Đề tài Nghiên cứu mức độ ảnh hưởng của một số độc chất kim loại nặng (cd2+, hg2+) lên quá trình sinh trưởng và phát triển của cây cải xanh trên đất phù sa tiền giang

MỞ ĐẦU Giới thiệu Xã hội không ngừng phát triển, quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa diễn ra càng nhanh thì tỉ lệ chất thải độc hại từ sản xuất công nghiệp và những ảnh hưởng bất lợi từ các hoạt động của con người tác động vào môi trường càng tăng nhanh. Ngoài những bệnh lây lan truyền nhiễm như AIDS, quái thai, các dị tật bẩm sinh ở trẻ em do các chất độc hại trong môi trường đã xuất hiện ngày càng nhiều, thông qua con đường thực phẩm gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người . Đối tượng gây ra các tác hại trên có thể nghi cho các độc chất kim loại nặng. Độc chất có thể tồn tại dưới nhiều hình thức khác nhau như chất vô cơ hay hữu cơ, thể hợp chất hay đơn chất, dạng lỏng, rắn hay khí. Chúng có mặt trong cả ba môi trường đất, nước và không khí. Do đó, tìm hiểu và xác định các độc chất trong môi trường sẽ giúp ta có biện pháp khống chế và xử lý nó. Ngay từ những năm đầu của thế kỷ XX, các nhà khoa học trên thế giới [10] đã quan tâm nghiên cứu chất lượng đất đai nhằm phát triển nông nghiệp, nâng cao năng suất cây trồng để đáp ứng nhu cầu lương thực ngày càng tăng của việc gia tăng dân số. Đất đai như là một thành phần cấu thành môi trường chung. Đến khoảng đầu thập niên 90, người ta bắt đầu nghiên cứu sự nhiễm bẩn, nhiễm độc đất đai[10]. Hiện nay, chưa có tiêu chuẩn quốc tế về nồng độ của các chất độc trong môi trường đất mà chỉ có ở một số nước như Đức, Áo, Hà Lan, Canada, Đài Loan…nhưng số liệu tương đối giống nhau [10]. Ở Việt Nam chúng ta đã có bộ tiêu chuẩn về các chất độc trong môi trường nước, không khí nhưng trong môi trường đất chỉ có giới hạn cho phép của dư lượng thuốc bảo vệ thực vật. Chính vì thế mà trong quá trình nghiên cứu sự ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường, chúng ta phải lấy các tiêu chuẩn của các quốc gia khác nên kết quả không phản ánh đúng được hiện trạng ô nhiễm tại Việt Nam. Ngoài ra, các đề tài nghiên cứu sự ô nhiễm kim loại nặng trong đất hiện nay ở nước ta không có nhiều gây ra sự khó khăn trong việc quản lý môi trường đất của các cơ quan nhà nước. Một số các nghiên cứu trước đây của các chuyên gia nước ngoài cho thấy Cd2+, Hg2+ là những chất ô nhiễm chính do hoạt động của con người gây nên[10]. Ngoài ra, chúng cũng là các nhân tố có ảnh hưởng trực tiếp làm giảm sinh khối vi sinh vật đất và trọng lượng khô của cây trồng[10]. Ở nước ta cũng có một số hướng nghiên cứu của một số tác giả như: GS. Lê Huy Bá và cộng sự (4/1994)[1] cho thấy ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường đất không chỉ là hấp thu trao đổi với keo đất mà chủ yếu liên kết với các axit humíc, fulvíc. Ảnh hưởng của Cd2+ lên lúa mạnh hơn Pb2+. GS.Vũ Cao Thái và cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của nước thải dệt nhuộm đến quá trình sinh trưởng và phát triển của rau cải xanh (trong đó As, Cd, Pb là những ion có khả năng tích lũy cao). Mặc dù, mức độ ô nhiễm kim loại nặng trong đất Việt Nam chưa tới mức báo động nhưng cũng cần phải nghiên cứu ảnh hưởng của chúng đối với đời sống sinh vật. Một điều dễ nhận thấy là kim loại nặng có tác độc trực tiếp hay gián tiếp đến sức khỏe con người vì nó dễ dàng đi vào dây chuyền thực phẩm và về lâu dài sẽ gây ảnh hưởng nghiêm trọng cho con người. Nhằm góp phần đánh giá tác động của các kim loại nặng cũng như khả năng tích lũy của chúng trong thực vật và nguy cơ ô nhiễm đất có thể xảy ra thêm vào đó, cây Cải xanh là một loại cây ăn lá nhưng có khả năng tích lũy KLN trong lá rất cao mà cây không có bất kỳ biểu hiện trúng độc nào. Do vậy, tôi đã chọn đề tài: “Nghiên cứu mức độ ảnh hưởng của một số độc chất kim loại nặng (Cd2+, Hg2+) lên quá trình sinh trưởng và phát triển của cây Cải xanh trên đất phù sa Tiền Giang”. Làm đồ án nghiên cứu nhằm làm sáng tỏ các vấn đề trên. Vì thời gian làm đề tài có hạn nên chúng tôi chỉ thực hiện những vấn đề nêu ra trong phần tiêu đề của đề tài. Hy vọng rằng đề tài sẽ mở ra một hướng nghiên cứu còn khá mới mẻ này ở Việt Nam để góp phần bảo vệ sức khỏe con người. Mục tiêu của đề tài Nghiên cứu mức độ ảnh hưởng của Cd, Hg đối với quá trình sinh trưởng của cây cải xanh trên đất phù sa sử dụng cho trồng trọt nhằm : Đánh giá tác động do ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường đất đối với thực vật. Góp phần xây dựng cơ sở khoa học cho các nghiên cứu về khả năng tích lũy của các kim loại nặng trong thực vật và giới hạn gây độc đối với thực vật khảo sát. Tính cấp thiết của đề tài Theo thống kê của Bộ Y tế cho biết năm 1997 cả nước có 6.421 người bị ngộ độc thực phẩm, trong đó có 4.646 người chết do ăn rau bị nhiễm độc. Vấn đề rau sạch đang là một vấn đề nóng bỏng ở nước ta do hiện tượng rau bị nhiễm thuốc bảo vệ thực vật hay tích lũy quá nhiều kim loại nặng. Hiện nay chất lượng đất ở Việt Nam đang ở mức báo động về vấn đề ô nhiễm kim loại nặng. Ở Việt Nam vẫn chưa có tiêu chuẩn cụ thể về kim loại nặng trong đất. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp luận Trong môi trường đất có 2 nhóm độc chất đối với cây trồng, đó là chất độc bản chất và chất độc không bản chất. Nhóm 1 là những ion thiết yếu cho sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng, nếu vượt quá một giới hạn nhất định nào đó thì chúng sẽ là các chất độc. Nhóm 2 không đóng góp vai trò như nhóm 1, nếu ít chúng không ảnh hưởng nhưng nhiều chúng sẽ gây độc cho cây trồng. Tuy nhiên hiện nay, hàm lượng của các ion kim loại trong đất bao nhiêu thì bắt đầu gây độc? vẫn chưa có tài liệu nào nghiên cứu chi tiết mà chỉ nói mức độ ảnh hưởng của chúng đối với cây trồng ở một mức nào đó. Ngoài ra, trong phần giới thiệu cũng cho thấy những nghiên cứu trước đây đều minh chứng rằng các ion kim loại đều ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng và phát triển của thực vật. Như vậy, việc tìm ra giới hạn của chúng để có biện pháp quản lý phù hợp là một điều cần thiết hiện nay. Việc tìm ra giới hạn gây độc của các kim loại nặng trong môi trường đất, trước tiên chúng ta phải xem xét ảnh hưởng của các kim loại nặng này đến môi trường đất như thế nào. Các đề tài nghiên cứu trước nay chỉ tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng của các kim loại nặng trong môi trường dung dịch có chứa các dung dịch gây nhiễm hay nuôi trồng trong cát nhưng có các dưỡng chất và ion độc cần thiết. Đó là các nghiên cứu tương đối đơn giản; tuy nhiên, xét về khía cạnh thực tiễn thì các khảo sát đó có những mặt hạn chế nhất định vì cây trồng nông nghiệp không sống trong môi trường nước mà sống trong môi trường đất. Đây là một hệ thống phức tạp hơn nhiều, bởi vì những tính chất của đất và các đặc trưng hóa học, lý học, sinh học biến đổi rất lớn giữa các hệ thống đất khác nhau. Mối quan hệ giữa đất, nước, không khí, nước ngầm, hệ sinh thái và con người có quan hệ mật thiết với nhau. Bất cứ một sự thay đổi, biến động của một thành phần môi trường nào đó cũng kéo theo sự thay đổi, ảnh hưởng đến các thành phần môi trường khác. Vì thế, việc nghiên cứu ảnh hưởng của các kim loại nặng đến quá trình sinh trưởng của một số cây trồng nông nghiệp cần phải được tiến hành. Việc chọn đối tượng nghiên cứu là đất phù sa vì đất phù sa là loại đất có diện tích khoảng 3.400.059 ha chiếm 10.27% diện tích cả nước, trong đó hai tam giác châu có diện tích đất phù sa lớn nhất là Đồng bằng sông Hồng và Đồng bằng sông Cửu Long. Đây là những vựa lúa lớn của cả nước. Đất phù sa là nhóm đất chủ lực cho sản xuất lương thực và cây ngắn ngày; hơn thế nữa đất đai được xem là tài sản của một Quốc Gia, là tư liệu sản xuất chủ yếu, đồng thời cũng là đối tượng của lao động và là sản phẩm của lao động. Ngoài ra, các nghiên cứu của các chuyên gia nước ngoài đều cho biết Cd, Hg là những chất ô nhiễm chính do hoạt động của con người tạo nên. Theo nghiên cứu của John (1986)[10], rau cải xanh là một loại cây ăn lá nhưng lại có khả năng tích lũy Cd trong lá rất cao mà không có bất kỳ biểu hiện trúng độc nào. Đây là một vấn đề rất đáng quan tâm vì các kim loại nặng sẽ theo dây chuyền thực phẩm để tác động đến con người. Ngoài ra, tiêu chuẩn về hàm lượng kim loại nặng trong đất của Việt Nam vẫn còn khá mới mẻ và chưa đầy đủ, hay mới chỉ là các tiêu chuẩn tạm thời do Bộ Y tế và Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn đưa ra dựa hoàn toàn trên tiêu chuẩn của quốc tế. Việc tìm ra các giới hạn nồng độ để so sánh tính phù hợp của các tiêu chuẩn này cũng là một vấn đề rất cần thiết. Sơ đồ nghiên cứu Lựa chọn hạt giống Xử lý hạt giống và ủ (cho lên mầm) Đất ngoài thực địa Đất có chất ô nhiễm (có nồng độ xác định trước) Khảo sát quá trình sinh trưởng và phát triển của thực vật khảo sát Khảo sát quá trình sinh trưởng, phát triển của cây và khả năng tích lũy các KLN khảo sát trong các bộ phận cây Tính toán để đưa ra các ngưỡng gây độc và giới hạn cho phép So sánh để đưa ra mức độ gây hại Xử lý đất Hình 1: Sơ đồ nghiên cứu của đề tài Phương pháp cụ thể Trên cơ sở các tài liệu đã có tổng hợp, biên hội. Đi thực địa tại khu vực lấy đất (loại đất, loại hình canh tác, các tác nhân ô nhiễm có thể,…). Đánh giá chất lượng đất (thành phần cơ giới, lý hóa học của đất) Bố trí thí nghiệm và kiểm soát quá trình thí nghiệm. Phân tích chất lượng cây trồng (độ ẩm, sinh khối, tích lũy kim loại nặng). Phân tích đất, chất lượng nước tưới. Phương pháp quan sát, đo đạc: ghi nhận các ảnh hưởng của độc chất đến quá trình sinh trưởng của thực vật (sự nảy mầm, xuất hiện lá thật, chiều cao cây, chiều dài lá và các ảnh hưởng bất lợi khác như: héo lá, thối đọt, vàng lá, sâu bệnh,…). Ứng dụng các phần mềm vi tính trong xử lý số liệu và văn bản hóa như : Excel, Statgraphic…nhằm đưa ra hệ số tương quan, mức độ tin cậy, phương trình liên hệ giữa nồng độ và mức độ ảnh hưởng và giá trị LC50. Trao đổi ý kiến với các chuyên gia. Nội dung nghiên cứu Để đạt được mục tiêu đã đưa ra, đề tài đã thực hiện các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm với các nội dung sau: - Tìm hiểu chất lượng đất thông qua khảo sát (thành phần cơ giới, thành phần dinh dưỡng, khả năng hấp phụ của đất và mức độ ô nhiễm KLN) và chất lượng nước tưới. - Khảo sát ảnh hưởng của một số ion KLN đối với quá trình sinh trưởng và phát triển của cây cải xanh trên đất phù sa. Mối quan hệ giữa lượng KLN trong đất và trong các bộ phận của cây. - Từ các dữ liệu của quá trình khảo sát, xây dựng cơ sở dữ liệu góp phần cho việc xây dựng cũng như đánh giá tiêu chuẩn KLN trong đất của Việt Nam hiện nay. Giới hạn của đề tài Vì thời gian làm đồ án có hạn nên bước đầu chỉ khảo sát với 2 ion kim loại nặng (Cd2+, Hg2+) đối với cây cải xanh và đất là đất phù sa (sử dụng cho mục đích nông nghiệp – trồng rau). Phương hướng phát triển của đề tài Mở rộng nghiên cứu với các loại cây trồng khác nhau tâp trung chủ yếu vào các cây trồng nông nghiệp như (đậu, lạc,…). Mở rộng hướng nghiên cứu với nhiều loại kim loại nặng khác nhau (As, Pb,…). Mở rộng hướng nghiên cứu với các loại đất khác nhau (đất xám, đất đỏ,…). Từ các ngưỡng gây độc đối với nhiều loại thực vật (rau, đậu, cải) trong cùng một loại đất đưa ra giới hạn cho phép của một ion kim loại nào đó. Xây dựng bộ tiêu chuẩn các độc chất kim loại nặng trong môi trường đất.  CƠ SỞ LÝ THUYẾT Tổng quan về đất phù sa[7], [9] Định nghĩa Theo từ điển môi trường[11] thì ĐPS là vật liệu lắng đọng từ các dòng sông, thường tạo thành các đồng bằng đất bồivà các tam giác châu. Được bồi thường gồm bùn, cát, sét, sỏi và có thể có một lượng khá lớn chất hữu cơ, do đo thường rất màu mỡ. ĐPS là các đất cao ven sông, là các đất rất non trẻ, độ phì nhiêu cao, địa hình cao ven sông. Nó thích hợp với nhiều loại cây trồng như cây ăn trái, hoa màu, lương thực, lúa 2-3 vụ. Đất có chất lượng tốt, có khả năng tưới bằng nước mặt, địa hình bằng, tầng đất dày. Hay căn cứ vào hình thức chuyển dời và trầm tích, người ta có thể nói ĐPS (đất bồi tích, sa tích) là trường hợp các sản phẩm phong hóa do dòng nước mang đi, có thể đến những khoảng cách rất xa rồi mới lắng đọng lại .Ở những vùng cửa sôn, người ta gọi là trầm tích tam giác châu. Những vùng đồng bằng của nước ta như ĐBSH, ĐBSCL là thuộc loại đất này. Quá trình hình thành và bồi tụ đất phù sa Đất phù sa được hình thành từ : “Đá mẹ “, đá mẹ có ảnh hưởng rõ rệt đến sự tạo thành đất đai, đến lý tính, hóa tính của đất. Riêng đối với ĐPS thì vai trò của đá mẹ lại không được thể hiện một cách rõ rệt mà lại phụ thuộc vào sự hình thành các bồi tích phù sa. Mặt khác còn dưới các điều kiện nhiệt độ, áp suất nhất định, các thông số về khí hậu, thời tiết, sự tham gia của các yếu tố sinh vật và con người…Quá trình phong hóa vật lý, hóa học và sinh học. Quá trình Sialite hóa – là quá trình hình thành ĐPS: thường xảy ra ở những vùng trũng hay đồng bằng. Ở đây có các quá trình bồi tụ phù sa. Môi trường sinh thái đất được hình thành khá phức tạp. Thành phần hữu sinh, vô sinh cũng như các hạt vật chất thay đổi rất nhiều tùy thuộc vào tác động của các yếu tố môi trường và vị trí xuất hiện chất hữu cơ trong tầng phẫu diện. Đất phù sa được hình thành trên cơ sở sự bồi lắng tầm tích bồi tụ qua một thời gian lâu dài, kết hợp với các yếu tố tự nhiên khác như thời tiết khí hậu, địa hình,…tạo thành các dải ĐPS. Do vậy, đất bồi tụ nhìn chung có lớp phủ dày; đồng bằng phù sa có lớp bồi tụ dày nhất có thể tới hàng trăm mét như ở trung tâm các đồng bằng châu thổ. Các đồng bằng ven biển Trung Bộ mỏng hơn, thung lũng và nhiều cánh đồng phù sa ở miền núi, cao nguyên cũng thường có lớp phủ dày mỏng và phân hóa rất phức tạp, mang tính địa phương rõ rệt. Ngoài ra còn ảnh hưởng tới chất lượng đất đai lớp phủ thổ nhưỡng. Quá trình hoạt động của con người trên hướng thổ nhưỡng phần nào đã làm cho đất đai bị biến đổi cả về cấu tượng và thành phần, tăng độ xốp của đất làm cho đất dễ bị xói mòn, rửa trôi theo dòng nước đổ vào sông suối của lưu vực mang theo nhiều yếu tố hóa học có trong đất hòa tan vào nước làm đa dạng hóa thành phần chất lượng nguồn nước. Mặt khác các quá trình nội sinh (quá trình phong hóa, hóa học, mùn hóa …) xảy ra trong lớp phù sa thổ nhưỡng dưới tác động của các yếu tố nhiệt độ, đá mẹ, nước, thực vật, con người đã làm cho nước bị rửa trôi thẩm lậu dưới tác động của dòng nước mang theo nhiều thành phần khác và hữu cơ bổ sung vào nguồn nước. Phân loại đất phù sa Đất phù sa khác nhau về thành phần cơ giới và các đặc điểm vật lý, hóa học, sinh học khác nhau, ngoài ra còn chịu ảnh hưởng của chế độ dòng chảy sông ngòi, biển, chịu ảnh hưởng của thành phần đá mẹ ở thượng nguồn, ảnh hưởng của lớp cơ chất bên dưới và các quá trình xảy ra trong đất. Do vậy, ĐPS ở Việt Nam được phân loại như sau: - Theo nguồn gốc: phân ra thành các loại ĐPS sông Hồng, ĐPS sông Cửu Long, ĐPS hệ thống sông khác, ĐPS trên nền cát, ĐPS ngòi suối; - Theo thời gian hình thành người ta chia ĐPS cũ và mới .ĐPS thường chứa nhiều vật chất hữu cơ, có độ phì cao nên được sử dụng rộng rãi trong canh tác nông nghiệp; - Dựa vào độ phì nhiêu, là khả năng sản xuất của đất có thể chia thành 2 đơn vị đất là ĐPS trung tính ít chua (bão hòa) và ĐPS chua (không bão hòa). Chiều dày các lớp phù sa có mức độ khác nhau từ vài chục centimet đến hàng chục met; - Theo đặc điểm phát triển toàn diện đất chia thành: ĐPS được bồi hằng năm, ĐPS không được bồi, ĐPS không glay, ĐPS glay yếu, ĐPS không được bồi glay trung bình mạnh, ĐPS có tầng loang lổ. - Theo điều tra, đánh giá tài nguyên đất đai theo phương pháp FAO/UNESCO thì phân loại thành ĐPS trung tính ít chua, ĐPS chua, ĐPS glay, ĐPS mùn, ĐPS có tầng đốm rỉ; - Theo viện nông hóa thổ nhưỡng, viện quy họach và thiết kế nông nghiệp đã tổ chức điều tra trên quan điểm phân loại đất dựa trên chỉ tiêu kết von, đá mẹ, thành phần cơ giới, độ dốc địa hình, độ dày tầng đất mịn. Thì phân loại ĐPS gồm ĐPS được bồi, ĐPS không được bồi, ĐPS glay, ĐPS có tầng loang lổ đỏ vàng, ĐPS úng nước, ĐPS ngòi suối. Phân bố Tổng quỹ đất Việt Nam có tổng diện tích hơn 33 triệu ha, trong đó ĐPS có 3.400.059 ha chiếm 10,27% diện tích cả nước, trong đó 2 tam giác châu có diện tích ĐPS lớn nhất là ĐBSH và ĐBSCL. ĐBSH đã sử dụng 93% quỹ đất ĐBSCL đã sử dụng 82% quỹ đất Vùng Đông Nam Bộ còn khoảng 34% quỹ đất Tây Nguyên còn khoảng 76% quỹ đất ĐPS ở Việt Nam được phân bố như sau: + ĐB sông Cửu Long: 28,9 % + ĐB sông Hồng: 17,4 % + Các vùng còn lại: 53,7 % Đặc điểm và tính chất của đất phù sa Việt Nam Nếu đánh giá chung về chất lượng đất, ngoài đặc tính xếp lớp, nước ngầm giàu K+, Ca2+, Mg2+, ít sắt, nhôm thì ở mỗi vùng cũng có những tính chất đặc thù: Đất phù sa sông Cửu Long chứa lượng sét cao; Đất phù sa đồng bằng sông Hồng chứa nhiều limôn, ít sét, giàu Ca2+, Mg2+; Đất phù sa một số vùng ven biển miền Trung có thành phần cơ giới nhẹ hơn, nghèo dinh dưỡng hơn. Nhìn chung ĐPS thường là loại ĐPS trung tính. chiều dày lớp đất tương đối đều, cỡ hạt cũng tương đối đều (vì phụ thuộc lưu tốc dòng chảy), những lớp đất ở giai đọan đầu của quá trình lắng đọng thường rất rỗng, xốp, chứa nhiều nước đến mức chảy nhão. * Đất có một số tính chất sau: (đơn vị : meq/100g đất) - Ca2+: 8,5 – 10,2 - Mg2+:1,7 – 2,3 , - Đạm dễ tiêu:1,8 – 2,5 - Lân dễ tiêu: 6,0 – 9,0 - Kali dễ tiêu: 16,1 – 46,5 - Mùn: 1,5 – 2,5 Thành phần cơ giới - ĐPS có thành phần cơ giới từ trung bình đến nặng - ĐPS trung tính ít chua: có thành phần cơ giới nhẹ, thịt pha cát mịn đến thịt pha sét, tỷ lệ cấp hạt sét đạt 20-30%, cấp hạt thịt khoảng 30-40%, phần còn lại chủ yếu là cát mịn. - ĐPS giàu mùn: có thành phần cơ giới từ thịt trung bình đến nặng, tỷ lệ cấp hạt sét thay đổi từ 32-52%, đất có biểu hiện tích tụ cấp hạt thịt mịn ở tầng chuyển tiếp AB. - Đất phèn (phù sa phèn): có thành phần cơ giới nặng, tỷ lệ các cấp hạt trong đất, tùy khu vực và tầng đất biến động trong khoảng 21-43% sét, 20-40% thịt và 30-4% cát. Về tính chất lý hóa học - ĐPS trung bình ít chua: độ chua từ chua nhẹ đến chua ít trong đó độ chua hoạt tính (pHH2O) khoảng 5,5-6%, độ chua trao đổi (pHKCl) khoảng 5-5,5, độ chua tiềm tàng chỉ đạt 4-6 meq/100g đất cation kiềm tương đối khá đặc biệt là Ca2+ (6-7 meq/100g sét). CEC và độ no bazơ vào loại trung bình (CEC 17-20 meq/100g sét hay 13-14 meq/100g đất, BS 38-56%). - ĐPS giàu mùn từ chua vừa đến chua ít: trong đó ĐPS mùn ít chua có (pHH2O) đạt 5,5-6, pHKCl 5-5,5, độ chua tiềm tàng chỉ đạt 4-7 meq/100g đất, ĐPS mùn glay có pHH2O 5,0-5,5, pHKCl 4,5-5, độ chua tiềm tàng đạt 8-10 meq/100g đất. Dung lượng trao đổi cation khá cao, đạt 20-24 meq/100g sét và khoảng 14-16 meq/100g đất. Độ no bazơ (BS) có sự phân biệt rõ giữa 2 đơn vị đất phụ. ở ĐPS mùn ít chua. BS đạt 50-55%, ĐPS mùn glay BS 40-45%. Đất phù sa vùng đồng bằng sông Cửu Long Quá trình hình thành châu thổ là quá trình bồi tích cửa sông hay bồi tích đầm lầy, biển và sự tái tạo nhờ hệ thống sông ngò, kênh rạch, sự biến đổi tự nhiên về cơ lý sinh hóa trong thời gian dài đã hình thành các loại đất chính: - Nhóm Feralit Soilit: trên nền phù sa cổ phân bố trên các triền cao dọc biên giới VN – Camphuchia, chiếm 37% diện tích. - Nhóm đất mặn các loại : chiếm 25% diện tích, phân bố dọc bờ biển Đông và biển Tây từ Gò Công đến Hà Tiên. - Nhóm đất phèn các loại chiếm hơn 35% diện tích, phân bố ở trung tâm bán đảo Cà Mau, tứ giác Hà Tiên, vùng trũng Đồng Tháp Mười và rải rác vài nơi trên đồng bằng. - Đất giồng cát ven các cửa sông miền ven biển. - Đất than bùn có diện tích không lớn phân bố tập trung ở những vùng rừng lâu năm như Hà Tiên, rừng U Minh… - Đất thềm núi trơ sỏi đá phân bố ở vùng Bảy Núi, Hà Tiên. - Và nhóm đất phù sa ngọt gồm phù sa được bồi và không được bồi hàng năm chiếm hơn 30% diện tích phân bố dọc theo các triền sông Cửu Long từ bờ phóng sâu vào chùng 10-15 km có thành phần cơ giới nhẹ đến trung bình, độ phì thích nghi cao với lúa, cây công nghiệp ngắn ngày, cây ăn trái. ĐPS phân bố dọc 2 bên bờ sông Tiền, sông Hậu là lớp phủ trầm tích nước ngọt trẻ nhất ở ĐBSCL được chia làm 4 loại đất chính: - ĐPS được bồi nằm trên các dải đất thấp ven sông đang được bồi hàng năm, đất có màu nâu tươi, là loại đất tốt nhất. Diện tích 83,914 ha. - ĐPS không được bồi nằm trên các dải đất cao ven sông, màu nâu xám, diện tích 92,885 ha. - ĐPS không được bồi glây phân bố trên địa hình thấp, xa sông, bị đọng nước nhiều tháng trong năm, đất có mầu nâu đến xám đen, thành phần cơ giới sét, khi đất khô cứng chắc. Diện tích 209,496 ha. - ĐPS không được bồi có tầng loang lổ đỏ vàng nằm trên địa hình hơi cao, xa sông, tập trung ở khu vực Đông Nam của vùng. Đất có màu xám nhạt hay nâu xám nhạt, thành phần cơ giới nặng. Diện tích 402,414 ha. ĐBSCL là vùng đất thấp, có độ cao trên dưới 2m so với mặt nước biển, nhìn chung các loại đất trong nhóm đất phù sa đều có thành phần cơ giới nặng, độ phì nhiêu cao, thích hợp có nhiều loại cấy trồng hiện có ở ĐBSCL; riêng ĐPS không được bồi có tầng loang lổ chua hơn các loại đất khác, Lân tổng số từ trung bình đến nghèo. Lượng phù sa của ĐBSCL tương đối thấp nhưng hàm lượng phù sa lại cao nên có năng suất thứ cấp vô cùng to lớn. - Vùng ĐPS giữa châu thổ, phân ra các khu vực khác nhau như : + ĐPS ở ven sông Hậu và sông Tiền, thành phần cơ giới chủ yếu là limông và cát, ít sét, lượng hữu cơ không nhiều (1-2%) đạm tổng số 0,08-0,1%, pH = 5,5-6,5. + ĐPS sông bị ngập lụt nhiều: thành phần cơ giới chủ yếu là sét (>50%) và limông (30-40%), rất ít cát. + ĐPS bị ngập lụt rất nhiều, phân bố ở các vùng thấp hơn. - Vùng ĐPS Tây châu thổ: đất phù sa có độ phì tiềm tàng cao hơn vùng khác, phân ra các khu vực khác nhau như: + ĐPS ven sông hậu: thành phần cơ giới nặng (40-50% hạt sét) pH = 4,5-5,5, nghèo cation kiềm thổ. + ĐPS ven sông Tiền: tỷ lệ sét cao, lớp hữu cơ ở gần mặt đất, rất nghèo lân. Một số cây trồng chính hiện nay trên đất phù sa Địa phương nào có nhiều đất phù sa thì có nhiều thuận lợi giải quyết vấn đề lương thực, thực phẩm. Không phải chỉ lúa, ngô, khoai, các loại rau phát triển tốt mà các loại cây ăn quả quý hiếm cũng cho hiệu quả cao. - Cây công nghiệp: đậu phộng, đậu tương, bông vải, thuốc lá, cây đay và đặc biệt là mía. Đây là những cây trồng có khả năng cải tạo được đất. - Cây ăn quả: các loại cây đặc sản nổi tiếng cả nước như măng cụt, sầu riêng, bưởi đường, chôm chôm, nhãn, cam, quýt, chanh, xoài, ổi, chuối,… - Cây lúa, hoa màu và rau: do nhu cầu của con người ở khu vực này về rau rất cao nên người dân sử dụng rất nhiều phân bón, thuốc bảo vệ thực vật cùng với vấn đề ô nhiễm KLN từ các khu công nghiệp làm cho đất ngày càng chai cứng, độ tơi xốp kém, tính thấm nước yếu nên rửa trôi và xói moon ngày càng mạnh hơn. Ngoài ra, nguồn nước tưới cho rau và lúa cũng đang đứng trước một tình huống nan giải đó là vấn đề ô nhiễm nguồn nước, đặc biệt là KLN – nên dễ xảy ra quá trình tích tụ ô nhiễm thông qua chuỗi thức ăn. Chính vì thế việc tìm ra giới hạn chịu đựng hay ảnh hưởng của lúa, rau đối với một số kim loại ô nhiễm chủ yếu là một vấn đề đặt ra hết sức cấp bách và cần thiết. Tổng quan về kim loại nặng Khái niệm Thuật ngữ “kim loại nặng”(heavy metals) đã được công nhận và sử dụng rộng rãi, mặc dù không dễ dàng định nghĩa nó. Thuật ngữ này được dùng để chỉ tên nhóm các kim loại và á kim, nó gắn liền với sự ô nhiễm và tính độc, nhưng cũng có một số nguyên tố cần thiết cho cơ thể sinh vật khi ở nồng độ thấp. “Kim loại độc” (Toxic metals) là thuật ngữ khác với thuật ngữ “kim loại nặng” để chỉ các nguyên tố không cần thiết, dễ gây kích ứng như Pb, Cd, Hg, As, Tl, và U; nó không dùng để chỉ các nguyên tố thiết yếu cho cơ thể sinh vật như Co, Cu, Mn, Se và Zn. Sự phân loại kim loại độc dựa trên tỷ trọng nguyên tử (d> 6g/cm3) nhưng nó cũng bao gồm các nguyên tố không liên quan khác, song vẫn chưa rõ ràng vì các nghiên cứu liên quan còn rất hạn chế[10]. Kim loại nặng là kim loại có thể dẫn điện và dẫn nhiệt cao, dễ dát mỏng, uốn cong và kéo sợi. Kim loại nặng là một trong những thành phần quan trọng đối với sự sống của sinh vật, nó luôn tồn tại một lượng thiết yếu trong các bộ phận của cơ thể sinh vật. Tuy nhiên nếu vượt quá giới hạn cho phép thì nó trở nên độc hại. Nhập lượng kim loại nặng vào môi trường Đá mẹ là nguồn cung cấp đầu tiên các nguyên tố khoáng và có vai trò quan trọng trong việc tích lũy các kim loại nặng trong đất. Trong những điều kiện xác định, tùy thuộc vào các loại đá mẹ khác nhau má các đất được hình thành có chứa hàm lượng khác nhau các kim loại nặng. Bảng 1 : Hàm lượng trung bình một số KLN trong đá và trong đất (ppm)[7] Nguyên tố Đá bazơ (basalt) Đá axit (Granite) Đá trầm tích Vỏ phong hóa Dao động Trong đất Trung bình trong đất Cd Hg 0,13 0,012 0,09 0,08 0,17 0,19 0,11 0,05 0,01 – 2 0,01 – 0,5 0,35 0,06 (Nguồn : Tack E. Fergusson. 1987) Đã có nhiều bằng chứng chứng minh nguy hiểm độc hại của kim loại nặng trong môi trường đất đến thực vật, động vật ăn thực vật và con người mà biểu hiện rõ là ảnh hưởng của Cd, Hg. Nguồn gốc ô nhiễm của kim loại nặng chủ yếu gây ra bởi các hoạt động của con người, các ảnh hưởng của các tập quán nông nghiệp hoặc từ khai thác mỏ và từ các hoạt động sản xuất công nghiệp ngày càng trầm trọng. Trong các quá trình sản xuất con người đã làm tăng đáng kể các nguyên tố kim loại nặng trong đất. Các loại thuốc bảo vệ thực vật thường có chứa các kim loại nặng như As, Pb, Hg. Các loại phân bón hóa học, đặc biệt là phân photpho thường chứa nhiều As, Cd, Pb. Các loại bùn nước thải thành phố cũng là nguồn có chứa nhiều các kim loại nặng khác nhau như As, Cd, Bi, Hg, Sn. Các nguyên tố kim loại nặng tồn tại và luân chuyển trong tự nhiên thường có nguồn gốc từ chất thải của hầu hết các ngành sản xuất công nghiệp trực tiếp hoặc gián tiếp sử dụng kim loại nặng ấy trong quá trình công nghệ hoặc từ chất thải sinh hoạt của con người. Sau khi phát tán vào môi trường dưới dạng nói trên, chúng lưu chuyển trong tự nhiên bám dính vào các bề mặt, tích lũy trong đất và gây ô nhiễm các nguồn nước sinh hoạt. Đó là nguyên nhân dẫn đến tình trạng ô nhiễm đất. Hàm lượng KLN tổng số trong đất là kết quả của việc nhập lượng kim loại từ nhiều nguồn khác nhau: đá mẹ, sự lắng đọng khí quyển, phân bón, hóa chất nông nghiệp, các chất thải hữu cơ vá các chất ô nhiễm vô cơ khác…Điều này được mô tả bằng công thức sau: Mtổng = (Mp + Ma + Mf + Mac + Mow + Mip) – (Mcr + Ml) Trong đó: - M là KLN; p: vật liệu đá mẹ; a: sự lắng đọng khí quyển - F: phân bón; ac: hóa chất nông nghiệp; ow: các chất thải hữu cơ - Ip: các chất ô nhiễm vô cơ khác; cr: sự hấp thụ KLN bởi cây trồng - l: ANG3 Bảng 2: Khả năng linh động của một số nguyên tố kim loại nặng trong đất[7] (nguồn: Kabata, 1984) Khả năng Linh động Điều kiện Oxy hóa Axit Trung tính-kiềm Khử Rất cao Se Cao Se Se, Hg Trung bình Hg, As, Cd As, Cd As, Cd Thấp Pb, As, Sb, Ti Pb, Bi, Sb, Ti Pb, Bi, Sb, Ti Rất thấp Te Te Te Te, Se, Hg Không linh động Cd, Pb, Bi, Ti Sơ lược về các kim loại nặng Cd, Hg a. Cadmium (Cd) Cadmium (Cd) thuộc nhóm (IIB), chu kỳ 5, có khối lượng nguyên tử trung bình bằng 112,411 (đvc) trong bảng hệ thống tuần hoàn, là một kim loại quý hiếm, được xếp thứ 67 trong thứ tự của nguyên tố dồi dào. Cd là một kim loại rất độc, nó là sản phẩm của công nghiệp luyện kẽm và chì. Cd là kim loại có màu trắng dịu, ít khi tìm thấy ở dạng Cd2+. Nó dễ kéo dãn, dễ dát mỏng. Tỷ trọng (so với nước): 8,65; nóng chảy ở 321oC, sôi ở 778oC. Cd không có chức năng về sinh học thiết yếu nhưng lại có tính độc hại cao đối với thực vật và động vật. Tuy nhiên dạng tồn lưu của Cd thường bắt gặp trong môi trường không gây độc cấp tính. Theo Fassett (1980) thì nguy hại chính đối với sức khỏe con người từ Cd là sự tích tụ mãn tính của nó trong thận. Nếu hàm lượng Cd trong thận lên đến 200mg/kg khối lượng tươi thì sẽ gây rối loạn chức năng thận, giảm số lượng hồng cầu trong máu; suy yếu tủy xương; rối loạn chức năng trao đổi chất của Ca2+ gây ra chứng loãng sương, gãy xương, giảm chiều cao cơ thể. Cd có khả năng tấn công và lấn át vị trí của Zn trong cấu trúc của enzyme Carboxypeptidase A và làm rối loạn chức năng trao đổi chất[1]. Thức ăn là con đường chính để Cd đi vào cơ thể nhưng bên cạnh đó việc hút thuốc lá và hơi khói có chứa nhiều CdO, cũng là nguồn quan trọng đưa Cd vào cơ thể. Tổ chức Lương Nông Quốc Tế (FAO) và Tổ Chức Y Tế Thế Giới (WHO) đề nghị lượng Cd có thể chấp nhận được đứa vào cơ thể tối đa 40-500 g/tuần, tương đương khoảng 70 g/ngày. Theo thống kê của Page, Bingham và Chang (1981), lượng Cd vào cơ thể trung bình trên thế giới hiện nay khoảng từ 25-75 g/ngày. Đây rõ ràng có vấn đề vì lượng Cd xâm nhập vào cơ thể con người đang xấp xỉ ở ngưỡng trên tiêy chuẩn cho phép. Chính vì vậy những người hút thuốc lá có thể thêm vào cơ thể một lượng Cd dư thừa từ 20-35 gCd/ngày. Ô nhiễm môi trường do Cd đã và đang gia tăng nhanh trong những thập niên gần nay là do hậu quả của việc phát triển công nghiệp ồ ạt và đặc biệt là việc gia tăng sử dụng Cd trong công nghiệp. Mặt khác do quá trình khai thác các mỏ kim loại gia tăng và quá trình thải chất thải bừa bãi dẫn đến ô nhiễm Cd trong môi trường là điều khó tránh khỏi. b. Thủy ngân (Hg) Người ta đã sử dụng thủy ngân các nay khoảng 3500 năm. Ngày xưa, người La Mã đã sử dụng Hg để chế tạo chất màu đỏ của thần sa. Các hợp chất thủy ngân là những chất độc mạnh và nhiễm độc Hg đã được biết từ thế kỷ XVI, nhất là ở những người dùng thuốc có Hg để điều trị bệnh giang mai. Thủy ngân là kim loại thể lỏng duy nhất ở 00C, màu trắng bạc, tỷ trọng 13.6, M = 200,61. Trong thiên nhiên, Hg có trong các quặng sunfua với hàm lượng 0,1-4%, để trong không khí Hg bị xạm, đó là do thủy ngân bị oxy hóa tạo thành oxit thủy ngân rất độc, ở dạng bột rất mịn, rất dễ xâm nhập cơ thể. Trên thế giới, nhiễm độc thủy ngân khá phổ biến (sau chì và benzene), cả trong sinh hoạt và trong sản xuất công nghiệp. Bệnh nhiễm độc thủy ngân nghề nghiệp ở nước ta là một bệnh được bảo hiểm. Việc tiếp xúc nghề nghiệp với Hg và hợp chất Hg ngày càng nhiều, những phát hiện nhiễm độc Hg còn rất ít. Thủy ngân có thể tồn tại ở dạng linh động, không tan hoặc bay hơi (CH3)2Hg. Trong đất kiềm (pH >= 7) Hg bị kết tủa ở dạng Hg(OH)2. Các dạng hợp chất thường gặp như: Hg – chất hữu cơ (RHgOH). Trong điều kiện khử Hg có thể gặp ở dạng HgS. Các hợp chất thường gặp trong công nghiệp như: HgO, HgCl2, HgI2, Hg2I2, [(Hg(NO3)2.8H2O)], HgS, [(Hg(CN)2)], [Hg(CN)2], Neptal, Merurocrom. Trước đây một số hợp chất hữu cơ cũng được dùng làm hóa chất trừ dịch hại như trừ nấm (ví dụ để xử lý nấm thóc giống trước khi gieo hạt…) nhưng vì các hóa chất đó gây nhiễm độc cho người dùng và lưu tồn lâu dài trong môi trường tự nhiên nay đã cấm sử dụng ở Việt Nam từ năm 1996. Thủy ngân là một trong số các nguyên tố độc chất cho con người và nhiều động vật bậc cao. Mặc dù Hg có tính độc dưới dạng ion, muối thủy ngân có tính độc cao với các sự nguy hiểm khác nhau. Vài loại thủy ngân hữu cơ, đặc biệt như Ankyl Hg thì được xem như rất độc đối với con người do ảnh hưởng đến hệ thần kinh, nhất là metyl Hg có ảnh hưởng rất mạnh. Tuy nhiên, việc nghiên cứu tính độc hại của Hg và các hợp chất của nó trong môi trường là một vấn đề gần đây mới trở nên nổi cộm. Trường hợp đầu tiên được bếit ở Nhật Bản, trong suốt năm 1950, khi mà người dân một tỉnh nhỏ Miramata đã bị ngộ độc khi ăn cá có chứa mức Hg metyl cao, hoặc là một vài trường hợp thú hoang dại bị ngộ độc khi ăn lá cây có chứa nhiều metyl Hg ở Đức 1948 -1965. Khả năng lan truyền ô nhiễm kim loại nặng Khả năng lan truyền ô nhiễm là quá trình tích luỹ, phát tán các kim loại nặng trong đất và gây ô nhiễm trực tiếp đến đất, ảnh hưởng đến cây trồng vật nuôi và con người khi ăn phải thức ăn bị nhiễm kim loại nặng. Khi các kim loại nặng xuất hiện trong đất thì khả năng lan truyền của chúng trong môi trường đất rất nhanh. Nó có thể gây độc cho tất cả những gì xung quanh như: đất, nước, không khí, hệ sinh thái, động thực vật và con người. Trong đất bị ô nhiễm các kim loại nặng (Cd, Hg) sẽ có ảnh hưởng rất lớn đến thực vật và cây trồng, thông qua dây chuyền thực phẩm sẽ lại tác động lên sức khỏe con người và động vật. Tùy theo từng chất mà nó có những tác động khác nhau đến các bộ phận của cơ thể. Phần lớn các kim loại nặng (Cd, Hg) được sâm nhập vào cơ thể qua đường hô hấp, đường miệng, đường tiêu hóa, qua da… và được tích lũy ở phổi, thận, gan, tụy, tuyến giáp. Sau đó chúng được loại thải qua kết tràng và thận. Một phần nhỏ được thải qua da và nước bọt (đó là do cơ thể sinh vật có khả năng bài tiết thải loại chất độc). Nhưng nếu tích tụ với một hàm lượng lớn trong cơ thể thì có thể dẫn đến nhiều căn bệnh lạ, nếu nặng hơn có thể dẫn đến cái chết[3]. Tổng lượng kim loại có trong đất không phản ánh được các nguyên tố được vận chuyển đến rễ, có khi nó chỉ là phần nhỏ cần thiết cho cây trồng. Mặt khác, hàm lượng KLN trong dung dịch đất thấp hơn hàm lượng mà cây trồng hấp thu, chính vì thế, một phần lớn các KLN có đặc tính sinh học được tồn tại ở pha rắn. Tùy vào mức độ linh động của chúng và dung dịch đất mà các KLN có thể tồn tại ở bốn dạng khác nhau. Hai dạng tồn tại đầu, kim loại ở dạng ion và có sẵn trong dung dịch, dạng thứ ba, mặc dù tồn tại ở pha rắn nhưng có thể đi vào dung dịch khi cần thiết và trở nên có sẵn khi cây trồng sinh trưởng. Ở dạng thứ tư, kim loại bị liên kết chặt với các hợp chất vô cơ hoặc hữu cơ khác và không có sẵn cho cây. Sự hấp thu hay tích lũy KLN cây trồng bị ảnh hưởng rất nhiều thông số đất như: pH, Eh, hàm lượng chất hữu cơ, cân bằng dinh dưỡng, nồng độ của các KLN khác trong đất cũng như độ ẩm và nhiệt độ[16]. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự tích lũy của kim loại nặng Sự tích lũy KLN trong môi trường nông nghiệp rất biến động. Có những kim KLN theo thời gian nồng độ của chúng tăng lên (thông qua day chuyền thực phẩm, sự tích tụ sinh học, phóng đại sinh học…), nhưng cũng có KLN nồng độ của chúng giảm dần theo thời gian. Nếu nồng độ KLN đi vào môi trường lớn hơn sự mất đi thì dẫn đến hiện tượng tích lũy. Tuy nhiên, sự tích lũy này phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Đó là bản cất của KLN, thành phần vật lý của đất, pH của đất, nhiệt độ đất, độ mặn của nước, tuổi, giới tính vá các bộ phận khác nhau của cây thì sự tích lũy cũng khác nhau. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính độc của kim loại nặng trong đất Keo đất được cấu tạo bởi 4 lớp từ trong ra ngoài là: nhân, lớp ion quyết định thế thường là điện tích âm, lớp ion di chuyển mang điện tích trái dấu với lớp ion quyết định thế và lớp ion có khả năng trao đổi điện tích với môi trường bên ngoài. Với cấu trúc này keo đất có khả năng hấp thụ, trao đổi ion giữa bề mặt của keo đất với dung dịch đất bao quanh nó. Sự xâm nhập của độc chất vào môi trường đất được thực hiện thông qua hoạt tính của keo đất và dung dịch đất. Bản chất: bản chất của chất độc đối với loài sinh vật hay còn gọi là tính “kỵ sinh vật”. Tính độc của các chất này quyết định bởi cấu tạo và hoạt tính của chúng. Nồng độ và liều lượng: nồng độ và liều lượng của các độc chất có tương quan thuận đối với tính độc. Nồng độ và liều lượng càng cao thì càng độc. Nhiệt độ: nhiệt độ đất càng cao thì tính độc càng mạnh (trừ khi nó ở điểm phân hủy của chất độc). Cũng như khi nhiệt độ đất quá cao có thể làm phân hủy độc chất. Ngưỡng chịu độc: các loài sinh vật khác nhau có ngưỡng chịu độc khác nhau. Sinh vật non trẻ thì mẫn cảm đối với chất độc, ngưỡng chịu độc thấp, sinh vật cao tuổi thì ngưỡng chịu độc cao, nhưng tuổi già lại chịu độc kém. Giới tính cũng ảnh hưởng đến ngưỡng chịu độc. Giống cái và phái nữ dễ mẫn cảm với chất độc hơn là phái nam và giống đực. Những điều kiện khác của đất: chế độ nước, độ ẩm , độ chua trong đất có ảnh hưởng đến sự cung cấp O2 để giải độc và phân bố lại nồng độ của hơi độc. Sự lan truyền ô nhiễm và đề ra kế hoạch cải tạo, bảo tồn đất nông nghiệp gặp khó khăn trong quá trình tập trung chất ô nhiễm nặng. Có thể sử dụng vi sinh vật để phân giải một số độc chất sinh ra từ các chất ô nhiễm có quy mô lớn gây ảnh hưởng đến các hoạt động trồng trọt. Những chất độc không có thuốc đặc trị là nguyên nhân để chất ô nhiễm hòa tan vào nước gây ra tình trạng lan rộng ô nhiễm thành các mảng ô nhiễm. Màng tế bào tạo ra các mảng ô nhiễm hữu cơ chứa các vi sinh vật hữu cơ. Kết quả các màng này làm cho những chất ô nhiễm tăng tính thấm qua màng. Quá trình quang hợp ở 140 C của các tế bào của tảo làm mất đi Kali trong tảo và vi khuẩn. Sự phát triển của chất độc do ô nhiễm hữu cơ làm phá vỡ cân bằng sinh học và gây độc lý hóa. Kim loại nặng trong mối quan hệ đất-cây trồng Cây hấp thu kim loại nặng Các nguyên tố trong dung dịch đất được chuyển từ các lỗ khí trong đất tới bề mặt rễ cây bằng hai con đường chính: sự khuếch tán và dòng chảy khối (Barber và cộng sự, 1963; Nye và Tinker, 1977)[10]Sự khuếch tán xảy ra nhằm chống lại sự gia tăng gradian nồng độ bình thường đối với rễ cây bằng cách: hấp thu các kim loại nặng trong dung dịch đất tại bề mặt tiếp giáp rễ cây – đất. Dòng chảy khối được tạo ra do sự di chuyển của dung dịch đất tới bề mặt rễ cây như là kết quả của quá trình thở của lá. Cả hai quá trình này xảy ra không đồng đều nhưng theo các tốc độ khác nhau tùy thuộc vào nồng độ dung dịch đất. Ngoại trừ trong trường hợp đất bị ô nhiễm nặng thì dung dịch đất có thể chứa nồng độ cao các nguyên tố độc chất (Barber, 1994; Morel, 1985)[10]. Trong những loại đất khác (ví dụ: đất bị ô nhiễm, đất axit, đất đầm lầy), một lượng dư nồng độ kim loại nặng trong dung dịch được lan truyền theo dòng chảy khối và chúng có khả năng tích lũy tại bề mặt tiếp xúc rễ cây – đất (xem sơ đồ sau). (Kim loại nặng)đất 1) khuếch tán Dung dịch rễ cây 2) sự di chuyển khối Quá trình xâm nhập kim loại nặng vào trong cây trải qua 4 giai đoạn sau: a. Kim loại nặng đi vào vùng tự do của rễ cây Sự di chuyển của các ion kim loại không bị giới hạn tại bề mặt rễ cây. Tại vùng màng của tế bào có khả năng dễ dàng cho dung dịch xâm nhập (vùng tự do), tại đây các ion dương có thể khuếch tán tự do (khu vực nước di chuyển tự do) hoặc bị bẫy vào những tế bào mang điện âm, ví dụ trên màng có gắn nhóm cacboxylic của các đơn vị polygalacturonic. (Marschner, 1986)[10], ion kim loại có khả năng tích lũy trong khu vực tự do của rễ cây, một số bị bám dính chặt vào mặt tế bào rễ. Chúng liên kết mạnh với các nhóm axit cacboxylic theo thứ tự Pb > Cu > Cd > Zn (Morel và cộng sự, 1985)[10], sự liên kết này đóng một vai trò quan trọng đối với sự tích lũy các kim loại nặng trong rễ cây và gia tăng lượng hấp thu liên tục của kim loại nặng vào tế bào rễ. Kim loại được vận chuyển vào khối hình cầu thân rễ, vùng rộng giữa rễ và đất xung quanh. Mycorrhizae là nấm cộng sinh làm gia tăng một cách hiệu quả khu vực hấp thu của rễ và có thể trợ giúp việc nhập lượng các ion dinh dưỡng như orthophosphate và các nguyên tố vi lượng. Cơ chế hấp thu có thể biến đổi với các ion khác nhau, nhưng những ion được hấp thu vào trong rễ bởi cùng một cơ chế sẽ cạnh tranh với nhau (ví dụ: sự hấp thu của Zn được hạn chế bởi Cu và H+ nhưng không bị hạn chế bởi sắt và mangan). b. Kim loại nặng ở trong tế bào của rễ[10] Các kim loại nặng bị hấp thu trong tế bào, có thể bị mất tính linh động hay tính độc trong tế bào chất, thông qua quá trình kết hợp tạo phức với các phân tử hữu cơ (acid vô cơ, aminoacid, phytochelation) (Stefens, 1990; Rauser, 1990; Verkleij và Sehat, 1989) hoặc bị sa lắng xuống các khu vực giàu electron. Phức chất tạo bởi các phân tử hợp chất hữu cơ là cơ sở chiếm ưu thế có liên quan đến các kim loại nặng trong tế bào chất (ví dụ: Cd, Co, Fe, Mn và Zn).(Weigel và Jager, 1980) cho biết, kim loại nặng cũng có thể được chuyển vào trạng thái tự do hoặc trong trạng thái phức chất, đây là dạng làm cho kim loại nặng bị sa lắng ở trong tế bào rễ (chủ yếu là liên kết với các acid hữu cơ citric, malic) (Wagner và Krotx, 1989). Đối với nhiều loại cây, sự hiện diện của các ion độc chất KLN trong các tế bào chất bao gồm sự tổng hợp protein có liên kết với KLN, ví dụ các phytochelatin, chất đóng vai trò quan trọng khử độc tính KLN (Steffns, 1990; Rauser, 1990). Những protein này có mặt ở trong tế bào chất và khôn gbào nơi có chứa các nhóm sulphydryl vá cacboxyl có khả năng tạo chelat với kim loại. c. Sự vận chuyển kim loại nặng đến các mầm chồi[16] Các kim loại nặng ở trong tế bào chất có thể được chuyển từ tế bào này sang tế bào khác thông qua con đường tổng hợp sẽ đi vào mao dẫn rễ và đưa tới các mầm non. Sự di chuyển của các dung dịch trong mao dẫn rễ là nguyên nhân gây ra các dòng thở (sự di chuyển khối, dòng chảy khối). Các cation tự do có thể phản ứng với các nhóm mang điện âm của thành tế bào mao dẫn rễ, nay chính là lý do cản trở sự vận chuyển của kim loại nặng hay làm quá trình trao đổi bị chậm lại. Ngoài ra, các nhóm tạo phức với kim loại tự do như các acid hữu cơ, aminoacid trong mao dẫn rễ sẽ làm giảm mức độ linh động của kim loại nặng và cho phép chúng chuyển vào các mầm non. Sự xuất hiện của các màng điện trái dấu với kim loại góp phần đẩy nhanh quá trình đưa độc chất kim loại vào mầm non. d. Sự tích lũy kim loại nặng trong các bộ phận cây [10] Với sự góp mặt của kim loại trong cây làm biến đổi dị hóa các yếu tố gen (Cataldo và cộng sự, 1981: Sheppard và cộng sự, 1992) và sự mất linh động của kim loại trong rễ. Kim loại nặng tích lũy trong rễ chiếm 80-90% tổng lượng kim loại hấp thu (Javis và cộng sự, 1976). Hầu hết các kim loại được tích lũy trong rễ cây đều ở trong gian bào và được liên kết vào các hợp chất pectin và prôtein của thành tế bào. Ngoài ra, một số loài cây có khả năng tích lũy ở phần phía trên của cây (ví dụ: thuốc lá ≥ 80%Cd trong lá) (Mench và cộng sự, 1989). Hình 2: Phân bố hàm lượng KLN trong các bộ phận cây Ảnh hưởng của kim loại nặng đến thực vật Việc các ion kim loại đóng vai trò quan trọng về sinh học, trái ngược với các quan niệm cổ điển cho rằng hóa vô cơ là hóa học không có sự sống, và sự sống sẽ không tồn tại nếu không có hóa hữu cơ và hóa sinh. Nghiên cứu gần nay cho thấy một cách nhìn rộng hơn: không có sự sống nào có thể tồn tại và phát triển được nếu không có sự tham gia của ion kim loại và hóa vô cơ cũng có vai trò như hóa hữu cơ đối với sự sống. Do trước nay các nhà hóa học vô cơ thiếu quan tâm đến sự sống của sinh vật, nên có sự nhìn nhận hoàn toàn sai lệch về lĩnh vực hóa học của sự sống. Một nguyên tố được gọi là thiết yếu khi: (1) nguyên tố này được xác định là hiện diện thích hợp trong tất cả các mô sống bình thường của động vật. Triệu chứng khô kiệt của cơ thể sinh vật được ghi nhận khi các nguyên tố này giảm hoặc mất đi, triệu chứng này sẽ mất đi khi các nguyên tố này quay trở lại mô; sự thiếu hụt của các nguyên tố này trong cơ thể, sẽ dẫn đến biến đổi hóa sinh không hoàn hảo (ở mức độ phân tử). Một số KLN cần thiết cho cơ thể sinh vật như Zn trở nên độc hại khi nguồn dưỡng chất quá thừa Zn. Một KLN (có tỷ lệ nhỏ hơn 0.01% khối lượng cơ thể) là thiết yếu, khi không có kim loại đó thì sinh vật không thể sinh trưởng hay sống hết vòng đời của nó. Tuy nhiên, cũng KLN đó trở nên độc hại khi nồng độ của nó vượt quá mức cần thiết của cơ thể. Các nghiên cứu liên quan đến độc tính của các KLN, đã đi đến quan điểm chung là việc cung cấp không đủ các nguyên tố thiết yếu sẽ dẫn đến tình trạng thiếu hụt, việc cung cấp vừa đủ sẽ tốt nhất nhưng cung cấp quá thừa sẽ gây ra độc hại và sau cùng là gây chết. Những quan điểm này được minh họa bằng hình 3 .Sự cần thiết của kim loại nặng trên đường cong từ điểm khởi đầu với hàm lượng thiếu hụt đến hàm lượng tối ưu, mô tả bằng đường cong tuyến tính (nồng độ tăng thì tỷ lệ sinh trưởng tăng). Trong khoảng nồng độ tối ưu được mô tả bằng đoạn nằm ngang, dù nồng độ kim loại tích tụ tiếp tục gia tăng, nhưng quá trình phát triển của sinh vật vẫn diễn ra bình thường; khi tăng đếnmột nồng độ nào đó thì khả năng sinh trưởng của sinh vật lại bắt đầu giảm gọi là khoảng nồng độ gây độc, mô tả đường cong với tốc độ lớn; đường cong kết thúc tại nồng độ cuối cùng, đó gọi là nồng độ gây chết. Ngoài những kim loại nặng thiết yếu trên, một số kim loại khác chưa nhận thấy chức năng có lợi của nó trong quá trình sinh học, đều coi như không thiết yếu, được mô tả bằng biểu đồ hình 3. Dù sự có mặt của nó trong cơ thể đến một nồng độ nhất định nào đó thì sinh vật vẫn còn khả năng dung nạp được, nhưng nồng độ này tiếp tục tăng lên thì tỷ lệ sinh trưởng của sinh vật giảm, gọi là khoảng nồng độ gây độc; biểu đồ cũng kết thúc tại một điểm đó là nồng độ gây chết. Hình 3: Kim loại thiết yếu và không thiết yếu a. Tác động có lợi Các kim loại nặng được xem như là một nguyên tố vi lượng thiết yếu cho sự phát triển bình thường của cây trồng hoặc động vật. Người ta biết được 1/3 tổng số enzyme có chứa kim loại hoặc được 17 kim loại khác nhau hoạt hóa trong đó cũng có sự tham gia của KLN Cu, Zn, Pb, Hg, As, Cr. Các kim loại nặng được sử dụng như một loại phân vi lượng để bón cho cây trồng ở một lượng nhỏ vừa phải thì không những năng suất cây trồng tăng rõ rệt mà phẩm chất các sản phẩm nông nghiệp cũng được cải thiện đồng thời khắc phục được nhiều loại bệnh của cây trồng và gia súc như bệnh: thối củ cải đường, nhũn củ khoai tây, nhũn xương trâu bò… Ngoài ra, các KLN này còn là tác nhân hoạt hóa không đặc thù của hàng loạt enzyme đã làm tăng hoạt tính xúc tác của mỗi thành phần đó lên gấp bội. Chẳng hạn hoạt tình oxy hóa khử của các hợp chất đồng tăng gấp hàng nghìn lần thậm chí gấp hàng vạn lần Cu ở trạng thái tự do trong mọi khâu của quá trình trao đổi nitơ là nhân tố chính cho sự sinh trưởng của cây trồng. Tác động có hại Các kim loại độc hại tồn tại trong đất có thể tồn tại ở nhiều dạng khác nhau, hấp phụ, liên kết với các hợp chất vô cơ, hữu cơ hoặc tạo thành các phức hợp. Nhiều nguyên tố kim loại nặng có ý nghĩa quan trọng trong đời sống sinh vật và được biết là nguyên tố vi lượng. Nó có tác dụng sâu sắc và nhiều mặt đối với quá trình quang hợp, điều hòa sinh trưởng. Ngoài ra, nó còn ảnh hưởng mạnh đến quá trình hấp thu nước, thoát hơi nước và vận chuyển nước trong cây. Nhưng khí có hàm lượng quá cao thường trở nên độc hại. Khả năng độc hại của các kim loại nặng đối với sinh vật cũng khác nhau. Bảng 3: Tính độc hại của các nguyên tố kim loại nặng đối với sinh vật[7] Sinh vật Tính độc hại Vi khuẩn khoáng hóa nitơ Tảo Nấm Thực vật Ag>Hg>Cu>Cd>Pb>Cr>Mn>Zn,Ni>Sn Hg>Cu>Cd>Fe>Cr>Zn>Ni>Co>Mn Ag>Hg>Cu>Cd>Cr>Ni>Pb>Co>Zn Hg>Pb>Cu>Cd>Cr>Ni>Zn (nguồn: Richardon và Nieboer, 1980) Đối với đa số sinh vật đất, tính độc hại giảm dần theo thứ tự Hg > Cd > Cu > Zn > Pb. Dựa vào tính độc hại của kim loại nặng Ouxbury (1985) đã chia ra ba nhóm. Nhóm có độc tính cao (Hg) nhóm có độc tính trung bình (Cd) và nhóm có độc tính thấp hơn (Cu, Ni, Zn). Hàm lượng độc tố trong thực vật cao sẽ là nguyên nhân gây ra ngộ độc thực phẩm KLN (Cd, Hg). Các chất độc này thường tập trung nhiều ở rễ. Sự tương tác ô nhiễm KLN trong hệ thống đất – cây trồng Hệ thống đất – cây trồng là một hệ thống mở, đối tượng chính là các yếu tố đầu vào như các nhất gây ô nhiễm, phân bón, thuốc trừ sâu và các tàn dư thực vật có tích lũy KLN sau thu hoạch. Toàn bộ quá trình chuyển hóa của KLN trong hệ thống đất – cây trồng được minh họa trong hình 4. Môi trường đất Cây trồng Phát tán ra ngoài Ô nhiễm kim loại nặng Bó mạch trong thân DD đất ( ít) Mất do Cành lá Hạt bay hơi Thân cây Sinh khối Bề mặt tiếp xúc của rễ Sự hấp thụ trên các Chất hữu cơ khoáng VSV Hấp thụ Rễ Môi trường Tích luỹ trong rễ vùng rễ cây Sự đồng kết lắng Phức hợp Fe, Mn, Al, oxide & với mùn Carbonac Rửa trôi Bùn cống rãnh Phân bón, thuốc trừ sâu bệnh, chất thải rắn, Nước thải Chất thải do ô nhiễm không khí Hình 4: Ô nhiễm KLN vào môi trường đất và sự tương tác giữa đất và cây qua môi trường rễ cây Khi trong đất tích tụ các KLN (Cd, Pb, Hg) với nồng độ quá lớn (vượt quá sức chống chịu của cây), cây sẽ chết. Nếu môi trường sống có tích lũy độc chất dần dần từ thấp đến cao thì cây biến đổi sinh lý cơ thể thích nghi dần với điều kiện bất lợi gây nên. Ảnh hưởng của các KLN đến quá trình cố định nitơ sinh học còn chưa được nghiên cứu nhiều. Rother và cộng sự (1982)[3] đã cho thấy, Cd, Pb, Zn có ảnh hưởng đến hoạt động của enzyme nitrozenaza trong quá trình cố định nitơ sinh học. Một số tác giả khác [10] cho rằng các KLN có ảnh hưởng trước hết đối với các thực vật bậc cao như gây bệnh đốm lá làm giảm hoạt động của diệp lục và giảm các sản phẩm quang hợp. Cuối cùng nó có ảnh hưởng đến quá trình cố định nitơ sinh học. Việc xây dựng ngưỡng độc hại đối với các KLN là rất khó khăn tùy thuộc vào mục đích sử dụng đất. Những thí nghiệm về ảnh hưởng của Hg2+ trong một vùng thực vật cao cho thấy Hg tồn tại trong những rễ cây gấp khoảng 20 lần với trong dung dịch. Linberg và cộng sự (1993)[1] nghiên cứu về thực vật hấp thụ Hg từ đất nông nghiệp gần mỏ Hg, đã tìm thấy có sự quan hệ Hg được chứa đựng trong những rễ cây có quan hệ chặt với Hg trong lòng đất, Hg trong những thành phần thực vật trên mặt đất trên sự kiểm soát khác, có quan hệ với Hg bốc hơi từ lòng đất. Trong những trường hợp khác, Hg tích lũy trong hạt ngũ cốc khoảng từ 3 – 10 lần thấp hơn trong rau. Ngay cả ở mức rất thấp nó có thể giả thuyết rằng Hg từ không khí có thể gây ô nhiễm cho cây lương thực. Cơ chế gây độc của KLN trong môi trường đất Độc chất từ môi trường xâm nhập vào cơ thể thực vật qua sự hấp thu của rễ khi lấy chất dinh dưỡng nuôi cây. Giai đoạn đầu cây hấp thu, trao đổi chủ động đến khi cây cảm nhận ra chất độc, có phản ứng bằng cách hạn chế sự hấp thu. Giai đoạn kế tiếp, chất độc nhập phá vỡ màng tế bào đi vào các cơ quan và dòng nhựa trong cây lên thân, lá – giai đoạn này cây hấp thụ bị động. Cũng có thể là sự xâm nhập đơn thuần từ nồng độ cao trong dung dịch nuôi trồng vào cơ thể thực vật. Cơ quan quan trọng nhất hấp thu, tiếp xúc với độc tố là hệ rễ. Khi rễ phát triển và hoạt động thì khảo sát ảnh hưởng độc chất mới có ý nghĩa. Cây non được trồng trong môi trường bất lợi sẽ kém phát triển, hạn chế khả năng sinh trưởng. Nếu môi trường sống có nồng độ tác nhân cao vượt quá ngưỡng chống chịu của cây, cây sẽ chết. Nếu môi trường sống có tính tích lũy độc chất dần dần từ thấp đến cao thì gây biến động sinh lý cơ thể để thích nghi với điều kiện biến động cơ thể gây nên như: + Rễ cây ít phát triển hoặc phát triển theo hướng khác ít chịu ảnh hưởng bởi độc chất; + Tăng cường khả năng chống chịu như tiết các acid, hóa chất trung hòa độc chất; + Tích lũy độc tố ở một bộ phận riêng biệt trong cơ thể để nuôi các bộ phận khác. Như tích lũy Al, Fe ở rễ cây vùng đất phèn, tích độc trong vùng mô thân, vỏ…; + Có khuynh hướng đào thải ra ngoài qua một con đường riêng biệt hoặc; + Gây chết một số vùng phát triển ở lá, ngọn để hạn chế nhu cầu dinh dưỡng khi cây hút vào nguyên tố độc. Chúng ta biết rằng, KLN được quan tâm nhiều ở chỗ chúng được sử dụng rộng rãi trong một số hoạt động công nghiệp trên hầu hết các quốc gia. Mặt khác, chúng được coi là những yếu tố vi lượng cần thiết cho cây trồng và gia súc. Tuy nhiên, chúng cũng được coi là chất ô nhiễm đến môi trường sinh thái nếu chúng tồn tại ở nồng độ vượt quá mức nhu cầu sử dụng của sinh vật. Hiện nay, KLN trong đất đang được quan tâm đúng mức bởi sự phát triển của khoa học và vấn đề ô nhiễm môi trường đất đã được coi trọng. Các nguyên tố KLN thuộc nhóm vi lượng khi ở nồng độ thấp, vừa phải thì có tác dụng kích thích sự sinh trưởng và phát triển của thực vật. Tuy nhiên, một khi nó tồn tại ở nồng độ thấp hơn “nhu cầu sinh lý” hoặc cao hơn “ngưỡng chịu độc” đều có ảnh hưởng lên sự sinh trưởng và phát triển của cây. Một số kết quả nghiên cứu có liên quan Các kết quả nghiên cứu ngoài nước Hiện nay, nhiều tác giả trên thế giới đã và đang nghiên cứu sâu hơn về cơ chế sinh lý do tác động của độc chất KLN trên thực vật. U. Avenhaus, U. Ebben, V. Glavac, R. Mayer[13] đã nghiên cứu ảnh hưởng của KLN lên sự phát triển của rễ cây. Nhóm tác giả đã sử dụng các hộp bốn lít bằng gốm để đặt rễ cây sống vào, thí nghiệm được cung cấp các dưỡng chất cần thiết. Thực vật khảo sát là cây dẻ gai và cây tùng. Các rễ cạn gần mặt đất thuộc hệ thống rễ của cây được đào lên cẩn thận, rửa bằng nước khử ion, nhuộm bằng metyl tím và cho vào trong các hộp rễ, cho phát triển trong điều kiện có kiểm soát. Mỗi một cây đều có hộp đối chứng – không thêm KLN. Ở pH = 3.8, sau 2 – 5 tháng, nhóm tác giả lấy rễ ra khỏi hộp, khảo sát phần mới mọc (không nhuộm) để xác định các chỉ tiêu: số rễ, chiều dài rễ, trọng lượng khô và so sánh trọng lượng rễ khô lúc bắt đầu thí nghiệm. Dùng trắc nghiệm Wilcoxon để xử lý từng cặp khác biệt. Các tác giả nhận thấy, ở nồng độ thấp (10g/l), Cd có tác dụng kích thích rễ ra dài, nhưng ở nồng độ 500 g/kg đất, cả rễ cây dẻ gai và rễ cây tùng đều bị ức chế. Ở nồng độ 100 g Cd/l, chỉ có rễ cây tùng bị ứng chế nhẹ nhưng không có ý nghĩa về mặt thống kê. Các nghiên cứu đầu tiên của mạng lưới quan trắc đất quốc gia Swizerland trong khoảng thời gian từ năm 1984 – 1991 (A. Desaules, 1993)[10] cho thấy, Pb, Cu, Cd, Hg là những chất ô nhiễm chính do hoạt động của con người tạo nên. Foy và cộng sự (1978); Allinson và Dzialo (1981); Sheoran và cộng sự (1990)[1] cho rằng, các kim loại nặng như: Pb, Cd, Ni, Hg, Zn, Cu…bị phóng thích vào môi trường do quá trình công nghiệp như khai thác mỏ, các chất thải công-nông nghiệp và sinh hoạt. Các ion này xâm nhập vào cây trồng một cách dễ dàng qua rễ của chúng hoặc một phần qua không khí, di chuyển đến các bộ phận của cây, gây trở ngại trong quá trình chuyển hóa và trao đổi chất của thực vật dẫn đến giảm sinh trưởng và phát triển của cây. Ngoài ra, nhóm tác giả Allinson và Dzialo (1981); Sheoran và cộng sự (1990)[1] cũng nghiên cứu ảnh hưởng trữ lượng khác nhau của KLN đến giai đoạn sinh trưởng và chuyển hóa hydratcacbon trong cây lúa mì cho rằng, KLN ảnh hưởng đến sự nảy mầm và phát triển của cây lúa mì. Không kể sự có mặt trong tự nhiên của chúng, các nguyên tố cần thiết như Cu, và không cần thiết như Cd và Hg đều ảnh hưởng đến quá trình phát triển và chuyển hóa của cây. Quá trình hoạt hóa và - amylase và inverstaza diễn ra trong phôi và trong nội nhũ đối với các cây xử lý KLN. Lượng đường khử và không khử cũng biểu hiện thay đổi trong các cây này. Số liệu cho thấy sự chuyển hóa Hydratcacbon trong các hoạt tính bột có thể giảm toàn bộ sự phát triển của cây. Sức sản xuất của cây phụ thuộc vào sự phát triển của cây con, cây con phát triển èo ọt sẽ làm giảm năng suất ở giai đoạn sau. Những nghiên cứu về độc chất học sinh thái của KLN do nhóm các nhà khoa học ở New Zealand[10] tiến hành đối với cây trồng trong môi trường đất đã cho thấy một số kết quả khá quan trọng. Nhóm đã làm một số thí nghiệm sử dụng KLN với dãy nồng độ khảo sát: Cu(II){0, 600, 1200, 1800}; As{0, 25, 50, 100, 200} trên một số cây: rau diếp, cây kê. Qua thí nghiệm đã xác định được các giá trị như NOEC, LOEC, EC50, LC50, số liệu được xử lý sử dụng phân tích phương sai ANOVA. a. Nghiên cứu đối với Cadmium (Cd) Các nghiên cứu về Cd và ảnh hưởng của nó đối với hệ sinh thái đã được nghiên cứu khá nhiều vì nay là kim loại có tính độc cao. Theo nghiên cứu của Davis và Calton – Smith(1992)[6], cải diếp, của cải, cần tây và cải bắp có xu hướng tích lũy Cd khá cao trong khi khoai tây, bắp ngô, đậu tròn và đậu dài lại tích lũy ít Cd. Maclean đã chỉ ra rằng Cd tập trung cao trong rễ cây hơn các bộ phận khác của loài yến mạch, đậu nành, cỏ và cà chua. Tuy nhiên, trong rau diếp, cà rốt, cây thuốc lá và khoai tây, Cd được chứa nhiều trong lá. Nồng độ thông thường của Cd trong thực vật phát triển bình thường không bị ô nhiễm thường nhỏ hơn 1ppm trong vật chất khô nhưng John (1986)[6] đã chứng minh được nồng độ Cd trong lá khô của cây rau diếp có thể ở mức khoảng 668ppm. Đây là một trường hợp ngoại lệ có nồng độ Cd rất cao. Nhưng cũng phải thừa nhận rằng Cd là nguyên tố độc hại dễ dàng xâm nhập và tích lũy trong lá cây mà không có biểu hiện của những triệu chứng nhiễm độc thực vật thì rất dễ gây nguy hiểm đối với động vật và con người thông qua dây chuyền thực phẩm. Một nghiên cứu khác của John và Webber (1987)[6] khi nghiên cứu ảnh hưởng của Cd đối với một số loại cây rau trong dung dịch gây nhiễm thấy lượng Cd tích lũy trong vật chất khô của lá cây rau muống, cải súp lơ, bông cải dao động trong khoảng 43-77ppm. Bingham và cộng sự (1996) khi nghiên cứu về độc tính của Cd đối với thực vật cho thứ tự giảm dần tính nhạy cảm đối với Cd của một số cây trồng: của cải > đậu nành > cải xoang > rau nhíp > ngô > cà rốt > lúa mì > của cải trắng > cà chua > bí > cải bắp > lúa vùng cao…Khi nghiên cứu khả năng hấp thụ của thuốc lá, cải, bắp, tiêu và lúa đối với Cd, Kyoung-Won Min và cộng sự (1999) đã đưa ra thứ tự giảm dần về khả năng hấp thụ: thuốc là > cải > bắp > tiêu > lúa. b. Nghiên cứu đối với thủy ngân (Hg)[1], [7] Trong khi hiện nay Hg lá chất ô nhiễm tổng quát thường thấy ở khu vực đô thị và đất trong khu vực đô thị được dự đoán là có chứa hàm lượng Hg vào khoảng 5-6 lần so với Hg trong đất ở những vùng xa xôi hẻo lánh chưa bị ô nhiễm. Tác động của Hg đối với khả năng hấp thu của thực vật chưa bị biết nhiều. Theo Goldwater (1984), nồng độ của Hg trong đất không được thực vật hấp thụ dễ dàng. Tác giả đã không quan sát được bất cứ sự gia tăng hàm lượng Hg tích lũy trong thực vật khi gia tăng hàm lượng Hg trong dung dịch gây nhiễm. Van Loon (1991) cho rằng sự hấp thu Hg trong đất ô nhiễm thường xảy ra trong môi trường axit. Gilmour và Miller (1993) đã nghiên cứu sự tồn tại của thuốc diệt nấm chứa Hg+ và Hg2+ trong đất khi có sự hiện diện của loài cỏ thân thấp có rễ ăn sâu vào trong lòng đất và nhận thấy một nửa lượng Hg tổng số thêm vào đã biến mất trong 57 ngày. Tuy nhiên, lượng hấp thụ của thực vật không thể giải thích được tại sao có sự mất này có thể là do Hg mất đi chủ yếu là do bay hơi. Các kết quả nghiên cứu trong nước Lịch sử nghiên cứu KLN gắn liền với việc tìm ra và ứng dụng chúng. Sự phát triển của khoa học vật lý và hóa học, KLN được nghiên cứu chi tiết hơn. KLN cũng được nghiên cứu trong sinh học: vi sinh vật, thực vật, động vật và KLN đối với con người. Trong những thập niên gần nay, nghiên cứu về tài nguyên – môi trường phát triển khá mạnh mẽ; trong đó nghiên cứu về KLN – vai tròsinh lý, tác động gây độc của chúng đối với sinh vật ngày càng nhiều. Các đề tài nghiên cứu về ảnh hưởng của KLN trong đất đối với cây trồng nông nghiệp ở Việt Nam hiện nay còn rất hạn chế. Các đề tài tập trung chủ yếu vào phân tích hàm lượng KLN trong đất (ô nhiễm hay không ô nhiễm) rồi so sánh với các tiêu chuẩn KLN trong đất của nước ngoài. Điều này tạo ra sự lúng túng trong đánh giá chất lượng đất vì đất là một môi trường rất phức tạp và phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Lê Huy Bá và cộng sự (1994) khi nghiên cứu về KLN ở trong đất đã cho thấy, ô nhiễm KLN trong môi trường đất không chỉ là hấp phụ trao đổi với keo đất mà chủ yếu dưới dạng liên kết với các axit humic và fulvic. Tổng lượng hấp phụ theo thứ tự: Zn (3575ppm) > Mn (120ppm) > Cr (100ppm) > Cu (60ppm) > Ni (67ppm) > Cd (1.3ppm). Nhóm tác giả khi thử nghiệm ảnh hưởng của Cd và Pb đối với lúa trong dung dịch gây nhiễm đã nhận thấy ảnh hưởng của Cd lên lúa mạnh hơn Pb. Ngoài ra, Lê Huy Bá và Nguyễn Văn Đệ (1998)[1] khi thực hiện đề tài “Nghiên cứu ô nhiễm KLN trong môi trường đất, nước ở Nhà Bè do nước thải công nghiệp và ảnh hưởng của nó đến cây lúa và giun đất” cho biết hàm lượng KLN tích lũy trong giun đất – được xem là chỉ thị đánh giá-chưa gây ảnh hưởng gì đến quá trình sinh trưởng của giun đất. Cây lúa non có thể chịu đựng được ảnh hưởng của Cd trong nước nhưng bị chết hoàn toàn ở nồng độ 0.32ppm. Tác giả Nguyễn Hồng Khanh (1999)[1] đã khảo sát ảnh hưởng của nước mặt huyện Nhà Bè và một số KLN (Hg, As, Pb, Cd) lên sự sinh trưởng của cây lúa, rau muống cho thấy rau muống phát triển khá tốt trong môi trường nhiễm độc cao và khả năng tích lũy tỷ lệ thuận với hàm lượng Pb có trong dung dịch gây nhiễm. Tác giả cũng nhận thấy, ở nồng độ thấp, Hg kích thích sự phát triển của cây lúa. Việc sử dụng phân chuồng có hàm lượng KLN cao bón cho một số loại rau ăn lá phổ biến tại huyện Thủ Đức cũng làm gia tăng hàm lượng KLN tích lũy trong cây. Hàm lượng KLN trong đất – nước có quan hệ tuyến tính với nhau đối với cải ngọt, cải bẹ xanh và xà lách. Hiện trạng ô nhiễm Cd, Hg trong đất ở Việt Nam Công nghiệp hóa càng tăng thì việc thải ra càng nhiều các độc chất KLN là tất yếu. Các kim loại này ảnh hưởng lớn đến hệ môi trường sinh thái nói chung, môi trường đất, hệ sinh thái, động thực vật, con người nói riêng rất nghiêm trọng. Các độc chất này có thể tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau như: vô cơ, hữu cơ, đơn chất, hợp chất, ion, chất lỏng, chất rắn, chất khí. Trong môi trường sinh thái đất, các độc chất phổ biến và gây tác hại nhiều nhất thường tồn tại dưới dạng ion. Theo nghiên cứu của Phạm Quang Hà (2001) về hàm lượng Cd trong một số loại đất ở Việt Nam cho thấy, hàm lượng Cd trong đất phù sa với mức dao động là 12% và đối với đất xám là 29%. Nhìn chung, hàm lượng Cd trong đất xám là thấp nhất, trung bình khoảng 0.47ppm, tiếp theo là đất phù 0.82ppm và cao nhất là đất đỏ 1.24ppm. So với tiêu chuẩn chất lượng nền môi trường đất nông nghiệp ở Canada là 1.4 mg/kg đất thì về cơ bản, đất nông nghiệp nước ta còn sạch, đặc biệt là trong nhóm đất xám và đất phù sa. Ngược lại, hàm lượng Cd trong các mẫu bùn lại rất cao (đạt giá trị lớn nhất là 60.30ppm) tại Ao giữa thôn có ngành nghề truyền thống là đúc đồng, nhôm. Mặc dù hiện tượng ô nhiễm KLN ở Việt Nam trong đất chưa phải là phổ biến nhưng sự ô nhiễm đã xuất hiện và mang tính cục bộ trên những diện tích nhất định. Qua nghiên cứu của nhiều tác giả trong các loại đất khác nhau cho thấy hàm lượng trung bình của các nguyên tố KLN trong đất ở Việt Nam như sau: Bảng 4: Hàm lượng các KLN trong đất ở Việt Nam (ppm)[7] Kim loại Khoảng dao động Trung bình Cd Hg As Pb Se Sb 0.1-1 0.01-0.06 5-10 1-88.8 0.01-2.5 - 0.62 0.098 - 29.2 0.4 0.9 Giới thiệu vài nét về cây Cải xanh Cây Cải xanh là một loại rau ăn lá, có thể trồng được quanh năm ở miền Nam, vụ chính Đông Xuân (từ tháng 11 đến tháng 2 dương lịch), Xuân Hè (từ tháng 1 đến tháng 5 dương lịch) lúc thời tiết không mưa hoặc mưa ít. Đất thích hợp để trồng cải là không bị phèn mặn, độ pH thích hợp từ 5,5 – 6,5, tơi xốp thoát nước tốt như đất phù sa ven sông ít sét, đất thịt pha cát có nhiều chất hữu cơ. Về cách gieo trồng, lượng giống gieo trồng khoảng 300-400 gr/1000m2+. Trong điều kiện tự nhiên cây sinh trưởng mạnh, chống chịu bệnh tốt, lá to, trổ hoa muộn hơn 50 ngày gieo, cây nhiều láy, răng cưa đều, màu xanh mỡ. Thu hoạch 20-25 ngày sau khi cấy hay 40-45 ngày sau gieo, năng suất cao 25-30 tấn/ha.  PHƯƠNG PHÁP VÀ VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU Vị trí địa lý và vi khí hậu khu vực tiến hành thí nghiệm Thành phố Hồ Chí Minh nằm trong khu vực có khí hậu ôn hòa, mang tính chất cận nhiệt đới, gió mùa của vùng đồng bằng và chia thành hai mùa rõ rệt là mùa mưa và mùa khô. a. Chế độ mưa Lượng mưa trung bình/năm tại thành phố HCM là 1859,4 mm được ghi nhận cao nhất là 2047,7 mm (năm 1990) và thấp nhất là 1654,3 (năm 1985). Mưa chủ yếu tập trung vào các tháng 6, 7, 8, 9, 10 và 11 hàng năm, chiếm từ 65% - 95% tổng lượng mưa rơi cả năm. Lượng mưa trong tháng cao nhất là 537,9 mm (tháng 9 năm 1990) trong khi từ tháng 12 đến tháng 4 của năm sau mưa rất ít, có tháng hầu như không mưa. b. Lượng bốc hơi Lượng bốc hơi trung bình tại thành phố HCM là 1169,4 mm cao nhất là 1223,3 mm (năm 1990) và nhỏ nhất là 1136 mm (năm 1989). Thông thường thì lượng bốc hơi ở các tháng mùa khô cao từ 104,4 – 146,8 mm trong khi ở các tháng mùa mưa lượng bốc hơi thấp từ 64,9 – 88,4 mm. Nói chung lượng bốc hơi trung bình là 97,4 mm/tháng. c. Độ ẩm Độ ẩm trung bình tại thành phố HCM từ năm 1988 – 1990 là 78%, trong đó năm 1988 có độ ẩm cao nhất là 86% và năm 1990 có độ ẩm thấp nhất là 40%. Độ ẩm trung bình là 78%, ở các tháng mùa mưa độ ẩm cao từ 82 – 85% và ở các tháng mùa khô độ ẩm thấp nhất từ 70 – 76%. d. Nhiệt độ Nhiệt độ trung bình tại thành phố HCM là 27,90C, cao nhất là 31,60C (tháng 4 năm 1990) và thấp nhất là 26,50C (tháng 12/1990). Nhiệt độ trung bình ban ngày dao động từ 30 - 340C và ban đêm từ 16 - 220C, cho thấy nay là vùng có nhiệt độ ôn hòa. Bức xạ mặt trời Thành phố HCM ở vào vĩ độ thấp, vị trí mặt trời luôn cao và ít thay đổi qua các tháng trong năm, do vậy chế độ bức xạ rất phong phú và ổn định. Tổng lượng bức xạ/năm dạt từ 14,5 – 15,2 Kcal/cm2, tháng có bức xạ cao nhất là tháng 3 (15,69 Kcal/cm2 ) trong khi các tháng mùa mưa có lượng bức xạ thấp nhất (11,37 Kcal/cm2 ). Lương bức xạ trung bình ban ngày dạt 417 Kcal/cm2 . Số giờ nắng trung bình/năm là 2488 giờ, cao nhất là 12,4 giờ/ngày và thấp nhất vào tháng 7, 8, 9 và 10 (trung bình 5,5 giờ/ngày). Gió Thành phố HCM nằm trong vùng có 3 hướng gió chính là Đông Nam, Tây Nam và Tây lần lượt xen kẽ nhau từ tháng 5 – 10, trong đó không có cái nào chiếm ưu thế. Tốc độ gió dao động từ 2, 1-3, 6 m/s (gió Tây) và 2, 4-3, 7 m/s (gió Đông).  Đối tượng và vật liệu nghiên cứu Đất nghiên cứu Tiền Giang thuộc đồng bằng sông Cửu Long. Nằm trải dọc trên bờ Bắc sông Tiền ( một nhánh của sông MêKông) với chiều dài 120km, có địa hình tương đối bằng phẳng, đất phù sa trung tính, ít chua dọc sông Tiền, chiếm khoảng 53% diện tích toàn tỉnh, thích hợp cho nhiều loại giống cây trồng và vật nuôi. Tổng quỹ đất tự nhiên của tỉnh là 236.663 ha, trong đó có các nhóm đất chính như sau: - Nhóm đất phù sa: chiếm 53% tổng diện tích tự nhiên 125.431 ha, chiếm phần lớn diện tích các huyện Cái Bè, Cai Lậy, Châu Thành, Chợ Gạo, TP. Mỹ Tho và một phần huyện Gò Công Tây thuộc khu vực có nguồn nước ngọt. Đây là nhóm đất thuận lợi nhất cho nông nghiệp đã sử dụng toàn diện tích. Trong nhóm đất này có loại đất phù sa bồi ven sông có thành phần cơ giới tương đối nhẹ hơn cả nên thích hợp cho trồng cây ăn trái. - Nhóm đất mặn: chiếm 14,6% tổng diện tích tự nhiên 34.552 ha, chiếm phần lớn diện tích huyện Gò Công Đông, thị xã Gò Công, Gò Công Tây và một phần huyện Chợ Gạo. Về bản chất đất đai thuận lợi như nhóm đất phù sa, nhưng bị nhiễm mặn từng thời kỳ hay thường xuyên. Nếu được rửa mặn loại đất này sẽ rất thích hợp cho việc sản xuất nông nghiệp với chủng loại cây trồng tương đối đa dạng. - Nhóm đất phèn: chiếm diện tích 19,4% diện tích tự nhiện 45.912 ha, phân bố chủ yếu ở khu vực trũng thấp Đồng Tháp Mười thuộc phía Bắc 3 huyện Cái Bè, Cai Lậy, Tân Phước. Đây là loại đất hình thành trên trầm tích đầm lầy mặn ven biển tạo thành trong quá trình biển thoái, nên đất này giàu hữu cơ và phèn. - Nhóm đất cát giồng: chiếm 3,1% diện tích tự nhiên với 7.336ha, phân bố rải rác ở các huyện Cai Lậy, Châu Thành, Gò Công Tây và tập trung nhiều nhất ở huyện Gò Công Đông do đất cát giồng có địa hình cao, thành phần cơ giới nhẹ, nên chủ yếu làm đất thổ cư và canh tác cây ăn trái, rau màu. Nhìn chung, đất đai của tỉnh phần lớn là nhóm đất phù sa (chiếm 53%), thuận lợi nguồn nước ngọt, từ lâu đã được đưa vào khai thác sử dụng, hình thành vùng lúa năng suất cao và vườn cây ăn trái chuyên canh của tỉnh. Mẫu đất làm thí nghiệm Lấy đất tại thực địa, trong điều kiện nắng nhẹ, thời tiết quang đãng, mẫu đất phù sa được lấy tại huyện Gò Công Tây tỉnh Tiền Giang. Mẫu đất được chọn tương đối ổn định trong 40-50 năm qua, không có đào bới sâu để xây dựng nhà cửa, đường sá. Đất không được lấy ở những nơi nước tù đọng mà ở trong vườn bằng phẳng, ở đây trồng các loại cây như: dưa leo, đậu, cải, mướp,…Dùng cuốc lấy lớp đất canh tác phía trên bờ mặt không đào bới sâu tới lớp đất phèn bên dưới. Tổng lượng đất đã lấy khoảng 500kg, được đựng trong bao tải hai lớp. Mẫu đất lấy về trộn đều tất cả rồi lấy khoảng 5kg đất để phân tích các thông số về đất. Phần còn lại được xử lý riêng để gây nhiễm trồng cây thí nghiệm. Đánh giá chất lượng đất Đất phù sa đã qua phân tích thành phần cơ giới, dinh dưỡng và mức độ ô nhiễm kim loại nặng. Tổng lượng đất sử dụng cho thí nghiệm khoảng 250kg. Bảng 5: Kết quả phân tích mẫu thổ nhưỡng Tên Đơn vị tính Hàm lượng Phương pháp thử PH 5.71 TCVN 8492 - 2000 EC mS 0.38 6650 - 2000 Độ chua trao đổi ml/ 100g đất 0.08 4619 - 88 Clorua (Cl-) ml/ 100g đất 25.35 6149 - 1996 Sunfat (SO42-) ml/ 100g đất 12.01 6200 - 1996 Sắt FeO ml/ 100g đất 62.35 6177 - 1996 Al3+ di động ml/ 100g đất 0.49 4619 - 88 Al2O3 ml/ 100g đất 20.55 6623 - 2000 Kẽm ml/ 100g đất 2.14 6193 -1996 Chì Pb2+ g/ 100g đất 0.00 6193 - 1996 Asen As5+ g/ 100g đất 1.94 6182 - 1996 Cadimi Cd2+ g/ 100g đất 29.95 6197 – 1996 Niken Ni2+ g/ 100g đất 3.59 6180 – 1996 Thuỷ ngân Hg2+ g/ 100g đất 0.40 5991 - 1995 (Phân tích đất ở Trung tâm Kỹ thuật Môi Trường) Căn cứ vào các thông số về thành phần cơ giới của đất cũng như đặc tính của đất phù sa này ta có nhận xét rằng đây là đất phù sa trung tính ít chua và hàm lượng kim loại nặng trong đất nói chung còn còn dưới mức cho phép trong đất nông nghiệp. Xử lý mẫu đất sử dụng cho thí nghiệm a. Xử lý thô Đất lấy từ thực địa (ở Tiền Giang) về được phơi khô trong không khí. Dùng búa gỗ đập nhỏ, sau đó sàng qua rây 5mm, đất qua rây được cho vào túi plastic bên ngoài là bao tải (OECD, 1984)[24] khi làm thí nghiệm, cân vào mỗi chậu 5kg đất. b. Gây nhiễm đất Đất được trộn với các hóa chất tinh khiết phân tích (CdCl2.5/2H2O; HgCl2) đã được pha theo các nồng độ phù hợp cho nghiên cứu. Để đảm bảo không có gây nhiễm khác sử dụng nước cất đã khử ion. Sau đó cho hóa chất có nồng đó phù hợp vào nước để được 500ml dung dịch gây nhiễm vào 5kg đất khô để 60% thể tích nước lưu giữ trong đất không bị phóng thích ra. Hỗn hợp dung dịch trên được trộn đều bằng đũa cả đến khi toàn bộ đất được thấm đều hết. Vật liệu và thực vật thử nghiệm Vật liệu Chậu dùng làm thí nghiệm Chậu bằng nhựa sâu 10cm, đường kính trong trên 30cm, đường kính trong dưới 20cm. Các chậu này sau khi mua về được rửa sạch bằng dung dịch axit HCl loãng, rửa lại bằng nước máy để khô tự nhiên. Tổng số chậu sử dụng cho thí nghiệm là 200 cái. Các chậu đều được khoan 7 lỗ nhỏ ở đáy để thoát nước. b. Giàn để chậu thí nghiệm Giàn cao cách mặt đất 20cm, dưới giàn được lót bằng một lớp nilon để tránh hóa chất rơi xuống đất. Thí nghiệm được bố trí trong 1 khu vườn rộng khoảng 16m2; được tạo điều kiện như điều kiện cây sinh trưởng bình thường, các yếu tố khống chế: nhiệt độ, độ ẩm, gió, ánh sáng được cung cấp phù hợp. c. Môi trường nuôi trồng Đất phù sa đã qua phân tích thành phần cơ giới, dinh dưỡng và mức độ ô nhiễm kim loại nặng. Tổng lượng đất sử dụng cho thí nghiệm khoảng 250kg. d. Dung dịch dinh dưỡng Sử dụng dung dịch dinh dưỡng Wrangell với thành phần như sau (pH = 6.2) Bảng 6 : Thành phần của dung dịch dinh dưỡng Chất Đơn vị (mg/l nước) NH4NO3 8.5 K2SO4 8.5 Na2HPO4 0.6 CaSO4.2H2O 70.0 MgSO4.2H2O 20.0 CaCl2.6H2O 30.0 NaCl 20.0 Nguồn nước tưới Tưới bằng nước máy, chất lượng nước tốt, một số chỉ tiêu của nước được trình bày chi tiết trong bảng sau. Bảng 7: Chất lượng nước tưới cho thực vật khảo sát Chỉ tiêu Đơn vị (g/l) Phương pháp Cd 8.0 APHA 3500 Pb < 0.02 mg/l APHA 3500 Hg 2.78 APHA 3500 As < 0.4 APHA 3500 pH 8.10 TCVN 6492-2000 EC 8.46 S/cm APHA 2510 Độ mặn ‰ TCVN 6194-1996 Thực vật khảo sát (Cải xanh) - Họ: Cruciferae - Tên: Brassica juncca (tên khoa học) - Giống: SG 6 Đặc điểm: sinh trưởng mạnh, chống chịu bệnh tốt, lá to, trổ hoa muộn hơn 50 ngày gieo, cây nhiều láy lá to, răng cưa đều, màu xanh mỡ, trồng được mùa nắng và mùa mưa. Thu hoạch 20-25 ngày sau khi cấy hay 40-45 ngày sau gieo, năng suất cao 25-30 tấn/ha. Giống trên được mua tại Công ty giống cây trồng miền nam và đang được nông dân trồng phổ biến. Phương pháp nghiên cứu Lựa chọn mô hình thí nghiệm Hiện nay, có rất nhiều mô hình khảo sát ảnh hưởng của KLN đối với một số cây trồng nông nghiệp như: a. Nuôi cây trong các môi trường dinh dưỡng đã bị gây nhiễm bởi KLN. Với mô hình này, do khả năng đệm của môi trường nước kém, hàm lượng KLN cho vào trong môi trường không cần cao (khoảng vài ppm). Mô hình này thường khảo sát ảnh hưởng của nước tưới bị ô nhiễm đối với quá trình sinh trưởng của cây. b. Mô hình trồng thực vật trên cát được tưới môi trường dinh dưỡng phù hợp với cây trồng. Mô hình này lấy cát làm đối chứng và so sánh với các nghiệm thức có chứa đất chất lượng tốt và nghiệm thức có chứa đất chưa biết chất lượng cần khảo sát. c. Mô hình khảo sát ảnh hưởng của KLN đối với thực vật trong một loại môi trường đất nào đó. Đất lấy về qua xử lý và gây nhiễm KLN ở các nồng độ thích hợp được trồng hạt đã nẩy mầm. Bằng mô hình này, chúng ta có thể xác định được khả năng ảnh hưởng của KLN đối với thực vật và khả năng hấp thu KLN của thực vật. Do khả năng đệm và xử lý của môi trường đất rất cao nên nồng độ của KLN gây nhiễm thường rất lớn (có thể lên đến 1000 ppm). Dựa vào ba mô hình trên, tôi chọn mô hình (c) làm thí nghiệm để khảo sát. Các khoảng bước nhảy trong thí nghiệm thô (sơ bộ) và chi tiết được áp dụng từ TCVN 5962-1995. Đất qua xử lý và gây nhiễm được tiến hành theo tiêu chuẩn OECD (1984)[14]. Hạt cải đã được qua tuyển chọn, không được xử lý hóa chất, đồng đều về mặt chất lượng, hạt giống tốt, đã được làm nảy mầm, khi rễ vừa nhú ra khoảng 1 cm thì trồng vào môi trường thử nghiệm. Ngày tưới nước 2 lần để lượng nước trong đất khoảng 70% và hai ngày tưới dung dịch dinh dưỡng bằng thiết bị phun sương. Phân tích đất gây nhiễm nhằm kiểm chứng mẫu đất gây nhiễm Sau khi đất đã được gây nhiễm, chọn mỗi lô thí nghiệm 2 mẫu ứng với hai nghiệm thức (theo phương pháp lấy mẫu đại diện) theo sơ đồ sau: Bảng 8: Bảng lựa chọn các nghiệm thức nhằm kiểm chứng sự khác biệt (Nghiệm thức được đánh dấu là nghiệm thức được chọn) Lô Kim loại Nghiệm thức 1 Nghiệm thức 2 Nghiệm thức 3 Nghiệm thức 4 Nghiệm thức 5 1 Cadnium (Cd) Cd-1 0.1 Cd-2 1 Cd-3 10 Cd-4 50 Cd-5 100 2 Thủy ngân(Hg) Hg-1 0.1 Hg-2 1 Hg-3 10 Hg-4 50 Hg-5 100 Tất cả các mẫu này đều được đem phân tích tại phòng phân tích thuộc Trường Đại học Nông lâm – Tp. Hồ Chí Minh. Kiểm định giả thiết về sự khác biệt nồng độ kim loại nặng giữa trung bình của ngưỡng bố trí thí nghiệm () với kết quả phân tích (). Áp dụng phương pháp thống kê toán học để phân tích dữ liệu quan sát cặp. Kiểm định t với giả thiết là không có sự khác biệt về trung bình tổng thể (H0: =). Dựa trên phân phối mẩu của đại lượng t và với độ tự do và các mức = 0.05; 0.01. Tiến hành so sánh: - Nếu t < : chấp nhận giả thiết H0 - Nếu t > : không chấp nhận giả thiết H0 Bảng so sánh về nồng độ (mg/kg đất) một số kim loại nặng trong mẫu đất, giữa kết quả phân tích và bố trí. Bảng 9: Nồng độ bố trí và nồng độ phân tích của các nghiệm thức khảo sát Ký hiệu Cd-1 Cd-5 Hg-2 Hg-3 Bố trí 0.1 100 1 10 Phân tích 0.089 98.73 0.93 9.86 Với mức ý nghĩa 1% và 5%, ta kiểm định xem có sự khác nhau về nồng độ ở 2 kết quả hay không? Chúng ta có bài toán kiểm định H0: . Qua thống kê ta thấy t < . Do đó không có cơ sở bác bỏ H0 (giả thuyết H0: nồng độ ở ngưỡng bố trí thí nghiệm bằng nồng độ ở mức ý nghĩa 5% và 1%)(Xem kết quả xử lý phần phụ lục, trang 10). Vậy nồng độ các kim loại nặng được bố trí thí nghiệm có sự chênh lệch nhưng không đáng kể, sự chênh lệch này có thể là do yếu tố khách quan và không ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm. Bố trí thí nghiệm Địa điểm và thời gian tiến hành thí nghiệm Thí nghiệm được tiến hành từ ngày 14/04/06 đến ngày 8/06/06 tại địa điểm 344/6 Huỳnh Tấn Phát, Khu phố 1, Quận 7, Tp.HCM. Hóa chất và các giai đoạn xử lý sản phẩm được thực hiện tại phòng TN.15 của Trường Đại Học Công Nghệ Tp.HCM. Hình thức bố trí thí nghiệm Qui trình khảo sát Dựa vào “Phương pháp Tiêu chuẩn về thí nghiệm độc tính cấp của Hiệp hội sức khỏe Cộng đồng Mỹ(1995)[11], thí nghiệm được thực hiện theo trình tự 2 giai đoạn sau: - Giai đoạn 1: Bố trí thăm dò để tìm giá trị giới hạn nồng độ thí nghiệm thực. Thời gian thí nghiệm là 2 tuần kể từ ngày cấy hạt đã nảy mầm xuống đất. - Giai đoạn 2: Bố trí thí nghiệm chính thức hay bố trí thật. Trong giai đoạn này sẽ khảo sát kỹ ảnh hưởng của các độc chất KLN đến quá trình sinh trưởng của thực vật khảo sát. Thời gian thí nghiệm là 45 ngày. Bố trí thí nghiệm Bố trí thăm dò Bố trí riêng mỗi kim loại một lô, mỗi lô gồm 6 nghiệm thức và lặp lại 3 lần đối với 2 kim loại được phân phối theo hàm logarit (TCVN 5962-1995)[11]. Bảng 10: Dãy nồng độ của từng KLN trong bố trí thăm dò Stt lô Tên KL NT1 NT2 NT3 NT4 NT5 NT6 I Cd (ppm) 0 0.1 1.0 10 100 1000 II Hg (ppm) 0.01 0.1 1.0 10 100 1000 Để gây nhiễm được các nồng độ trong đất như yêu cầu cần phải xem xét hàm lượng các KLN có trong đất nền ban đầu. Kết quả được trình bày trong bản sau. Bảng 11: Kết quả phân tích hàm lượng KLN trong đất phù sa ở Tiền Giang ban đầu (đất trồng cây thí nghiệm) Nguyên tố Hàm lượng Tổng Cd 29.95g/kg = 0.02995 mg/kg Tổng Hg 0.4 g/kg = 0.0004 mg/kg Vì trong đất phù sa khảo sát của (Cd) trong đất 0.02995 mg/kg và Hg 0.0004 mg/kg nên đối với Hg ta khảo sát thêm nồng độ 0.01 ppm. Vậy dãy nồng độ các kim loại Cd là: Đối chứng, 0.1, 1.0, 10, 100, 1000. Còn đối với Hg là: Đối chứng, 0.01, 0.1, 1.0, 10, 100, 1000. Thời gian bố trí thí nghiệm thăm dò là 2 tuần (kể cả nghiệm thức đối chứng). Trong quá trình làm thí nghiệm, các hiện tượng về cây cũng được ghi nhận như: chồi lên khỏi mặt đất, ra lá, màu sắc lá, chiều cao cây, hình dạng cây, những thay đổi về hình thái của cây,… đều được ghi nhận. Bố trí chính thức Thí nghiệm được bố trí theo kiểu khối hoàn toàn ngẫu nhiên (RCD) cho 2 lô thí nghiệm (mỗi lô khảo sát với một KLN) gồm có 7 nồng độ (7 nghiệm thức), mỗi nghiệm thức được lặp lại 3 lần, 3 nghiệm thức của một nồng độ được bố trí song song nhau. Các dãy nồng độ này được sắp xếp theo kiểu bốc thăm ngẫu nhiên. Từ thí nghiệm thăm dò đã rút ra được các khoảng nồng độ cho thí nghiệm chính thức, do đó chúng tôi tiến hành phân chia thành các nghiệm thức của lô thí nghiệm chi tiết theo công bội lùi 0.1 bắt đầu từ giá trị lớn nhất 100 ppm đối với Cd và Hg. Ta có bảng sau trình bày chi tiết các nồng độ trong thí nghiệm chi tiết: Bảng 12: Dãy nồng độ trong bố trí thí nghiệm chính thức và ký hiệu tương ứng trong khảo sát ảnh hưởng của KLN đến quá trình sinh trưởng của cải (ĐC): nghiệm thức đối chứng; nghĩa là đất thực địa không có gây nhiễm KLN Stt lô Tên KL NT0 NT1 NT2 NT3 NT4 NT5 I Cd (ppm) Ký hiệu ĐC A0 0.1 A1 1 A2 10 A3 50 A4 100 A5 II Hg (ppm) Ký hiệu ĐC B0 0.1 B1 1 B2 10 B3 50 B4 100 B5 - Sơ đồ bố trí thí nghiệm Từ các ký hiệu của mỗi lô, tiến hành bốc thăm ngẫu nhiên để sắp xếp các nồng độ theo bảng sau. Trong quá trình thử nghiệm sẽ sắp xếp các nghiệm thức theo thứ tự này. Bảng 13: Sơ đồ bố trí thí nghiệm ảnh hưởng của Cd(A), Hg(B) đối với cải xanh theo kiểu CRD Khối 1 Khối 2 Khối 3 A3 A3 A3 A5 A5 A5 A4 A4 A4 A2 A2 A2 A0 A0 A0 A1 A1 A1 Khối 1 Khối 2 Khối 3 B3 B3 B3 B5 B5 B5 B4 B4 B4 B2 B2 B2 B0 B0 B0 B1 B1 B1 Pha chế dung dịch thử nghiệm Sử dụng hóa chất tinh khiết CdCl25/2H2O, HgCl2 và dùng nước cất để pha dung dịch gây nhiễm ban đầu. Khối lượng và dung tích cần pha được cho trong bảng sau. Bảng 14 : Pha chế dung dịch gây nhiễm ban đầu Kim loại mcân(g) Vpha(l) Nồng độ Cd 16.3863 1 10.000ppm Hg 13,5411 1 10.000ppm Dung dịch sau khi pha được sử dụng như dung dịch mẹ để pha chế các dung dịch con có nồng độ nhỏ hơn. Tùy thuộc vào nồng độ yêu cầu mà ta sử dụng hệ số pha loãng khác nhau; cho vào đất 500ml dung dịch gây nhiễm vào chậu. Đo đạc thông số và xử lý số liệu Thu và xử lý mẫu cải sau nghiên cứu Sau khi thí nghiệm cải xanh ở các khoảng nồng độ sau 45 ngày, chúng tôi tiến hành đổ nước vào các chậu để đất nhão ra tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình nhổ. Thực vật khảo sát được nhổ cẩn thận, tránh làm đứt rễ, rửa sạch cả rễ và thân bằng nước máy, tiếp theo bằng nước cất. Sau đó, đo đạc các thông số hình thái cây (dài thân, dài rễ) và chụp hình. Thân-lá và rễ được tách riêng và đưa lên phòng thí nghiệm Khoa Môi Trường – Trường Đại Học Công Nghệ Tp.HCM. Thân và rễ được sấy ở 1050C trong tủ sấy để xác định độ ẩm thân rễ. Sau đó, từng nồng độ được cho vào túi plastic có ký hiệu phù hợp. Mẫu được đem đi phân tích nhằm xác định khả năng hấp thụ và tích lũy của các KLN trong các bộ phận cây. Đo đạc các chỉ tiêu - Theo dõi ảnh hưởng của các KLN đến quá trình sinh trưởng của cây cải. Các biểu hiện như chậm phát triển, màu sắc lá, héo lá, cây chết cần phải được ghi nhận. - Đo chiều cao cây cải, các lá thật trong quá trình phát triển của cây cải. Khi kết thúc thí nghiệm thì xác định các thông số: độ ẩm thân, rễ và khả năng hấp thu KLN của các bộ phận cây và ảnh hưởng của chúng đối với cây. Số lá cải được tính từ lá gốc đến lá ngọn. Chiều cao cây (cm) được tính từ gốc rễ sát mặt đất đến chóp lá cao nhất. Do khảo sát ảnh hưởng của KLN đến quá trình sinh trưởng của thực vật nên thời gian là trong tuần đầu đo liên tục, tuần 2 đo cách 1 ngày và bắt đầu từ tuần 3 đo cách 3 ngày 1 lần. Khả năng hấp thụ kim loại nặng của các bộ phận cây cải được xác định như sau: Từ hàm lượng kim loại tích lũy trong các bộ phận cây (md thân, md re) đã qua phân tích, hàm lượng kim loại nặng ban đầu cho vào đất (M) và khối lượng khô của cây thu được (mo) (tính theo số lượng cây khi thu mẫu – n: số cây). Chúng ta lập công thức tính toán khả năng hấp thụ của KLN theo công thức (tất cả các giá trị trên đều tính theo mg): KNHP(%) = Công thức này tính cho khả năng hấp thụ kim loại nặng của một cây trồng nào đó. Xử lý số liệu thống kê - Tỷ lệ tử vong được tính bằng đơn vị %. Tỷ lệ tử vong ở mỗi nghiệm thức tương ứng với các nồng độ khác nhau, là hiệu của tổng số đối tượng tử vong so với tổng số đối tượng nghiên cứu ở tất cả các lần lặp lại đối với nghiệm thức đó. Ví dụ: nghiên cứu độc cấp tính của As trên đối tượng là cây cải xanh trong đất phù sa ở nghiệm thức 2 (ký hiệu là As-2). Mỗi nghiệm thức đều có 10 cá thể, sau 2 tuần ghi nhận số cây chết của 3 lần lặp lại như sau: 6 cây, 4 cây, 4 cây. Do đó, tỷ lệ tử vong ở nghiệm thức As-2 sau 14 ngày sẽ là: M = = 46.7% - Sử dụng phần mềm MS-Excel để vẽ các đồ thị về quá trình tích lũy KLN trong cây. - Số liệu phân tích mối tương quan và sự khác biệt được xử lý theo phép phân tích phương sai ANOVA cùng với việc so sánh các số trung bình dựa trên xem xét giới hạn sai khác nhỏ nhất (LSD) dựa vào phần mềm Stargraphics. Khi đánh giá sự khác biệt có ý nghĩa giữa các nghiệm thức ta dựa vào giá trị mức ý nghĩa của bảng ANOVA (significant level). Nếu tại một nồng độ nào đó, giá trị này 0.05 thì chứng tỏ yếu tố thí nghiệm đã làm thay đổi có ý nghĩa chỉ tiêu đó so với chỉ tiêu so sánh ở mức xác xuất p 0.05 thì yếu tố thí nghiệm chưa gây ra sự sai khác có ý nghĩa giữa các nghiệm thức. - So sánh sự khác biệt giữa các công thức thí nghiệm được thực hiện theo hướng dẫn của Gomez K. A và Gomez A. A (1984). Dùng trắc nghiệm Ducan’s multiple range test đối với các thí nghiệm có số công thức < 6. Phương pháp kiểm tra độc ảnh hưởng của độc chất đối với cây trồng Một số thuật ngữ sử dụng - LD50 (Lethal Dose): liều lượng gây chết 50% sinh vật khảo sát (mg độc chất/kg đất khảo sát). - NOAEL (No – Observed – Adverse Effect Level): lượng độc chất tối đa không gây hại cho sinh vật khảo sát (qua thí nghiệm quan sát). - LOAEL (Lowest - Observed – Adverse Effect Level): nồng độ thấp nhất có hại cho sinh vật khảo sát. - MATC: nồng độ gây độc cực đại có thể chấp nhận được: NOAEL < MATC < LOAEL - UF (Uncertainly Factor) - là tích số các loại hệ số: hệ số chuyển đổi-kết quả từ vật thí nghiệm sang người, hệ số dao động trong loài, hệ số tính đến số lượng thí nghiệm kiểm tra, hệ số phụ thuộc váo biến cố tác động của độc chất. - AF (Applied Factor – thông số ứng dụng): ổn định cho một hóa chất. Do đó có thể sử dụng AF của loài này cho loài khác. AF = Ví dụ: AF của một hóa chất đối với cá từ 0,05 – 0,1 và LC50 của tôm là 1,0 mg/l. Ta có thể tính được MATC của hóa chất này đối với tôm là: MATC = AF * LC50 = 0,05 – 0,1 * 1,0 = 0,05 – 0,1 mg/l - Dose: lượng độc chất đi vào cơ thể sinh vật. - Toxicity: độc chất ảnh hưởng có hại đối với một sinh vật kiểm tra gây ra bởi “chất ô nhiễm” (thường là chất độc hoặc hỗn hợp các chất độc). Độc chất có liên quan tới các yếu tố như nồng độ chất độc, thời gian tiếp xúc, nhiệt độ, dạng hóa học và các yếu tố có sẵn khác. Qui trình đánh giá ảnh hưởng của độc chất đối với cây trồng Tiêu chuẩn “đánh giá ảnh hưởng của độc chất đối với cây trồng” được tiến hành theo 5 bước sau đây: - Xem xét tất cả các dữ liệu ảnh hưởng của độc chất đối với cây trồng từ các tài liệu nghiên cứu trước, so sánh với nghiên cứu trong tài liệu của mình; - Tách các số liệu thành các giá trị ngưởng gây độc và chưa gây độc; - Tính toán các giá trị ảnh hưởng trung vị (nồng độ) đối với giá trị ngưỡng và dưới ngưỡng gây độc; - Xác định phương trình quan hệ giữa liều lượng và % sinh vật gây hại nhằm xác định LC50 , LD50 hay EC50 thông qua phép nội suy dựa vào phân tích độ tin cậy của kết quả.  KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN Kết quả bố trí thí nghiệm thăm dò Qua thí nghiệm thăm dò, sau 2 tuần khảo sát sơ bộ chúng tôi đã tìm được khoảng nồng độ thí nghiệm phù hợp đối với từng kim loại. Một số hiện tượng được ghi nhận đối với cây cải xanh trong quá trình làm thí nghiệm sơ bộ là ở nồng độ 1000 ppm đối với cả 2 ion Cd2+ và Hg2+, sau 2 tuần quan sát thấy mầm cây không nhú khỏi lên mặt đất; khi xem hạt trong đất thấy hạt bị nấm trắng bao quanh. Do vậy, chúng tôi chọn khoảng nồng độ khảo sát chính thức đối với Cd và Hg như sau: Hg, Cd [DC, 0.1, 1, 10, 50, 100 ppm]. Kết quả nghiên cứu đối với cây cải xanh Ảnh hưởng của Cd2+, Hg2+ đến tỷ lệ nảy mầm của cây cải xanh Bảng 15: Ảnh hưởng của Cd2+ đến tỷ lệ nảy mầm của cây Cải xanh (%) Stt Nđộ NSG ĐC 0.1 1 10 50 100 1 5 85.71 80.95 90.47 80.95 76.19 66.66 2 7 85.71 80.95 90.47 80.95 76.19 66.66 3 14 85.71 80.95 90.47 80.95 76.19 66.66 Bảng 16: Ảnh hưởng của Hg2+ đến tỷ lệ nảy mầm của cây Cải xanh (%) Stt Nđộ NSG ĐC 0.1 1 10 50 100 1 5 85.71 90.47 86 85.71 80.95 71.42 2 7 85.71 90.47 86 85.71 80.95 71.42 3 14 85.71 90.47 86 85.71 80.95 71.42 Ở lô thí nghiệm Cd [DC, 10] ppm; Hg [DC, 50] ppm thì tỷ lệ nảy mầm vẫn còn đạt khá cao (trên 80%). Tuy nhiên khi nồng độ KLN trong đất cao hơn mức này thì tỷ lệ nảy mầm giảm đi rất nhanh, rõ nhất là trường hợp của Cd – tỷ lệ nảy mầm của Cải xanh sau 14 ngày chỉ có 66.66%. So sánh giữa hai kim loại Cd và Hg ở nồng độ 50 và 100 ppm thì ảnh hưởng của các KLN đến tỷ lệ nảy mầm của cây cải xanh theo thứ tự: Cd > Hg. Ảnh hưởng của Cd2+, Hg2+ đến chiều cao cây cải xanh Bảng 17: Ảnh hưởng của Cd2+ đến chiều cao cây Cải xanh (cm) Thời gian N.Thức(ppm) 5 NSG 7 NSG 14 NSG 21 NSG 28 NSG 45 NSG ĐC 1.13a 1.26a 1.50a 2.60a 4.26a 14.33a 0.1 1.1a 1.30a 1.83c 2.33bc 3.60a 12.0ab 1 1.16a 1.46a 1.76bc 3.13d 4.56a 13.66a 10 1.20a 1.20a 1.40a 1.63ab 2.30b 8.26bc 50 0.80a 1.13a 1.50ab 1.43a 1.46b 1.93d 100 0.96a 1.23a 1.33c 1.56a 1.60b 4.40cd Mức ý nghĩa 0.3764 0.7373 0.0365 0.0021 0.003 0.002 Bảng 18: Ảnh hưởng của Hg2+ đến chiều cao