Luận án tiến sĩ Nông nghiệp: Nghiên cứu cadimi trong một số nhóm đất ở Việt Nam và tích luỹ cadimi trong rau ăn lá

Chia sẻ: Co Ti Thanh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:163

Thêm vào BST

Báo xấu

42
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của luận án nhằm xác định, đánh giá hàm lượng Cd trong một số nhóm đất chính phục vụ sản xuất nông nghiệp ở Việt Nam, mối quan hệ của Cd trong đất và Cd tích luỹ trong cây trồng dưới tác động của thâm canh sản xuất nông nghiệp, chất thải công nghiệp, đô thị và chất thải làng nghề.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Nông nghiệp: Nghiên cứu cadimi trong một số nhóm đất ở Việt Nam và tích luỹ cadimi trong rau ăn lá

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM HÀ MẠNH THẮNG NGHIÊN CỨU CADIMI TRONG MỘT SỐ NHÓM ĐẤT Ở VIỆT NAM VÀ TÍCH LUỸ CADIMI TRONG RAU ĂN LÁ LUẬN ÁN TIẾN SĨ NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI, 2019 i
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM HÀ MẠNH THẮNG NGHIÊN CỨU CADIMI TRONG MỘT SỐ NHÓM ĐẤT Ở VIỆT NAM VÀ TÍCH LUỸ CADIMI TRONG RAU ĂN LÁ Chuyên ngành : Khoa học đất Mã số : 9 62 01 03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NÔNG NGHIỆP Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phạm Quang Hà PGS.TS. Nguyễn Đình Mạnh HÀ NỘI, 2019 ii
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả, số liệu, nội dung nghiên cứu trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được tác giả nào công bố trong bất cứ công trình nghiên cứu nào trước đây. Các tài liệu, số liệu tham khảo trong quá trình nghiên cứu, hoàn thành luận án của các tác giả, các nhà khoa học, các công trình nghiên cứu liên quan đã được trích dẫn rõ nguồn gốc theo quy định của Bộ Giáo dục và Đào tạo trong quá trình nghiên cứu, hoàn thành luận án. Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Tác giả luận án Hà Mạnh Thắng iii
LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian nghiên cứu, hoàn thành Luận án, với lòng biết ơn sâu sắc, tác giả luận án xin gửi tới PGS.TS Phạm Quang Hà; Cố PGS.TS. Nguyễn Đình Mạnh đã trực tiếp hướng dẫn, sửa chữa, giúp nghiên cứu sinh đưa ra được những định hướng nghiên cứu có hàm lượng khoa học cao, sát với thực tiễn. Trong quá trình nghiên cứu, tìm tòi, hoàn thành luận án, tác giả được các quý thầy truyền cảm hứng, lòng đam mê nghiên cứu khoa học, động viên tinh thần nghiên cứu sinh vững tin, tự giác, tự tin để ngày càng hoàn thiện hơn trong công tác nghiên cứu khoa học. Tác giả xin chân thành cảm ơn tới các Thầy, các Cô, tập thể Lãnh Đạo Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam, tập thể cán bộ đã và đang công tác tại Ban Đào tạo sau Đại học, Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam đã dạy dỗ, định hướng, truyền đạt những kiến thức cho tác giả trong quá trình học tập, nghiên cứu, hoàn thành luận án. Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới Lãnh đạo Viện Môi trường Nông nghiệp, lãnh đạo và tập thể cán bộ Bộ môn Hoá Môi trường, Viện Môi trường Nông nghiệp đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ, động viên, quan tâm, chia sẻ tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án. Cuối cùng tác giả cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới bạn bè đồng nghiệp, tới những người thân yêu trong gia đình đã tận tình giúp đỡ, động viên tác giả về vật chất, tinh thần để tác giả luôn yên tâm nghiên cứu và hoàn thành luận án./. Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Tác giả luận án Hà Mạnh Thắng iv
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ iv MỤC LỤC ...................................................................................................................... v DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ................................................................................... viii DANH MỤC BẢNG ..................................................................................................... ix DANH MỤC HÌNH ...................................................................................................... xii MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1 1. Tính cấp thiết .............................................................................................................. 1 2. Mục đích nghiên cứu .................................................................................................. 2 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .................................................................................... 2 3.1. Ý nghĩa khoa học .................................................................................................. 2 3.2. Ý nghĩa thực tiễn .................................................................................................. 2 4. Tính mới của nghiên cứu ............................................................................................ 3 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU ......................................................................... 4 1.1 Cadimi và một số ứng dụng ................................................................................... 4 1.2. Đôc tính của Cd trong thực vật ............................................................................. 5 1.3. Độc tính của Cd đối với sinh vật và môi trường sinh thái .................................. 11 1.4. Độc tính của Cd đối với con người..................................................................... 13 1.5. Nguồn gây ô nhiễm Cadimi trong đất nông nghiệp ........................................... 15 1.6. Tổng quan đất Việt Nam và một số nghiên cứu về Cadimi trong đất, cây trồng và môi trường ở Việt Nam......................................................................................... 25 1.6.1. Một số loại đất chính sản xuất nông nghiệp ở Việt Nam ................................ 25 1.6.2. Một số kết quả nghiên cứu về Cadimi trong đất, cây trồng và môi trường ở Việt Nam ................................................................................................................... 27 1.7. Tổng quan một số nghiên cứu về Cadimi trong đất, cây trồng và môi trường trên thế giới ....................................................................................................................... 33 CHƯƠNG II: VẬT LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.......... 48 2.1. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................................ 48 2.3. Nội dung, vật liệu và địa điểm nghiên cứu ............................................................ 49 2.3.1 Nội dung nghiên cứu ........................................................................................ 49 v
2.3.2. Vât liệu và địa điểm nghiên cứu ...................................................................... 49 2.3.2.1. Vật liệu nghiên cứu ................................................................................... 49 2.3.2.2. Địa điểm nghiên cứu ................................................................................. 50 2.4. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................... 50 2.4.1. Phương pháp lấy mẫu đất, cây trồng và xử lý mẫu ......................................... 50 2.4.2. Phương pháp thí nghiệm trong chậu ................................................................ 52 2.4.3. Phương pháp phân tích .................................................................................... 55 2.4.4. Phương pháp xử lý số liệu ............................................................................... 56 CHƯƠNG III: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN .................................... 58 3.1. Đánh giá hàm lượng Cadimi trong một số nhóm đất chính sản xuất nông nghiệp ở Việt Nam. ...................................................................................................................... 58 3.1.1. Cd trong nhóm đất phù sa Việt Nam ............................................................... 58 3.1.1.1. Cd trong tầng mặt đất phù sa Việt Nam .................................................... 58 3.1.1.2. Cd trong một số phẫu diện đất phù sa Việt Nam ...................................... 61 3.1.2. Cd trong nhóm đất xám Việt Nam .................................................................. 62 3.1.2.1. Cd trong tầng mặt nhóm đất xám .............................................................. 62 3.1.2.2. Cd trong một số phẫu diện đất xám Việt Nam .......................................... 66 3.1.3. Cd trong nhóm đất đỏ ..................................................................................... 67 3.1.3.1. Cd trong tầng mặt đất đỏ Việt Nam .......................................................... 68 3.1.3.2. Cd trong một số phẫu diện đất đỏ Việt Nam ............................................. 70 3.1.4. Cd trong nhóm đất cát ..................................................................................... 72 3.1.5. Hàm lượng Cd trong đất ở một số vùng có nguy cơ ô nhiễm do tác động của chất thải ..................................................................................................................... 75 3.2. Hàm lượng Cd trong một số loại cây trồng chính ở Việt Nam .............................. 76 3.2.1. Hàm lượng Cd trong rau tại một số vùng ở Việt Nam .................................... 76 3.2.2. Cd trong nhóm cây lương thực tại một số vùng ở Việt Nam .......................... 78 3.2.3. Cd trong nhóm cây thực phẩm tại một số vùng ở Việt Nam ........................... 79 3.3. Mối quan hệ giữa Cd trong đất và cây trồng dưới các loại hình tác động khác nhau80 3.3.1 Mối quan hệ Cd trong đất và cây trồng dưới tác động của thâm canh nông nghiệp ........................................................................................................................ 82 3.3.2 Mối quan hệ hàm lượng Cd trong đất và cây trồng tại một số vùng chịu ảnh hưởng của chất thải công nghiệp, đô thị và chất thải làng nghề ................................ 84 vi
3.4. Ảnh hưởng của các ngưỡng Cd trong đất đến tích luỹ Cd trong rau ăn lá trên đất phù sa sông Hồng và đất xám bạc màu Việt Nam ........................................................ 86 3.4.1. Một số tính chất hoá học, vật lý và kim loại nặng của đất thí nghiệm ............ 86 3.4.2. Ảnh hưởng của Cd trong đất đến sinh trưởng, năng suất của (cải mơ, rau muống) trên đất xám bạc màu và đất phù sa sông Hồng ........................................... 88 3.4.2.1. Trên đất phù sa sông Hồng ........................................................................... 88 3.4.2.2. Trên đất xám bạc màu .................................................................................. 89 3.4.3. Ảnh hưởng của Cd trong đất đến tích luỹ Cd trong cải mơ, rau muống trên đất phù sa sông hồng và đất xám bạc màu Việt Nam...................................................... 92 3.4.3.1. Ảnh hưởng của Cd trong đất đến tích luỹ Cd trong cải mơ, rau muống trên đất phù sa sông hồng ................................................................................................. 92 3.4.3.2. Ảnh hưởng của Cd trong đất xám bạc màu đến tích luỹ Cd trong cải mơ, rau muống ........................................................................................................................ 95 3.4.4. Ảnh hưởng của Cd trong đất đến vi sinh vật tổng số trên đất phù sa sông hồng và đất xám bạc màu....................................................................................................... 98 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ......................................................................................... 101 1. Kết luận ................................................................................................................... 101 2. Đề nghị .................................................................................................................... 102 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN TIẾN SĨ .. 103 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 104 1. Tài liệu tham khảo tiếng việt ............................................................................... 104 2. Tài liệu tham khảo nước ngoài ............................................................................ 108 vii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ACIAR (Australian Centre for International Trung tâm nghiên cứu nông nghiệp quốc Agricultural Research) tế Úc BNN&PTNT Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn BĐKH Biến đổi khí hậu BTNMT Bộ Tài nguyên và Môi trường BYT Bộ Y tế CCME (Canadian Council of Ministers of Bộ Tài nguyên Môi trường Canada the Environment) ĐBSCL Đồng bằng sông Cửu Long ĐBSH Đồng bằng sông Hồng FAO (Food and Agriculture Organization) Tổ chức Nông lương liên hợp quốc BVTV Bảo vệ thực vật HCM Hồ Chí Minh KLN Kim loại nặng IARC (International Agency for Research Tổ chức nghiên cứu ung thư quốc tế on Cancer) LD50 Liều gây chết trung bình MT Môi trường MTNN Môi trường Nông nghiệp NCCGKT Nghiên cứu chuyển giao kỹ thuật đất phân NCMC (An initiative of the National Ủy ban giảm thiểu Cadimi quốc gia Úc Cadmium Minimisation Committee) QCVN Quy chuẩn Việt Nam TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TP Thành phố WHO (World Health Organization) Tổ chức y tế thế giới viii
DANH MỤC BẢNG TT bảng Tên các bảng Trang 1.1 Hàm lượng KLN trong một số loại đá chính hình thành đất 16 1.2 Hàm lượng một số KLN trong phân bón 19 1.3 Hàm lượng Cd trong phân bón tại miền BắcViệt Nam 20 1.4 Hàm lượng (ppm) một số kim loại nặng trong các sản phẩm dùng làm phân bón trong sản xuất nông nghiệp ở Việt Nam 20 1.5 Hàm lượng Cd trong một số mẫu chất hình thành đất 21 1.6 Hàm lượng Cd trong đất bị ô nhiễm ở một số Quốc gia 21 1.7 Hàm lượng Cd trong một số loại cây trồng tại một số điểm ô nhiễm 23 1.8 Diện tích của các nhóm đất chính ở Việt Nam 25 1.9 Hàm lượng Cd trong đất mặt tại một số Quốc gia trên thế giới 33 1.10 Hàm lượng Cd trong quặng phốt phát tại một số nước trên thế giới 34 1.11 Hàm lượng Cd trong một số loại đất trên thế giới 35 1.12 Hàm lượng Cd và một số nguyên tố trong mẫu chất hình thành đất (mg/kg) 36 1.13 Hàm lượng Cd được cây trồng hút tại Đài Loan 37 1.14 Hàm lượng Cd trong đất nông nghiệp tại một số Quốc gia 38 1.15 Hàm lượng Cd trung bình trong một số cây thực phẩm (ppm) 39 1.16 Khối lượng kim loại nặng đã được cây trồng lấy đi sau thu hoạch liên quan đến khối lượng bổ sung từ bùn thải và thời gian tồn dư ước tính trong đất ở Voburn, Anh. 40 1.17 Hàm lượng Cd trong đất, Cd tích luỹ trong thực vật và hệ số hút Cd của một số cây trồng 43 1.18 Hàm lượng một số kim loại nặng trong các loại nước thải 45 1.19 Hàm lượng kim loại nặng trong nước chảy tràn từ các khu vực khác nhau của đô thị 45 2.1 Công thức thí nghiệm và lượng CdCl2.5H2O bón bổ sung cho các ô thí nghiệm trên đất phù sa 52 2.2 Số liệu phân tích nước tưới dùng cho thí nghiệm 53 2.3 Lượng phân hóa học bón cho cây cải mơ của thí nghiệm 53 2.4 Lượng phân hóa học bón cho cây rau muống của thí nghiệm 53 2.5 Công thức thí nghiệm và lượng CdCl2.5H2O bón bổ sung cho các ô thí nghiệm trên đất xám 54 ix
2.6 Các chỉ tiêu và phương pháp phân tích trong đất 55 3.1 Lượng chứa Cd trong một số đá mẹ hình thành đất 59 3.2 hàm lượng Cd (mg/kg) trong các loại đất phù sa các hệ thống sông 60 3.3 Phân bố hàm lượng Cd trong đất phù sa theo xác suất 60 3.4 Hàm lượng Cd trong một số phẫu diện phù sa 61 3.5 Hàm lượng Cd (mg/kg) trong một số loại đất xám ở Việt Nam 63 3.6 Phân bố hàm lượng Cd trong đất xám theo xác suất 64 3.7 Hàm lượng Cd trong nhóm đất xám tại một số tỉnh ở Việt Nam 65 3.8 Hàm lượng Cd trong một số phẫu diện đất xám Việt Nam 66 3.9 Hàm lượng Cd (mg/kg) trong đất đỏ vàng Việt Nam theo các vùng sinh thái 69 310 Phân bố hàm lượng Cd trong đất đỏ vàng theo xác suất 70 3.11 Hàm lượng Cd trong một số phẫu diện đất đỏ vàng Việt Nam 70 3.12 Hàm lượng Cd (mg/kg đất) trong đất cát theo các vùng sinh thái 72 3.13 Hàm lượng Cd (mg/kg đất) trong nhóm đất cát Việt Nam, phân loại theo FAO 73 3.14 Phân bố hàm lượng Cd trong đất cát theo xác suất 74 3.15 Hàm lượng Cd (mg/kg) trong đất ở một số khu vực chịu ảnh hưởng của chất thải công nghiệp và làng nghề 75 3.16 Hàm lượng Cd (mg/kg) trong đất và rau ăn lá tại một số điểm nghiên cứu 77 3.17 Hàm lượng Cd trong đất và cây lương thực tại một số tỉnh thành ở Việt Nam 78 3.18 Hàm lượng Cd trong đất và cây thực phẩm tại một số điểm nghiên cứu ở Việt Nam 79 3.19 Hệ số tương quan tuyến tính r ở mức sai khác 5% và 1% 81 3.20 Hệ số tương quan giữa Cd trong đất và cây trồng 82 3.21 Hệ số tương quan giữa Cd trong đất và cây trồng ở một số vùng chịu ảnh hưởng của chất thải 85 3.22 Một số tính chất lý hoá đất bạc màu trước thí nghiệm 86 3.23 Một số tính chất lý hoá đất phù sa sông Hồng trước thí nghiệm 87 3.24 Ảnh hưởng của các mức Cd trong đất đến sinh trưởng và năng suất của rau cải mơ trên đất phù sa sông Hồng 88 3.25 Ảnh hưởng của Cd trong đất đến sinh trưởng và năng suất của rau muống trên đất phù sa sông Hồng 89 3.26 Ảnh hưởng của Cd trong đất đến sinh trưởng và năng suất của rau 90 x
cải mơ trên đất xám bạc màu 3.27 Ảnh hưởng của Cd trong đất đến sinh trưởng và năng suất của rau muống trên đất xám bạc màu 91 3.28 Hàm lượng Cd trong đất và rau cải mơ trên đất phù sa sông Hồng 93 3.29 Hàm lượng Cd trong đất và rau muống trên đất phù sa sông Hồng 94 3.30 Hàm lượng Cd trong đất xám bạc màu và rau cải mơ 95 3.31 Hàm lượng Cd trong đất và rau muống trên đất xám bạc màu 96 3.32 Ảnh hưởng của Cd trong đất đến vi sinh vật tổng sốtrên đất phù sa sông Hồng Việt Nam 98 3.33 Ảnh hưởng của Cd trong đất xám bạc màu đến vi sinh vật tổng số 99 xi
DANH MỤC HÌNH Số TT hình Nội dung trang 1.1 Nguồn Cd và vòng tuần hoàn Cd trong hệ thống nông nghiệp 15 3.1 Hàm lượng Cd (mg/kg) trong đất phù sa theo các hệ thống sông 60 3.2 Mật độ xác suất hàm lượng Cd trong đất phù sa theo phân bố Normal 61 3.3 Trung bình hàm lượng Cd trong một số phẫu diện đất phù sa 62 3.4 Hàm mật độ xác suất Cd trong đất xám Việt Nam theo phân bố Normal 63 3.5 Hàm lượng Cd trong một số loại đất xám Việt Nam 64 3.6 Trung bình hàm lượng Cd trong một số phẫu diện đất xám Việt Nam 67 3.7 Hàm lượng Cd trong đất đỏ vàng Việt Nam 69 3.8 Mật độ xác suất Cd trong đất đỏ vàng Việt Nam theo phân bố Normal 69 3.9 Trung bình hàm lượng Cd trong một số phẫu diện đất đỏ vàng Việt Nam 71 3.10 Hàm lượng Cd (mg/kg) trong đất cát Việt Nam phân theo vùng 73 3.11 Mật độ xác suất Cd trong đất cát theo phân bố Normal 74 3.12 Hàm lượng Cd trong đất và rau các loại tại các điểm nghiên cứu 77 3.13 Hàm lượng Cd trong đất và cây lượng thực tại các điểm nghiên cứu 79 3.14 Hàm lượng Cd trong đất và cây thực phẩm tại các điểm nghiên cứu 80 3.15 Tương quan Cd trong đất và cây trồng 83 3.16 Tương quan giữa hàm lượng Cd trong đất và cây trồng ở khu vực chịu ảnh hưởng của chất thải 85 3.17 Tương quan hàm lượng Cd trong đất và rau cải mơ trên đất phù sa sông Hồng 93 3.18 Tương quan hàm lượng Cd trong đất và rau muống trên đất phù sa sông Hồng 94 3.19 Tương quan hàm lượng Cd trong đất xám bạc màu và rau cải mơ 96 3.20 Tương quan hàm lượng Cd trong đất xám bạc màu và rau muống 97 xii
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết Do áp lực của tăng trưởng kinh tế và tăng dân số, việc đẩy mạnh đô thị hoá và công nghiệp hoá một cách không có quy hoạch cũng như quản lý môi trường nên một số khu vực ven đô thị và khu công nghiệp đã bị ô nhiễm. Ô nhiễm Đất do nước thải đô thị và khu công nghiệp thường chứa các kim loại nặng (KLN) độc hại như: Cr, Cu, As, Ag, Zn, Ni, Pb, Hg và Cd. Một diện tích đáng kể đất nông nghiệp ven đô thị và các khu công nghiệp bị ô nhiễm các KLN do sử dụng các nguồn nước nói trên để tưới. Mặt khác, tại một số vùng có sự chuyển đổi cơ cấu cây trồng từ lúa sang rau màu do cơ chế thị trường, là những nơi tập trung dân cư, có trình độ sản xuất, thâm canh cây trồng cao, việc sử dụng phân bón và các hoá chất bảo vệ thực vật (HCBVTV) cao đã cung cấp cho đất một lượng KLN đáng kể, gây độc hại cho sản xuất nông nghiệp. Cadimi (Cd) được xem là một trong những kim loại nặng độc nhất cho môi trường sinh thái đất, cây trồng, sức khoẻ con người và động vật máu nóng (FAO, 1992). Kết quả nghiên cứu của dự án (ACIAR - LWRI/1998/119, 2005) ở một số quốc gia đang phát triển, cho thấy, Cd được xác định là nguyên tố có nguy cơ tích tụ trong đất với một tốc độ đáng báo động, nguy cơ gây hại đến cây trồng, môi trường và sức khoẻ con người. Các nghiên cứu về ô nhiễm môi trường đất do KLN nói chung và Cd nói riêng ở Việt Nam còn ít và khá mới, do vậy chưa đủ cơ sở khoa học, đủ tin cậy để tìm ra được nguyên nhân gây ô nhiễm Cd hoặc ngưỡng đánh giá mức độ độc hại của Cd đối với cây trồng và môi trường sinh thái. Nghiên cứu về ô nhiễm đất nói chung và ô nhiễm đất do Cd nói riêng cũng như các ngưỡng độc của Cd đối với các cây trồng, đặc biệt cây rau ăn lá là hết sức cần thiết. Các kết quả nghiên cứu này, sẽ tìm ra nguyên nhân gây ô nhiễm Cd trong đất trồng trọt nói riêng và ô nhiễm Cd đối với môi trường sinh thái nói chung, thông qua nghiên cứu sẽ cung cấp cơ sở khoa học tin cậy phục vụ xây dựng các tiêu chuẩn, quy chuẩn về Cd trong đất phục vụ sản xuất nông nghiệp bền vững cũng như đặt ra các yêu cầu về chất lượng nông sản có liên quan đến Cd. Nghiên cứu về độc tính Cd đối với cây trồng cũng như xác định được mối quan hệ giữa hàm lượng Cd trong đất và sản phẩm cây trồng là rất cần thiết làm cơ sở cho việc đề xuất các giải pháp về sản xuất, về công nghệ cũng như chiến lược phát triển sản xuất nông 1
nghiệp, đặc biệt với các vùng có nguy cơ ô nhiễm cao về Cd. Bên cạnh đó các kết quả nghiên cứu sẽ góp phần xây dựng cũng như phát triển những định hướng nghiên cứu về độc học của Cd đối với cây trồng cũng như đề xuất các giải pháp kiểm soát ô nhiễm Cd trong sản xuất nông nghiệp. 2. Mục đích nghiên cứu - Xác định, đánh giá hàm lượng Cd trong một số nhóm đất chính phục vụ sản xuất nông nghiệp ở Việt Nam, mối quan hệ của Cd trong đất và Cd tích luỹ trong cây trồng dưới tác động của thâm canh sản xuất nông nghiệp, chất thải công nghiệp, đô thị và chất thải làng nghề. - Xác định mức độ ảnh hưởng của các ngưỡng Cd trong đất đến sinh trưởng, năng suất, Cd tích luỹ trong rau ăn lá (cải mơ, rau muống) trên đất phù sa sông Hồng và đất xám bạc màu Việt Nam. 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3.1. Ý nghĩa khoa học - Đề tài góp phần xác định và làm rõ được hiện trạng Cd trong một số nhóm đất chính (đất xám, đất phù sa, đất đỏ vàng, đất cát), tác động của một số yếu tố hình thành đất, vùng sinh thái đến hàm lượng Cd trong đất trồng trọt, cung cấp cơ sở khoa học để đề xuất các tiêu chuẩn, quy chuẩn quốc gia về sản xuất nông nghiệp cũng như trong công tác bảo vệ môi trường. - Các nghiên cứu chỉ ra được những tác động, áp lực của công nghiệp, chất thải đô thị, hoạt động sản xuất nông nghiệp… đến khả năng tích luỹ và gây ô nhiễm Cd trong đất sản xuất nông nhiệp. Thông qua nghiên cứu khuyến cáo được những tác động của ô nhiễm Cd trong đất đến chất lượng nông sản, môi trường sinh thái và sức khoẻ con người. - Đóng góp cơ sở khoa học về nguồn tác động của Cd đối với môi trường cũng như độc tính của Cd đối với con người, môi trường sinh thái, tìm hiểu một số giải pháp làm giảm ô nhiễm Cd trong đất trồng trọt ở những khu vực ô nhiễm Cd. 3.2. Ý nghĩa thực tiễn - Đề tài đã nghiên cứu, thu thập và đánh giá được hàm lượng Cd trong một số loại đất sản xuất nông nghiệp chính ở Việt Nam, cung cấp cơ sở khoa học cho xây 2
dựng các tiêu chuẩn, quy chuẩn quốc gia về Cd trong môi trường đất. Góp phần cung cấp cơ sở dữ liệu cho quy hoạch các vùng sản xuất nông nghiệp an toàn, định hướng chiến lược trong sản xuất nông nghiệp bền vững và sát với thực tiễn ở Việt Nam. - Đề tài góp phần khuyến cáo được độc học về Cd trong đất, khuyến cáo về các nguồn gây tác động, tích luỹ Cd trong đất sản xuất nông nghiệp, làm cơ sở khoa học tin cậy cho người sản xuất đưa ra các quyết định, các biện pháp giảm thiểu tác động của Cd đến chất lượng thực phẩm, nông sản và sức khoẻ con người. - Đề tài đã xác định được ảnh hưởng của hàm lượng Cd trong đất đến quá trình sinh trưởng và phát triển của cây rau ăn lá (cải mơ, rau muống) cũng như động thái tích lũy của Cd trong cây trồng dưới tác động của hàm lượng Cd trong đất trên 02 loại đất chính (đất xám, đất phù sa sông Hồng) ở Việt Nam, phục vụ cho việc xây dựng và hoàn thiện các tiêu quẩn, quy chuẩn quốc gia về môi trường đất ở Việt Nam. 4. Tính mới của nghiên cứu - Luận án là công trình đầu tiên công bố các kết quả nghiên cứu định lượng, có hệ thống về Cd trong một số nhóm và loại đất sản xuất nông nghiệp chính theo phân loại đất Việt Nam. - Đánh giá được mối quan hệ giữa Cd trong đất và cây trồng, khả năng nhiễm độc, tích luỹ của Cd trong cây rau ăn lá, cũng như những tác động của Cd trong đất đối với sinh trưởng và phát triển của cây rau ăn lá trên đất phù sa sông Hồng và đất xám bạc màu ở Việt Nam. - Kết quả nghiên cứu luận án là cơ sở khoa học cho việc xác định những công nghệ xử lý ô nhiễm Cd trong vùng đất trồng rau trọng điểm, các giải pháp nhằm giảm thiểu ô nhiễm Cd trong đất và giảm thiểu tích luỹ Cd đối với cây trồng ở những khu vực có nguy cơ ô nhiễm về Cd trong đất sản xuất nông nghiệp tại Việt Nam hiện nay và trong tương lai. 3
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Cadimi và một số ứng dụng Cadimi tên la tinh là Cadmium, ký kiệu hoá học (Cd) là nguyên tố hoá học nhóm II trong hệ thống tuần hoàn Mendeleev, số thứ tự nguyên tử 48 khối lượng nguyên tử 112,41. Nguyên tố này do nhà hoá học Đức Stromeyer tìm ra năm 1817 không thuộc loại nguyên tố đặc biệt quen thuộc. Đó là một nguyên tố hiếm, chiếm 1,3.10-5% khối lượng vỏ trái đất. Cd thường gặp với kẽm trong các quặng, tên gọi của nguyên tố này cho thấy mối liên hệ với kẽm, (tiếng cổ Hy Lạp ‘’Cadmea’’ có nghĩa là các quặng kẽm và kẽm ôxit, tiếng Anh là Cadmium) và trong đó người ta tìm thấy Cd. Về tính chất vật lý và hoá học Cd giống với kẽm hơn hết. Cd là một kim loại có màu trắng bạc, mềm dễ rèn, dễ cán, trong môi trường không khí Cd bị mờ đục do lớp màng CdO bảo vệ khỏi bị oxi hoá tiếp tục. Cd tác dụng với các halogen, tan chậm trong axit, nhưng khá bền trong môi trường kiềm, khác với kẽm. Sự khác chủ yếu giữa Cd và kẽm là tính bazơ của hidroxit Cd(OH)2 thể hiện khá rõ rệt, trong khi đó kẽm hidroxit lại lưỡng tính. Cd trong tự nhiên phần lớn tồn tại dưới các dạng muối (Cd2+) ít khi tồn tại ở dạng nguyên chất. Cd có nhiệt độ sôi là 756oC, các muối Cd có tích số tan thấp khoảng 0.00013-140g/100ml (Từ điển bách khoa hoá học, 1996). Ứng dụng thực tế của Cd và hợp chất của nó khá đa dạng. Vì đồng vị 113Cd hấp thụ tốt các nơtron nhiệt (lò phản ứng hạt nhân), Cd sử dụng rộng rãi làm thanh điều chỉnh trong công nghiệp chế tạo lò phản ứng. Cd có trong thành phần các hợp kim dễ nóng chảy dùng để làm chất hàn, một phần khá lớn Cd sử dụng để mạ kim loại, một vài hợp chất của Cd có màu sắc khá rực rỡ bởi vậy người ta dùng cađimi sunfua (CdS) để chế tạo các loại sơn màu vàng có sắc thái khác nhau. Trong công nghiệp sơn người ta dùng catmopon là hai sản phẩm của cùng một phản ứng (từ điển bách khoa hoá học, 1996). CdSO4 + BaS = CdS + BaSO4 Nguồn: Từ điển bách khoa hoá học, 1996 Ứng dụng thường thấy của Cd là sản xuất pin, acquy, dùng mạ kim loại. Ngoài ra, do có tác dụng cho màu sắc đẹp, nó thường dùng làm phẩm màu trong sản xuất sơn, đồ trang sức, đồ chơi trẻ em...do Cd rất độc, độc gấp nhiều lần so với chì, mà người ta quy định Cd không chứa quá giới hạn cho phép trong môi trường, đặc biệt 4
trong các sản phẩm có dùng các hợp chất chứa độc chất này. Cd là một nguyên tố không thiết yếu ảnh hưởng tiêu cực đến tăng trưởng và phát triển của cây trồng, gây độc cho môi trường sinh thái và động vật. Cd được phát tán và xâm nhập vào môi trường bởi chất thải của các nhà máy điện, hệ thống sưởi ấm, các ngành công nghiệp kim loại hoặc giao thông đô thị. Nó được sử dụng rộng rãi trong mạ điện, bột màu, chất ổn định nhựa và pin niken-cadimi (Sanita di Toppi and Gabrielli, 1999). 1.2. Đôc tính của Cd trong thực vật Ô nhiễm môi trường do kim loại trở nên rộng rãi khi các hoạt động khai thác và công nghiệp tăng vào cuối thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20, nó bắt nguồn từ sự gia tăng số lượng lớn các nguồn nhân tạo khác nhau (nước thải và chất thải rắn công nghiệp, nước thải đô thị, nhà máy xử lý nước thải; phân bón, thuốc BVTV trong nông nghiệp, bãi rác, hoạt động khai thác khoáng sản...), đã ảnh hưởng dần dần đến các hệ sinh thái khác nhau (Macfarlane and Burchett, 2001). Thực vật sở hữu cơ chế tế bào nội môi để điều chỉnh nồng độ của các ion kim loại bên trong tế bào nhằm giảm thiểu thiệt hại tiềm năng có thể phát sinh do tiếp xúc với các ion kim loại không cần thiết, vai trò của thành tế bào, màng huyết tương và mycorrhizas, là rào cản chính chống lại sự thâm nhập Cd đối với tế bào. Độc tính và khả năng chịu đựng kim loại trong thực vật là một chủ đề đã được đánh giá rộng rãi, được các nhà khoa học quan tâm ngay từ những năm đầu của thế kỷ 20. Trong số các kim loại này, Fe, Mo và Mn có vai trò quan trọng như vi chất dinh dưỡng, trong khi Zn, Ni, Cu, Co, Va và Cr là các nguyên tố độc hại, có tầm quan trọng cao hoặc thấp là nguyên tố vi lượng. Cd và các nguyên tố (Ag, As, Hg, Pb, Sb) không có chức năng được biết đến như chất dinh dưỡng và dường như ít nhiều độc hại đối với thực vật và vi sinh vật (Niess, 1999). Độc tính của Cd và các kim loại phụ thuộc vào dạng hóa trị, pH và sự có mặt của các ion khác (Das P et al, 1997), các triệu chứng độc tính quan sát thấy ở thực vật với sự có mặt của một lượng kim loại nặng quá mức có thể là do một loạt các tương tác ở cấp độ tế bào (Hall, 2002). Độc tính có thể là kết quả của việc gắn kim loại với các nhóm sulphydryl trong protein, dẫn đến ức chế hoạt động hoặc gián đoạn cấu trúc. Enzyme là một trong những mục tiêu chính bị tác động do các ion kim loại nặng, đất 5
bị phơi nhiễm kéo dài với kim loại nặng dẫn đến giảm đáng kể hoạt động của các enzym trong đất. Sự tương tác kim loại với các nhóm ligand của enzyme phần lớn xác định độc tính của chúng, sự ức chế enzym gây biến tính các protein (Das et al., 1997). Ngoài ra, dư thừa kim loại nặng có thể kích thích sự hình thành các gốc tự do và các loại ôxy phản ứng (Dietz et al, 1999). Để thích ứng và đối phó với các kim loại độc hại cao, hoặc để duy trì mức kim loại thiết yếu trong phạm vi sinh lý, thực vật đã phát triển các cơ chế phức tạp phục vụ kiểm soát sự hấp thụ, tích tụ và giải độc kim loại. Cd được các nhà khoa học công nhận là một chất ô nhiễm cực nguy hiểm do độc tính cao và độ hòa tan lớn trong nước, các dung dịch đất không bị ô nhiễm có nồng độ Cd dao động từ 0,04 đến 0,32 mM. Dung dịch đất có nồng độ Cd thay đổi từ 0,32 đến khoảng 1 mM có thể được coi là ô nhiễm đến mức vừa phải (Pinto et al., 2004). Cd trong đất có thể làm thay đổi sự hấp thụ của các chất khoáng dinh dưỡng của thực vật, phụ thuộc vào nồng độ của Cd sẵn có trong đất, hoặc thông qua việc tác động làm giảm mật độ hoạt động của vi khuẩn, vi sinh vật, sinh vật trong đất (Moreno JL et al., 1999). Cd có tác động đến việc mở khí khổng, thoát hơi và quang hợp của thực vật, tuy nhiên ở thực vật việc sử dụng dinh dưỡng chứa hàm lượng Cd cao có tác động lớn hơn so với hàm lượng Cd từ đất (Sanitá di Toppi và Gabrielli, 1999). Nghiên cứu đã cho thấy bệnh nhiễm đốm lá, cuộn lá và còi cọc là các triệu chứng ngộ độc Cd chính và dễ thấy ở thực vật. Bệnh vàng lá có thể xuất hiện là thiếu Fe (Haghiri, 1973), thiếu phốt pho hoặc giảm vận chuyển Mn (Godbold and Hutterman, 1985). Sự ức chế của reductase gốc Fe (III) gây ra bởi Cd dẫn đến thiếu Fe (II) và nó ảnh hưởng nghiêm trọng đến quang hợp (Alcantara et al., 1994). Nói chung, Cd đã được chứng minh là can thiệp vào sự hấp thu, vận chuyển và sử dụng một số nguyên tố (Ca, Mg, P and K) và nước bằng thực vật (Das P et al., 1997). Cd cũng làm giảm sự hấp thụ nitrat và vận chuyển của nó từ rễ sang chồi, bằng cách ức chế hoạt động của nitrate reductase trong các chồi (Hernandez et al., 1996). Sự ức chế khả năng ức chế hoạt động của nitrate reductase cũng được tìm thấy ở thực vật Silene cucubalus (Mathys, 1975). Cd còn cho thấy ảnh hưởng đến sự cố định nitơ và đồng hóa amoniac trong các nốt của cây đậu tương ở các thí nghiệm nghiên cứu về độc tính của Cd đến cây trồng (Balestrasse et al., 2003). Độc tính kim loại có thể ảnh hưởng đến tính thấm của màng tế bào, làm giảm hàm lượng nước; cụ thể là Cd đã được báo cáo là tương tác với sự cân bằng nước 6
(Barcelo et al., 1986; Poschenrieder et al., 1989). Cd đã được chứng minh là làm giảm hoạt tính ATPase của phần màng huyết tương của rễ lúa mì và hướng dương. Cadimi tạo ra sự thay đổi trong chức năng của màng bằng cách gây ra lipid peroxidation (Fodor và cộng sự, 1995) và rối loạn trong quá trình chuyển hóa lục lạp bằng cách ức chế sinh tổng hợp chlorophyll và giảm hoạt động của các enzyme liên quan đến cố định CO2 (De Filippis và Ziegler, 1993). Một số nghiên cứu trước đây cho rằng ức chế quá trình oxy hóa có thể liên quan đến độc tính Cd, bằng cách gây ra oxy tự do hoặc bằng cách giảm các chất chống oxy hóa enzyme và không enzyme (Balestrasse và cộng sự, 2001; Fornazier et al., 2002; Cho and Seo, 2004). Sự lão hóa nhanh được quan sát thấy trong các nốt của cây đậu tương được xử lý bằng Cd là do ức chế oxy hóa do kim loại tạo ra (Balestrasse et al., 2004). Tác động của Cd đối với thực vật phụ thuộc vào nhiều cơ chế sinh lý và phân tử liên quan bao gồm sự hấp thu và tích tụ Cd thông qua liên kết với dịch ngoại bào và thành tế bào, sự phức tạp của các ion bên trong tế bào bởi nhiều chất khác nhau ví dụ như (axit, ferritin, phytochelatin và metallothionein). Các phản ứng phòng ngừa ức chế sinh hóa nói chung như sự kích thích các enzym chống oxy hóa và kích hoạt hoặc điều chỉnh sự trao đổi chất thực vật để cho phép vận hành đầy đủ các đường chuyển hóa và sửa chữa nhanh các cấu trúc tế bào bị hư hại (Hall, 2002; Cho M và cộng sự, 2003). Độc tính sinh học của Cd và một số kim loại bị hạn chế do độ hòa tan thấp trong nước oxy hóa và gắn kết chặt chẽ với các hạt đất. Cả hai quá trình axit hóa của thân rễ và sự tiết dịch carboxylat được coi là các mục tiêu tiềm năng để tăng cường tích tụ kim loại (Clemens et al., 2002). Mức độ ảnh hưởng của Cd đối với cây trồng phụ thuộc vào nồng độ của nó trong đất và khả dụng sinh học của nó, được điều tiết bởi sự hiện diện của chất hữu cơ, pH, khả năng oxi hóa khử, nhiệt độ và nồng độ của các nguyên tố khác. Ngoại trừ Fe, được hòa tan bằng cách giảm Fe (II) hoặc tạo ra các phytosiderophores liên kết Fe (III) (Hirsch, 1998). Đặc biệt, sự hấp thu các ion Cd trong thực vật có tính cạnh tranh với các chất dinh dưỡng như (K, Ca, Mg, Fe, Mn, Cu, Zn, Ni) trong chu trình dinh dưỡng của thực vật (Clarkson and Luttge, 1989; Rivetta et al., 1997). Màng tế bào đóng một vai trò trong cân bằng nội môi kim loại, ngăn ngừa hoặc giảm nhập vào tế bào. Cd là một trong những kim loại nguy hiểm nhất do tính di 7
động cao, ngay cả khi ở nồng độ thấp đã có những hiệu ứng của nó trên thực vật bắt đầu xuất hiện (Barcelo and Poschenrieder, 1990). Mặc dù có sự di chuyển khác nhau của các ion kim loại trong thực vật, tuy nhiên hàm lượng kim loại thường lớn hơn ở rễ so với bộ phận khác của cây trồng trên mặt đất (Ramos et al., 2002). Trong hầu hết các điều kiện môi trường, Cd đi vào rễ đầu tiên, và do đó rễ thường bị tổn thương Cd trước so với các bộ phận khác khi cây trồng ở môi trường đất ô nhiễm Cd (Sanita di Toppi and Gabrielli, 1999). Cd dễ dàng thâm nhập vào rễ thông qua các mô vỏ tế bào và được chuyển đến các mô trên mặt đất, ngay khi Cd đi vào rễ, nó có thể đến được tế bào thông qua con đường dinh dưỡng của cây trồng (Salt và cộng sự,1995a). Thông thường, các ion Cd chủ yếu được giữ lại trong rễ và chỉ một lượng nhỏ được vận chuyển đến các chồi (Cataldo et al., 1983). Nói chung, hàm lượng Cd trong cây giảm theo thứ tự: rễ> thân cây> lá> quả> hạt (Blum, 1997). Theo nghiên cứu của Moral và cộng sự (1994) cho thấy, Cd dễ dàng được vận chuyển đến các bộ phận (rễ, thân, lá) của cây cà chua nhưng không được phát hiện trong các loại quả. Gần đây người ta đã đưa ra giả thuyết rằng tích lũy Cd trong việc phát triển các loại trái cây có thể xảy ra thông qua vận chuyển qua trung gian phloem (Hart JJ và cộng sự, 1998). Hinesly và cộng sự (1984) nghiên cứu và cho thấy pH đất ảnh hưởng rất lớn đến sự hấp thu và vận chuyển Cd trong ngô. Nồng độ Cd trong ngô và lúa mạch đen có tương quan nghịch với pH của đất, bên cạnh đó kết quả nghiên cứu cũng cho thấy, hàm lượng ion Na+ trong đất cũng có tác dụng làm tăng tích luỹ Cd trong thực vật (Chiy PC and Phillips, 1999). Ngoại trừ các Cd-carbonic anhydrase mới được phát hiện gần đây của các tảo cát biển, các kết quả nghiên cứu cũng cho thấy Cd và Pb không có chức năng sinh học nào đối với cây trồng. Cd và Zn đã được tìm thấy là đồng tích tụ trong các bộ phận của cây họ cải châu phi (Arabidopsis halleri), đây là loài cây có khả năng tích luỹ Cd và các KLN rất cao, thường có mặt ở những vùng ô nhiễm, điều này cho thấy sự hấp thu Cd và Zn tương quan về mặt di truyền, cho thấy các kim loại được đưa lên bởi cùng một con đường vận chuyển (Lane and Morel, 2000). Nói chung, sự tích tụ trong thực vật của một kim loại nhất định là một chức năng của khả năng hấp thu và các vị trí liên kết nội bào. Ở mọi cấp độ, nồng độ và ái lực của phức chất vòng càng giữa các hợp chất hữu cơ dẫn xuất từ amino 8