Bài giảng Độc học môi trường - Chương 3: Độc chất trong môi trường sinh thái đất - Nguyễn Thị Thu Hiền

Chương 3: ĐỘC CHẤT TRONG MÔI TRƯỜNG SINH THÁI ĐẤT 21-Mar-12 CBGD: ThS.Nguyễn Thị Thu Hiền 1 Chương 3: Độc chất trong môi trường sinh thái đất „ 3.1. Tổng quan chất độc trong môi trường sinh thái đất „ 3.2. Các dạng nhiễm độc trong môi trường đất. 3.3. Các chất độc trong đất ngập nước, yếm khí ‟ tác hại các chất độc, biện pháp phòng chống „ 3.4. Các chất độc trong đất phèn ‟ diễn biến trong điều kiện sinh thái môi trường, các biện pháp khắc phục „ 3.5. Các chất độc trong đất ngập mặn ‟ diễn biến trong điều kiện sinh thái môi trường, các biện pháp bảo vệ 21-Mar-12 CBGD: ThS.Nguyễn Thị Thu Hiền 2 Chương 3: Độc chất trong môi trường sinh thái đất „ 3.6. Các chất độc trong đất do ngoại lai xâm nhiễm (phóng xạ, nhiễm bẩn ) „ 3.7. Các chất độc sinh ra từ quá trình tích lũy phân bón và thuốc bảo vệ thực vật. „ 3.8. Các chất độc kim loại nặng trong đất. „ 3.9. Các khí độc tự nhiên trong đất thoát ra. „ 3.10. Các trầm tích (bùn lắng) gây độc. 21-Mar-12 CBGD: ThS.Nguyễn Thị Thu Hiền 3 Đất và môi trường đất ? • “Đất là vật thể tự nhiên hịan tịan độc lập, được hình thành do tác động tổng hợp của các nhân tố: đá mẹ, khí hậu, sinh vật, tuổi và địa hình” (V.Docusaep) • “Đất là lớp tơi xốp trên bề mặt lục địa cĩ khả năng cho thu họach thực vật, đặc trưng cơ bản là độ phì” (R.William) • Theo quan điểm sinh thái học thì “đất là một cơ thể sống” (Winkler, 1968) vì nĩ tuân thủ những quy luật sống:phát sinh, phát triển, thĩai hĩa và già cỗi. • Các nhà sinh thái học: “đất là vật mang” • Lớp phủ thổ nhưỡng là lớp đất nằm trên bề mặt lục địa, tiếp xúc với khí quyển, thạch quyển và sinh quyển. 21-Mar-12 CBGD: ThS.Nguyễn Thị Thu Hiền 4 Soil và Land  Soil có nghĩa là đất.  Land có nghĩa là đất đai.  Land (đất đai) nói đến khía cạnh tài nguyên đất, bao hàm nội dung mặt bằng lãnh thổ để sử dụng cho các ngành kinh tế quốc dân, không riêng gì sinh vật.  Soil (đất) nói đến khía cạnh môi trường đất ‟ là lớp phủ thổ nhưỡng. 21-Mar-12 CBGD: ThS.Nguyễn Thị Thu Hiền 5 3.1. Tổng quan 3.1.1. Độc chất trong môi trường đất 3.1.2. Con đường xâm nhập của độc chất từ đất vào cơ thể sinh vật 3.1.3. Cơ chế xâm nhập của độc chất vào đất 3.1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến độc chất trong môi trường đất. 21-Mar-12 CBGD: ThS.Nguyễn Thị Thu Hiền 6 3.1.1. Độc chất trong môi trường đất  Các độc chất có thể tồn taị dưới nhiều dạng khác nhau như: vô cơ, hữu cơ, đơn chất, ion, chất lỏng, chất rắn, chất khí  Trong môi trường đất, các chất độc phổ biến và gây tác hại nhiều nhất thường tồn tại dưới dạng ion.  Dù tồn tại ở dạng nào thì các độc chất này đều tác dụng xấu đến sự sinh trưởng và phát dục của cây trồng và sinh vật trong đất hay tiếp xúc với đất.  Có 2 dạng độc chất trong môi trường đất:  Độc chất theo bản chất  Độc chất theo nồng độ ‟ liều lượng. 21-Mar-12 CBGD: ThS.Nguyễn Thị Thu Hiền 7 3.1.1. Độc chất trong môi trường đất  Độc chất theo bản chất: Là những chất độc có khả năng gây độc ở mọi nồng độ dù thấp hay cao. VD: H 2 S, Na 2 CO 3 , CuSO 4 , Pb, Hg, Cd, Be, St,  Độc chất theo nồng độ, liều lượng: Độc chất loại này đều có nồng độ giới hạn cho phép đối với mỗi loài cây nói riêng và sinh vật nói chung. Nếu vượt quá giới hạn này thì các chất mới có khả năng gây độc. VD: H + , Al 3+ , Fe 2+ , SO 4 2- , OH - , Mn 2+ , Na + , NH 3 , NH 4 + , NO 2 Khi nồng độ Fe 2+ vượt quá 500 ppm và Al 3+ vượt quá 135 ppm  gây độc cho lúa. 21-Mar-12 CBGD: ThS.Nguyễn Thị Thu Hiền 8 3.1.2. Con đường xâm nhập của độc chất từ đất vào cơ thể sinh vật „ Độc chất được hấp thụ từ môi trường đất vào cơ thể sinh vật trải qua 2 giai đoạn: „ - Giai đoạn 1: cơ thể sinh vật hạn chế sự hấp thụ. „ - Giai đoạn 2: hấp thụ bị động, chất độc phá vỡ màng tế bào, đi vào các cơ quan và lan tỏa trong cơ thể sinh vật. „ 21-Mar-12 CBGD: ThS.Nguyễn Thị Thu Hiền 9 3.1.2. Con đường xâm nhập của độc chất từ đất vào cơ thể sinh vật  Đối với thực vật: - TH1: quá trình độc chất hấp thụ qua rễ  chia thành 2 giai đoạn: giai đoạn đầu chủ động hấp thụ trao đổi, đến khi cây có biểu hiện nhiễm độc  thực vật sẽ hạn chế sự hấp thu ‟ đây cũng là phản ứng tự vệ của thực vật khi nhận ra chất độc. - TH2: sự xâm nhập đơn thuần do khuếch tán từ nồng độ độc chất cao trong dung dịch đất vào cơ thể thực vật.  Đối với động vật: „ - Con đường gián tiếp: thông qua thức ăn, thực phẩm trung gian. „ - Con đường trực tiếp: qua da. 21-Mar-12 CBGD: ThS.Nguyễn Thị Thu Hiền 10 „ Cơ chế xâm nhập của độc chất vào đất ? 21-Mar-12 CBGD: ThS.Nguyễn Thị Thu Hiền 11 Cấu tạo của keo đất 21-Mar-12 CBGD: ThS.Nguyễn Thị Thu Hiền 12 Cấu tạo của keo đất 21-Mar-12 CBGD: ThS.Nguyễn Thị Thu Hiền 13 3.1.3. Cơ chế xâm nhập của độc chất vào đất „ Cấu tạo của keo đất: „ Keo đất là vật chất mang điện được cấu tạo bởi 4 lớp từ trong ra ngoài là: „ - nhân. „ - lớp ion quyết định thế thường là điện tích âm „ - lớp ion không di chuyển mang điện trái dấu với lớp ion quyết định thế. „ - lớp ion có khả năng trao đổi điện tích với môi trường bên ngoài. 21-Mar-12 CBGD: ThS.Nguyễn Thị Thu Hiền 14 3.1.3. Cơ chế xâm nhập của độc chất vào đất „ Cơ chế xâm nhập?  Hấp thụ trao đổi ion giữa bề mặt của keo đất với dung dịch đất bao quanh nó.  Sự xâm nhập của độc chất vào môi trường đất được thực hiện thông qua hoạt tính của keo đất và dung dịch đất. 21-Mar-12 CBGD: ThS.Nguyễn Thị Thu Hiền 15 3.1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến độc chất trong môi trường đất 1) Bản chất của các chất độc đối với loài sinh vật hay còn gọi là tính “kỵ sinh vật”: Độc tính của các chất này được quyết định bởi cấu tạo và hoạt tính của chúng. Những chất không “kỵ sinh vật” thì tính độc biểu hiện thấp hơn. VD: Pb, Hg, CuSO 4 ‟ luôn độc đối với sinh vật 21-Mar-12 CBGD: ThS.Nguyễn Thị Thu Hiền 16 3.1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến độc chất trong môi trường đất 2) Nồng độ và liều lượng của chất độc: Tương quan thuận với tính độc.  Nồng độ và liều lượng càng cao thì càng độc. 3) Nhiệt độ Nhiệt độ đất càng cao thì tính độc càng mạnh; trừ khi nhiệt độ đất quá cao và nằm ở điểm phân hủy của độc chất thì sẽ làm phân hủy độc chất. 21-Mar-12 CBGD: ThS.Nguyễn Thị Thu Hiền 17 3.1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến độc chất trong môi trường đất 4) Ngưỡng chịu độc - Các loài sinh vật khác nhau có ngưỡng chịu độc khác nhau. - Tuổi tác: sinh vật non trẻ thì ngưỡng chịu độc thấp, sinh vật cao tuổi thì ngưỡng chịu độc cao nhưng tuổi già lại chịu độc kém. - Giới tính: giống cái và phái nữ thì dễ mẫn cảm với chất độc hơn là giống đực và phái nam. 5) Những điều kiện khác của đất Chế độ nước, độ ẩm, độ chua trong đất có ảnh hưởng đến sự cung cấp oxy để giải độc và phân bố lại nồng độ của hơi độc. 21-Mar-12 CBGD: ThS.Nguyễn Thị Thu Hiền 18 3.1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến độc chất trong môi trường đất 6) Khả năng tự làm sạch của môi trường đất „ Khả năng này rất lớn nhưng mỗi loại đất có khả năng khác nhau. „  FAO phân loại Việt Nam có bao nhiêu loại đất? „ 14 loại đất, bao gồm: đất cát biển, đất mặn, đất phèn, đất phù sa, đất gley, đất than bùn, đất đá bọt, đất đen, đất nâu bán khô hạn, đất tích vôi, đất xám, đất đỏ, đất alit núi cao, đất xói mòn mạnh trơ sỏi đá 21-Mar-12 CBGD: ThS.Nguyễn Thị Thu Hiền 19 3.2. Các dạng nhiễm độc trong môi trường đất 1) Nhiễm độc do ô nhiễm tự nhiên  Nhiễm phèn: do nước phèn từ các rốn phèn (trung tâm phèn) theo dòng nước mặt hoặc nước ngầm lan đến vị trí khác làm nhiễm phèn ở nơi này. Dạng nhiễm phèn này chủ yếu là nhiễm các chất độc như : Fe 2+ , Al 3+ , SO 4 2- , đồng thời làm cho nồng độ của chúng trong dung dịch đất, keo đất tăng lên cao  pH của môi trường đất giảm xuống  gây ngộ độc cho cây trồng, sinh vật trong đất. 21-Mar-12 CBGD: ThS.Nguyễn Thị Thu Hiền 20 3.2. Các dạng nhiễm độc trong môi trường đất  Nhiễm mặn: gây ra do muối trong nước biển, nước triều hay từ các mỏ muối; các chất độc : Na + , K + , Cl - , SO 4 2- , CO 3 2- Chúng gây hại do tác động ion hoặc áp suất thẩm thấu. Nồng độ muối cao trong dung dịch đất gây hại sinh lý cho thực vật. 21-Mar-12 CBGD: ThS.Nguyễn Thị Thu Hiền 21 3.2. Các dạng nhiễm độc trong môi trường đất  Gley hóa: Quá trình gley hóa trong môi trường đất là quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện ngập nước, yếm khí, nơi tích lũy nhiều xác bã sinh vật, sản sinh ra nhiều chất độc dưới dạng CH 4 , H 2 S, N 2 O, CO 2 , FeS -> đó là các chất gây độc cho môi trường sinh thái nói chung. 21-Mar-12 CBGD: ThS.Nguyễn Thị Thu Hiền 22 3.2. Các dạng nhiễm độc trong môi trường đất 2) Nhiễm độc do ô nhiễm nhân tạo  Ô nhiễm dầu:  Khi 1 lớp dầu mỏng cỡ 0,2 ‟ 0,5 mm bao phủ trên bề mặt đất cũng làm cho đất ngạt thở vì thiếu không khí do quá trình trao đổi bị cắt đứt  các vi sinh vật, động thực vật đều bị thiếu oxy  chết. Lớp dầu này cũng ngăn cản quá trình trao đổi năng lượng mặt trời của môi trường đất.  Khi thấm vào lòng đất thì dầu đẩy tất cả nước ra ngoài làm cho môi trường đất hầu như không còn nước; chiếm chỗ tất cả các lỗ khổng kể cả phi mao quản và mao quản  tống hết không khí ra ngoài  gây hại cho hệ sinh thái do sự giảm thiểu lượng nước và không khí. 21-Mar-12 CBGD: ThS.Nguyễn Thị Thu Hiền 23 3.2. Các dạng nhiễm độc trong môi trường đất  Khi dầu xâm nhập vào đất sẽ làm thay đổi kết cấu, đặc tính lý học, hóa học của đất  biến các hạt keo thành trơ ra, không có khả năng hấp thụ và trao đổi nữa.  Dầu thấm qua đất xuống mạch nước ngầm sẽ làm ô nhiễm nguồn nước ngầm.  Dầu là những hợp chất hữu cơ cao phân tử có đặc tính diệt vi sinh vật (trừ 1 số VSV ăn được dầu).  Khi đất bị ô nhiễm dầu thì dầu có thể biến đất đang sản xuất trở thành đất chết; làm giảm hiệu quả của trạng thái đất đối với sinh vật trong đất. 21-Mar-12 CBGD: ThS.Nguyễn Thị Thu Hiền 24 3.2. Các dạng nhiễm độc trong môi trường đất  Ô nhiễm kim loại nặng: Do nông dân vẫn còn tập quán sử dụng nguồn nước thải thành phố để tưới cây trồng  dùng nước thải chưa qua xử lý để tưới sẽ làm cho đất ngày càng tích lũy nhiều hóa chất độc hại bao gồm cả những kim loại nặng như Pb, As, Cd, Hg, Cu  Ô nhiễm chất hữu cơ: Gây ra bởi sự tích tụ xác bã hữu cơ vượt quá khả năng tự làm sạch của môi trường đất, tạo ra các khí độc như CH 4 , H 2 S và dư thừa vi sinh vật yếm khí. 21-Mar-12 CBGD: ThS.Nguyễn Thị Thu Hiền 25 3.2. Các dạng nhiễm độc trong môi trường đất  Ô nhiễm do chất phóng xạ: Chất phóng xạ xuất phát từ những vụ nổ hạt nhân, từ các hoạt động của núi lửa hoặc những chất thải bỏ phóng xạ lỏng hay rắn phát ra từ những trung tâm công nghiệp hay nghiên cứu khoa học có thể lắng xuống mặt đất và tích tụ ở đó làm ô nhiễm đất. Khi các chất này xâm nhập vào môi trường đất nó sẽ xâm nhập vào các thực vật, động vật trong các chu trình sinh địa hóa hay qua dây chuyền thực phẩm. 21-Mar-12 CBGD: ThS.Nguyễn Thị Thu Hiền 26 3.2. Các dạng nhiễm độc trong môi trường đất  Ô nhiễm vi sinh vật trong môi trường đất: Vi trùng gây bệnh có mặt trong đất nhiều hơn trong nước, khả năng sinh sôi nảy nở và lan truyền bệnh của chúng cũng cao như trong môi trường nước và không khí. Những tác nhân sinh học có thể làm ô nhiễm đất và gây ra bệnh ở người được chia thành 3 nhóm: (1) Truyền bệnh từ người ‟ đất ‟ người (2) Truyền bệnh từ vật nuôi ‟ đất ‟ người (3) Truyền bệnh từ đất - người 21-Mar-12 CBGD: ThS.Nguyễn Thị Thu Hiền 27 3.2. Các dạng nhiễm độc trong môi trường đất „ (1) Truyền bệnh từ người – đất – người „ Đất có thể bị ô nhiễm bởi các vi khuẩn như: trực khuẩn lỵ, thương hàn, phẩy khuẩn tả, amip. „ - Trực khuẩn lỵ: người bị nhiễm khuẩn do ăn phải rau quả bị đất làm nhiễm bẩn hay tiếp xúc với phân tươi. „ - Trực khuẩn thương hàn và phó thương hàn: tồn tại khoảng 2-4 tuần trong đất. „ - Phẩy khuẩn tả trong đất: tồn tại không quá 1 tháng trong đất, đất bị nhiễm bẩn phân tươi và các chất hữu cơ có thể kéo dài thời gian tồn tại của chúng lên từ 5 ‟ 7 tháng. „ - Bệnh lỵ amip: vi khuẩn Entamoeba dysenteriae có thể tồn tại ở trong đất nhất là đất bị nhiễm phân. 21-Mar-12 CBGD: ThS.Nguyễn Thị Thu Hiền 28 3.2. Các dạng nhiễm độc trong môi trường đất „ (2) Truyền bệnh từ vật nuôi – đất – người „ Đất đóng vai trò chủ yếu truyền tác nhân nhiễm khuẩn từ vật nuôi sang người. 1 số bệnh thường gặp như: „ - Bệnh dịch hạch: do trực trùng pasteurella pestis gây ra  làm nổi hạch và sưng phổi khối, nhiễm trùng máu  biến chứng thường gặp là co giật, lở loét để lộ xương, biến chứng vào phổi, vào mắt gây mù loà, gây sẩy thai „ - Viêm não Nhật Bản B „ - Bệnh xoắn trùng vàng da: do xoắn trùng peptospira gây ra. „ - Bệnh Brucellosis: là bệnh sẩy thai truyền nhiễm mãn tính chung cho nhiều loại gia súc rồi lây sang người. 21-Mar-12 CBGD: ThS.Nguyễn Thị Thu Hiền 29 3.2. Các dạng nhiễm độc trong môi trường đất „ - Trực khuẩn than: trực khuẩn than có thể sống hàng năm trong đất và da, lông ngựa, lông cừu. „ - Bệnh sốt Q: gây ra do Rickettsia Coxiella Burnetii, nó có thể có mặt trong đất và bụi do có sức đề kháng mạnh mẽ với điều kiện khô hanh. „ - Bệnh viêm da do giun: người bị nhiễm do sự xâm nhập vào da của những ấu trùng giun móc từ đất lên, xuyên qua da người và gây viêm da 21-Mar-12 CBGD: ThS.Nguyễn Thị Thu Hiền 30 3.2. Các dạng nhiễm độc trong môi trường đất „ (3) Truyền bệnh từ đất – người: „ - Các bệnh nấm: hầu hết các bệnh nấm nặng ở da ăn sâu vào trong hay lan toàn thân đều gây ra do nấm và xạ khuẩn (actionomycetes) „ - Uốn ván: do độc tố Clostridium Tetani của trực khuẩn Nicolaier gây ra, nó tồn tại vài năm trong đất trồng trọt và khá lâu trong đất bón phân tươi. „ - Bệnh ngộ độc thịt: do độc tố của Clostridium Botulilium gây ra. Clostridium botulilium tồn tại và phát triển nhiều ở xứ nóng, trong giun đất, xác sinh vật trong đất, trong bùn của ao, hồ, đầm lầy 21-Mar-12 CBGD: ThS.Nguyễn Thị Thu Hiền 31 3.2. Các dạng nhiễm độc trong môi trường đất  Ô nhiễm hóa chất nông nghiệp: „ Chủ yếu là do việc sử dụng nguồn phân bón và thuốc bảo vệ thực vật (thuốc trừ sâu, diệt cỏ, diệt nấm mốc) không hợp lý dẫn đến môi trường đất bị ô nhiễm. „ Các chất hữu cơ, vô cơ hay cơ kim thường có đặc tính bền vững trong môi trường đất nên nó có các tác động gây độc trực tiếp hoặc tiềm tàng và gây nguy hiểm đối với con người. 21-Mar-12 CBGD: ThS.Nguyễn Thị Thu Hiền 32 3.2. Các dạng nhiễm độc trong môi trường đất  Phân bón hóa học: chủ yếu là phân vô cơ (N, P 2 O 5 , K 2 O). „ Phân đạm (N) là loại phân mang lại hiệu quả rõ rệt nhất cho năng suất cây trồng nhưng cũng gây ô nhiễm môi trường đất rất lớn vì: cây chỉ sử dụng 30% lượng phân đạm được bón vào đất còn lại 1 phầnbị nước cuốn trôi, 1 phần còn lại bị thấm vào đất  làm cho nguồn nước ngầm bị ô nhiễm nitrat NO 3 - . Đất bón nhiều phân đạm sẽ bị chua do tồn tại HNO 3 . „ Phân lân (P 2 O 5 ) cũng là yếu tố cần thiết cho rau, hoa quả nhưng lân nhiều cũng làm cho đất trở nên chua vì phân super lân thường có 5% acid tự do ‟ riêng lượng H 2 SO 4 tự do này cũng làm cho đất chua thêm 21-Mar-12 CBGD: ThS.Nguyễn Thị Thu Hiền 33 3.2. Các dạng nhiễm độc trong môi trường đất „ - Khoảng 60 ‟ 70% lượng phân bón cây không sử dụng hòa tan thấm xuống mạch nước ngầm gây hại cho người và động vật sử dụng nguồn nước đó  gây nên hiện tượng phú dưỡng hóa. „ - Đất tích lũy nhiều phân bón dạng hóa chất cũng sẽ làm cho tính chất cơ lý của đất thay đổi xấu, đất không còn tơi xốp mà trở nên chai cứng, tính thông khí kém, vi sinh vật ít đi vì hoá chất hủy diệt chúng „ 21-Mar-12 CBGD: ThS.Nguyễn Thị Thu Hiền 34 3.2. Các dạng nhiễm độc trong môi trường đất  Thuốc bảo vệ thực vật: Một số chất trừ sâu, diệt cỏ đang được sử dụng hiện nay có khả năng đề kháng được sự phân hủy của vi sinh vật và không bị biến thành sản phẩm trơ cuối cùng có thể kể đến những hợp chất hidrocarbon chứa clo như DDT, lindan, aldrin, diendrin Cặn của những chất diệt cỏ, trừ sâu này tỏ ra bền vững hay bị hấp thu vào những cấu tử của đất cùng với các chất khoáng và các chất hữu cơ bao bọc. Chúng có thể làm ô nhiễm cây trồng và rễ cây của chúng bị thiêu rụi đi trong đất bị phun thuốc trừ sâu. Các kết quả nghiên cứu cho thấy: Thuốc BVTV nhóm clo hữu cơ tồn tại trong đất từ 4 - 10 năm; carbamat tồn tại từ 1 ‟ 2 năm. 21-Mar-12 CBGD: ThS.Nguyễn Thị Thu Hiền 35 3.3. Các chất độc trong đất ngập nước, yếm khí – tác hại của các chất độc, biện pháp phòng chống „ 3.3.1. Các chất độc trong đất ngập nước, yếm khí „ 3.3.2. Tác hại của các độc chất „ 3.3.3. Biện pháp phòng chống 21-Mar-12 CBGD: ThS.Nguyễn Thị Thu Hiền 36 3.3.1. Các chất độc trong đất ngập nước, yếm khí „ Đất ngập nước là gì? „ - Đất ngập nước là một môi trường yếm khí. „ - Việc phân hủy yếm khí các chất từ rác thải sinh vật thông qua hoạt động của vi sinh vật sẽ làm sản sinh một số độc chất như H 2 S, CH 4 , P, S, kim loại nặng ‟ khi những độc chất này có nồng độ vượt quá mức cho phép sẽ trở nên độc đối với các loại thủy sinh vật. „ - Trong điều kiện đất ngập nước hoàn toàn thì xảy ra quá trình khử trong đất, hình thành nên các sản phẩm như: Fe 2+ , Mn 2+ , SO 3 2- , NH 4 + và sinh ra một số độc chất như CH 4 , H 2 S, FeS 2 , CO 2 , N 2 , H 2 21-Mar-12 CBGD: ThS.Nguyễn Thị Thu Hiền 37 3.3.1. Các chất độc trong đất ngập nước, yếm khí