khu vực. -Sinh vật có đời sống dài để có thể lấy mẫu nhiều lần khi cần. Sinh vật có đời sống dài, trải qua quãng thời gian dài của sự ô nhiễm. Đó cũng là minh chứng cho những tác động đến môi trường trong thời gian dài, không liên tục. -Sinh vật có kích thước phù hợp để có thể cung cấp những mô đủ lớn cho việc phân tích. Đặc tính này cũng cần thiết cho việc nghiên cứu sự tích tụ trong những cơ quan đặc biệt của cơ thể sinh vật. -Dễ thu mẫu, sinh vật có thể sống lâu trong điều kiện thí nghiệm. - Ít biến dị. Trong thực tế khó có loài sinh vật nào có thể đáp ứng được tất cả các tiêu chí trên.Tuy nhiên, những sinh vật được lựa chọn cho nghiên cứu chỉ cần đáp ứng được một hay một vài tiêu chí trên là đủ.[40,46] Tóm lại các loài sinh vật được dùng làm chỉ thị sinh học tốt với môi trường, trong đó có ô nhiễm kim loại nặng phải chịu được sự ô nhiễm, tích tụ được các chất ô nhiễm, không bị chết và phải thích ứng được với sự thay đổi mức hàm lượng chất ô nhiễm. Hơn nữa, các loài này phải phân bố rộng trong khu vực, có tuổi đời kéo dài, có đủ kích thước để lấy mẫu và thích ứng được với các xử lý ở phòng thí nghiệm, việc định danh, lấy mẫu dễ dàng. Để phản ánh tình trạng môi trường ở khu vực nào đó các loài chỉ thị phải cư trú cố định, hoặc di chuyển chậm và hạn chế [40]. Các loài này phải có khả năng tích tụ các chất ô nhiễm giống các điều kiện môi trường ô nhiễm môi trường. Chỉ có như vậy mới có thể so sánh các mẫu lấy từ các khu vực khác nhau [40,46]. * Các sinh vật được lựa chọn để làm chỉ thị ô nhiễm kim loại nặng: -Thực vật, tảo sống dưới nước : Có nhiều ưu điểm khi sử dụng đối tượng này như dễ lấy mẫu, dễ phân biệt, số lượng nhiều, phân bố rộng có khả năng chống chịu với mức ô nhiễm cao. 13 - Cá: Có thể hấp thụ kim loại nặng và nhiều chất ô nhiễm khác. Tuy nhiên, cá là loài di chuyển nên không dễ dàng xác định mối quan hệ giữa hàm lượng chất ô nhiễm trong cơ thể chúng với nguồn thải ô nhiễm. -Động vật giáp xác, hai mảnh, ốc: Động vật hai mảnh thường được sử dụng để đánh giá ô nhiễm kim loại nặng vì chúng đã được định loại rõ ràng, dễ nhận dạng, có kích thước vừa phải, số lượng nhiều, dễ tích tụ chất ô nhiễm, có đời sống tĩnh tại và có khả năng sống dài. Loài nhuyễn thể có hai vỏ cứng như trai, trùng trục, ốc…là các loài thích hợp dùng làm chỉ thị sinh học để phân tích xác định lượng vết các kim loại [36]. Chúng có khả năng tích tụ các kim loại vết như Cd, Hg, Pb …với hàm lượng lớn hơn so với khả năng đó ở cá và tảo [23]. Trai, ốc có thể tích tụ Cd trong mô của chúng ở mức hàm lượng cao hơn gấp 100.000 lần mức hàm lượng tìm thấy trong môi trường xung quanh [53]. Chúng phân bố ở các khu vực địa lý rộng, thích ứng được với sự thay đổi nhiệt độ cũng như các điều kiện môi trường khác. Chúng có đủ loại kích thước, sống cố định và phù hợp với việc xử lý trong phòng thí nghiệm, cũng có thể nuôi cấy chúng ở các môi trường khác nhau [40]. Mặc dù các loài này đáp ứng được những tiêu chuẩn khắt khe ở trên nhưng một số nhân tố sinh học, địa hóa cũng gây ra những biến động về mức ô nhiễm ở ốc, trai, hến. Các yếu tố kích thước, lượng thịt, mùa sinh sản, nhiệt độ, pH của môi trường là những yêu tố ảnh hưởng tới sự tích tụ chất ô nhiễm trong cơ thể chúng. Trên thế giới đã có một số công trình nghiên cứu về hàm lượng kim loại nặng trong mô các loài thân mềm có vỏ cứng, các chương trình kiểm tra, đánh giá môi trường quốc tế đã thiết lập một số tiêu chuẩn lấy mẫu và xử lý mẫu để giảm thiểu sai số như: mùa lấy mẫu, lấy mẫu theo độ sâu, kích thước của loài được lựa chọn làm chỉ thị sinh học [30]. Việc nghiên cứu sử dụng các sinh vật tích tụ để đánh giá ô nhiễm kim loại nặng ở trong nước là vấn đề có tính thực tiễn cao nhằm xây dựng chỉ thị sinh học riêng phù hợp với điều kiện nước ta, hạn chế những tác động xấu của kim loại nặng tới môi trường và sức khỏe cộng đồng. 14 Hình 4: Trai nước ngọt 1.3. Độc tính kim loại nặng Kim loại nặng là những kim loại có phân tử lượng lớn hơn 52 bao gồm một số kim loại như: As, Hg, Cu, Cr, Cd, Co, Pb, Zn, Sb, Mn…Những kim loại nặng nguy hiểm nhất về phương diện gây ô nhiễm môi trường nước là Zn, Cu, Pb, Cd, Hg, Ni, As và Cr. Trong số những kim loại này có Cu, Ni, Cr và Zn là những nguyên tố vi lượng cần thiết cho sinh vật thủy sinh, chúng chỉ gây độc ở nồng độ cao. Nguồn gây ô nhiễm kim loại nặng: - Nguồn tự nhiên: kim loại nặng phát hiện ở mọi nơi, trong đá, đất và xâm nhập vào thủy vực qua các quá trình tự nhiên, phong hóa, xói mòn, rửa trôi. - Nguồn nhân tạo:các quá trình sản xuất công nghiệp (như khai khoáng, chế biến quặng kim loại, chế biến sơn, thuốc nhuộm,…), nước thải sinh hoạt, nông nghiệp ( hóa chất bảo vệ thực vật) Một số kim loại nặng rất cần thiết cho cơ thể sống và con người. Chúng là các nguyên tố vi lượng không thể thiếu, sự mất cân bằng các nguyên tố vi lượng này có ảnh hưởng trực tiếp tới sức khỏe của con người. Sắt giúp ngăn ngừa bệnh thiếu máu, kẽm là tác nhân quan trọng trong hơn 100 loại enzyme. Trên nhãn của các lọ thuốc vitamin, thuốc bổ xung khoáng chất thường có Cr, Cu, Fe, Mn, Mg, K, Zn, chúng có hàm lượng thấp và được biết đến như lượng vết. Lượng nhỏ các kim loai này có trong khẩu phần ăn 15 của con người vì chúng là thành phần quan trọng trong các phân tử sinh học như hemoglobin, hợp chất sinh hóa cần thiết khác. Nhưng nếu cơ thể hấp thu một lượng lớn các kim loại này, chúng có thể gây rối loạn quá trình sinh lý, gây độc cho cơ thể. Kim loại nặng có độc tính là các kim loại có tỷ trọng lớn gấp 5 lần tỷ trọng của nước. Chúng là các kim loại bền (không tham gia vào các quá trình sinh hoá trong cơ thể) và có tính tích tụ sinh học (chuyển tiếp trong chuỗi thức ăn và đi vào cơ thể con người). Chúng bao gồm Hg, As, Pb, Cd, Mn, Cu, Cr…Các kim loại nặng khi xâm nhập vào cơ thể sinh vật sẽ gây độc tính [23] Kim loại nặng xâm nhập vào cơ thể người qua đường hô hấp, thức ăn hay hấp thụ qua da được tích tụ trong các mô và theo thời gian sẽ đạt tới hàm lượng gây độc. Các nghiên cứu đã chỉ ra kim loại nặng gây độc cho các cơ quan trong cơ thể như máu, gan, thận, cơ quan sản xuất hoocmôn, cơ quan sinh sản, hệ thần kinh gây rối loạn chức nặng sinh hóa trong cơ thể do đó làm tăng khả năng bị di ứng, gây biến đổi gen. Các kim loại gây độc thường là tương tác với các hệ enzyme trong cơ thể từ đó ức chế hoạt động của các enzyme này và dẫn đến sự trao đổi chất của cơ thể sống bị rối loạn. Các kim loại nặng khi tương tác với các phân tử chất hữu cơ có khả năng sản sinh ra các gốc tự do, là các phần tử mất cân bằng năng lượng, chứa những điện tử không cặp đôi . Chúng chiếm điện tử của các phân tử khác để lập lại sự cân bằng của chúng. Các gốc tự do tồn tại trong cơ thể sinh ra do các phân tử của tế bào phản ứng với oxy (bị oxy hóa), nhưng khi có mặt các kim loại nặng – tác nhân cản trở quá trình oxy hóa sẽ sinh ra các gốc tự do vô tổ chức, không kiểm soát được. Các gốc tự do này phá hủy các mô trong cơ thể gây nhiều bệnh tật. Trong phạm vi bản luận văn này, chúng tôi chỉ trích giới thiệu độc tính của một số kim loại là chỉ tiêu cần phân tích trong trai, ốc thuộc chương trình nghiên cứu đánh giá môi trường của EU (2001) cũng như của nhiều quốc gia khác trên thế giới. -Thủy ngân (Hg): Đây là một chất độc ngấm ngầm, thủy ngân có thể gây ra một loạt các triệu chứng bao gồm: rối loạn tâm lý, nhức đầu, chảy máu nướu răng, đau ngực, đau bụng, mệt mỏi kinh niên, dị ứng, nổi mẩn, ảnh hưởng tới sinh sản... ngộ độc thủy 16 ngân có thể qua thức ăn, nguồn nước, đôi khi cũng có thể do những chất thải công nghiệp hoặc đốt than đá. - Mangan (Mn): là kim loại có trong tự nhiên, mọi người đều bị nhiễm hàm lượng nhỏ Mn có trong không khí, thức ăn, nước uống. Mn là kim loại vết cần thiết cho sức khỏe người. Mn có thể tìm thấy trong một số loại thức ăn, ngũ cốc, trong một số loài thực vật như cây chè [52]. Người bị nhiễm Mn trong một thời gian dài thường mắc các bệnh thần kinh, rối loạn vận động, nhiễm độc mức hàm lượng cao kim loại này sẽ gây các bệnh về hô hấp và suy giảm chức năng tình dục. - Đồng (Cu): được dùng nhiều trong sơn chống thấm nước trên tàu thuyền, các thiết bị điện tử, ống nước. Nước thải sinh hoạt là nguồn chính đưa Cu vào nước. Cu tồn tại ở hai dạng là: dạng hòa tan và các hạt nhỏ [23]. Cu cần thiết cho chức năng hô hấp của nhiều sinh vật sống và các chức năng enzym khác. Cu được lưu giữ trong gan tủy sống của người. Cu với hàm lượng quá cao sẽ gây hư hại gan, thận, hạ huyết áp, hôn mê, đau dạ dày, thậm chí tử vong. Trai, ốc thường tích tụ lượng lớn Cu trong cơ thể của chúng.[36] - Kẽm (Zn) là nguyên tố cần thiết cho tất cả cơ thể sống, với con người hàng ngày cần 9 mg Zn cho các chức năng thông thường của cơ thể [24]. Nếu thiếu Zn sẽ dẫn đến suy giảm khứu giác, vị giác và suy giảm chức năng miễn dịch của cơ thể. Nguồn ô nhiễm kẽm chính là công nghiệp luyện kim, công nghiệp pin, các nhà máy rác, các sản phẩm chống ăn mòn, sơn, nhựa, cao su. Cơ thể con người có thể tích tụ Zn và nếu Zn tích tụ với hàm lượng quá cao thì chỉ trong thời gian ngắn sẽ gây bệnh nôn mửa, đau dạ dày. Nước chứa hàm lượng Zn cao rất độc đối sinh vật. Trai, ốc cũng tích tụ một lượng lớn Zn trong cơ thể chúng [23]. - Asen (As) sinh ra từ các dây chuyền sản xuất hóa phẩm, nhà máy nhiệt điện dùng than, có trong chất làm rụng lá, thuốc sát trùng, một số loại thủy tinh, chất bảo quản gỗ và thuốc bảo vệ thực vật. Sự tích tụ cũng như tác động của As đến cơ thể sống phụ thuộc vào dạng tồn tại của nó. Trong khi các hợp chất As vô cơ rất độc cho hầu hết cơ thể sống thì các hợp chất hữu cơ của nó chỉ gây độc nhẹ. Asen có thể gây nôn mửa, phá hủy 17 các phân tử AND và gây ung thư. FAO/ WHO đã đưa ra giới hạn chấp nhận được của hàm lượng As vô cơ hấp thu hàng tuần là 15µg/kg trọng lượng cơ thể [23]. - Nguồn ô nhiễm Cadimi (Cd) xuất phát từ ô nhiễm không khí, khai thác mỏ, pin Ni- Cd, nhà máy luyện kim [23]. Nguồn chính thải Cd vào nước là các điện cực dùng trên tàu thuyền. Cd tồn tại chủ yếu dưới dạng hòa tan trong nước. Nhiễm độc cấp tính Cd có các triệu chứng giống như cúm, sốt, đau đầu, đau khắp mình mẩy. Nhiễm độc mãn tính Cd gây ung thư (phổi, tuyến tiền liệt). EU đã đưa ra giới hạn trên của Cd là 1,0 mg/ kg trọng lượng tươi trai, ốc loại dùng làm thực phẩm cho người[22] - Chì (Pb) có trong vũ khí đạn dược, gốm sứ, xăng dầu, thủy tinh chì. Chì cũng được dùng nhiều trong vật liệu xây dựng, công nghiệp cơ khí, pin. Pb tác động đến hệ thần kinh, làm giảm sự phát triển não của trẻ nhỏ, gây rối loạn nhân cách ở người lớn, giảm chỉ số thông minh (IQ). Nó gây áp huyết cao, bệnh tim, gan và bệnh thận mãn tính.Trai, ốc hấp thụ Pb từ nước, thức ăn phản ánh mức độ ô nhiễm môi trường [36]. EU đã đưa ra giới hạn trên cho hàm lượng Pb trong trai, ốc là 1,5 mg/ kg trọng lượng tươi (loại dùng làm thực phẩm cho người ). 1.4. Các phương pháp phân tích kim loại nặng 1.4.1. Phương pháp quang phổ khối plasma cảm ứng (ICP-MS) Thuật ngữ ICP (Inductively Coupled Plasma) dùng để chỉ ngọn lửa plasma tạo thành bằng dòng điện có tần số cao (cỡ MHz) được cung cấp bằng một máy phát Radio Frequency Power (RFP). Ngọn lửa plasma có nhiệt độ rất cao có tác dụng chuyển các nguyên tố trong mẫu cần phân tích thành dạng ion. MS (Mass Spectrometry) là phép ghi phổ theo số khối hay chính xác hơn là theo tỷ số giữa số khối và điện tích (m/Z). Từ khi xuất hiện plasma cảm ứng với các tính năng và ưu điểm về vận hành hơn hẳn các nguồn hồ quang và tia điện thì một công cụ mới đã dần dần được phát triển thành một tổ hợp ICP ghép với một khối phổ kế. Hai ưu điểm nổi bật của ICP-MS là có độ phân giải cao và dễ tách các nhiễu ảnh hưởng lẫn nhau do đó có thể phát hiện được hầu hết các nguyên tố trong bảng tuần hoàn. Phương pháp phân tích này dựa trên các nguyên 18 tắc của sự bay hơi, phân tách, ion hóa của các nguyên tố hóa học khi chúng được đưa vào môi trường plasma có nhiệt độ cao. Sau đó các ion này được phân tách ra khỏi nhau theo tỷ số khối lượng / điện tích (m/z) của chúng, bằng thiết bị phân tích khối lượng có từ tính và độ phân giải cao phát hiện, khuyếch đại tín hiệu và đếm bằng thiết bị điện tử kĩ thuật số. Phương pháp ICP – MS ra đời vào đầu những năm 80 của thế kỉ trước và ngày càng chứng tỏ là kĩ thuật phân tích có ưu điểm vượt trội so với các kĩ thuật phân tích khác như quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS), quang phổ phát xạ plasma cảm ứng (ICP-AES hay ICP-OES)…Phương pháp ICP-MS hơn hẳn các kĩ thuật phân tích kim loại nặng khác ở các điểm sau: có độ nhạy cao, độ lặp lại cao, xác định đồng thời được hàng loạt các kim loại trong thời gian phân tích ngắn.[9] *Sự xuất hiện và bản chất của phổ ICP-MS Dưới tác dụng của nguồn ICP, các phân tử trong mẫu phân tích được phân li thành các nguyên tử tự do ở trạng thái hơi. Các phần tử này khi tồn tại trong môi trường kích thích phổ ICP năng lượng cao sẽ bị ion hóa, tạo ra đám hơi ion của chất mẫu (thường có điện tích +1). Nếu dẫn dòng ion đó vào buồng phân cực để phân giải chúng theo số khối (m/Z) sẽ tạo ra phổ khối của nguyên tử chất cần phân tích và được phát hiện nhờ các detector thích hợp. Các quá trình xảy ra trong nguồn ICP: - Hóa hơi chất mẫu, nguyên tử hóa các phân tử, ion hóa các nguyên tử, sự phân giải của các ion theo số khối sẽ sinh ra phổ ICP-MS: Hóa hơi: MnXm(r)  Mnxm(k) Phân li: MnXm(k)  nM(k) + mX(k) Ion hóa: M(k)0 + Enhiệt  M(k)+ - Thu toàn bộ đám hơi ion của mẫu, lọc và phân ly chúng thành phổ nhờ hệ thống phân giải khối theo số khối của ion, phát hiện chúng bằng detector, ghi lại phổ. - Đánh giá định tính, định lượng phổ thu được. 19 Như vậy thực chất phổ ICP - MS là phổ của các nguyên tử ở trạng thái khí tự do đã bị ion hóa trong nguồn năng lượng cao tần ICP theo số khối các chất. * Ưu điểm của phương pháp phân tích bằng ICP-MS Phép đo phổ ICP - MS là một kỹ thuật mới, ra đời cách đây không lâu nhưng được phát triển rất nhanh và sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như :quá trình sản xuất nhiên liệu hạt nhân, xác định đồng vị phóng xạ, nước làm lạnh sơ cấp trong ngành hạt nhân (chiếm tỷ trọng 5%); phân tích nước uống, nước biển, nước bề mặt, đất, bùn, đất hoang, phân tích định dạng Hg, As, Pb và Sn trong nghiên cứu và bảo vệ môi trường (48%); quá trình hoá học, chất nhiễm bẩn trong Si Wafers trong công nghiệp sản xuất chất bán dẫn (33%); máu, tóc, huyết thanh, nước tiểu, mô trong y tế (6%); đất, đá, trầm tích, nghiên cứu đồng vị phóng xạ trong địa chất ( 2%); hoá chất (4%); dấu vết đạn, đặc trưng vật liệu, nguồn gốc, chất độc trong khoa học hình sự (1%) và phân tích thực phẩm (1%)... Hình 5: Ứng dụng phương pháp phân tích ICP-MS trong các lĩnh vực Ưu điểm phép đo phổ ICP- MS: - Nguồn ICP là nguồn năng lượng kích thích phổ có năng lượng cao, nó cho phép phân tích hơn 70 nguyên tố từ Li – U và có thể xác định đồng thời chúng với độ nhạy và độ chọn lọc rất cao (giới hạn phát hiện từ ppb-ppt đối với tất cả các nguyên tố). 20