Nghiên cứu sự hấp thu cạnh tranh giữa cd2+ và pb2+ lên cây rau bó xôi (spinacia oleracea l.) - Nguyễn Ngọc Tuấn

9 NGHIÊN CỨU SỰ HẤP THU CẠNH TRANH GIỮA Cd2+ VÀ Pb 2+ LÊN CÂY RAU BÓ XÔI (Spinacia oleracea L.) Đến tòa soạn 10 - 6 - 2013 Nguyễn Ngọc Tuấn Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt Lê Thị Thanh Trân, Nguyễn Hồng Phƣơng Trường Đại học Đà Lạt Trƣơng Minh Trí Trường Đại học xây dựng Miền Trung SUMMARY STUDY ON COMPETITIVE ADSORPTION BETWEEN Cd 2+ AND Pb 2+ IN SPINACH (Spinacia oleracea L.) Polluted water can often contain more than one heavy metal. It is possible that the behavior of a particular metal species from water to plant will be affected by the presence of other metals. In this study, we have investigated the uptake of Cd 2+ and Pb 2+ on spinach using irrigation water contaminated by two these metals. The research results showed that the presence of Cd 2+ inhibited the adsorption of Pb 2+ to plants. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Ô nhiễm kim loại nặng trong nông sản đã và đang ảnh hƣởng đến sức khỏe con ngƣời và thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học. Đã có nhiều công trình nghiên cứu về mức độ hấp thu và tích lũy kim loại nặng từ môi trƣờng canh tác vào nông sản [1,2,4]. Tuy nhiên đa số các nghiên cứu tập trung vào việc nghiên cứu sự hấp thu và tích lũy từng ion kim loại từ môi trƣờng canh tác vào cây trồng. Trong khi đó, môi trƣờng đất, nƣớc bị ô nhiễm thƣờng chứa nhiều hơn một ion kim loại nặng [5,7]. Khi cùng tồn tại trong môi trƣờng, sự có mặt của ion kim loại này có thể ức chế hoặc kích thích sự hấp thu của ion kim loại khác [6,8,9], gây nên sự cạnh tranh trong hấp thu giữa chúng từ môi trƣờng canh tác vào cây trồng. Trong công trình này, chúng tôi tiến hành nghiên cứu sự hấp thu cạnh tranh giữa Tạp chí phân tích Hóa, Lý và Sinh học – Tập 19, Số 2/2014 10 Cd 2+ và Pb 2+ từ nƣớc tƣới lên cây rau bó xôi – một trong những loại rau có giá trị dinh dƣỡng cao, đƣợc ngƣời dân sử dụng phổ biến. 2. THIẾT BỊ, DỤNG CỤ VÀ HÓA CHẤT 2.1. Thiết bị, dụng cụ - Máy quang phổ hấp thụ nguyên tử Shimadzu AA – 7000, dùng các đèn catôt rỗng của Cd và Pb hấp thụ ở các bƣớc sóng Cd = 228.83nm, Pb = 283.45nm. - Hệ thống khí nén và khí Ar. - Bếp điện Fisher Science, Cộng hòa Liên bang Đức. - Cân phân tích có độ nhạy 10-5 của hãng Satorius, Cộng hòa Liên bang Đức. - Máy đo pH. - Cốc, phễu, bình tam giác, bình định mức các loại của Cộng hòa Liên bang Đức. - Pipet các loại, micropipet của Vƣơng quốc Anh. 2.2. Hóa chất Các loại hóa chất: - HCl 37%; HNO3 65%. - Cd(NO3) 2.4H2O, Pb(NO3)2 đƣợc sản xuất tại công ty Kanto Chemical Co., Nhật Bản. - Dung dịch Cd2+ 1mg/mL, dung dịch Pb 2+ 1mg/mL đƣợc chuẩn bị từ các loại hóa chất trên. 3. CÁC BƢỚC TIẾN HÀNH 3.1. Triển khai mô hình thực nghiệm - Mô hình 1: khảo sát mức độ tích lũy từng ion Cd2+ và Pb2+: áp dụng chế độ canh tác nhƣ thực tế, sử dụng nƣớc tƣới ô nhiễm từng ion kim loại với các cấp nồng độ khác nhau. - Mô hình 2: khảo sát mức độ hấp thu cạnh tranh giữa Cd2+ và Pb2+: áp dụng chế độ canh tác nhƣ thực tế, sử dụng nƣớc tƣới ô nhiễm hỗn hợp hai ion kim loại với các cấp nồng độ khác nhau. - Lô đối chứng: Chế độ canh tác giống hoàn toàn nhƣ mô hình 1 và 2, sử dụng nƣớc tƣới không bổ sung hai ion Cd2+ và Pb 2+ . * Số lần tưới ở cả hai mô hình cũng như lô đối chứng là như nhau. 3.2. Thu thập và xử lý mẫu Mẫu rau lấy ở điểm trồng thực nghiệm tại thời điểm thu hoạch đƣợc cắt bỏ rễ, lá úa, sau đó rửa sạch, cho vào trong túi nilon sạch và đƣa về phòng thí nghiệm. Rửa lại rau bằng nƣớc cất một vài lần, để ráo nƣớc, cân khối lƣợng rau tƣơi; sau đó cắt nhỏ bằng dao inox, sấy ở nhiệt độ ở 60oC cho đến khi khối lƣợng không đổi; cân xác định khối lƣợng khô, nghiền mịn, cho vào lọ PE, dán nhãn, bảo quản nơi khô, thoáng. Các mẫu sau khi xử lý sơ bộ đƣợc vô cơ hóa nhƣ sau: Cân trên cân phân tích một lƣợng mẫu chính xác (lƣợng cân dao động khoảng 1,5 gam) cho vào bình tam giác, thêm vào bình 15 mL dung dịch HNO3 đặc và 5 mL dung dịch HCl đặc; đậy bình bằng kính đồng hồ, để qua đêm. Sau đó, đun trên bếp cách cát cho đến khi dung dịch trong suốt và không còn khí màu nâu đỏ thoát ra. Chuyển mẫu sang cốc thủy tinh, tiếp tục đun đến cạn để 11 đuổi hết lƣợng axit dƣ. Dùng dung dịch HNO3 0,5N để hòa tan mẫu và chuyển định lƣợng vào bình định mức dung tích 10 mL, định mức bằng dung dịch HNO3 0,5N. 3.3. Phƣơng pháp xác định Cd2+ và Pb 2+ Các nguyên tố trên đƣợc xác định bằng phƣơng pháp đo phổ hấp thụ nguyên tử với kỹ thuật nguyên tử hóa không ngọn lửa (G-AAS) [3]. 4. KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN 4.1. Kết quả nghiên cứu mô hình 1 Khảo sát mức độ tích lũy của từng ion kim loại từ nƣớc tƣới vào rau bó xôi thông qua mô hình 1, kết quả thu đƣợc nhƣ sau: Bảng 1. Mức độ tích lũy ion Pb2+ từ nước tưới vào rau bó xôi STT Tên mẫu Hàm lƣợng Pb2+ trong nƣớc tƣới (mg/L) Hàm lƣợng Pb2+ trong rau (mg/kg tƣơi) 1 Mẫu 1 0,10 0,14 ± 0,020 2 Mẫu 2 0,50 0,57 ± 0,060 3 Mẫu 3 1,00 1,65 ± 0,172 4 Mẫu 4 1,50 1,93 ± 0,201 5 Mẫu 5 2,00 2,54 ± 0,233 6 Mẫu đối chứng ≤ 5µg/L(nƣớc tƣới khi chƣa bổ sung Pb2+) ≤ 0,012 (Giá trị trên là kết quả trung bình của 03 lần xác định). Bảng 2. Mức độ tích lũy ion Cd2+ từ nước tưới vào rau bó xôi STT Tên mẫu Hàm lƣợng Cd2+ trong nƣớc tƣới (mg/L) Hàm lƣợng Cd2+ trong rau (mg/kg tƣơi) 1 Mẫu 6 0,01 0,06 ± 0,005 2 Mẫu 7 0,05 0,10 ± 0,015 3 Mẫu 8 0,10 0,21 ± 0,022 4 Mẫu 9 0,15 0,27 ± 0,030 5 Mẫu 10 0,20 0,42 ± 0,041 6 Mẫu đối chứng < 5µg/L (nƣớc tƣới khi chƣa bổ sung Cd2+) < 0,010 (Giá trị trên là kết quả trung bình của 03 lần xác định). 12 Hình 1. Mức độ tích lũy ion Pb2+ Hình 2. Mức độ tích lũy ion Cd2+ từ nước tưới vào rau bó xôi Từ kết quả nhận đƣợc cho thấy: khi nƣớc tƣới bị nhiễm kim loại nặng sẽ dẫn đến sự hấp thu và tích lũy lên cây trồng và sản phẩm sau khi thu hoạch sẽ bị nhiễm kim loại nặng. Đồ thị biểu diễn cho thấy có mối tƣơng quan giữa hàm lƣợng Cd2+, Pb 2+ trong nƣớc tƣới với hàm lƣợng của chúng trong rau bó xôi. Tuy nhiên, có thể nhận thấy Cd2+ có khả năng hấp thu và tích lũy cao hơn Pb2+. Trung bình, hàm lƣợng Pb2+ trong rau cao gấp 1,4 lần hàm lƣợng Pb2+ trong nƣớc tƣới, trong khi hàm lƣợng Cd2+ trong rau cao gấp 2,8 lần hàm lƣợng Cd2+ trong nƣớc tƣới. 4.2. Kết quả nghiên cứu mô hình 2 Các mô hình khảo sát đƣợc thực hiện để đánh giá mức độ hấp thu cạnh tranh giữa các ion Cd 2+ và Pb 2+ khi cùng có mặt trong nƣớc tƣới. Kết quả thu đƣợc cụ thể nhƣ sau: Bảng 3. Khi nước tưới bị nhiễm đồng thời 2 ion Cd2+ và Pb2+ với mức hàm lượng bằng nhau STT Tên mẫu Hàm lƣợng Cd 2+ trong nƣớc tƣới (mg/L) Hàm lƣợng Pb 2+ trong nƣớc tƣới (mg/L) Hàm lƣợng Cd 2+ trong rau (mg/kg tƣơi) Hàm lƣợng Pb 2+ trong rau (mg/kg tƣơi) 1 Mẫu 11 0,10 0,10 0,13 ± 0,012 0,02 ± 0,003 2 Mẫu 12 0,20 0,20 0,26 ± 0,028 0,05 ± 0,006 3 Mẫu 13 0,30 0,30 0,28 ± 0,030 0,10 ± 0,010 4 Mẫu 14 0,40 0,40 0,37 ± 0,040 0,21 ± 0,020 5 Mẫu 15 0,50 0,50 0,50 ± 0,057 0,33 ± 0,040 (Giá trị trên là kết quả trung bình của 03 lần xác định). 13 Hình 3. Mức độ hấp thu cạnh tranh giữa Cd2+ và Pb2+ Kết quả trên cho thấy, khi trong nƣớc tƣới có mặt 2 ion kim loại Cd2+ và Pb2+ với mức hàm lƣợng bằng nhau đã xảy ra sự hấp thu cạnh tranh giữa chúng từ nƣớc tƣới lên rau bó xôi. Khi tồn tại riêng lẻ trong nƣớc, nếu hàm lƣợng Pb2+ trong nƣớc là 0,10 ppm thì hàm lƣợng Pb2+ tích lũy trong rau là 0,14 ppm. Nhƣng khi có mặt Cd2+ ở cùng mức hàm lƣợng thì hàm lƣợng Pb2+ tích lũy trong rau chỉ là 0,02 ppm. Điều này đã chứng tỏ ion Cd2+ khi có mặt trong nƣớc đã ức chế sự hấp thu của ion Pb2+ lên rau bó xôi Bảng 4. Khi nước tưới bị nhiễm đồng thời 2 ion Cd2+ và Pb2+ với mức hàm lượng của Pb 2+ lớn hơn hàm lượng của Cd2+ STT Tên mẫu Hàm lƣợng Cd 2+ trong nƣớc tƣới (mg/L) Hàm lƣợng Pb 2+ trong nƣớc tƣới (mg/L) Hàm lƣợng Cd 2+ trong rau (mg/kg tƣơi) Hàm lƣợng Pb 2+ trong rau (mg/kg tƣơi) 1 Mẫu 16 0,10 0,20 0,23 ± 0,025 0,21 ± 0,022 2 Mẫu 17 0,10 0,30 0,14 ± 0,016 0,35 ± 0,040 3 Mẫu 18 0,10 0,40 0,15 ± 0,016 0,34 ± 0,038 4 Mẫu 19 0,10 0,50 0,16 ± 0,015 0,41 ± 0,040 5 Mẫu 20 0,10 0,60 0,17 ± 0,018 0,73 ± 0,067 (Giá trị trên là kết quả trung bình của 03 lần xác định) Kết quả nhận đƣợc cho thấy, khi hàm lƣợng Pb2+ gấp đôi nồng độ Cd2+, Cd2+ vẫn hấp thu và tích lũy nhƣ khi tồn tại riêng lẻ trong nƣớc tƣới. Tuy nhiên, khi tăng hàm lƣợng Pb2+ đã ảnh hƣởng đến sự tích lũy của Cd2+ lên sản phẩm sau thu 14 hoạch. Hàm lƣợng Cd2+ trong rau dao động từ 0,14 đến 0,17 ppm khi đƣợc tƣới nƣớc nhiễm Cd2+ 0,10 ppm. Trong khi đó, sự hấp thu của Pb2+ cũng chịu ảnh hƣởng của Cd2+. Mặc dù Cd2+ hiện diện trong nƣớc với mức hàm lƣợng thấp hơn hẳn nhƣng vẫn có tác dụng ức chế đối với sự hấp thu và tích lũy của Pb2+ lên rau bó xôi. Khi hàm lƣợng Pb2+ trong nƣớc tƣới là 0,50 ppm, nếu tồn tại đơn lẻ thì hàm lƣợng Pb2+ trong rau là 0,57 ppm nhƣng khi có mặt Cd2+ với mức hàm lƣợng thấp hơn 5 lần thì hàm lƣợng Pb2+ trong rau là 0,41 ppm. Điều này đã khẳng định tác dụng ức chế của Cd2+ đối với Pb2+. Ngoài ra, kết quả phân tích của mẫu 16 cần đƣợc lƣu ý: khi sử dụng nƣớc tƣới có hàm lƣợng Pb2+ gấp đôi hàm lƣợng Cd 2+ , sự tích lũy của Cd2+ cao gấp đôi hàm lƣợng của nó trong nƣớc, cao hơn hẳn khi tăng nồng độ Pb2+ lên nhiều lần. 5. KẾT LUẬN Khi hàm lƣợng Cd2+ và Pb2+ tăng dần trong nƣớc tƣới, hàm lƣợng hai nguyên tố này cũng đƣợc tích lũy theo chiều tăng dần trong rau bó xôi. Kết quả nghiên cứu sự hấp thu cạnh tranh giữa Cd2+ và Pb2+ lên rau bó xôi cho thấy sự hấp thu và tích lũy của Cd2+ cũng nhƣ Pb 2+ đã thay đổi khi có mặt đồng thời hai kim loại này. Cd2+ đã ức chế quá trình hấp thu và tích lũy của Pb2+ vào rau bó xôi. Kết quả khảo sát cũng cho thấy mối tƣơng quan giữa hàm lƣợng Cd2+, Pb2+ trong nƣớc tƣới với hàm lƣợng của chúng trong sản phẩm rau sau khi thu hoạch. Kết quả nghiên cứu thu đƣợc ở trên mới chỉ là những nghiên cứu sơ bộ ban đầu. Để có thể có những kết luận chính xác về sự hấp thu cạnh tranh giữa hai kim loại này lên sinh khối của các loại rau, củ, quả, cần có những nghiên cứu sâu hơn về tỷ lệ hàm lƣợng của chúng trong đất canh tác, trong nƣớc tƣới đối với nhiều đối tƣợng khác nhau. Chúng tôi sẽ công bố các kết quả nghiên cứu trong những công trình tiếp theo. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyễn Xuân Cự cùng các cộng sự, Nghiên cứu sự hút thu Cu, Pb, Zn và tìm hiểu khả năng sử dụng phân bón để giảm thiểu sự tích lũy chúng trong rau cải xanh và rau xà lách, Đề tài Nghiên cứu khoa học cấp Bộ, trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội (2008). 2. Phan Thị Thu Hằng, Nghiên cứu hàm lƣợng nitrat và kim loại nặng trong đất, nƣớc, rau và một số biện pháp nhằm hạn chế sự tích lũy của chúng trong rau ở Thái Nguyên, Luận án Tiến sĩ Nông nghiệp, Trƣờng Đại học Thái Nguyên (2008). 3. Nguyễn Ngọc Tuấn, Nguyễn Giằng, Xác định 25 nguyên tố Cu, Ca, Mg, Br, I, Mn, As, Sb, La, Cd, Pb, Sm, Mo, U, Sc, Fe, Co, Ni, Zn, Se, Cs, Ce, Eu, Hg, Th trong các mẫu sinh vật và trầm tích biển bằng phƣơng pháp kích hoạt nơtron và 15 quang phổ hấp thụ nguyên tử, Tạp chí phân tích Hóa, Lý và Sinh học T12, NO2, trang 31 - 36 (2007). 4. Cheang Hong, Nghiên cứu ảnh hƣởng của nƣớc tƣới phân bón đến tồn dƣ nitrat và một số kim loại nặng trong rau trồng tại Hà Nội, Luận án Tiến sĩ Nông nghiệp, trƣờng Đại học Nông nghiệp I, Hà Nội (2003). 5. Jaeyoung Choi and Jae – Woo Park, Competitive adsorption of heavy metals and uranium on soil constituents and microorganism, Geosciences Journal, Volume 9, Number 1, pages 53 – 61 (2005). 6. J. C. Igwe, D. N. Ogunewe, A. A. Abia, Competitive adsorption of Zn (II), Cd (II) and Pb (II) ions from aqueous and non - aqueous solution by maize cob and husk, Africa Journal of Biotechnology, Volume 4 (10), pages 1113 – 1116 (2005). 7. P. Srivastava, B. Signh, M. Angove, Competitive adsorption behavior of heavy metals on kaolinite, Journal of Colloid and Interface Science Volume 290, Issue 1, pages 28 – 38 (2005). 8. Qingyun Fan, Jiang He, Hongxi Xue, Changwei LÜ, Ying Liang, Saruli, Ying Sun and Lili Shen, Competitive adsorption, release and speciation of heavy metals in the Yellow River sediments, China, Environmental Geology, Volume 53, Number 2, pages 239 – 251 (2007). 9. Y. Xue, H. Hout, S. Zhu, Competitive adsorption of copper (II), cadmium (II), lead (II) and zinc (II) onto basic oxygen furnace slag, Journal of Hazadous Materials Volume 162, Issues 1, pages 391 – 401 (2009).