NITƠ VÀ PHOSPHO TRONG MÔI TRƯỜNG

Chia sẻ: Hoanganh Vu | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:5

Thêm vào BST

Báo xấu

150
lượt xem 20
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đa số nitơ và phospho tồn tại trong môi trường dưới dạng chưa sử dụng được ngay cho sinh giới. Trong tự nhiên, do sự hoạt động của các vi sinh vật, nitơ và phospho được chuyển hoá thành các các muối hoà tan và được SV sử dụng. Sự chuyển hoá của nitơ và photpho trong môi trường phụ thuộc vào nhiều yếu tố ảnh hưởng như: pH, sự phân tầng nước, nhiệt độ, độ mặn... Tuy nhiên, nếu trong nước và thực phẩm hàm lượng nitơ và photpho, đặc biệt là nitơ dưới dạng muối nitrit và nitrat...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: NITƠ VÀ PHOSPHO TRONG MÔI TRƯỜNG

NITƠ VÀ PHOSPHO TRONG MÔI TRƯỜNG TS. LÊ THỊ HI ỀN THẢO Trường Đại học Xây dựng Đa số nitơ và phospho tồn tại trong môi trường dưới dạng chưa sử d ụng đ ược ngay cho sinh giới. Trong tự nhiên, do sự hoạt động của các vi sinh vật, nitơ và phospho đ ược chuy ển hoá thành các các muối hoà tan và được SV sử dụng. Sự chuyển hoá của nit ơ và photpho trong môi trường phụ thuộc vào nhiều yếu tố ảnh hưởng như: pH, sự phân tầng n ước, nhi ệt đ ộ, độ mặn... Tuy nhiên, nếu trong nước và thực phẩm hàm lượng nitơ và photpho, đặc bi ệt là nitơ dưới dạng muối nitrit và nitrat cao quá sẽ gây ra m ột số bệnh nguy hi ểm cho ng ười đ ặc biệt là trẻ em. 1. Tập tính của nitơ và phospho trong môi trường a. Nitơ Đa số nitơ và phospho tồn tại dưới dạng chưa sử dụng được ngay cho sinh vật. Trong khí quyển, nitơ chủ yếu tồn tại dưới dạng nitơ phân tử (N2). Trong trái đất, đa số nitơ n ằm bất động trong đá và đất. Việc cung cấp nitơ và các chu trình v ật ch ất trong t ự nhiên ph ụ thu ộc nhiều vào quá trình phân huỷ sinh học các hợp chất ch ứa nit ơ và phospho trong môi tr ường. Sự trao đổi và phân huỷ sinh khối khác nhau đáng kể giữa các nơi sống, kích c ỡ và hoạt đ ộng sống của các quần xă vi sinh vật (VSV) và nấm: Trong các môi tr ường nóng ẩm và có đ ủ oxy, sự phân huỷ và giải phóng chất dinh dưỡng diễn ra nhanh chóng (ở vùng nhiệt đ ới, th ời gian tồn tại của cacbon trong lá cây là 3 tháng); r ừng ôn đ ới t ừ 4-16 năm; trong khi đó ở các hệ Bắc bán cầu có thể tới hơn 100 năm). Sự phân huỷ thường rất hạn chế b ởi l ượng nit ơ có sẵn. Tỷ lệ trung bình của C:N trong sinh khối VSV xấp xỉ 10:1; Thực v ật (TV) có t ỷ l ệ C:N là 40-80:1 nghĩa là có sự thiếu hụt nitơ; Động vật (ĐV) duy trì t ỷ l ệ C:N g ần b ằng t ỷ l ệ c ủa VSV phân huỷ, gây phân hủy nhanh. Trong đất, tỷ lệ C:N ổn định nhất, vào khoảng 10. Theo Begon (1990), khi một chất có hàm lượng N < 1,2-1,3 % đ ược b ổ sung vào đ ất thì b ất kỳ ion NH4+ nào cũng được hấp thụ, khi các chất có hàm lượng N > 1,8% đ ược b ổ sung, thì các ion NH4+ có xu hướng được giải phóng. Toàn bộ nitơ trong chu trình nitơ sinh học di ễn ra chủ yếu qua ho ạt đ ộng c ố đ ịnh đ ạm c ủa các vi khuẩn (VK) sống trong cây, các tảo lục và các VK c ộng sinh trong r ễ c ủa m ột s ố loài thực vật (ví dụ Rhizobium có ở trong nốt sần của rễ một số loài họ đậu). Nh ững sinh v ật (SV) này có khả năng chuyển hóa N2 thành NH4+, mặc dù chỉ chiếm tỷ lệ nhỏ dòng nitơ trên toàn cầu, quá trình cố định đạm là nguồn cung cấp nitơ cao nhất cho c ả 2 n ơi sống ở c ạn và ở nước. NH4+ chỉ được các thực vật sử dụng hạn chế, hầu hết nitơ được tích luỹ dưới dạng NO3-. Việc chuyển hóa nitơ hữu cơ gồm 4 giai đoạn: - Amon hóa: nghĩa là thủy phân protein và oxy hóa các axit amin thành NH4+. - Nitrit hóa: NH4+ tự do được oxy hóa nhờ VK sống trong cây d ưới đ ất (Nitrosomonas) và dưới biển (Nitrosococcus) từ N3- thành N3+, cho NO2-.
- Nitrat hóa: NO2- được oxy hóa tiếp do VK Nitrobacter trong đất và n ước bi ển cho NO3- (thể N5-). Dưới dạng này nitơ được các TV sống trên cạn và dưới nước sử dụng. - Khử nitrat: trong điều kiện không có oxy (ngập úng, c ặn lắng...) sẽ di ễn ra quá trình kh ử nitrat. Trong đó NO2- và NO3- được các VK sử dụng làm chất nhận electron (ch ất gây oxy hoá) và chuyển thành N2, trả lại nitơ cho khí quyển. Nit ơ đ ược c ố đ ịnh g ần b ề m ặt đ ất có thể bị mất do khử nitrat hóa. Quá trình này xảy ra do các VK như Pseudomonas denitrificans. Theo Hardy và Havelka (1975), quá trình cố định nitơ và khử nitrat cân bằng trên quy mô toàn cầu và chiếm khoảng 2% tổng nitơ tuần hoàn. b. Phospho Phospho tồn tại trong môi trường chủ yếu dưới dạng octophotphat (PO43-) có hóa tr ị 5+. ở dạng này dễ được các TV ở cạn và ở nước hấp thụ. Động vật bài ti ết lượng phospho trong thức ăn ở dạng phosphat qua nước tiểu. Phospho cố định trong sinh gi ới được gi ải phóng khi bị phân huỷ do hoạt động của các VK phosphat hóa, quá trình này bẻ gãy các hợp chất phosphat hữu cơ giải phóng ra ion phosphat. Các hợp chất dễ bay h ơi không tham gia vào chu trình sinh địa hóa của phospho, chu trình diễn ra trong các thành phần sinh quy ển trên c ạn và dưới nước, phospho có mặt trong không khí có liên quan với các chất dạng hạt. Khả năng tồn tại của phosphat sinh học hoàn toàn phụ thuộc vào pH: - ở pH thấp (môi trường axit): phospho gắn chặt với các hạt sét và t ạo thành các ch ất t ổng hợp không tan với ion sắt (ví dụ Fe(OH)2H2PO4) và nhôm (Al(OH)2H2PO4). Do sự xu ất hiện của ion Fe3+ và nhôm trong đất, của cặn lắng và nước, nên lượng phospho hòa tan r ất thấp trong điều kiện axit. Khi môi trường không có oxy, phospho được c ố định là các ph ức hợp sắt không tan, có thể giải phóng Fe3+, giảm thành Fe2+ và tạo thành sunfit sắt. - Trong điều kiện pH cao (môi trường kiềm): phospho hình thành các h ợp chất không hoà tan khác nhất là canxi (ví dụ hydroxyapatite Ca10(PO4)6(OH)2). Trong đi ều kiện hi ếu khí có Ca, Al và ion Fe thì phosphat tan nhiều nhất ở pH = 6-7. Do tính phản ứng của phosphat, phospho có khả năng lưu động chậm trong đất. Trong khi đó ngược lại, NO3- có khả năng lưu động cao và rò rỉ nhanh từ đất. Khả năng l ưu đ ộng c ủa các ion chính trong đất tăng theo thứ tự PO43- < SO42- < NO3- > Cl-. M ặc dů phosphat đu ợc coi là cố định cao trong đất, nhưng nếu khả năng hấp th ụ phosphat c ủa đ ất b ị v ượt quá thì phospho sẽ nhanh chóng chuyển xuống lớp đất sâu hơn và tập trung vào dòng chảy dưới lớp đất mặt. Mức độ và tốc độ di chuyển phụ thuộc vào khả năng phát sinh tự nhiên c ủa đất và dạng phosphat. ở trong nước, chu trình nitơ và phospho sinh học cũng diễn ra tương tự như ở trên cạn, nhưng do quá trình suy giảm ánh sáng và phân tầng nước mà quá trình sinh học h ấp th ụ dinh d ưỡng và tái tạo dinh dưỡng diễn ra khác nhau theo độ sâu. Hiện tượng phân tầng n ước thay đ ổi theo můa và khác nhau ở các vùng khí hậu. Sự phân tầng tạo thành sự thay đ ổi nhi ệt và s ự thay đổi độ mặn của các vůng nước. Khi một thủy vực bị phân tầng, quá trěnh xáo trộn gi ữa tầng mặt và tầng sâu diễn ra rất ít. Quá trình thay đổi nhiệt như m ột rào c ản quan tr ọng đ ối với sự lan tỏa và vận chuyển các chất giữa 2 tầng nước, do đó các chất dinh dưỡng tầng trên có thể bị cạn kiệt làm hạn chế năng suất tảo. Vi ệc hình thành sự thay đ ổi nhi ệt ở vùng n ước
ôn đới diễn ra theo mùa. Từ mùa xuân đến můa hč, khi m ặt n ước ấm lên, s ự thay đ ổi nhi ệt hình thành và phát triển và quá trình này bị đứt quãng vào mùa đông do n ước m ặt mát và gió làm xáo trộn nguồn nước. Về mùa đông, sự xáo trộn n ước và quá trình c ặn đã l ắng l ơ l ửng trở lại sẽ bổ sung dinh dưỡng cho nguồn n ước m ặt. ở tầng sâu c ủa các đ ại d ương và vùng nước nhiệt đới, sự thay đổi nhiệt mang tính ổn định hơn. ở các vůng n ước duyęn h ải và các hồ sự thay đổi nhiệt kém ổn định hơn, chúng dễ bị ảnh hưởng, đ ứt quăng t ạm th ời do th ủy triều và gió to. ở các vùng cực sự phân tầng thường ít xảy ra. Cường độ ánh sáng theo độ sâu giảm theo cấp số mũ. Sự suy gi ảm ánh sáng ph ụ thu ộc vào độ đục của nước. ở đại dương, ánh sáng có thể xuyên tới 100 m, nhưng ở ven biển do có phù sa cao và các tải lượng hạt nên ánh sáng chỉ tới 6-48 m. ở các vùng n ước nông, c ặn bã c ủa các TV nổi rơi xuống đáy và ở đó diễn ra sự phân hủy và giải phóng dinh d ưỡng. ở các vùng nước sâu hơn, một tỷ lệ quan trọng (khoảng 18%) vật chất sinh học c ủa chu trình ở b ề m ặt bị chìm xuống các vùng nước sâu hơn tạo thành các hạt chìm, chủ yếu là phân ĐV nổi. 2. Các mối quan tâm về môi trường a. Sự phú dưỡng Con người là nguồn gây nên sự giàu dinh dưỡng cho các hệ nước ngọt và n ước bi ển ven b ờ. Nitơ và phospho theo nước thải sinh hoạt, sản xuất và hoạt động nông nghiệp xả xu ống các thủy vực không qua xử lý là nguyên nhân gây ra sự ô nhiễm cho các nguồn nước. Các chất gây ô nhiễm hữu cơ bị khử dần do ho ạt động của VSV, quá trình này gây ra s ự giảm oxy dưới hạ lưu, làm đường cong oxy giảm xuống. Mức độ oxy hoá phụ thuộc vào sự pha loãng của dòng thải và thành phần tính chất nước thải. Lượng chất h ữu c ơ này đ ược đánh giá qua Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD5) và nhu c ầu oxy hóa h ọc (COD). Dòng th ải có BOD5 và COD cao gây ra sự thiếu hụt oxy cho th ủy v ực. Do quá trình pha loãng và hoà tan oxy, nên ở hạ lưu lượng oxy lại tăng lên. Những thay đổi về chất lượng nước đ ược ph ản ảnh qua hệ các sinh vật chỉ thị ở nước: ở gần đi ểm xả, sinh v ật sinh sôi m ạnh, nh ất là các loài có khả năng chống chịu được với nồng độ oxy thấp. Với các mức độ xả lớn hay ở đầu nguồn xả có thể làm cho ngu ồn n ước b ị phú d ưỡng (Eutrophication). Hiện trạng ô nhiễm tự nhiên chủ yếu được xác định b ằng đ ộ màu m ỡ c ủa lưu vực chứa nước. Phosphat thường hạn chế dinh dưỡng trong các n ơi c ư trú n ước ng ọt, còn nitơ là yếu tố hạn chế chủ yếu ở các vùng n ước bi ển. Những chất th ải dinh d ưỡng gi ầu nitơ và phospho do con người gây ra thường làm phú dưỡng thuỷ vực. Lúc đầu ảnh h ưởng còn nhỏ, sinh khối tăng ít. Quá trình ti ếp tục, d ần dần d ẫn đ ến toàn b ộ h ệ sinh thái c ủa h ệ thống bị xáo trộn. Những thay đổi chủ yếu diễn ra trong thành phần các loài TV n ổi (phytoplankton), chủ yếu sinh sôi các loài "n ở hoa" gồm c ả tảo l ục đ ộc. V ới s ản l ượng t ảo tăng lên làm cho độ đục tăng, độ xuyên ánh sáng gi ảm, gây tổn th ất cho h ệ đ ại TV (Marcrophyte) mọc dưới nước. Các hệ TV này là thức ăn cho các hệ ĐV hồ, là n ơi c ư trú c ủa cá và ĐV không xương sống. Do tổn thất này, các loài động v ật không xương s ống b ị c ạn kiệt, thành phần của quần xã cá bị thay đổi. Đặc biệt là vào mùa xuân, khi nhi ệt đ ộ, ánh sáng tăng lên và nước phân tầng, sinh khối tảo tăng nhanh, r ồi chết gây ra màu n ước xanh do s ự phân hủy của tảo, tạo ra mùi khó chịu và một số ch ất đ ộc, làm gi ảm hàm l ượng oxy c ủa nước một cách nghiêm trọng, thường gây chết cá. Do các loài "n ở hoa" th ường gây đ ộc cho người và ĐV nuôi nên phải cẩn thận, không để vật nuôi vào các vùng này và đ ặc bi ệt l ưu ý trong việc cấp nước uống, không để nước bị nhiễm bẩn của nước hồ bị phú dưỡng. ở Hà
Lan năm 1987, tổng chi phí cho việc xử lý hiện tượng phú dưỡng m ất tới 760 tri ệu Guider Hà Lan. Còn ở Nauy, các chất độc do tảo tạo ra gây thi ệt hại hơn 10 tri ệu USD cho ngành công nghiệp nuôi cá hồi năm 1988. Gần đây hiện tượng phú dưỡng nuôi trồng được coi là vấn đề nan giải trong các vůng n ước nội địa. Tuy nhiên tần suất "nở hoa" tảo cũng tăng lên ở các vùng n ước duyên h ải cho th ấy vấn đề này không còn là trường hợp điển hình. Sự phong phú v ề dinh d ưỡng do con ng ười gây ra là một yếu tố góp phần quan trọng đối với khả năng xảy ra hi ện t ượng "n ở hoa" c ủa nước, nhưng đây không phải là nguyên nhân duy nhất. Hiện tượng "n ở hoa" thường hay xảy ra nhất ở nơi nước phân tầng, nơi mà sự vận chuyển/ xáo trộn ngang b ị hạn ch ế, c ường đ ộ bức xạ cao và thời gian ban ngày dài. b. Nitrat và việc cấp nước uống Trong những thập niên gần đây, mức NO3- trong n ước uống tăng lên đáng k ể. Nguyên nhân là do sự sử dụng phân đạm vô cơ tăng, gây rň rỉ NO3- xuống n ước ngầm. Hàm l ượng NO3- trong nước uống tăng gây ra nguy cơ về sức khoẻ đối với c ộng đồng. ủy ban châu Âu quy định mức tối đa của NO3- trong nước uống là 50 mg/l, M ỹ là 45 mg/l, T ổ ch ức s ức kho ẻ th ế giới (WHO): 100 mg/l. Bản thân NO3- không gây rủi ro cho sức kh ỏe, tuy nhiên NO3- gi ảm thành NO2- do men khử nitrat và gây độc. NO2- ảnh hưởng đ ến sức kho ẻ v ới 2 kh ả năng sau: chứng máu Methaemoglobin và ung thư tiềm tàng. * Chứng máu Methaemo- globinaemia (hội chứng xanh xao trẻ em) Trẻ nhỏ khoảng 1 tuổi dễ mẫn cảm với sự tồn lưu huyết cầu tố bào thai và do trong dạ dày không có đủ độ chua để hạn chế sự chuyển hoá NO3- thành NO2-. NO2- hình thành ở d ạ dày, truyền qua đường máu, phản ứng với huyết sắc tố mang O2, oxy hoá s ắt đ ể t ạo thành huyết Methaemoglobin làm giảm khả năng mang oxy của máu, có khả năng gây tử vong do "ngột ngạt hóa chất". Rất may là các ca tử vong rất hi ếm. Đa s ố các tr ường h ợp trên th ế gi ới liên quan đến việc sử dụng nước giếng khơi do nước giếng bị nhiễm bẩn bởi các chất bài tiết của người và động vật. Mức an toàn về NO3- cho nước uống là 100 mg/l. ở nh ững qu ốc gia có NO3- cao phải cấp nước chai có nồng độ NO3- thấp cho các bà mẹ đang cho con bú và cho trẻ em được nuôi bằng sữa bình. * Ung thư tiềm tàng ở điều kiện pH axit của dạ dày, NO2- chuyển hóa thành axit nitrơ (HNO2). Axit là m ột tác nhân nitro hóa mạnh, phản ứng với các thành phần thực phẩm kể c ả các axit amin và h ỗn hợp sắt, gây tích luỹ lớn O2 ở cơ bắp. Nhiều thí nghiệm trên hàng lo ạt ĐV (nh ư chu ột c ống) đă chứng minh rằng: nuôi bằng thức ăn có chứa hàm lượng muối NO3- cao đă gây ra ung thư. Rau là nguồn thức ăn chứa NO3- chủ yếu. Ví dụ rau di ếp, cần tây: 100 mg/kg; đ ậu Hà Lan, hành, khoai tây: ~200mg/kgÁ các mức NO3- thay đổi theo mùa và điều kiện trồng trọt. NO3- còn có mặt trong thịt. Thường trong quá trình ướp th ịt, người ta hay t ẩm th ịt s ống v ới muối có chứa NO3- hoặc tẩm KNO3 trong một số gia vị. Gi ới hạn cao nhất cho phép c ủa NO3- trong sản phẩm dăm bông và thịt xông khói là 500 ppm; của KNO3 là 595 ppm.
Với một số người, bia là nguồn NO3- chủ yếu: 4 chai bia con có hàm l ượng NO3- trung bình bằng 2 lần lượng hấp thụ từ thức ăn có chứa nitrat. ở dạ dày người l ớn nhi ều axit h ơn tr ẻ em nên việc chuyển NO3- thành NO2- bị hạn chế. Nitrat là nguồn nitrit chủ yếu trong rau và thịt ướp, còn số lượng trong nước uống không đáng kể. Thực ra nồng độ NO2- trong rau thấp (chỉ khoảng 1 ppm trong rau tươi) nhưng do số lượng ăn và n ồng đ ộ NO3- cao nên rau là nguồn NO2- quan trọng, chiếm 75 % tổng mức cung cấp. Trong th ịt ướp, NO2- gi ới h ạn t ối đa là 200 ppm. Ướp thịt bằng NaNO3 và KNO3 làm cho thịt có hương v ị th ơm và màu đ ặc trưng, bảo quản cho thịt khỏi bị hỏng do sự sinh tr ưởng c ủa VK k ị khí gây h ại ti ềm tàng nh ư Clostridium botulinum. Nitrat trong nước uống chỉ là nguồn rất nh ỏ gây ra NO2-, tuy nhiên nếu uống nhiều sẽ trở thành nguồn quan trọng. Người ta còn phát hi ện thấy rau mu ối ngâm trong nước nhiều tuần và bánh ngô cũng có hàm lượng NO3- và NO2- cao. Trong rau mu ối phát hiện thấy chứa hỗn hợp sắt- nitronsyl (Fe2(SCH3)2(NO)4), h ợp chất này không gây ung thư mà chỉ gây đột biến yếu, nhưng chúng có thể làm tăng tác động ung thư của các h ợp ch ất khác. Một số nghiên cứu cho thấy N-nitrosamines và các hydrocacbon th ơm làm tăng kh ả năng sinh u của ở động vật. Trong bánh ngô thường bị nhi ễm m ốc Fusarium moniliform có thể tạo ra nitrosamines, gây dễ tiếp xúc với mầm sinh ung thư tiềm tàng. Rõ ràng có mối quan hệ phức hợp giữa tỷ lệ mắc ung thư với m ức nitrat trong n ước u ống, mức nitrat/ nitrit trong thức ăn. Phải hết sức thận trọng và nghiêm túc xem xét đ ầy đ ủ b ằng chứng về các rủi ro đối với nitrat. Việc làm giảm thiểu mức nitrat trong n ước u ống theo các tiêu chuẩn quy định là rất phức tạp và tốn kém. Th ường người ta s ử d ụng gi ải pháp dùng các nguồn thay thế có mức nitrat thấp hơn. Tuy vai trò c ủa nitrat và nitrit trong công tác b ảo qu ản thực phẩm là rất quan trọng nhưng cần cố gắng gi ảm thi ểu m ức đ ộ sử d ụng chúng trong công nghiệp thực phẩm. Các hệ sinh thái tự nhiên ít bị rò rỉ nitơ, dinh d ưỡng h ầu nh ư đ ược gi ữ và quay vòng trong h ệ thống. Tuy nhiên đất nông nhiệp thì sự xáo trộn làm rò rỉ nhiều chất dinh d ưỡng l ưu đ ộng. Rò rỉ phân bón là một nguồn đưa các chất dinh dưỡng trong nông nghi ệp xu ống n ước m ặt và nước ngầm. Việc giảm thiểu mức phân bón có tác dụng làm gi ảm n ồng đ ộ nitrat đ ến n ước ngầm và giảm phú dưỡng tới nước mặt. Việc giảm thiểu mức sử dụng phân đạm là rất quan trọng để giảm hàm lượng nitrat trong nước ngầm.