ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

TRẦN THỊ PHẢ

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP THỤ MỘT SỐ
KIM LOẠI NẶNG (As, Pb, Cd, Zn) TRONG ĐẤT CỦA
CÂY SẬY (Phragmites australis) VÀ ỨNG DỤNG XỬ LÝ
ĐẤT BỊ Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG SAU KHAI THÁC
KHOÁNG SẢN TẠI TỈNH THÁI NGUYÊN
CHUYÊN NGÀNH: MÔI TRƢỜNG ĐẤT VÀ NƢỚC
MÃ SỐ: 62440303

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. Đặng Văn Minh
PGS.TS. Lê Đức

Hà Nội, 2014


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của tôi, có sự hỗ trợ từ
giảng viên hướng dẫn là PGS.TS Đặng Văn Minh và PGS.TS Lê Đức. Các nội
dung nghiên cứu và kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất cứ công trình nghiên cứu nào trước đây. Nếu phát hiện có bất
kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước Hội đồng, cũng như
kết quả luận án của mình.

Tác giả luận án


Trần Thị Phả

iii


MỤC LỤC
MỤC LỤC .................................................................................................................. 1
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................ 7
DANH MỤC CÁC BẢNG ......................................................................................... 8
DANH MỤC CÁC HÌNH ........................................................................................ 12
MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 14
1. Đặt vấn đề ............................................................................................................. 14
2. Mục tiêu ................................................................................................................ 16
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ................................................................ 16
4. Những đóng góp mới của đề tài ............................................................................. 17
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU ................................................................. 18
1.1. Ô nhiễm kim loại nặng trong đất ......................................................................... 18
1.1.1. Khái niệm ô nhiễm kim loại nặng ..................................................................... 18
1.1.2. Các nguồn gây ô nhiễm KLN trong đất ............................................................ 19
1.1.2.1. Nguồn gốc tự nhiên ....................................................................................... 19
1.1.2.2. Nguồn gốc nhân tạo ...................................................................................... 20
1.1.3. Sự tồn tại và chuyển hóa kim loại nặng trong đất............................................. 20
1.1.3.1. Sự tồn tại và chuyển hóa của nguyên tố asen (As) trong đất .......................... 21
1.1.3.2. Sự tồn tại và chuyển hóa của nguyên tố cadimi (Cd) trong đất ...................... 23
1.1.3.3. Sự tồn tại và chuyển hóa của nguyên tố chì (Pb) trong đất ............................ 24
1.1.3.4. Sự tồn tại và chuyển hóa của nguyên tố kẽm (Zn) trong đất ......................... 25
1.1.4. Đất ô nhiễm kim loại nặng do khai thác khoáng sản ........................................ 26
1.1.5. Tiêu chuẩn đánh giá đất ô nhiễm kim loại nặng ............................................... 30

1

1.2.7. Một số kết quả nghiên cứu khả năng hấp thụ kim loại nặng bằng thực vật trên
thế giới và Việt Nam .......................................................................................... 48
1.2.7.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ................................................................ 48
1.2.7.2. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam .................................................................. 52
1.2.7.3. Một số loài thực vật có khả năng tích tụ kim loại nặng cao phân bố trên
một số vùng khai thác khoáng sản tại Thái Nguyên ......................................... 53
1.3. Tổng quan về cây sậy và những ứng dụng trong BVMT đất................................ 58
1.3.1. Giới thiệu về cây sậy ........................................................................................ 58
1.3.2. Đặc điểm hình thái ........................................................................................... 59
1.3.3. Đặc điểm sinh thái cây sậy................................................................................ 60
1.3.4. Ứng dụng của cây sậy trong cải tạo môi trường ............................................... 64
CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN
CỨU ............................................................................................................... 69
2.1. Đối tượng nghiên cứu........................................................................................... 69
2.2. Nội dung nghiên cứu............................................................................................. 69
2.3. Phương pháp nghiên cứu và chỉ tiêu theo dõi ...................................................... 70
2.3.1. Phương pháp điều tra thu thập tài liệu .............................................................. 70
2.3.2. Phương pháp lấy mẫu và bảo quản mẫu ........................................................... 70
2.3.3. Phương pháp lập ô tiêu chuẩn (OTC) ........................................................... 76
2.3.4. Phương pháp bố trí thí nghiệm và các chỉ tiêu theo dõi .................................... 76
2.3.4.1. Thí nghiệm trong chậu ở nhà lưới ................................................................. 76
2.3.4.2. Thử nghiệm ngoài thực địa ........................................................................... 79
2.3.4.3. Các chỉ tiêu theo dõi ..................................................................................... 80
2.3.5. Các phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm ........................................ 80
2.3.6. Phương pháp xử lý số liệu ................................................................................ 82

3


CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ................................. 83

lượng kim loại nặng trong đất và hàm lượng chất hữu cơ (OM) trong đất ......... 103
3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến khả năng sinh trưởng và hấp thụ kim
loại nặng của cây sậy ..................................................................................... 106
3.2.1 Đánh giá khả năng tích lũy KLN của cây sậy trong môi trường pH khác
nhau .............................................................................................................. 106
3.2.2. Đánh giá khả năng xử lý KLN trong đất của cây sậy ở môi trường pH khác
nhau .............................................................................................................. 110
3.2.2.1. Đánh giá khả năng xử lý KLN tổng số trong đất của cây sậy ......................... 110
3.2.2.2. Đánh giá khả năng xử lý KLN di động trong đất của cây sậy ........................ 112
3.3. Khả năng hấp thụ KLN của cây sậy trong các môi trường đất với hàm
lượng KLN khác nhau ................................................................................... 114
3.3.1. Đánh giá khả năng sinh trưởng, phát triển của cây sậy trong các môi
trường đất với hàm lượng kim loại nặng khác nhau ....................................... 114
3.3.1.1. Kết quả theo dõi chiều cao cây sậy ............................................................. 114
3.3.1.2. Kết quả theo dõi chiều dài lá cây sậy .......................................................... 118
3.3.1.3. Kết quả theo dõi số cây tăng thêm trong quá trình thí nghiệm ..................... 121
3.3.1.4. Kết quả theo dõi chiều dài rễ của cây sậy ................................................... 125
3.3.2. Khả năng hấp thụ kim loại nặng của cây sậy trong các môi trường đất
khác nhau ...................................................................................................... 127
3.3.3 Đánh giá khả năng xử lý KLN của cây sậy trong môi trường đất với hàm
lượng KLN khác nhau.................................................................................... 131
3.3.3.1. Đánh giá khả năng xử lý KLN tổng số của cây sậy trong môi trường đất
với hàm lượng KLN khác nhau ...................................................................... 131
3.3.3.2. Đánh giá khả năng xử lý KLN di động của cây sậy trong môi trường
đất với hàm lượng KLN khác nhau ................................................................ 134

5


3.4. Nghiên cứu khả năng hấp thụ kim loại nặng của cây sậy để xử lý đất ô

BVTV

: Bảo vệ thực vật

BVMT

: Bảo vệ môi trường

CEC

: Dung tích trao đổi cation của đất
(Cation exchange capacity)

Cs

: Cộng sự

CT

: Công thức

ĐVC

: Đơn vị Cacbon

HT

: Hà Thượng

KH

: Số thứ tự

TCVN

: Tiêu chuẩn Việt Nam

7


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Thành phần kim loại vết trong một số khoáng vật điển hình............ 19
Bảng 1.2: Khả năng linh động của một số nguyên tố KLN trong đất ............... 21
Bảng 1.3: Hàm lượng KLN trong một số loại đất ở khu mỏ hoang Songcheon ......... 27
Bảng 1.4: Hàm lượng KLN trong chất thải của một số mỏ vàng điển
hình ở Úc .......................................................................................... 28
Bảng 1.5: Mức độ ô nhiễm KLN ở Anh .......................................................... 30
Bảng 1.6: Đánh giá mức ô nhiễm kim loại trong đất ở Hà Lan ........................ 31
Bảng 1.7: Hàm lượng tối đa cho phép của các KLN được xem là độc đối
với thực vật trong đất nông nghiệp ................................................... 31
Bảng 1.8: Đánh giá ô nhiễm đất mặt bởi các KLN ở Ba Lan ........................... 32
Bảng 1.9: Giới hạn tối đa cho phép hàm lượng tổng số đối với As, Cd,
Cu, Pb và Zn trong đất (tầng đất mặt) ............................................... 33
Bảng 1.10: Một số loài thực vật có khả năng tích luỹ kim loại nặng cao ......... 37
Bảng 1.11. So sánh chi phí xử lý KLN trong đất của các công nghệ khác
nhau ......................................................................................................... 41
Bảng 1.13: So sánh tính chống chịu kim loại nặng của cỏ vetiver và các
loài cỏ khác ...................................................................................... 55

8


Bảng 3.11: Khả năng xử lý As, Pb, Cd và Zn tổng số trong đất của cây
sậy ở môi trường có pH khác nhau ................................................. 111
Bảng 3.12. Khả năng xử lý As, Pb, Cd và Zn di động trong đất của cây
sậy ở môi trường có pH khác nhau ................................................. 112
Bảng 3.13: Kết quả theo dõi chiều cao cây sậy trong môi trường đất có
hàm lượng kim loại nặng khác nhau .............................................. 116
Bảng 3.14: Kết quả theo dõi chiều dài lá cây sậy trong môi trường đất khác
nhau ................................................................................................ 120
Bảng 3.15: Kết quả theo dõi số cây con của cây sậy trong môi trường đất
khác nhau ....................................................................................... 123
Bảng 3.16: Kết quả theo dõi chiều dài rễ của cây sậy trong môi trường
đất bị ô nhiễm ................................................................................. 125
Bảng 3.17: Hàm lượng KLN tích lũy ở thân + lá và rễ của cây sậy ............... 128
Bảng 3.18: Khả năng xử lý kim loại nặng tổng số trong đất của cây sậy ở
môi trường đất khác nhau ............................................................... 132
Bảng 3.19: Khả năng xử lý As, Pb, Cd và Zn di động trong đất của cây
sậy ở môi trường đất có hàm lượng khác nhau ............................... 134
Bảng 3.20 : Sự biến động về chiều cao cây sậy trong thời gian thí nghiệm tại
các bãi thải ............................................................................................ 141
Bảng 3.21: Sự biến động về chiều dài lá cây sậy trong thời gian nghiên
cứu tại các bãi thải .......................................................................... 143
Bảng 3.22: Chiều dài rễ cây sau khi trồng 4 và 8 tháng tại các bãi thải .......... 145

10


Bảng 3.23 : Hàm lượng As, Pb, Cd và Zn tích lũy trong thân + lá và rễ
của cây sậy tại mỏ thiếc Hà Thượng sau 4 tháng và 8 tháng ........... 147
Bảng 3.24: Hàm lượng As, Pb, Cd và Zn tích lũy trong thân + lá và rễ
của cây sậy tại mỏ sắt Trại Cau sau 4 tháng và 8 tháng .................. 151

trong 8 tháng nghiên cứu .............................................................. 117
Hình 3.10: Ảnh hưởng của KLN đến sự biến động về chiều dài lá cây
sậy trong thời gian 8 tháng nghiên cứu ......................................... 121
Hình 3.11: Ảnh hưởng của KLN đến sự biến động về số cây con của
cây sậy trong thời gian 8 tháng nghiên cứu .................................. 124
Hình 3.12: Ảnh hưởng của KLN đến sự biến động về chiều dài rễ của
cây sậy trong thời gian 8 tháng nghiên cứu .................................. 126
Hình 3.13: Hàm lượng kim loại nặng tích lũy trong cây sậy sau 4 tháng
trồng ................................................................................................... 129

12


Hình 3.14: Hàm lượng kim loại nặng tích lũy trong cây sậy sau 8 tháng trồng ........ 130
Hình 3.15. Tương quan giữa hàm lượng KLN trong đất và hàm lượng
KLN tích lũy trong các bộ phận của cây sậy sau trồng 8 tháng ............. 133
Hình 3.16: Khả năng xử lý KLN tổng số của cây sậy ở môi trường đất
có hàm lượng khác nhau ............................................................... 135
Hình 3.17: Biến động hàm lượng As di động trong đất. ............................... 136
Hình 3.18. Biến động hàm lượng Pb di động trong đất ................................ 137
Hình 3.19. Biến động hàm lượng Cd di động trong đất ............................... 138
Hình 3.20: Biến động hàm lượng Zn di động trong đất ................................ 142
Hình 3.21: Sự biến động về chiều cao cây sậy trong thời gian thí
nghiệm tại đồng ruộng .................................................................. 142
Hình 3.22: Sự biến động về chiều dài lá cây sậy sậy trong thời gian thí
nghiệm tại đồng ruộng .................................................................. 145
Hình 3.23: Biểu đồ thể hiện chiều dài rễ sau 4 tháng và 8 tháng .................. 148
Hình 3.24. Hàm lượng As, Pb, Cd, Zn tích lũy trong sậy sau 4 tháng
rồng tại mỏ thiếc Hà Thượng ........................................................ 149
Hình 3.25: Hàm lượng As, Pb, Cd, Zn tích lũy trong sậy sau 8 tháng trồng ...... 152

Đây là hiện trạng chung của nhiều tỉnh đang có cơ sở khai thác trên cả
nước cũng như ở Thái Nguyên. Tình hình khai thác khoáng sản ở tỉnh Thái
Nguyên trong những năm qua cho thấy, số lượng và sản lượng mỏ khoáng sản
được đưa vào khai thác ngày càng tăng. Đây cũng là một trong những ngành
chiếm dụng diện tích đất sử dụng lớn. Vì vậy ô nhiễm đất là không thể tránh
khỏi, có những khu vực đã bị ô nhiễm nghiêm trọng không còn khả năng canh
tác. Một số nguyên tố vết và siêu vết có tính độc hại tích luỹ trong nông sản,
từ đó gây tác hại nghiêm trọng đối với động, thực vật và con người. Qua đó
vấn đề cần được quan tâm trong hoạt động khai thác khoáng sản là những giải
pháp khắc phục, đặc biệt là các giải pháp hiệu quả để khắc phục diện tích đất
bị ô nhiễm sau khai thác.

14


Nguồn gốc và sự xuất hiện các chất nguy hại với môi trường sống do
khai thác mỏ là rất phức tạp và kinh phí cho sự phục hồi là rất cao. Vì vậy,
khắc phục ô nhiêm môi trường đất do hoạt động khai thác khoáng sản hiện
nay còn gặp rất nhiều khó khăn [72,139]. Các phương pháp, công nghệ xử lý
truyền thống đã được áp dụng bao gồm rửa đất, bê tông hóa, sử dụng các phản
ứng oxy hóa, cố định tại chỗ,...[ 63]. Tuy nhiên, các phương pháp này đều có
chi phí cao, chỉ phù hợp với quy mô nhỏ, trong khi tình trạng ô nhiễm đất do
khai thác khoáng sản lại xảy ra trên diện rộng, chất ô nhiễm lại phân tán trong
môi trường đất, không những thế một số phương pháp còn có thể gây nên hiện
tượng ô nhiễm thứ sinh ... Vì vậy, cần phải lựa chọn một phương pháp xử lý
KLN trong đất sao cho vừa hiệu quả, vừa dễ thực hiện, chi phí thấp mà lại
thân thiện với môi trường.
Từ những năm 1990, phương pháp sử dụng thực vật để xử lý ô nhiễm
đã được giới thiệu như là loại công nghệ thương mại. Công nghệ này được
đánh giá là có nhiều ưu điểm nổi trội: dễ thực hiện, không đòi hỏi trình độ kỹ

3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Khẳng định khả năng chống chịu và khả năng hút thu kim loại nặng của
cây sậy, làm cơ sở lý luận cho những nghiên cứu tiếp theo.
- Thành công của đề tài sẽ góp phần giải quyết tình trạng ô nhiễm môi
trường đất, nước tại huyện Đại Từ, huyện Đồng Hỷ, tỉnh Thái Nguyên.
- Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể được áp dụng vào thực tế để xử lý
những vùng đất bị ô nhiễm kim loại nặng, đặc biệt những vùng đất bị ô nhiễm
do khai thác khoáng sản.

16


4. Những đóng góp mới của đề tài
- Xác định được khả năng hấp thụ KLN của cây sậy dưới tác động của
một số yếu tố môi trường: pH và nồng độ các KLN trong đất tại Việt Nam.
- Ứng dụng thành công việc sử dụng cây sậy bản địa để xử lý KLN
trong đất sau khai thác khoáng sản ở ngoài hiện trường tại Thái Nguyên.

17


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Ô nhiễm kim loại nặng trong đất
1.1.1. Khái niệm ô nhiễm kim loại nặng
Thuật ngữ “Kim loại nặng” được từ điển hóa học định nghĩa là các
kim loại có tỷ trọng lớn hơn 5. Đối với các nhà độc tố học, thuật ngữ “kim
loại nặng” chủ yếu dùng để chỉ các kim loại có nguy cơ gây nên các vấn đề
môi trường bao gồm: Cu, Zn, Pb, Hg, Ni, Mn, Cr, Fe, Mn, Ti, Fe, Ag, Sn
(Rainbow, 1985, Hopkin, 1989; Bryan & Langston, 1992). Ngoài ra, các phi
kim như As và Se cũng được xem là các KLN [44].

sức khỏe cộng đồng trong xã hội công nghiệp ngày nay [149].
1.1.2. Các nguồn gây ô nhiễm KLN trong đất
1.1.2.1. Nguồn gốc tự nhiên
Trong các khoáng vật hình thành nên đất thường chứa một hàm lượng
nhất định kim loại nặng, trong điều kiện bình thường một số KLN là những
nguyên tố vi lượng không thể thiếu cho cây trồng và sinh vật đất. Tuy
nhiên, trong một số điều kiện đặc biệt chúng vượt một giới hạn nhất định và
trở thành chất ô nhiễm.
Bảng 1.1: Thành phần kim loại vết trong một số khoáng vật điển hình
Trạng thái
phong hoá

Khoáng vật

Hiện diện

Olivine
Anorthite

Đá macma

Augite
Dễ bị phong
hoá

Hornblende
Albite
Biotit
Orthoclase
Muscovite


Nguồn: Trích theo Lê Đức, Trần Khắc Hiệp 2006[11] .

19


1.1.2.2. Nguồn gốc nhân tạo
Đây là nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường đất trên phạm vi toàn thế
giới cũng như ở Việt Nam.
+ Ô nhiễm do chất thải công nghiệp
Các hoạt động công nghiệp rất phong phú và đa dạng, chúng có thể là
nguồn gây ô nhiễm đất một cách trực tiếp hoặc gián tiếp. Quá trình phát triển
công nghiệp và đô thị cũng ảnh hưởng đến tính chất lý và hóa học đất.
Những tác động về vật lý đất như: gây xói mòn, nén chặt và phá hủy cấu
trúc đất do kết quả của các hoạt động xây dựng, sản xuất khai thác mỏ.
Những tác động về hóa học như: các chất thải rắn, lỏng và khí tác động đến
đất.
+ Ô nhiễm đất do chất thải nông nghiệp
Sử dụng phân bón và thuốc BVTV có hai mặt của một vấn đề : tích
cực và tiêu cực. Tích cực là góp phần nâng cao năng suất và sản lượng nông
sản; tiêu cực là gây ô nhiễm môi trường. Trong phân bón và thuốc bảo vệ thực
vật (BVTV) thường có sẵn kim loại nặng và chất khó phân hủy, khi tích lũy
đến một giới hạn nhất định, chúng sẽ thành chất ô nhiễm.
1.1.3. Sự tồn tại và chuyển hóa kim loại nặng trong đất
Trong đất, các kim loại độc hại có thể tồn tại dưới nhiều dạng khác
nhau, liên kết với các hợp chất hữu cơ, vô cơ hoặc tạo thành các chất phức
hợp (chelat). Khả năng dễ tiêu của chúng đối với thực vật phụ thuộc vào
nhiều yếu tố như: pH, dung tích trao đổi cation (CEC) và sự phụ thuộc lẫn
nhau vào các kim loại khác. Ở đất có CEC cao, chúng bị giữ lại nhiều trên
các phức hệ hấp phụ. Nhìn chung, KLN có khả năng linh động lớn ở đất

-

-

Trung bình

Hg, As, Cd

As, Cd

As, Cd

-

Thấp

Pb, As, Sb,

Pb, Bi, Sb, Ti

Pb, Bi, Sb,

-

Te
Ti
-

Te


hai chất sau là 5,7.10-21, do đó chất đầu độc hại hơn hai chất sau. Bởi vậy, nếu
ta bón các muối sunphat sắt nhôm (phèn chua) vào đất bị ô nhiễm As thì As
có thể được giải độc dần dần do nguyên nhân nói trên [13].
Trong nước tự nhiên, As tồn tại chủ yếu ở 2 dạng hợp chất vô cơ là
asenat (As+5), asenit (As+3). As+5 là dạng tồn tại chủ yếu của As trong nước bề
mặt và As+3 là dạng chủ yếu của As trong nước ngầm. Trong môi trường

21


trung tính, As+5 tồn tại chủ yếu ở dạng H2AsO4- và HAsO42-, còn As+3 tồn tại
chủ yếu ở dạng axit không phân ly H3AsO3 [13].
Trong đất As thường tồn tại ở dạng hấp phụ, tạo hợp chất với Al, Fe, Ca
và hợp chất hữu cơ. Nguồn As trong đất có thể là từ các sản phẩm phong hóa
đá và khoáng vật chứa As, chất thải khí từ các nhà máy dùng than, chất thải
rắn, lỏng dùng thuốc bảo vệ thực vật, v.v… Chẳng hạn, trung bình hàng năm ở
Canada người ta phun thuốc diệt côn trùng vào vườn cây ăn quả đã đưa vào đất
đến 2,7 kg As/ha. Trên 94% As trong đất tồn tại ở pha rắn, còn lại chỉ có
khoảng 6% tổng As tồn tại trong dung dịch đất (có thể là dạng natri asenit) dễ
dàng di chuyển và ra khỏi đất. Khi tồn tại ở dạng linh động, As đặc biệt nguy
hiểm cho sinh vật và con người. Sự biến đổi điều kiện oxy hóa - khử trong đất
làm cho As di chuyển và phân bố lại trong đất và thông qua đó làm thay đổi
hàm lượng As đi vào sinh vật và con người [17].
Khoáng vật quan trọng nhất của As trong tự nhiên là arsenopyrit
(FeAsS), nó thường có mặt trong thành phần của nhiều loại quặng sunfua.
Trong điều kiện oxy hóa, asenopyrit bị oxy hóa theo phản ứng sau:
2FeAsS + 2O2 + 6 H2O = 2 (FeAsO4.2H2O) + 2H2SO4
Ngoài ra Fe2(SO4)3 cũng đóng vai trò chất oxy hóa và phản ứng cũng xảy
ra hoàn toàn tương tự:
FeAsS + Fe2(SO4)3 + 4H2O + 3O2 = FeAsO4.2H2O + FeSO4 + 2H2SO4