Ứng dụng phần mềm aiqs-Db phân tích các hợp chất hữu cơ trong nước thải chăn nuôi lợn tại tỉnh Bắc Giang

19 ỨNG DỤNG PHẦN MỀM AIQS-DB PHÂN TÍCH CÁC HỢP CHẤT HỮU CƠ TRONG NƢỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN TẠI TỈNH BẮC GIANG Đến tòa soạn 20 - 08 - 2016 Nguyễn Thanh Thảo, Dƣơng Thị Hạnh, Lê Trung Việt Viện Công nghệ Môi trường, Viện Hàn Lâm Khoa học Việt Nam Nguyễn Quang Trung Trung tâm Đào tạo, Tư vấn và Chuyển giao Công nghệ, \Viện Hàn Lâm Khoa học Việt Nam SUMMARY APPLICATION OF AIQS-DB SOFTWARE FOR ANALYSING MULTI - ORGANIC COMPOUNDS IN PIG FARM WASTEWATERS IN BAC GIANG PROVINCE This paper present the results of micro-organic compounds in 5 pig farm wastewater samples in Viet Yen Distrit, Bac Giang province by AIQS-DB software (Automated Identification and Quantification System with a database) using gas chromatograph-mass spectrometry (GC/MS) for the analysis of 943 organic compounds. The results show that: 45/943 compounds were detected, including steroid compounds (2,6 - 1986 µg/L) , organochloride pesticide compounds (0,7 - 694,7 µg/L ) and PAHS (0,04 – 12,2 µg/L) which were found in almost of the samples analyzed. The four sterols such as cholesterol, beta-sitosterol, coprostanol, coprostanone appeared in almost of samples. AIQS-DB software was also calibrated by using surrogate standard from Kanto Chemical Co (18 compounds). Mixed- n-alkanes solution (C9-C33) was used to estimate real retention time of analysis compounds compare to retention time in database. AIQS-DB software perfectly suited to determine the qualitative and quantitative and over 943 organic compounds in livestock wastewater without the use of standards. Key words: Software AIQS-DB, livestock wasterwater, organic compounds, pollution. 1. MỞ ĐẦU Ng y nay, ng nh chăn nu i nƣ c ta đang có những ịch chuyển nhanh chóng từ chăn nu i n ng h sang chăn nu i trang tr i, c ng nghiệp Tuy nhiên, kéo theo đó l tình tr ng nhiễm m i trƣờng nƣ c Nƣ c thải chăn nu i heo l lo i nƣ c g y nhiễm n ng nhất vì nó có chứa các chất v cơ, hữu cơ, khoáng chất H m lƣợng chất hữu cơ Tạp chí phân tích Hóa, Lý và Sinh học - Tập 21, Số 4/2016 20 trong nƣ c thải chăn nu i heo chiếm từ 70- 80 %, ao gồm: protein, lipi , hy rocacbon v các ẫn xuất nhƣ cellulose, aci amin H m lƣợng các chất v cơ chiếm từ 20 -30%, ao gồm: đất, cát, ụi muối phosphate, muối nitrat, ion Cl-, SO4 2- , PO4 3-, vi khuẩn [8]. M t phƣơng pháp ph n tích đồng thời 943 hợp chất hữu cơ trong mẫu nƣ c, trầm tích đ đƣợc phát triển từ năm 2009 o giáo sƣ Ka okami, trƣờng đ i học Kytakiushu, Nhật Bản v đ đƣợc ứng ụng trong nhiều nghiên cứu về nhiễm các chất hữu cơ trong m i trƣờng t i nhiều nƣ c nhƣ Nhật, Trung Quốc, Austria, Việt Nam [3;4;5;7 Nghiên cứu n y đ ứng ụng phƣơng pháp ph n tích n y để ph n tích các mẫu nƣ c thải chăn nu i lợn 2. HÓA CHẤT, THIẾT BỊ, PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH 2.1. Hóa chất - Các hoá chất: n-hexan, aceton, diclomethan của hãng JT. Baker, USA và muối NaCl, Na2SO4, NaH2PO4, Na2HPO4 (nung 700 0C, 4h) của hãng Merck; Dung dịch nội chuẩn (Internal Standard mixtrue) bao gồm 08 chất (4-Chlorotoluene; 1,4-Dichlorobenzen- d4; Naphathalene; Acenaphthanene-d10; Phenantherene- d10; Fluoranthene- d10; Chrysene- d12; Perylene- d12); Dung dịch chuẩn kiểm soát: n-alkanes (C9 – C33) dùng để xác định thời gian lưu (1ppm); Dung dịch chuẩn đồng hành (surrogate compound): dung dịch 18 chất (1ppm) có trong cơ sở dữ liệu phần mềm AIQS-DB . 2.2. Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm Cân phân tích độ chính xác đến 10-4g, máy siêu âm ultrasonic. Hệ chiết mẫu lỏng tự động Shaker A - 300. Hệ thống cất quay chân không Buchi R - 200 với hệ điều khiển V-800. Bộ thổi khí N2. Thiết bị sắc ký khí GC/MS-QP 2010, Shimadzu, một số dụng cụ thủy tinh khác. 2.3. Quy trình xử lý mẫu [1;6] Mẫu nước được để đến nhiệt độ phòng trước khi phân tích. Lấy 500mL mẫu nước cho vào phễu chiết dung tích 1L, thêm 30 g muối NaCl vào để tăng khả năng phân tách giữa pha nước và pha dung môi. Thêm 1 ml dung dịch đệm photphat (nồng độ 1M, pH 7) và 100µl dung dịch chuẩn đồng hành có nồng độ 10µg/Ml vào bình chiết. Tiến hành chiết mẫu 3 lần bằng dung môi dichloromethane với thể tích dung môi lần lượt là 100ml, 50ml, 50ml. Sau khi chiết, dịch chiết được loại nước bằng cách cho chảy qua phễu thủy tinh chứa muối Na2SO4 khan (10g). Sau loại nước, dịch chiết được cô đặc về 2-3ml bằng máy cất quay chân không. Chuyển dung môi bằng cách thêm 10 ml n hexan vào dịch chiết, sau đó cô về 5ml. Quy trình này được lặp lại 2 lần. Dịch chiết cuối cùng được làm giàu chính xác về 1ml sử dụng dòng khí N2. Sau đó thêm 100 µl dung dịch nội chuẩn có nồng độ 10µg/mL. Tiến hành đo mẫu trên thiết bị GC/MS và xử lý kết quả phân tích trên phần mềm AIQS-DB. 21 2.4. Điều kiện phân tích tối ưu trên GCMS C t mao quản DB5–MS, Agilent Chƣơng trình l : Nhiệt đ an đầu 40oC giữ trong 2 ph t Tăng đến 310oC v i tốc đ 8oC/ph t giữ trong 4 ph t Tổng thời gian ph n tích l 39 75 ph t Áp suất c t l : 71,4kPa; Nhiệt đ cổng ơm: 250oC; Nhiệt đ c t : 40oC, Thể tích mẫu ơm v o:1 uL; dung môi hexan Chế đ ơm : kh ng chia ng (splitless); Tốc đ khí mang: 1,2mL/ph t Nhiệt đ ion source: 200oC; Nhiệt đ Interface: 300oC; Khí mang: He; Solvent cut time :6 phút Ionization method: EI Tuning method: EPA method 625; Scan range: 33 amu to 600 amu; Scan rate: 0.35 s/scan 2.5. Kiểm soát chất lượng Đ chính xác của m i mẫu ph n tích đƣợc kiểm tra ằng đ thu hồi của 38 chất chuẩn đồng h nh, l các chất đƣợc chọn để đ i iện cho những nhóm chất chính trong tổng số 940 chất trong phần mềm Đ thu hồi 38 chất đ t từ 68-130% v i đ lệch chuẩn tƣơng đối <22% cho hầu hết các chất, ngo i trừ m t số các chất kh ng ph n cực cao nhƣ phenol v amine l những chất khó chiết v i icloromethane Mẫu trắng đƣợc sử ụng để kiểm soát sự nhiễm ẩn của mẫu 2.6. Địa điểm và số lượng mẫu 05 mẫu nƣ c thải sau hệ thống xử lý đƣợc lấy từ 05 cơ sở chăn nu i lợn trên địa n huyện Việt Yên, tỉnh Bắc Giang Các mẫu đƣợc lấy v o tháng 11/2015 Mẫu sau khi lấy đƣợc ảo quản l nh theo TCVN 6663-1:201 v đƣợc chuyển về phòng phân tích trong v ng 5 ng y Gồm các cơ sở : N1: Cơ sở chăn nu i lợn của ng H Chuẩn Chinh; N2: Cơ sở chăn nu i lợn của ng Nguyễn Văn Nguyệt; N3: Cơ sở chăn nu i lợn của ng Chu Bá Thơ; N4: Cơ sở chăn nu i lợn của B Vũ Thị Oanh; N5: Cơ sở chăn nu i lợn của ng Nguyễn Trung Kiên 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Đ phát hiện v định lƣợng 45 các hợp chất hữu cơ trong 5 mẫu trên tổng số 943 hợp chất trong phần mềm AIQS-DB Các nhóm chất chính phát hiện gồm có: PAHs, sterols, thuốc trừ s u Trong 3 nhóm chất chính đƣợc phát hiện, thì Sterols l nhóm chất có tần suất xuất hiện nhiều v v i nồng đ l n ở trong các mẫu Tiếp theo đó l PAHs v m t số thuốc ảo vệ thực vật Các Sterols thƣờng đƣợc tìm thấy trong m i trƣờng gồm có cholesterol, cholestanol, coprostanol, epicoposanol v phytosterol Các chất n y chủ yếu đƣợc tìm thấy trong các sinh vật ph u v ng cửa s ng, thực vật c n v trong nƣ c thải Sterols có nguồn gốc từ ph n của đ ng vật máu nóng nhƣ ngƣời, , g , lợn, mèo, chim [2 Ô nhiễm sterols đang l m t vấn đề đáng lo ng i của các nƣ c t i khu vực nhiệt đ i Ch u Á, khi m n số tăng nhanh m kh ng thiết lập đƣợc hệ thống quản lý nƣ c thải ph hợp Trong các mẫu nghiên cứu phát hiện thấy cholesterol, Coprostanol l 2 chất xuất 22 hiện v i tần suất 100% trong các mẫu v i nồng đ ao đ ng từ 12,4-1986 µg/L và 5,43- 1572 µg/L Các sterols khác đƣợc tìm thấy gồm: Epicoprostanol, Cholestanol, Campesterol, Stigmasterol, beta-Sitosterol v i nồng đ ao đ ng từ 2,61 -499 µg/L. Nồng đ các sterols cao trong các mẫu nghiên cứu chứng tỏ nƣ c thải sinh ho t kh ng đƣợc xử lý m đổ th ng trực tiếp ra ngo i m i trƣờng Nồng đ các chất sterols trong các mẫu đƣợc thể hiện chi tiết trong ảng 1 Các hợp chất PAHs phát hiện đƣợc gồm có: Naphthalene, 2-Methylnaphthalene, 1- Methylnaphthalene, Phenanthrene, 2,6-Dimethylnaphthalene, 1,3-Dimethylnaphthalene, Anthracene, Pyrene Nồng đ chi tiết các chất PAHs đƣợc thể hiện trong ảng 2 Nồng đ PAHs cao nhất t i mẫu N3 (32,2 µg/L) 2-Methylnaphthalene l nguyên liệu để tổng hợp vitamin K3 Do đó nó có thể có trong thuốc th y m các trang tr i chăn nu i sử ụng để chữa ệnh cho gia cầm Ngo i ra, m t số mẫu có sự xuất hiện của hóa chất ảo vệ thực vật cơ clo (DDT, DDE, DDD), thuốc iệt c n tr ng, chống mọt (pyrethrin) v car amate Nồng đ cao của nhóm hóa chất ảo vệ thực vật n y đƣợc phát hiện t i mẫu N5 v i nồng đ của pyrethrin lên đến 450 µg/L Sự có m t của pyrethrin v i nồng đ cao t i mẫu nƣ c thải n y có thể o hóa chất n y đƣợc sử ụng v i mục đích ảo quản, chống nấm mốc, mối mọt trong thức ăn gia s c 04 mẫu c n l i kh ng thấy sự xuất hiện pyrethrin trong mẫu Các hóa chất ảo vệ thực vật nhóm cơ clo cũng đƣợc phát hiện 4/5 mẫu nghiên cứu Đồng ph n của DDT đƣợc phát hiện t i mẫu v i tần suất 4/5 mẫu Đ c iệt nồng đ cao đƣợc phát hiện ở mẫu N4 v i nồng đ lên đến 695 µg/L DDT v đồng ph n của ch ng đ ị cấm sử ụng t i Việt Nam hơn 20 năm trƣ c nhƣng vẫn đƣợc phát hiện t i trầm tích s ng t i H N i v Hồ Chí Minh [9 v trong mẫu nƣ c thải chăn nu i t i nghiên cứu n y Điều n y có thể o DDT đ đƣợc sử ụng từ nguồn cung cấp DDT kh ng hợp pháp cho mục đích iệt mu i t i các tr i chăn nu i Tuy nhiên yêu cầu về nƣ c thải trong chăn nu i QCVN 01-99:2012/BNNPTNT cũng chỉ quy định các chỉ tiêu v cơ m chƣa quan t m đến sự phát thải của các chất hữu cơ trong nguồn thải M t số các hợp chất khác phát hiện đƣợc trong các mẫu nhƣ: Bis(2-ethylhexyl)phthalate, Dicyclohexyl phthalate có nguồn gốc từ nhựa; cis-5,8,11,14,17-Eicosapentaenoic acid, methyl ester, cis-8,11,14-Eicosatrienoic aci methyl ester hay m t số các chất hữu cơ khác nhƣ Bis(2-ethylhexyl) sebacate, Spirodiclofen, Di(2-ethylhexyl)a ipate, Methyl palmitate, Anthracene Bảng 1: Nồng độ các sterols trong các mẫu nước ( µg/L) N1 N2 N3 N4 N5 Coprostanol 27,0 5,43 1572 1217 17,6 Epicoprostanol 19,7 7,78 - - - Cholesterol 12,4 21,1 1986 1858 12,7 Cholestanol 15,1 - 499 246 19,3 Campesterol 2,61 - - - - Stigmasterol 8,09 2,91 154 - - beta-Sitosterol - 18,8 1582 - - 23 Bảng 2: Nồng độ các chất PAHs phát hiện trong các mẫu (µg/L) N1 N2 N3 N4 N5 Naphthalene 0,43 0,43 7,13 4,57 - 2-Methylnaphthalene - 0,19 - - - 1-Methylnaphthalene - 0,09 - - - Phenanthrene - 0,04 0,86 1,63 0,17 2,6-Dimethylnaphthalene - - 10,9 - - 1,3-Dimethylnaphthalene - - 12,1 - - Anthracene - - 0,89 - 0,17 Pyrene - - 0,33 - - Bảng 3: Nồng độ thuốc trừ sâu có trong nước thải chăn nuôi lợn (µg/L) N1 N2 N3 N4 N5 Aldoxycarb (deg) - - - - 5,10 Propamocarb - - - - 0,88 p,p'-DDE - - - - 1,31 o,p'-DDD - - - 8,21 - Pyrethrin 2 - - - - 88,4 Pyrethrin 3 - - - - 450 p,p'-DDT - 0,77 30,9 694,7 1,48 o,p'-DDT - - - 159 - Pyrethrin 4 - - - - 324 Pyridaben - - - - 1,11 Bảng 4: Tổng nồng độ các nhóm hợp chất khác phát hiện trong các mẫu nước (µg/L) N3 N4 N5 2,6-Di-tert-butyl-4-benzoquinone 15,10 33.24 Di(2-ethylhexyl)adipate 13.25 Bis(2-ethylhexyl) sebacate 32.7 14.0 2.05 2(3H)-Benzothiazolone 31.564 Methyl myristate 3.08 0.37 3,5-di-tert-Butyl-4-hydroxybenzaldehyde 8.43 1.28 Oleic acid methyl ester 6.99 Linoleic acid methyl ester 2.52 Bis(2-ethylhexyl) sebacate 1,2,5,6,9,10-Hexabromocyclododecane 11.37 Spiroxamine 1 1.78 Methyl palmitate 5.23 Dimethametryn 43.31 Flamprop-methyl 0.59 cis-5,8,11,14,17-Eicosapentaenoic acid, methyl ester 22.48 cis-8,11,14-Eicosatrienoic acid methyl ester 26.75 cis-11,14,17-Eicosatrienoic acid methyl ester 77.81 Di(2-ethylhexyl)adipate 1.74 Dicyclohexyl phthalate 57.88 Bis(2-ethylhexyl)phthalate 81.63 Spirodiclofen 3.43 24 4. KẾT LUẬN V i kết quả nghiên cứu ƣ c đầu cho 05 mẫu nƣ c thải chăn nu i thu đƣợc t i địa n huyện Việt Yên, tỉnh Bắc Giang cho thấy tất cả các mẫu đều ị nhiễm ởi các hợp chất hữu cơ, đ c iệt l nhóm chất sterols, PAHs v thuốc ảo vệ thực vật Tuy nhiên việc điều tra, khảo sát v đánh giá sự hiện iện v mức đ nhiếm các hợp chất n y c n rất h n chế, điều đó thể hiện rất nhiều hợp chất hữu cơ kh ng đƣợc qui định trong các qui chuẩn nƣ c thải chăn nu i Việt Nam Phần mềm cơ sở ữ liệu AIQS-DB ứng ụng cho phan tích 943 hợp chất hữu cơ l th nh c ng l n, gi p cho có thể phát hiện đồng thời, hầu hết các hợp chất hữu cơ có m t trong mẫu nƣ c m kh ng cần các chất chuẩn đi kèm, thời gian ph n tích ngắn, đ nh y v đ chính xác cao, h trợ cho việc xác định nguyên nh n của sự cố nhiễm m i trƣờng trong trƣờng hợp khẩn cấp V i các ƣu điểm trên, phần mềm cơ sở ữ liệu AIQS-DB ng ph n tích các hợp chất hữu cơ có m t trong m i trƣờng nƣ c, trầm tích v chất thải rắn cần đƣợc gi i thiệu v áp ụng r ng r i ở Việt Nam TÀI LIỆU THAM KHẢO 1- Lingxiao Kong, Kiwao Kadokami , Shaopo Wang , Hanh Thi Duong , Hong Thi Cam Chau (2015) Monitoring of 1300 organic micro-pollutants in surface waters from Tianjin, North China; Chemosphere 122 (2015) 125–130 2- Leeming,R., Ball,A., Ashbolt, N., Nichols. P.(1996). Using faecal sterol from humans and animals to distinguish faecal pollution in receiving water. Water Research., 30,2893-2900. 3- Kiwao Kadokami, Xuehua Li, Shuangye Pan, Naoko Ueda, Kenichiro Hamada, Daisuke Jinya, Tomomi Iwamura (2013); Screening analysis of hundreds of sediment pollutants and evaluation of their effects on benthic organisms in Dokai Bay, Japan; Chemosphere, Volume 90, Issue 2, Pages 721-728 4- Hanh Thi Duong, Kiwao Kadokami, Shuangye Pan, Naoki Matsuura, Trung Quang Nguyen(2014) Screening and analysis of 940 organic micro-pollutants in river sediments in Vietnam using an automated identification and quantification database system for GC– MS; Chemosphere, Volume 107, July 2014, Pages 462-472. 5- Kiwao Kadokami, Xuehua Li, Shuangye Pan, Naoko Ueda, Kenichiro Hamada, Daisuke Jinya, Tomomi Iwamura (2013); Screening analysis of hundreds of sediment pollutants and evaluation of their effects on benthic organisms in Dokai Bay, Japan; Chemosphere, Volume 90, Issue 2, Pages 721-728 6- D.T.Hanh, N. Matsuuraa and N.Q.Trung(2013). Screening analysis of a thousand micro- pollutant in Vietnamese rivers, Southeast Asian Water Environment 5, 195-202. 7- Santos, E S Careira, R S an Knopper, BA(2008) Sedimentary sterols as indicators of environmental conditions in southereasten guanabara bay, Barasil. Brazilian Journal of Oceanography. 56(2), 97-113. 8- Từ Thị H nh(2013), Xử lý chất thải trong chăn nuôi heo; Cổng th ng tin điện tử, Khoa học v C ng nghệ Bình Phƣ c, ng y 15/11/2013 9- Viện c ng nghệ m i trƣờng (2015), hồ sơ nghiệm thu nhiệm vụ “ Phát triển phương pháp đánh giá toàn diện ruỉ ro hóa chất trong môi trường tại Việt Nam”; VAST- HTQT.NHAT.01/2012-2014.