Nghiên cứu sự tích lũy cu2+, pb2+, zn2+ từ đất trồng bị ô nhiễm lên sinh khối cây rau bó xôi (spinacia oleracea l.) - Lê Thị Thanh Trân

68 Tạp chí phân tích Hóa, Lý và Sinh học - Tập 20, Số 1/2015 NGHIÊN CỨU SỰ TÍCH LŨY Cu2+, Pb2+, Zn2+ TỪ ĐẤT TRỒNG BỊ Ô NHIỄM LÊN SINH KHỐI CÂY RAU BÓ XÔI (Spinacia oleracea L.) Đến tòa soạn 22 – 8 – 2014 Lê Thị Thanh Trân, Nguyễn Văn Hạ Khoa Hóa học, Trường Đại học Đà Lạt Nguyễn Mộng Sinh Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật tỉnh Lâm Đồng Nguyễn Ngọc Tuấn Viện Nghiên cứu hạt nhân, Đà Lạt SUMMARY STUDY ON THE ACCUMULATION OF Cu (II), Pb (II) AND Zn (II) FROM POLLUTED SOIL IN TO SPINACH’S BIOMASS (Spinacia oleracea L.) The accumulation of heavy metals in soil is one of the causes of adverse effects on food safety as well as on soil ecosystems. Study on the accumulation of heavy metal ions from farming environment to different plants is necessary task to assess the spread of heavy metals to agricultural products. The results of this study show that Cu 2+ , Pb 2+ and Zn 2+ are cumulative metal ions. Increasing their amounts in soil resulted in an increasing the level of their accumulation in spinach. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Thực trạng ô nhiễm môi trƣờng hiện nay, trong đó có ô nhiễm kim loại nặng, đã và đang gây ảnh hƣởng đến chất lƣợng nguồn lƣơng thực, thực phẩm và là một trong những mối quan tâm của các nhà khoa học do mức độ ảnh hƣởng của chúng đến sức khỏe cộng đồng [1]. Môi trƣờng canh tác bị ô nhiễm kim loại nặng sẽ dẫn đến nguy cơ các kim loại nặng này tích lũy trong các loại thực vật. Đã có nhiều công trình nghiên cứu về khả năng lan truyền các kim loại nặng trong môi trƣờng, tích lũy trong thực vật, động vật và vào các cơ quan trong cơ thể con ngƣời qua chuỗi thức ăn [1, 2]. Trong các kim loại nặng, chì là kim loại nặng có độc tính cao. Khi tiếp xúc ở một mức độ nhất định, chì gây độc đối với động vật, kể cả con ngƣời, làm tổn 69 thƣơng hệ thần kinh và gây rối loạn não. Tiếp xúc ở mức cao với chì sẽ dẫn đến tình trạng rối loạn máu ở động vật. Giống với thủy ngân, chì là chất độc thần kinh, tích tụ trong mô mềm và trong xƣơng, rất khó bị đào thải. Trong khi đó, đồng và kẽm là các nguyên tố vi lƣợng, cần thiết cho sự phát triển của động, thực vật cũng nhƣ con ngƣời, nhƣng khi vƣợt quá hàm lƣợng cho phép sẽ gây độc [3]. Trong công trình này, chúng tôi tiến hành nghiên cứu khả năng và mức độ tích lũy của đồng, chì và kẽm trong thực vật khi trồng trên nền đất bị ô nhiễm 3 kim loại nặng trên, bằng cách triển khai mô hình thực nghiệm mô phỏng nền đất bị ô nhiễm các kim loại nặng quan tâm trên cây rau bó xôi (Spinacia oleracea L.) 2. THIẾT BỊ, DỤNG CỤ VÀ HÓA CHẤT 2.1. Thiết bị, dụng cụ - Máy quang phổ hấp thụ nguyên tử Shimadzu AA – 7000 có các đèn catôt rỗng của Cu, Pb và Zn hấp thụ ở các bƣớc sóng Cu = 324,64nm, Pb = 283.45nm, Zn = 213, 52nm. - 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. - Cốc, phễu, bình tam giác, bình định mức các loại; Cộng hòa Liên bang Đức. - Pipet các loại, micropipet (0-25µl, 0- 100 µl); Vƣơng quốc Anh. 2.2. Hóa chất Các loại hóa chất: - HCl 37%; HNO3 65% của hãng Merck, Cộng hòa Liên bang Đức. - Cu(NO3)2.3H2O, Pb(NO3)2, Zn(NO3).6H2O đƣợc sản xuất tại công ty Alpha Chemika, Ấn Độ. - Dung dịch Cu2+ 1mg/mL, dung dịch Pb 2+ 1mg/mL và dung dịch Zn2+ 1mg/mL đƣợc chuẩn bị từ các loại hóa chất trên. 3. THỰC NGHIỆM 3.1. Mô hình thực nghiệm Đất sử dụng để gây ô nhiễm là tầng đất mặt (lấy ở độ sâu 0 – 20cm) trong ruộng trồng rau trên địa bàn phƣờng 8, thành phố Đà Lạt. Theo các phân tích về tính chất hóa học của đất cho thấy, đất chứa hàm lƣợng các kim loại nặng Cu, Pb, Zn thấp hơn so với tiêu chuẩn cho phép [5] (Cu: 42,78 ± 3,04; Pb: 29,53 ± 2,16; Zn: 54,97 ± 4,05 mg/kg đất khô). Mô hình thực nghiệm bao gồm các khu vực sau: - Khu vực ô nhiễm đồng: đất đƣợc gây ô nhiễm Cu2+ với các mức 50, 100, 200, 300, 400, 600, 800, 1000 mg/kg đất khô. - Khu vực ô nhiễm chì: đất đƣợc gây ô nhiễm Pb2+ với các mức 70, 100, 200, 300, 400, 600, 800, 1000 mg/kg đất khô. - Khu vực ô nhiễm kẽm: đất đƣợc gây ô nhiễm Zn2+ với các mức 100, 200, 300, 400, 600, 800, 1000 mg/kg đất khô. - Khu vực đối chứng: cây bó xôi đƣợc trồng trên nền đất trên nhƣng không gây ô nhiễm. Để đảm bảo tính thống kê, mỗi nghiệm thức trong các khu vực trên đƣợc lặp lại 3 lần, tổng số nghiệm thức trong mô hình là 23 x 3 = 69. Mỗi nghiệm thức có diện tích 1500 cm2 (dài 50 cm, rộng 30 70 cm, sâu: 20 cm), đƣợc trồng 6 cây bó xôi. Trong mô hình trên, cây rau bó xôi đƣợc trồng và chăm sóc theo tiêu chuẩn của Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn tỉnh Lâm Đồng [4]. 3.2. Chuẩn bị mẫu và phân tích Cây rau bó xôi đƣợc thu hoạch sau khi trồng 6 tuần. Sau khi cắt bỏ rễ, lá úa, rau đƣợc rửa sạch, cho vào trong túi nilon và đƣa về phòng thí nghiệm. Rửa lại rau bằng nƣớc cất một vài lần, để ráo nƣớc, cân khối lƣợng tƣơi. Sau đó cắt nhỏ, sấy ở nhiệt độ 105oC trong 30 phút và ở 70 oC cho đến khi khối lƣợng không đổi. Cân xác định khối lƣợng khô, nghiền mịn và cho vào lọ PE, đậy nắp, dán nhãn, bảo quản nơi khô, thoáng. Các mẫu sau khi xử lý sơ bộ đƣợc vô cơ hóa mẫu nhƣ sau: Cân trên cân phân tích một lƣợng mẫu (0,5 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 đuổi hết lƣợng axit dƣ. Dùng dung dịch HNO3 0,5 N để hòa tan mẫu và chuyển định lƣợng vào bình định mức dung tích 10 ml, định mức bằng dung dịch HNO3 0,5N. Các nguyên tố trên đƣợc xác định bằng phƣơng pháp đo phổ hấp thụ nguyên tử với kỹ thuật nguyên tử hóa ngọn lửa (F- AAS). 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Kết quả nghiên cứu nhận đƣợc từ mô hình thực nghiệm cho thấy đồng, chì và kẽm đều là các kim loại nặng có khả năng tích lũy trong rau bó xôi. Khi tăng hàm lƣợng của chúng trong đất sẽ dẫn đến sự hấp thụ, tích lũy và kết quả là gia tăng hàm lƣợng các kim loại này trong sinh khối cây rau bó xôi. 4.1. Sự tích lũy của Cu2+ trong sinh khối cây rau bó xôi khi đƣợc trồng trên nền đất ô nhiễm Kết quả trình bày trong Bảng 1 cho thấy hàm lƣợng của đồng trong rau tăng khi tăng mức độ ô nhiễm đồng trong đất .Bảng 1. Hàm lượng của Cu2+ trong đất ô nhiễm và trong sinh khối rau bó xôi STT Hàm lƣợng Cu2+ trong đất (mg/kg đất khô) Hàm lƣợng Cu2+ trong rau bó xôi (mg/kg rau tƣơi) Khoảng hàm lƣợng dao động trong các mẫu Giá trị trung bình (TB) Độ lệch chuẩn (SD) 1 50 2.92 ÷ 3.47 3.16 0.28 2 100 4.96 ÷ 5.83 5.28 0.48 3 200 6.18 ÷ 7.02 6.53 0.44 4 300 6.54 ÷ 7.39 7.06 0.45 5 400 7.01 ÷ 8.09 7.49 0.55 6 600 7.35 ÷ 8.39 7.93 0.53 7 800 7.74 ÷ 8.91 8.28 0.59 8 1000 8.09 ÷ 9.22 8.54 0.60 71 Tại ngƣỡng cho phép về hàm lƣợng Cu 2+ trong đất nông nghiệp [5] (50mg/kg đất khô), hàm lƣợng đồng tích lũy trong rau bó xôi là 3,16 mg/kg rau tƣơi, thấp hơn ngƣỡng cho phép theo Quy định của Bộ Y tế [6] (5mg/kg) 36,8%. Khi hàm lƣợng Cu2+ trong đất tăng gấp đôi (100mg/kg đất khô), hàm lƣợng đồng tích lũy trong rau bó xôi tăng 1,67 lần (5,28ppm), vƣợt giới hạn cho phép 5,6%. Trong những nghiệm thức đầu tiên của mô hình (50; 100; 200; 300ppm), mức độ đồng tích lũy trong sinh khối cây rau bó xôi tăng mạnh; trong khi đó, ở những nghiệm thức sau (từ 400ppm trở lên), mức độ tích lũy của đồng trong rau tăng không đáng kể, mặc dù hàm lƣợng đồng trong đất tăng lên rất cao, chứng tỏ sự hấp thụ và tích lũy đồng trong rau bó xôi có một ngƣỡng giới hạn (khoảng 8,06 ppm). Mối tƣơng quan giữa hàm lƣợng đồng trong đất và trong sinh khối cây rau bó xôi có thể đƣợc biểu diễn bằng phƣơng trình: y = 1,698lnx – 2,8737 (R2 = 0,9608) với x là hàm lƣợng đồng trong đất (mg/kg đất khô), y là hàm lƣợng đồng trong rau bó xôi (mg/kg rau tƣơi). 4.2. Sự tích lũy của Pb2+ trong sinh khối cây rau bó xôi khi đƣợc trồng trên nền đất ô nhiễm Khả năng hấp thụ và tích lũy chì từ đất lên rau bó xôi đƣợc đánh giá từ kết quả của mô hình thứ hai, đƣợc biểu diễn trong Bảng 2. Kết quả nghiên cứu chứng minh khả năng hấp thụ và tích lũy chì từ đất của rau bó xôi là thấp. Khi hàm lƣợng chì trong đất ở mức giới hạn cho phép [5] (70mg/kg đất khô), hàm lƣợng chì tích lũy trong rau là 0,12 mg/kg rau tƣơi, thấp hơn giới hạn cho phép [6] (0,5mg/kg rau tƣơi) 76%. Khi hàm lƣợng chì trong đất cao gấp 4,3 lần hàm lƣợng cho phép (300ppm), hàm lƣợng chì tích lũy trong sinh khối cây rau bó xôi mới vƣợt mức cho phép 1,34 lần (0,67 mg/kg rau tƣơi). Bảng 2. Hàm lượng của Pb2+ trong đất ô nhiễm và trong sinh khối rau bó xôi STT Hàm lƣợng Pb2+ trong đất (mg/kg đất khô) Hàm lƣợng Pb2+ trong rau bó xôi (mg/kg rau tƣơi) Khoảng hàm lƣợng dao động trong các mẫu Giá trị trung bình (TB) Độ lệch chuẩn (SD) 9 70 0.11 ÷ 0.14 0.12 0.02 10 100 0.20 ÷ 0.25 0.22 0.03 11 200 0.39 ÷ 0.47 0.43 0.04 12 300 0.63 ÷ 0.73 0.67 0.05 13 400 0.82 ÷ 0.97 0.89 0.08 14 600 1.21 ÷ 1.41 1.31 0.10 15 800 1.45 ÷ 1.70 1.59 0.13 16 1000 1.89 ÷ 2.13 1.98 0.13 72 Khác với đồng, sự tích lũy của chì từ đất lên cây rau bó xôi biến thiên liên tục cùng với sự gia tăng hàm lƣợng chì trong đất. Tuy nhiên, lƣợng chì bị hấp thu và tích lũy trong rau là khá thấp. Kết quả từ mô hình chƣa xác định đƣợc ngƣỡng hấp thụ của chì từ đất lên cây rau bó xôi. Sự phụ thuộc giữa hàm lƣợng chì trong đất và hàm lƣợng chì tích lũy trong sinh khối cây rau bó xôi có thể đƣợc biểu diễn qua phƣơng trình: y = 0,002x + 0,0422 (R 2 = 0,9943), trong đó, x là hàm lƣợng chì trong đất (mg/kg đất khô), y là hàm lƣợng chì tích lũy trong rau bó xôi (mg/kg rau tƣơi). 4.3. Sự tích lũy của Zn2+ trong sinh khối cây rau bó xôi khi đƣợc trồng trên nền đất ô nhiễm Kết quả nhận đƣợc từ mô hình nghiên cứu sự hấp thu và tích lũy kẽm từ đất lên sinh khối cây rau bó xôi đƣợc trình bày trong Bảng 3. Kết quả cho thấy, tại mức giới hạn về hàm lƣợng kẽm trong đất nông nghiệp [5] (200 mg/kg), hàm lƣợng kẽm tích lũy trong rau là 10,66mg/kg, cao hơn giới hạn cho phép của Bộ Y tế [6] (10mg/kg) 6,6%. Khi tăng hàm lƣợng kẽm trong đất lên gấp đôi (400mg/kg), hàm lƣợng kẽm tích lũy trong rau tăng 1,73 lần (18,44 mg/kg rau tƣơi), vƣợt mức cho phép 1,84 lần. Nhƣ vậy, bó xôi có khả năng hấp thụ và tích lũy kẽm cao. Tƣơng tự nhƣ chì, mô hình thực nghiệm chƣa xác định đƣợc ngƣỡng giới hạn về sự hấp thụ và tích lũy kẽm từ đất lên cây rau bó xôi do hàm lƣợng kẽm trong rau biến thiên mạnh cùng với sự tăng hàm lƣợng kẽm trong đất. Mối tƣơng quan giữa hàm lƣợng kẽm trong đất và hàm lƣợng kẽm tích lũy trong sinh khối cây rau bó xôi đƣợc biểu diễn qua phƣơng trình: y = 0,0475x + 0,6393 (R 2 = 0,9981), với x là hàm lƣợng kẽm trong đất (mg/kg đất khô), y là hàm lƣợng kẽm trong rau bó xôi (mg/kg rau tƣơi). Bảng 3. Hàm lượng của Zn2+ trong đất ô nhiễm và trong sinh khối rau bó xôi STT Hàm lƣợng Zn2+ trong đất (mg/kg đất khô) Hàm lƣợng Zn2+ trong rau bó xôi (mg/kg rau tƣơi) Khoảng hàm lƣợng dao động trong các mẫu Giá trị trung bình (TB) Độ lệch chuẩn (SD) 17 100 4.91 ÷ 5.87 5.30 0.50 18 200 10.02 ÷ 11.48 10.66 0.75 19 300 13.61 ÷ 15.91 14.86 1.16 20 400 17.31 ÷ 19.82 18.44 1.27 21 600 27.92 ÷ 32.68 30.04 2.42 22 800 35.17 ÷ 41.47 38.93 3.32 23 1000 43.79 ÷ 50.34 47.79 3.51 73 Kết quả nhận đƣợc từ các mô hình nghiên cứu trên cho thấy sự khác nhau về mức độ tích lũy các ion kim loại Cu 2+ , Pb 2+ , Zn 2+ từ đất lên sinh khối cây rau bó xôi (Biểu đồ 1). Biểu đồ 1. So sánh mức độ tích lũy của các ion kim loại Cu2+, Pb2+ và Zn 2+ từ đất lên sinh khối cây rau bó xôi Nhƣ vậy, Cu2+, Pb2+, Zn2+ đều là những kim loại có khả năng tích lũy trong cây rau bó xôi, nhƣng với mức độ khác nhau. Trong ba ion kim loại đƣợc nghiên cứu, kẽm có khả năng tích lũy cao nhất, trong khi đó chì có khả năng tích lũy thấp nhất. 5. KẾT LUẬN Kết quả của nghiên cứu này cho thấy có sự tƣơng quan về hàm lƣợng ion kim loại nặng Cu2+, Pb2+, Zn2+ trong đất trồng và trong rau bó xôi; trong đó có sự khác nhau rõ rệt về mức độ hấp thu và tích lũy các ion kim loại nặng từ đất ô nhiễm lên loại rau này. Đồng đƣợc hấp thu và tích lũy có giới hạn trong cây rau bó xôi trong khi chì hấp thu và tích lũy trong rau là khá thấp và kẽm hấp thu và tích lũy trong rau lại rất cao. Tuy nhiên, đây mới chỉ là kết quả nghiên cứu trên một loại rau và trên một vùng đất chuyên canh tại Đà Lạt. Để có thể rút ra những kết luận có ý nghĩa khoa học và thực tiễn, cần tiến hành nghiên cứu về khả năng hấp thu và tích lũy kim loại nặng trong các loại rau khác nhau ở những vùng đất, loại đất bị ô nhiễm khác nhau. Chúng tôi sẽ tiếp tục công bố kết quả về hƣớng nghiên cứu này trong những công trình tiếp theo. (xem tiếp tr.86) Hàm lƣợng ion kim loại trong đất (mg/kg đất khô) Hàm lƣợng ion kim loại trong rau (mg/kg tƣơi)