Nghiên cứu khả năng hấp thụ Crom trong nước thải bằng cây cỏ voi

1.1 – Vai trò của nước

• Nước là tài nguyên cần thiết cho sự sống, duy trì hoạt động của con người và môi trường.
• Nước hòa tan, phân bổ các chất hữu cơ, vô cơ, làm nguồn dinh dưỡng cho sinh vật.

Hiện nay, nguồn nước bị ô nhiễm nặng nề bởi kim loại nặng do:

• Sự phát triển của ngành công nghiệp.
• Các nhà máy, khu công nghiệp thải ra nước thải chứa kim loại như Cr, Cu, Fe, Pb.

Các nguồn gây ô nhiễm kim loại nặng:

• Hoạt động khai thác mỏ: Khai thác mỏ làm tăng nồng độ kim loại nặng trong nước thải, ảnh hưởng đến môi trường và sức khỏe.

• Công nghiệp sản xuất các hợp chất vô cơ: Thải ra các kim loại như Ni, thủy ngân gây ô nhiễm nguồn nước.

• Quá trình sản xuất sơn, mực và thuốc nhuộm: Sử dụng nhiều hóa chất chứa kim loại gây ô nhiễm nước, ảnh hưởng đến sức khỏe.

Tác động của kim loại nặng:

• Độc hại với sức khỏe con người, gây ung thư, dị tật bẩm sinh.
• Làm suy thoái đa dạng sinh học, phá hoại hệ sinh thái.

Tác dụng sinh hóa của kim loại nặng:

• Kim loại nặng tác động đến các enzym trong cơ thể, cản trở quá trình trao đổi chất.
• Gây ngộ độc, ảnh hưởng đến hệ thần kinh, hô hấp, tiêu hóa.

Ảnh hưởng của Crom:

• Crom (VI) dễ hấp thụ vào cơ thể, gây ung thư, dị ứng, ảnh hưởng đến hệ hô hấp, tiêu hóa.

Các phương pháp xác định kim loại nặng:

• Phân tích trắc quang: Đo hấp thụ ánh sáng để xác định nồng độ kim loại.
• Phân tích phổ hấp thụ nguyên tử: Đo hấp thụ ánh sáng nguyên tử để xác định kim loại.
• Phân tích cực phổ: Đo phân cực nồng độ sinh ra trong quá trình điện phân.

Công nghệ xử lý kim loại nặng bằng thực vật:

• Sử dụng thực vật hấp thụ và tích lũy kim loại trong đất.
• Các loài thực vật này ngăn chặn ô nhiễm nước ngầm, giảm thiểu ảnh hưởng đến chuỗi thức ăn.

Các loài thực vật hấp thụ kim loại:

• Có khoảng 400 loài thực vật có khả năng hấp thụ kim loại.
• Các loài này thích nghi đặc biệt với điều kiện môi trường, không bị biểu hiện độc hại khi tích lũy kim loại.

I.2 – Ảnh hƣởng của kim loại nặng đến môi trƣờng và sức khỏe con ngƣời I.2.1 – Tác dụng sinh hóa của kim loại nặng đối với con người và môi trường Một lượng nhỏ kim loại nặng là những nguyên tố vi lượng hết sức cần thiết cho cơ thể người và sinh vật. Chúng tham gia cấu thành nên các enzym, các vitamin, đống vai trò quan trọng trong trao đổi chất...Ví dụ như một lượng nhỏ đồng rất cần thiết cho động vật và thực vật. Người lớn mỗi ngày cần 2mg đồng (đồng là thành phần quan trọng của các enzym như oxidara, tirozinaza, uriaza, citorom và galactoza) nhưng khi hàm lượng kim loại vượt quá ngưỡng quy định sẽ gây ra những tác động xấu như nhiễm độc mãn tính thậm chí ngộ độc cấp tính dẫn tới tử vong. Crom là nguyên tố phổ biến trong tự nhiên, là kim loại màu trắng bạc có ánh kim và có nhiệt độ nóng chảy cao (t nc = 1875 o C), nhiệt độ sôi cao (t s = 2197 o C). Ở nhiệt độ thường, Crom trơ với tác dụng của môi trường như không khí, hơi ẩm, khí cacbonic do Crom được bảo vệ bởi màng oxit mỏng và bên trên bề mặt nên crom được ứng dụng nhiều trong công nghiệp. Về mặt sinh hóa các kim loại nặng có ái lực lớn với các nhóm –SH - và nhóm –SCH 3 – của các enzym trong cơ thể. Vì thế các enzym bị mất hoạt tính làm cản trở quá trình tổng hợp protein của cơ thể. I.2.2 – Ảnh hưởng của Crom Nhìn chung sự hấp thụ crom vào cơ thể con người tùy thuộc vào trạng thái oxi hóa của nó. Cr(VI) hấp thụ qua dạ dày, ruột nhiều hơn Cr(III) và còn thấm qua màng tế bào. Nếu Cr(III) chỉ hấp thu 1% thì lượng hấp thu của Cr(VI) lên tới 50%. Tỷ lệ hấp thu qua phổi không xác định được, mặc dù một lượng đáng kể đọng lại trong phổi và phổi là một trong những bộ phận chứa nhiều Crom nhất. Crom xâm nhập vào cơ thể qua 3 con đường: hô hấp, tiêu hóa và khi tiếp xúc trực tiếp với da. Con đường xâm nhập Crom vào cơ thể người chủ yếu qua đường thức ăn. Cr(VI) đi vào cơ thể dễ gây biến chứng, nếu nó tác động lên tế bào, lên mô thì sẽ tạo ra sự phát triển tế bào không nhân, gây ung thư. Tuy nhiên hàm lượng cao Crom làm kết tủa các protein, các axit nucleic và ức chế hệ thống men cơ bản. Dù xâm nhập vào cơ thể theo bất cứ con đường nào Crom cũng hòa tan trong máu ở nồng độ 0,001 mg/l, sau đó chúng chuyển vào hồng cầu và hòa tan nhanh trong hồng cầu, từ hồng cầu Crom chuyển vào các tổ chức phủ tạng, được giữ lại ở phổi, xương, thận, gan, phần còn lại chuyển qua nước tiểu. Từ các cơ quan phủ tạng Crom hòa tan dần vào máu rồi đào thải qua nước tiểu từ vài tháng đến vài năm. Các nghiên cứu cho thấy con người hấp thụ Cr 6+ cao hơn Cr 3+ gấp khoảng 100 lần.[4] Cronit chứa 5-10 mg/kg. Trong nước biển hàm lượng Crom trung bình là 0,5µg/kg. Trong các loại thức ăn hàm lượng của nó có giá trị 20-60µg/kg. Cr(III) và Cr(VI) thường gặp trong nước, dạng này bị ảnh hưởng của ion kim loại , nước và các hợp chất có tính khử. Tổ chức sức khỏe thế giới đã đề ra chỉ tiêu cho nước uống với tổng nồng độ Crom trung bình là 10µg/l đối với nước mặt và 16µg/l đối với nước ngầm. Cr(III) rất cần cho cơ thể sống, không gây độc, nếu thiếu nó sẽ không chuyển hóa được các chất hữu cơ và gây ra một số rối loạn về trao đổi chất, mức độ an toàn cần dùng tối thiểu là 0,05 – 0,2 mg/l một ngày.

Phương pháp phân tích trắc quang

Nguyên tắc: Muốn xác định cấu tử X nào đó ta chuyển nó thành hợp chất có khả năng hấp thụ ánh sáng, rồi đo sự hấp thụ ánh sáng của nó và suy ra chất cần xác định X. Những hợp chất có chiều dày đồng nhất trong những điều kiện khác nhau luôn hấp thụ một tỷ lệ bằng nhau của chùm ánh sáng chiếu vào những hợp chất đó.

Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử

Nguyên tắc: Khi các nguyên tử tồn tại ở trạng thái khí và trên mức năng lượng cơ bản, nếu chiếu vào đám hơi đó một chùm sáng chứa các tia phát xạ đặc trưng của nguyên tử đó thì nó sẽ hấp thụ nguyên tử của kim loại đó.

Phương pháp phân tích cực phổ

Nguyên tắc: phương pháp này dựa vào việc phân cực nồng độ sinh ra trong quá trình điện phân trên điện cực có bề mặt nhỏ. Dựa vào đường cong có sự phụ thuộc của cường độ dòng biến đổi trong quá trình điện phân với thế đặt vào, có thể xác định định tính và định lượng chất cần phân tích với độ chính xác cao.

Thực vật có nhiều cách phản ứng khác nhau đối với sự có mặt của các ion kim loại trong môi trường. Hầu hết, các loài thực vật rất nhạy cảm với sự có mặt của các ion kim loại, thậm chí ở nồng độ rất thấp. Tuy nhiên, vẫn có một số loài thực vật không chỉ có khả năng sống được trong môi trường bị ô nhiễm bởi các kim loại độc hại mà còn có khả năng hấp thụ và tích các kim loại này trong các bộ phận khác nhau của chúng.

Có ít nhất 400 loài phân bố trong 45 họ thực vật được biết là có khả năng hấp thụ kim loại. Các loài này là các loài thực vật thân thảo hoặc thân gỗ, có khả năng tích luỹ và không có biểu hiện về mặt hình thái khi nồng độ kim loại trong thân cao hơn hàng trăm lần so với các loài bình thường khác. Các loài thực vật này thích nghi một cách đặc biệt với các điều kiện môi trường và khả năng tích luỹ hàm lượng kim loại cao có thể góp phần ngăn cản các loài sâu bọ và sự nhiễm nấm.

Có nhiều giải thuyết đã được đưa ra để giải thích cơ chế và triển vọng của loại công nghệ này:

• Giả thuyết sự hình thành phức hợp: cơ chế loại bỏ các kim loại độc của các loài thực vật bằng cách hình thành một phức hợp.
• Giả thuyết về sự lắng đọng: các loài thực vật tách kim loại ra khỏi đất, tích luỹ trong các bộ phận của cây, sau đó được loại bỏ qua lá khô, rữa trôi qua biểu bì hoặc bị đốt cháy.
• Giả thuyết hấp thụ thụ động: sự tích luỹ kim loại là một sản phẩm phụ của cơ chế thích nghi đối với điều kiện bất lợi của đất (ví dụ như cơ chế hấp thụ Ni trong loại đất serpentin).
• Sự tích luỹ kim loại là cơ chế chống lại các điều kiện stress vô sinh hoặc hữu sinh: hiệu lực của kim loại chống lại các loài vi khuẩn, nấm ký sinh và các loài sinh vật ăn lá đã được nghiên cứu.

Cỏ voi (Pennisetum purpureum Schumach) là một loại cỏ lai phổ biến, được sử dụng rộng rãi để làm thức ăn gia súc. Loài cỏ này có khả năng chịu hạn, chịu úng tốt và có năng suất sinh khối cao. Ngoài ra, cỏ voi còn được biết đến với khả năng hấp thụ kim loại nặng từ đất. Một số giống cỏ voi được trồng ở Việt Nam: Cỏ voi địa phương: Là giống cỏ voi có năng suất sinh khối thấp, nhưng có khả năng chịu hạn tốt. Cỏ voi lá dài: Giống cỏ voi này có năng suất sinh khối cao, nhưng khả năng chịu hạn kém hơn cỏ voi địa phương. Cỏ voi lai: Cỏ voi lai là giống cỏ được lai tạo giữa cỏ voi địa phương và cỏ voi lá dài. Giống cỏ này có năng suất sinh khối cao, khả năng chịu hạn tốt và có hàm lượng dinh dưỡng cao hơn so với các giống cỏ voi khác. Cỏ Voi King: Giống cỏ Voi nhập nội từ châu Phi (Úc), có nguồn gốc từ Nam Phi. Giống cỏ Voi này sinh khối lá cao gấp 1,5 lần giống cỏ Voi bản địa và hàm lượng đường cao hơn.