Dự thảo tóm tắt Luận án Tiến sĩ Khoa học môi trường: Nghiên cứu sử dụng một số khoáng vật phyllosilicat và tectosilicat để hạn chế tính linh động của kim loại nặng trong đất nông nghiệp khu vực huyện Văn Lâm, Hưng Yên

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------------------- NGUYỄN NGỌC TÚ NGHIÊN CÚU SỬ DỤNG MỘT SỐ KHOÁNG VẬT PHYLLOSILICAT VÀ TECTOSILICAT ĐỂ HẠN CHẾ TÍNH LINH ĐỘNG CỦA KIM LOẠI NẶNG TRONG ĐẤT NÔNG NGHIỆP KHU VỰC HUYỆN VĂN LÂM, HƢNG YÊN Chuyên ngành: Môi trường đất và nước Mã số: 9440301.02 DỰ THẢO TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG Hà Nội - 2019

Công trình được hoàn thành tại: Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên

Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS. Nguyễn Ngọc Minh

Phản biện: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Phản biện: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Phản biện: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng cấp Đại học Quốc gia

2. TS. Trịnh Quang Huy chấm luận án tiến sĩ họp tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên vào hồi giờ ngày tháng năm 20...

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Quốc gia Việt Nam; - Trung tâm Thông tin - Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Làng nghề Đông Mai thuộc xã Chỉ đạo, huyện Văn Lâm, tỉnh Hưng Yên hoạt động tái chế ắc quy chì và gây ra nhiều nguy cơ tiềm ẩn ảnh hưởng tới sản xuất nông nghiệp và sức khỏe người dân. Khoáng sét, đặc biệt là khoáng silicate, bổ sung vào đất để hạn chế tính linh động của kim loại và giảm khả năng hấp thu của cây trồng là một trong những giải pháp xử lý tại chỗ được ưu tiên phát triển. Từ cơ sở khoa học và thực tiễn nêu trên, luận án được thực hiện với tiêu đề: “Nghiên cứu sử dụng một số khoáng vật phyllosilicat và tectosilicat để hạn chế tính linh động của kim loại nặng trong đất nông nghiệp khu vực huyện Văn Lâm, Hưng Yên”. 2. Mục tiêu của luận án Mục tiêu chung: Đánh giá khả năng hạn chế tính linh động và tích lũy của Pb trong đất trồng lúa bằng việc bổ sung khoáng zeolite và bentonite vào môi trường đất và đề xuất một số giải pháp giảm thiểu tác động của Pb đến môi trường và con người. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của luận án Đối tượng nghiên cứu được sử dụng trong luận án bao gồm: i/ Đất lúa tại khu vực xã Chỉ Đạo, huyện Văn Lâm, tỉnh Hưng Yên; ii/ Các khoáng vật silicate: nhóm zeolite và nhóm bentonite; iii/ Giống lúa Bắc Thơm 7 kháng bạc lá; iv/ Cấu trúc silic sinh học trong đất lúa, trong cây lúa. Phạm vi nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và trong nhà lưới. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 4.1 Ý nghĩa khoa học của luận án - Luận án đã bổ sung thêm thông tin về hiện trạng và các dạng tồn tại của Pb trong môi trường đất trồng lúa tại xã Chỉ Đạo, huyện Văn Lâm, tỉnh Hưng Yên, là khu vực chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi hoạt động tái chế ắc quy trong thời gian qua. - Luận án cung cấp cơ sở khoa học sử dụng các nhóm khoáng vật zeolite và bentonite để hạn chế tính linh động, và từ đó giảm lượng Pb tích lũy vào cây lúa/gạo.

- Luận án đã làm rõ được "số phận" của dạng Pb tích lũy trong cây lúa (rơm rạ), tác động của dạng Pb này đối với môi trường đất và mối liên hệ với vấn đề sử dụng rơm rạ sau thu hoạch. 4.2 Ý nghĩa thực tiễn của luận án - Đánh giá được khả năng kiểm soát tính linh động của Pb trong đất lúa; ảnh hưởng của khoáng bổ sung đến tích lũy Pb trong lúa và trong gạo, mức độ ảnh hưởng của việc bổ sung khoáng silicat đến sinh trưởng và phát triển của cây lúa thí nghiệm. - Đưa ra một số giải pháp hạn chế ảnh hưởng của Pb tồn dư trong môi trường đất lúa đến con người và hệ sinh thái tại khu vực nghiên cứu. 5. Điểm mới của luận án - Luận án đã đánh giá được ảnh hưởng của việc bổ sung các loại khoáng zeolite và bentonite đến tính linh động của Pb trong môi trường đất lúa và khả năng tích lũy Pb của cây lúa và trong gạo. Đặc biệt, nghiên cứu của luận án còn thực hiện đánh giá một cách tương đối toàn diện những tác động của bổ sung khoáng silicate đến khả năng sinh trưởng và phát triển của cây lúa thí nghiệm. - Luận án đã đánh giá được các dạng tồn tại của Pb trong đất nghiên cứu (ví dụ: dạng tự do, dạng cacbonate, liên kết với chất hữu cơ và các oxit), đặc biệt phát hiện đất lúa nghiên cứu có chứa một lượng PhytPb (dạng Pb trong cấu trúc phytolith trong rơm rạ) là kết quả của quá trình hoàn trả rơm rạ (nhiễm Pb) lại cho đất. Kết quả nghiên cứu này có thể là tiền đề cho việc đề xuất giải pháp quản lý và xử lý rơm rạ nhiễm Pb.

Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Nguồn ô nhiễm Pb và một số biện pháp xử lý 1.1.1 Nguồn gốc ô nhiễm Pb trong môi trường đất a. Từ hóa chất nông nghiệp b. Từ phân gia súc và chất hữu cơ c. Từ nước thải và chất thải công nghiệp d. Từ không khí 1.1.2 Hợp chất vô cơ của Pb và chuyển hóa Pb trong đất

1.1.3 Yếu tố ảnh hưởng đến trạng thái tồn tại của Pb trong đất a. Ảnh hưởng của pH đất b. Ảnh hưởng của chất hữu cơ c. Ảnh hưởng của hàm lượng sét 1.1.4 Hiện trạng ô nhiễm Pb trong đất khu vực nghiên cứu 1.1.5 Một số biện pháp xử lý ô nhiễm Pb trong môi trường đất 1.2 Hấp thu, tích lũy và chuyển hóa Pb trong thực vật 1.2.1 Quá trình hấp thu Pb trong thực vật 1.2.2 Quá trình tích lũy và vận chuyển Pb trong thực vật 1.2.3 Ảnh hưởng của Pb đối với thực vật a. Tác động của Pb đến hoạt động của enzym b. Tác động của Pb đến hoạt động quang hợp c. Tác động của Pb đến khả năng hấp thu và tích lũy dinh dưỡng d. Khả năng đáp ứng độc tính Pb của thực vật 1.3 Ứng dụng khoáng vật zeolite và bentonite hạn chế tích lũy kim loại nặng trong thực vật 1.3.1 Tổng quan về vật liệu khoáng zeolite và bentonite 1.3.2 Zeolit giảm tích lũy kim loại nặng trong cây trồng 1.3.3 Bentonit giảm tích lũy của kim loại nặng trong cây trồng

Chƣơng 2. NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tƣợng và vật liệu nghiên cứu 2.1.1 Mẫu đất sử dụng trong nghiên cứu Vị trí tọa độ và sơ đồ lấy mẫu được trình bày trong Bảng 2.1 và Hình 2.1. Bảng 2.1: Vị trí tọa độ các điểm lấy mẫu đất lúa của luận án

Tọa độ vị trí lấy mẫu

Kí hiệu Đ01 20°59'9.98"N 106° 3'17.46"E Mô tả vị trí lấy mẫu Đất trồng lúa sau thu hoạch

Đ02 Đ03 Đ04 Đ05 Đ06 20°59'12.75"N 20°59'13.93"N 20°59'15.04"N 20°59'20.87"N 20°59'9.55"N 106° 3'19.87"E Đất trồng lúa sau thu hoạch 106° 3'24.28"E Đất trồng lúa sau thu hoạch 106° 3'30.17"E Đất trồng lúa sau thu hoạch 106° 3'33.45"E Đất trồng lúa sau thu hoạch 106° 3'13.62"E Đất trồng lúa sau thu hoạch

Tọa độ vị trí lấy mẫu

Kí hiệu Đ07 20°59'9.30"N 106° 3'9.86"E Mô tả vị trí lấy mẫu Đất trồng lúa sau thu hoạch

Đ08 Đ09 20°59'9.88"N 20°59'10.75"N 106° 3'6.82"E 106° 3'2.75"E Đất trồng lúa sau thu hoạch Đất trồng lúa sau thu hoạch

Đ10 20°59'14.31"N

Đất trồng lúa sau thu hoạch 106° 3'0.22"E Các mẫu đất được lấy tại lớp đất bề mặt có độ sâu từ 0 – 20cm. Mỗi thửa ruộng lấy 03 mẫu tại 3 vị trí khác nhau sau đó được trộn lại thành 1 mẫu hỗn hợp cho thửa ruộng đó.

Hình 2.1: Sơ đồ lấy mẫu đất lúa trong nghiên cứu

2.1.2 Lúa, rơm rạ và gạo sử dụng trong nghiên cứu a/ Mẫu lúa: Lúa được sử dụng là giống Bắc Thơm 7 kháng bạc lá, là giống lúa cảm ôn, gieo cấy được 02 vụ trong năm, có thời gian sinh trưởng ngắn. Mạ sau 10 – 13 ngày tuổi sẽ được lựa chọn. b/ Mẫu rơm rạ: Mẫu rơm rạ là các mẫu đối chứng này không được bổ sung thêm khoáng nên mô phỏng tương tự như cây lúa ngoài thực địa. c/ Mẫu gạo: Các mẫu gạo được sử dụng trong nghiên cứu để đánh giá khả năng tích lũy Pb được thu hồi từ các công thức thí nghiệm trong chậu vại. 2.1.3 Mẫu vật liệu zeolite và bentonite sử dụng trong nghiên cứu 2.1.3.1 Vật liệu zeolite 4A và zeolite faujasite Các khoáng vật zeolite này là sản phẩm nghiên cứu đề tài khoa học công nghệ của Học viện Nông nghiệp Việt Nam, mã số: T2017-04-24.

Bảng 2.2: Đặc trưng của vật liệu zeolite 4A và zeolite faujasite

TT

Thông số

Zeolite 4A

Zeolite faujasite

1

CTHH

Na

Al

Si

O

.27H

O

Na

Si

O

O

12

12

2

Al 2

2

.6H 9

2

2.5

2 Kích thước, µm

12 48 2,5

4

432

341

CEC, cmolc.100g-1

82,67± 0,72

96,56 ± 0,53

3 4 Hấp phụ Pb2+, % 2.1.3.2 Vật liệu bentonite tự nhiên và bentonite biến tính Bentonite tự nhiên (bentonite TN): nguồn bentonite tự nhiên sử dụng trong nghiên cứu được lấy từ mỏ bentonite ở xã Tam Bố, huyện Di Linh, tỉnh Lâm Đồng. Bentonite biến tính bằng chống cột (bentonite BT): Từ vật liệu bentonite Di Linh tự nhiên, thực hiện biến tính vật liệu bằng phương pháp hóa lý sử dụng tác nhân biến tính là Al3+ trên quy mô phòng thí nghiệm. Bảng 2.3: Tính chất khoáng bentonite sử dụng trong nghiên cứu

TT 1 Bentonite TN 19,5 Bentonite BT 58,6

2 3 Thông số CEC, cmolc.100g-1 Khoảng cách cơ sở, A0 Khả năng hấp phụ Pb, % 12,99 51,33 16,81 95,44

2.2 Nội dung nghiên cứu Luận án được thực hiện với 3 nội dung chính như sau: Nội dung 1: Tính chất đất và Pb trong đất lúa khu vực nghiên cứu Nội dung 2: Ảnh hưởng khoáng silicate đến Pb linh động trong đất lúa Nội dung 3: Đặc điểm tích lũy Pb trong đất lúa và cây lúa 2.3 Phƣơng pháp nghiên cứu 2.3.1 Xác định một số đặc tính cơ bản của đất lúa 2.3.1.1 Xác định thành phần cơ giới đất 2.3.1.2 Xác định pH đất 2.3.1.3 Xác định độ dẫn điện 2.3.1.4 Xác định hàm lượng chất chữu cơ 2.3.1.5 Xác định dung tích trao đổi cation 2.3.1.6 Xác định thành phần hóa học 2.3.1.7 Xác định dạng tồn tại của Pb trong đất lúa

Tên mẫu

2.3.1.8 Xác định dạng Pb khác trong đất lúa a/ Thu hồi cấu trúc silic sinh học của đất lúa b/ Thành phần hóa học của cấu trúc silic sinh học của đất lúa c/ Xác định hàm lượng Pb trong cấu trúc silic sinh học của đất lúa 2.3.2 Xác định ảnh hưởng của zeolite và bentonite đến Pb linh động trong đất 2.3.2.1 Phương pháp bố trí thí nghiệm trong chậu Bảng 2.4: Nguyên tắc bố trí các nghiệm thức thí nghiệm Mức Mẫu 3 ĐC 3% 0% Mức 4 4% Mức 2 2% Mức 1 1% Tỷ lệ (khối lượng) Mức 5 5%

Lượng khoáng, g Lượng đất, g 0 5.000 5 4.995 10 4.990 15 4.985 20 4.980 25 4.975

5.000 5.000 5.000 5.000

Tổng lượng, g 5.000 5.000 - Chỉ tiêu phân tích: Pb linh động và Pb tổng số trong môi trường đất lúa, trước khi bắt đầu thí nghiệm, theo chu kỳ sinh trưởng của cây lúa; Pb tích lũy trong cây và hạt lúa. - Các chỉ tiêu theo dõi: chỉ tiêu sinh trưởng, phát triển và năng suất của cây lúa. Chu kỳ sinh trưởng và phát triển của cây lúa trải qua 06 giai đoạn theo dõi (Bảng 2.5). Bảng 2.5: Các giai đoạn phát triển và thông số đánh giá thí nghiệm

TT Giai đoạn Thời gian, ngày 1 Mạ 13 Chỉ tiêu - Pb tổng số, Pb linh động, pH

- Pb linh động, pH trong đất lúa 2 Đẻ nhánh 3 Vươn lóng 26 36

4 5 Làm đòng Trỗ bông 49 61

6 Chín 109 (137) - pH, Pb linh động, Pb trong lúa và gạo và các chỉ tiêu sinh trưởng

2.3.2.2 Phân tích các dạng Pb và khả năng sinh trưởng của cây lúa a. Xác định Pb linh động trong đất

Phương pháp chiết Pb linh động được thực hiện theo TCVN 7727:2007 – Chất lượng đất – Chiết các nguyên tố vết bằng dung dịch đệm DTPA (Diethylien Triamon Pentadiacetic Acid 0,005 M). b. Xác định Pb tổng số trong cây lúa Hàm lượng Pb tổng số trong cây lúa và gạo được xác định bằng phương pháp cường thủy. c. Xác định khả năng sinh trưởng của thực vật Các phương pháp đo đạc sinh trưởng của cây lúa được thực hiện theo QCVN 01-55 : 2011/BNNPTN như sau: Bảng 2.6: Phương pháp phân tích và đo đạc kết quả thí nghiệm

STT Thông số

1 Chiều cao thân*

2 Kích thước lá Phƣơng pháp Đo bằng thước. Đo từ mặt đất đến đỉnh bông cao nhất, không kể râu hạt. Số cây mẫu: 10. Đo bằng thước.

3 Số lượng bông*

Đếm số bông có ít nhất 10 hạt chắc của một cây, số cây mẫu: 5.

4 5 Chiều dài hạt Khối lượng hạt* Đo đạc bằng thước kẹp với số lượng 20 hạt. Cân 8 mẫu 100 hạt ở độ ẩm 14%, gam.

2.3.2.3 Phương pháp xử lý thống kê Các số liệu thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của việc bổ sung khoáng vật zeolit và bentonit đến Pb linh động trong đất lúa được xử lý và kiểm định sai khác giữa các giá trị trung bình bằng phân tích t – test 2.3.3 Quan hệ đất – lúa thông qua Pb trong cấu trúc silic sinh học 2.3.3.1 Xác định thành phần hóa học mẫu tro rơm rạ sau nung 2.3.3.2Xác định Pb trong cấu trúc silic sinh học của cây lúa

Chƣơng 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

3.1 Tính chất đất và Pb trong đất lúa khu vực nghiên cứu 3.1.1 Thành phần và tính chất của đất lúa trong nghiên cứu 3.1.1.1 Một số tính chất hóa lý của đất lúa Kết quả phân tích một số tính chất cơ bản của đất lúa khu vực nghiên cứu tại thôn Đông Mai, xã Chỉ Đạo, huyện Văn Lâm, tỉnh Hưng Yên được trình

bày trong Bảng 3.1. Bảng 3.1: Một số tính chất vật lý, hóa học của đất nghiên cứu

Các mẫu đất trong nghiên cứu

Thông số

Đ1

Đ2

Đ3

Đ4

Đ5

Đ6

Đ7

Đ8

Đ9

Đ10

3,40

3,59

3,41

3,90

4,14

3,92

4,65

4,59

3,69

5,20

pHKCl

(0,01)

(0,01)

(0,01)

(0,01)

(0,01)

(0,01)

(0,02)

(0,01)

(0,01)

(0,03)

2,44

2,24

2,39

2,09

1,89

2,90

2,04

2,12

2,60

1,33

OC (%)

(0,02)

(0,02)

(0,05)

(0,02)

(0,02)

(0,05)

(0,02)

(0,02)

(0,05)

(0,04)

EC

305,3

339,3

234,3

163,3

178,7

165,2

129,5

156,2

163,5

92,6

(S.cm-1)

(5,51)

(9,71)

(17,6)

(2,46)

(11,3)

(4,07)

(4,90)

(4,16)

(4,15)

(2,2)

15,4

12,2

11,4

11,6

13,2

12,7

11,9

13,5

12,8

CEC cmolc.100 13

Thành phần cơ giới các mẫu có tỷ lệ cấp hạt sét từ 3,67% đến 8,0%; limon từ 50,01% đến 63,13% và cát từ 32,10% đến 46,33%. Đất trong nghiên cứu thuộc loại đất thịt hoặc thịt pha cát.

Hình 3.1: Kết quả phân tích thành phần cơ giới đất nghiên cứu Giá trị CEC trung bình khoảng 12,8 cmolc.100g-1, có dung tích trao đổi cation trung bình. Kết quả phân tích thành phần hóa học của các mẫu đất bằng phương pháp PIXE được trình bày trong Bảng 3.2.

Bảng 3.2: Thành phần hóa học của đất lúa trong nghiên cứu

Các mẫu đất lúa trong nghiên cứu

Đ1

Đ2

Đ3

Đ4

Đ5

Đ6

Đ7

Đ8

Đ9

Đ10

0,223 0,140 0,195 0,185 0,193 0,191 0,236 0,217 0,186 0,226

0,39

0,40

0,37

0,40

0,42

0,40

0,43

0,40

0,43

0,44

4,58

4,82

4,84

5,18

5,34

5,05

5,25

4,99

5,20

5,29

11,81 12,38 11,69 12,54 12,53 12,67 12,36 11,58 12,81 12,91

0,93

1,00

1,01

1,09

1,09

1,03

1,08

1,05

1,06

1,08

0,59

0,47

0,61

0,73

0,96

0,75

0,71

0,70

0,60

0,51

2,96

2,73

2,58

2,77

3,41

2,55

3,08

2,83

2,71

3,70

ố t n ê y u g N Na1 Mg1 Al1 Si1 K1 Ca1 Fe1 Pb2

1.116 921 1.014 1.090 1.766 972

816

827 1.064 404

1: Hàm lượng %; 2: Hàm lượng: mg.kg-1

3.1.1.2 Thành phần khoáng học của đất lúa Theo kết quả XRD tại Hình 3.2 thì các thành phần khoáng vật học chính tại đất lúa khu vực thôn Đông Mai, xã Chỉ Đạo, huyện Văn Lâm chủ yếu là Quartz, Kaolinite và Illite.

Hình 3.2: Phổ nhiễu xạ tia X của cấp hạt sét (< 2 m) xử lý ở các điều kiện khác nhau: (i) xử lý ở 550C, (ii) bão hòa với KCl, (iii) bão hòa với MgCl2 và (iv) solvat hóa trong ethyleneglycol

3.1.2 Các dạng tồn tại của Pb trong đất lúa khu vực nghiên cứu Các dạng tồn tại của Pb trong đất lúa thu được từ các quá trình chiết được mô tả trong Bảng 3.3. Bảng 3.3: Các dạng tồn tại của Pb trong đất nghiên cứu

Các mẫu đất trong nghiên cứu, mg.kg-1

Dạng liên kết

Đ1

Đ2

Đ3

Đ4

Đ5

Đ6

Đ7

Đ8

Đ9 Đ10

Trao đổi

166,9 154,0 180,6 153,4 164,6 87,4 50,7 55,0 101,3 29,6

Liên kết carbonate 419,5 337,5 351,1 388,0 481,4 279,8 216,6 259,2 300,8 136,0

Liên kết Fe, Mn

233,4 178,8 190,5 234,0 353,6 223,3 175,1 198,5 217,1 100,5

Liên kết hữu cơ

0,02

0,02

0,02

0,12 0,31 0,02 0,26 0,47 0,08

0,7

25,3

11,8

20,2

2,8

2,6

5,5

1,2

0,4

3,6

1,7

Chiết bằng CaCl2

Hàm lượng tổng* 1.116 921 1.014 1.090 1.766 972

816

827 1.064 404

Hầu hết Pb trong đất ở nghiên cứu này được tồn tại chủ yếu dưới dạng trao đổi (114,4  53,3 mg.kg-1), dạng liên kết với carbonate (317,0  95,9 mg.kg-1) và dạng liên kết với các oxit Fe và Mn (210,5  60,6 mg.kg-1). Hàm lượng Pb dưới dạng liên kết với chất hữu cơ ở mức thấp (0,3  0,2

mg.kg-1).

Hình 3.3: Các dạng tồn tại của Pb trong môi trường đất

3.1.3 Dạng Pb trong cấu trúc silic sinh học trong đất lúa

Pb trong cấu trúc silic sinh học là dạng Pb "đặc biệt", xuất hiện trong đất khi rơm rạ hoặc tàn dư cây lúa chứa Pb được quay vòng lại đồng ruộng.

Hình 3.4 Cấu trúc silic sinh học ("xương cây") trong thân cây lúa được tái tạo nhờ công nghệ chụp cắt lớp siêu hiển vi (µCT) Kết quả cho thấy hàm lượng của các cấu trúc silic trong các mẫu đất này biến thiên trong khoảng rộng khi thay đổi từ 1,76 đến 8,67 g.kg-1 (Hình

3.5).

Hình 3.5: Hàm lượng cấu trúc silic sinh học của đất lúa

Hình 3.6: Hình thái cấu trúc silic sinh học của đất (a), thành phần hóa học bằng phổ EDS (b) Cấu trúc silic sinh học được tách ra từ các mẫu đất lúa tại khu vực nghiên cứu tồn tại dưới nhiều hình dạng khác nhau: dạng que, song tinh, tấm bản. Hàm lượng Pb có trong các cấu trúc silic sinh học này dao động từ 0,43 đến 0,73 mg.g-1 khi chiết bằng dung dịch cường thủy.

Hình 3.7: Hàm lượng Pb trong cấu trúc silic sinh học của đất lúa Với hàm lượng của cấu trúc silic sinh học trong đất dao động trong khoảng từ 1,76 đến 8,67 g.kg-1 nên hàm lượng Pb tích lũy trong cấu trúc này dao động từ 1,29 đến 4,89 mg.kg-1.

3.2 Ảnh hƣởng của các khoáng vật zeolite và bentonite đến sự linh động của Pb trong đất và sự tích lũy Pb trong cây 3.2.1 Ảnh hưởng khoáng vật zeolite và bentonite đến linh động của Pb trong đất Sau 3 vụ thí nghiệm, từ hàm lượng Pb linh động trong các mẫu đối chứng trung bình khoảng 54,34 mg.kg-1, hàm lượng Pb linh động còn lại trong đất khoảng 32,41 mg.kg-1, đạt hiệu suất giảm khả năng linh động của Pb khoảng 40,25%.

Hình 3.8: Pb linh động trong đất với công thức bổ sung khoáng.

Bảng 3.4: Kiểm định sự sai khác có ý nghĩa của giá trị trung bình của Pb linh động, mg.kg-1 Khoáng

ĐC

Bentonite tự

52,74

nhiên

(±1,02)

Bentonite biến

59,81

tính

(±5,03)

51,56

Zeolite 4A

(±3,79)

Zeolite

51,64

Faujasite

(±3,03)

Mức 1 36,25a (±3,00) 36,25a (±4,49) 34,37a (±2,39) 31,85a (±3,46)

Mức 2 35,55a (±4,25) 35,20a (±3,15) 32,14b (±5,50) 30,50b (±1,92)

Mức 3 33,16b (±2,11) 34,70b (±2,82) 28,69c (±5,09) 30,65b (±0,86)

Mức 4 33,01c (±2,56) 34,12c (±2,68) 29,66c (±4,93) 30,02b (±1,47)

Mức 5 31.07c (±3,88) 32,71c (±2,38) 29,25c (±2,33) 28,96c (±1,60)

Kiểm định ở mức ý nghĩa α = 0,05 Các giá trị a, b, c thể hiện sự khác biệt giữa các mức bổ sung khoáng

Hàm lượng của Pb linh động giảm tương đối nhanh khi bổ sung khoáng ở mức tối thiểu (mức 1), chỉ với một hàm lượng tối thiểu khoáng (1% đối với tất cả các khoáng) cũng đã ảnh hưởng rất lớn đến việc giảm tính linh động của Pb2+ trong đất.

Hình 3.9: Biến động pH đất với các mức bổ sung vật liệu khoáng Khoáng bentonite có CEC thấp (19 cmolc.100g-1 đối với bentonite tự nhiên và 58,6 cmolc.100g-1 đối với bentonite biến tính), khoáng nhân tạo thuộc nhóm zeolite lại có giá trị CEC cao hơn tương đối nhiều, lần lượt là 342 và 432 cmolc.100g-1 đối với zeolite 4A và zeolite faujasite.

Hình 3.10: Biến động của hàm lượng Pb trong đất

Hình 3.11: Hàm lượng Pb tích lũy Sau thời gian 3 vụ thí nghiệm, hàm lượng Pb linh động trong đất ở các công thức thí nghiệm ổn định trong khoảng 32,41 mg.kg-1 (Bảng 3.4). 3.2.2 Ảnh hưởng khoáng vật zeolite và bentonite đến linh động của Pb trong cây lúa Khả năng kiểm soát tích lũy Pb trong lúa của 4 loại khoáng trong nghiên cứu dao động từ 24% đến 58% so với mẫu đối chứng, các khoáng zeolite 4A và zeolite faujasite lần lượt là 58% và 56%, tốt hơn so với khoáng bentionte biến tính và bentonite tự nhiên lần lượt là 44% và 24% trong lúa

Mức khoáng bổ sung càng cao thì lượng Pb tích lũy càng thấp. Trong các loại khoáng bổ sung thì hiệu quả kiểm soát Pb trong lúa sắp xếp theo thứ tự giảm dần: zeolite 4A, zeolite faujasite, khoáng bentonite biến tính và cuối cùng là khoáng bentonite tự nhiên. Pb trong cây lúa càng thấp, nhưng hiệu quả hạn chế là không giống nhau giữa các công thức thí nghiệm.

Hình 3.13: Tương quan giữa khoáng với hàm lượng Pb tích lũy trong cây lúa (n=18) Hình 3.12: Tương quan giữa khoáng với hàm lượng Pb tích lũy trong cây lúa (n=18)

Mối tương quan giữa các mức độ bổ sung khoáng với hàm lượng Pb tích lũy trong cây lúa được thể hiện tại các Hình 3.12 và Hình 3.13. 3.2.3 Ảnh hưởng của khoáng vật zeolite và bentonite đến sự tích lũy Pb trong gạo Kết quả phân tích hàm lượng trung bình Pb tích lũy trong gạo tại các công thức thí nghiệm được trình bày trong Bảng 3.5. Bảng 3.5: Hàm lượng Pb tích lũy trong gạo sau thí nghiệm

Loại khoáng Hàm lƣợng Pb tích lũy trong gạo, µg/g Đối chứng Mức 1 Mức 2 Mức 3 Mức 4 Mức 5

Bent TN Bent BT 0,81 0,78 0,42 0,40 0,57 0,54 0,65 0,56 0,39 0,38 0,42 0,38

Zeolite 4A Z. Faujasite 0,75 0,67 0,58 0,35 0,37 0,23 0,26 0,23 0,20 0,12 0,24 0,11

Hiệu quả kiểm soát tích lũy Pb trong gạo của các khoáng zeolite faujasite, zeolite 4A, bentonit biến tính và bentonit và so với mẫu đối chứng lần lượt là 69%, 56%, 42% và 40%. 3.2.4 Ảnh hưởng khoáng bổ sung đến sinh trưởng của cây lúa 3.2.4.1 Ảnh hưởng đến chiều cao sinh trưởng của cây lúa

Hình 3.14: Chiều cao sinh trưởng của cây lúa thí nghiệm

Chiều cao cây lúa ở tất cả công thức thí nghiệm đạt giá trị trung bình 67,65cm, tại mẫu đối chứng là 84,25cm, ở công thức bổ sung bentonite tự nhiên là 74,33cm, thấp nhất xảy ra tại thí nghiệm bổ sung khoáng zeolite faujasite, chỉ đạt 66,64 cm. Chiều cao trung bình của cây lúa ở 2 công thức được bổ sung zeolite 4A và bentonite biến tính lần lượt là 73,38cm và 70,77cm (Hình 3.14).

Hình 3.15: Sự phát triển tương đối đồng đều (a) và hiện tượng cây thí nghiệm chết với việc bổ sung khoáng zeolite faujasite trong vụ thứ nhất (b)

Hình 3.16: Diễn biến chiều cao sinh trưởng ở các công thức thí nghiệm với các mức bổ sung khoáng vật khác nhau

3.2.4.2 Ảnh hưởng đến độ rộng phiến lá Giá trị độ rộng trung bình của lá lúa thí nghiệm tại thời điểm trưởng thành dao động từ 0,87cm (công thức bổ sung khoáng zeolite faujasite) đến 1,45cm (công thức bổ sung khoáng bentonite tự nhiên). Công thức đối chứng có độ rộng phiến lá trung bình là 1,53cm (Hình 3.17).

Hình 3.17: Độ rộng phiến lá ở các công thức thí nghiệm Với giá trị trung bình dao động từ 0,87 – 1,45cm thì độ rộng phiến lá tại 4 công thức thí nghiệm đều thấp hơn tương đối nhiều so với kết quả sinh trưởng bình thường của giống lúa ngoài đồng ruộng. 3.2.4.3 Ảnh hưởng đến số lượng bông lúa

Hình 3.18: Số lượng bông lúa tại các công thức thí nghiệm

Số lượng trung bình các bông lúa được thống kê sau thời gian 3 vụ thí nghiệm được thể hiện trong Hình 3.18. Số lượng bông lúa trung bình thu được trong các thí nghiệm bổ sung khoáng bentonite tự nhiên, bentonite biến tính và zeolite 4A lần lượt là 11,20, 12,37 và 12,80 bông/vụ, khoáng

zeolite faujasite chỉ đạt 9,00 bông/vụ và công thức đối chứng là 14,17 bông/vụ. 3.2.4.4 Ảnh hưởng đến kích thước và khối lượng 1.000 hạt lúa Chiều dài hạt lúa thí nghiệm dao động trong khoảng 5,88 đến 6,17 mm. Chiều dài hạt lúa trong công thức đối chứng là 6,27mm, kết quả độ dài hạt lúa trung bình thấp hơn giá trị chuẩn.

Hình 3.19: Chiều dài hạt lúa ở các công thức bổ sung khoáng Hình 3.20: Mức độ bổ sung các khoáng vật và chiều dài hạt lúa

Khối lượng của 1.000 hạt lúa được thống kê từ 4 công thức thí nghiệm trong nghiên cứu này dao động từ 18,47 – 18,85 gam/1.000 hạt (Hình

3.19).

Hình 3.21: Khối lượng 1.000 hạt lúa ở các công thức thí nghiệm bổ sung các khoáng vật khác nhau

Tương tự, nghiên cứu cũng đánh giá mối tương quan giữa các mức bổ sung khoáng với chỉ tiêu về khối lượng 1.000 hạt lúa. Kết quả xử lý mối tương quan này được thể hiện tại Hình 3.22 (đối với các khoáng bentonite tự nhiên và bentonite biến tính) và tại Hình 3.23 (đối với khoáng zeolite 4A và khoáng zeolite faujasite).

Hình 3.23 Tương quan khối lượng hạt lúa với các mức bổ sụng khoáng zeolite 4A (a) và faujasite (b)

Hình 3.22: Khối lượng hạt lúa với các mức bổ sung khoáng bentonite tự nhiên (a) và bentonite biến tính (b) 3.3 Quan hệ đất – lúa thông qua Pb trong cấu trúc silic sinh học 3.3.1 Đặc điểm tích lũy Pb trong cấu trúc silic sinh học của cây lúa 3.3.1.1 Hòa tan của cấu trúc silic sinh học trong rơm rạ

Hình 3.24: Hòa tan cấu trúc silic sinh học

Khi nhiệt độ nung của rơm tăng từ 4000C lên 1.0000C thì khả năng hòa tan cấu trúc này trong các dung dịch H2O2 và Na2CO3 giảm tương ứng từ 30,7 đến 1,2 mg.g-1 (đối với dung dịch H2O2) và 158,5 đến 14,7 mg.g-1 (đối với dung dịch Na2CO3) (Hình 3.24). 3.3.1.2 Giải phóng Pb từ cấu trúc silic sinh học trong tro rơm rạ

Hình 3.25: Giải phóng Pb trong các dung dịch khác nhau

Dung dịch H2O2 ít có khả năng hòa tan Pb, nhưng dung dịch Na2CO3 có khả năng giải phóng Pb kém hơn cả so với dung dịch H2O2 (từ 0,008 đến 0,054 mg.g-1). Hàm lượng Pb trung bình trong dung dịch cường thủy giảm dần từ 0,74 đến 0,09 mg.g-1. Một phần Pb vẫn còn liên kết hay nằm trong cấu trúc silic sinh học. 3.3.2 Pb trong mối quan hệ giữa đất và cây lúa

Hình 3.26: Hàm lượng Pb trong cấu trúc silic sinh học của đất Hàm lượng cấu trúc silic trong 10 mẫu đất tại 10 khu ruộng canh tác dao động từ 1,76 đến 8,67 g.kg-1, tương đương với khối lượng từ 5,28 đến 26,10 tấn.ha-1 khi tính toán cho lớp đất tầng mặt 0 - 20 cm và khối lượng riêng của đất là 1,5 g.cm-3. Hàm lượng Pb trong cấu trúc silic sinh học dao động từ 0,43 đến 0,73 mg.g-1 và hàm lượng cấu trúc này trong đất dao động từ 1,76 đến 8,67 g.kg-1 nên hàm lượng Pb trong đất dao động từ 2,27 đến 18,99kg.ha1 tại khu vực nghiên cứu (khi tính cho 20cm đất bề mặt và khối lượng riêng của đất là 1,5 tấn.m-3).

Hình 3.27: Vận chuyển Pb trong cấu trúc silic sinh học (phytolith) Ngoài các dạng tồn tại của Pb là dạng trao đổi (114,4  53,3 mg.kg-1), dạng liên kết cacbonate (317,0  95,9 mg.kg-1), là các dạng mà cây trồng có thể hấp thu được, thì Pb tồn tại trong cấu trúc cấu trúc silic sinh học, mặc dù có hàm lượng thấp hơn (2,27 đến 18,99 kg.ha-1), nhưng lại là nguồn cây trồng dễ hấp thu. 3.3.3 Một số giải pháp hạn chế ảnh hưởng của Pb trong đất lúa 3.3.3.1 Cải tạo đất để giảm tính linh động của chì Để cân bằng được tất cả các mục đích, bao gồm chi phí sử dụng khoáng silicate, hiệu quả kiểm soát Pb linh động và sinh trưởng phát triển của cây lúa thì khối lượng khoáng bổ sung nên dao động trong khoảng 1 – 2%. Thứ

tự ưu tiên áp dụng các khoáng: zeolite 4A, bentonite biến tính, zeolite faujasite. 3.3.1.2 Thay đổi cách thức quản lý – xử lý rơm rạ sau thu hoạch Hiện trạng đốt rơm rạ còn tương đối phổ biến đối với hình thức xử lý phế phụ phẩm nông nghiệp sau thu hoạch. Bên cạnh sản phẩm sau khi đốt có thể quay trở lại cung cấp chất dinh dưỡng cho đất (như K, P, muối khoáng…) thì hoạt động xử lý phế phụ phẩm nông nghiệp theo phương thức đốt cũng đem lại nhiều tác động đến môi trường sinh thái, đặc biệt là đối với các kim loại nặng tích lũy trong cây lúa. 3.3.1.3 Chuyển đổi cơ cấu cây trồng Một số loại hình chuyển đổi có thể giúp giảm ảnh hưởng của ô nhiễm Pb trong đất lúa đến con người và hệ sinh thái ở khu vực nghiên cứu như: i/ thay đổi hình thức canh tác đất lúa (canh tác lúa cạn thay vì lúa nước); ii/ Chuyển đổi hình thức sử dụng đất từ đất lúa sang đất trồng cây cảnh hoặc các loại cây trồng không sử dụng cho thực phẩm) và iii/ thực hiện giải pháp quy hoạch làng nghề theo hướng chuyển dịch các cơ sở/hộ sản xuất trong khu dân cư vào khu vực quy hoạch (cụm công nghiệp).

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1. Kết luận 1. Luận án đã bổ sung thêm thông tin về hiện trạng và các dạng tồn tại của Pb trong môi trường đất trồng lúa tại thôn Đông Mai, xã Chỉ Đạo, huyện Văn Lâm, tỉnh Hưng Yên. Tại khu vực nghiên cứu, Pb tồn tại chủ yếu dưới dạng trao đổi (114,4  53,3 mg.kg-1), liên kết với cacbonat (317,0  95,9 mg.kg- 1), liên kết với các oxit Fe và Mn (210,5  60,6 mg.kg-1) và liên kết với chất hữu cơ (0,3  0,2 mg.kg-1), đặc biệt phát hiện đất lúa nghiên cứu có chứa một lượng PhytPb (dạng Pb trong cấu trúc phytolith trong rơm rạ) là kết quả của quá trình hoàn trả rơm rạ (nhiễm Pb) lại cho đất. 2 Kết quả luận án cung cấp cơ sở khoa học trong việc sử dụng các nhóm khoáng vật zeolit và bentonit để hạn chế tính linh động và từ đó giảm lượng Pb tích lũy vào cây lúa/gạo. Luận án đã cho thấy việc bổ sung các

khoáng vật zeolit và bentonit đã làm giảm hàm lượng Pb linh động trong môi trường đất lúa, từ hàm lượng trung bình 56,87 mg.kg-1 xuống còn 34,02 mg.kg-1, đạt hiệu suất giảm khả năng linh động khoảng 40,12%. Các khoáng vật zeolit có tác động kiểm soát Pb linh động trong đất tốt hơn so với nhóm khoáng vật bentonit. 3. Kết quả nghiên cứu về các dạng Pb trong đất lúa tại thôn Đông Mai, xã Chỉ Đạo, huyện Văn Lâm, tỉnh Hưng Yên đã xác định được sự luân chuyển Pb trong hệ đất-cây và tác động của dạng Pb tích lũy trong rơm rạ đối với môi trường đất khi rơm rạ được quay vòng trở lại đồng ruộng. Từ những kết quả nghiên cứu nêu trên, một số giải pháp kỹ thuật mang tính chất tạm thời (kiểm soát Pb linh động trong đất bằng cách bổ sung các khoáng vật có khả năng cố định Pb) hay giải pháp có tính chất quy hoạch (chuyển đổi loại hình sử dụng đất) có thể góp phần giảm tích lũy Pb trong cây lúa, trong gạo và hạn chế các tác động của Pb đến môi trường sinh thái. 2. Kiến nghị Với các kết quả nghiên cứu như trên, nhằm mục tiêu hạn chế những tác động tiêu cực của tồn dư Pb trong môi trường đất trồng lúa xung quanh khu vực làng nghề Đông Mai, xã Chỉ Đạo, huyện Văn Lâm, tỉnh Hưng Yên, luận án đưa ra một số kiến nghị như sau: - Hạn chế tối đa hoạt động sử dụng đất cho mục đích canh tác nông nghiệp nói chung đối với diện tích đất nông nghiệp xung quanh khu vực làng nghề Đông Mai. Chuyển đổi mục đích sử dụng đất đối với các diện tích đất trồng lúa hiện nay trên địa bàn xung quanh khu vực làng nghề. - Tạm thời áp dụng giải pháp giảm khả năng linh động của Pb trong môi trường đất bằng cách bổ sung khoáng silicate với tỷ lệ 1 đến 2%. Việc bổ sung khoáng này có thể giúp hạn chế khả năng rửa trôi Pb xuống những tầng đất sâu hơn, thậm chí là xuống đến mực nước ngầm.

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN

1. Trang K. Trinh, Thinh T.H. Nguyen, Tu N. Nguyen, Ta Yeong Wud, Andrew A. Meharge, Minh N. Nguyen (2017), “Characterization and dissolution properties of phytolith occluded phosphorus in rice straw”, Soil & Tillage Research, 171, pp. 19-24. 2. Nguyễn Ngọc Tú, Trịnh Quang Huy, Hồ Thị Thúy Hằng, Nguyễn Ngọc Minh (2018), “Nghiên cứu tổng hợp và đánh giá đặc tính Zeolite sử dụng SiO2 thu hồi từ rơm rạ”, Tạp chí Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, số 6/2018, tr. 88 – 94. 3. Tu N. Nguyen, Minh N. Nguyen, Mary McNamara, Stefan Dultz, Andrew Meharg, Van T. Nguyen (2019), “Encapsulation of lead in rice phytoliths as a possible pollutant source in paddy soils”, Environmental and Experimental Botany, 162, pp. 58-66.