Bài giảng Độc học môi trường - Chương 7: Một số quá trình gây độc điển hình trong môi trường sinh thái - Nguyễn Thị Thu Hiền

Chương 7 MỘT SỐ QUÁ TRÌNH GÂY ĐỘC ĐIỂN HÌNH TRONG MÔI TRƯỜNG SINH THÁI 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 1 Chương 7: Một số quá trình gây độc điển hình trong môi trường sinh thái  7.1. Tổng quan  7.2. Độc chất do mưa acid  7.3. Độc chất do ô nhiễm dầu và sản phẩm của dầu  7.4. Độc chất do hoạt động công nghiệp  7.5. Độc chất trong nông nghiệp  7.6. Độc chất từ thực phẩm 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 2 7.1. Tổng quan  Độc chất đựơc đưa vào sinh quyển qua các quá trình tự nhiên và nhân tạo.  Độc chất đựơc tạo ra từ các quá trình trong môi trường – điển hình như:  Sa lắng acid (mưa acid)  Ô nhiễm dầu và các sản phẩm của dầu  Sản xuất công nghiệp và phóng thích chất thải công nghiệp  Sản xuất nông nghiệp  Chế biến và bảo quản thực phẩm  Các sinh hoạt trong nhà của con người 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 3 7.2. Độc chất do mưa acid  7.2.1. Định nghĩa về mưa acid  7.2.2. Thành phần mưa acid  7.2.3. Nguồn gây mưa acid  7.2.4. Hậu quả của mưa acid  7.2.5. Những biện pháp hạn chế hậu quả của mưa acid 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 4 7.2.1. Định nghĩa về mưa acid  Nước mưa nguyên chất có pH = ?  pH TB = 5,1 (5-5,6) do các chất khí hòa tan được vào trong nước bao gồm cả CO 2 , vết các hợp chất sulfur, nitơ và các muối hữu cơ hòa tan vào trong nước mưa.  Giá trị pH ở mức này giúp hòa tan khoáng chất ở trong đất  cây trồng có thể sử dụng được.  Mưa acid?  Khi không khí bị ô nhiễm do hoạt động công nghiệp, giao thông  làm cho nước mưa có độ pH giảm thấp, thường pH = 2 -5.  Nước mưa trong trường hợp này gọi là mưa acid. 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 5 7.2.2. Thành phần mưa acid  Acid có thể lắng tụ ở dạng hạt, khí hoặc hỗn hợp của cả hai dạng trên lên trên môi trường nước, đất hoặc cây trồng.  Các thành phần của mưa acid gồm có:  ion hydrogen (H+)  khí sulfurơ (SO 2 )  khí nitric monoxide (NO) và NO 2  các chất hữu cơ bay hơi (VOC)  góp phần trong phản ứng quang hóa để tạo ra các phân tử mang tính acid. 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 6 7.2.3. Nguồn gây mưa acid Nguồn sinh ra khí SO 2 ?  Khi đốt cháy các nhiên liệu hóa thạch (than đá, dầu mỏ)  Khai thác các quặng kim loại (ví dụ: quặng đồng) có chứa lưu hùynh  Từ hoạt động của núi lửa  sinh ra SO 2 và H 2 S vào khí quyển.  Sự phân giải chất đạm do các vi khuẩn sulfate.  Từ các hoạt động công nghiệp và giao thông vận tải.  Khí SO 2 có nguồn gốc tự nhiên chỉ chiếm 1/10 so với lượng khí SO 2 sinh ra từ nguồn nhân tạo. 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 7 7.2.3. Nguồn gây mưa acid  SO 2 có thể lắng tụ ở dạng khô hay bị oxid hóa bởi ozone (O 3 ), peroxide hoặc các gốc hydroxyl tự do (OH) để biến thành SO 4 2- và acid sulfuric  hiện diện trong không khí ở thể aerosol  sẵn sàng kết hợp với nước ngưng tụ trong mây  rơi xuống thành mưa. 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 8 7.2.3. Nguồn gây mưa acid Nguồn sinh ra khí NO X ?  Khi đốt các nhiên liệu hóa thạch trong các nhà máy nhiệt điện  Do hoạt động giao thông vận tải (các nghiên cứu cho thấy khi xe cộ chạy với vận tốc nhỏ thì lượng khí thải NO ít hơn so với xe cộ chạy với tốc độ cao – V=10 dặm/h thì lượng khí thải chỉ có 0,03%)  Sự phân hủy của vi khuẩn quang phân giải N ở biển  Sự oxy hóa của NH 4 + và N trong không khí. 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 9 7.2.3. Nguồn gây mưa acid  NO hầu như không tan trong nước và phần lớn bị oxi hóa bởi O 3 hoặc bởi các phản ứng quang hóa khác thành NO 2  NO 2 có thể bị rơi xuống ở dạng khô hoặc bị oxi hóa tiếp tục thành HNO 3 .  HNO 3 rơi xuống đất ở dạng khô hay lỏng. 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 10 7.2.3. Nguồn gây mưa acid  sự lắng tụ SO 2 và NO X làm tăng nhanh quá trình acid hóa vốn có sẵn do các hợp chất hữu cơ có trong tự nhiên.  Sự phân hủy chất mùn tạo ra acid fulvic và humic  sau đó tiếp tục phân giải cho ra các acid dây thẳng hoặc mạch vòng thơm.  Sự phong hóa tự nhiên của pyrites trong đất, đặc biệt ở các vùng mỏ, có thể làm gia tăng tính acid của nước và đất. 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 11 Sự sa lắng acid xảy ra ở đâu?  Các phản ứng hóa học chuyển chất ô nhiễm trong không khí thành sa lắng acid có thể xảy ra trong vài giờ đến vài ngày.  Ngày xưa khi các ống khói của nhà máy chỉ có độ cao vừa phải  chất ô nhiễm thường nằm gần mặt đất ở vùng kế cận  gây ảnh hưởng đến thực vật và động vật sống gần các ống khói.  để giải quyết vấn đề ô nhiễm trên, chính phủ 1 số nước đã thông qua luật cho phép xây dựng những ống khói rất cao.  Hành động này có giải quyết đựơc vấn đề ô nhiễm hay k? và đã gây ra tác hại gì cho môi trường? 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 12 Sự sa lắng acid xảy ra ở đâu?  Các nhà khoa học ngày nay nhận ra rằng:  Đưa chất ô nhiễm vào trong khí quyển càng cao thì thời gian chúng ở trong khí quyển càng lâu.  Thời gian tồn lưu càng lâu thì càng có nhiều cơ hội cho chúng hình thành sa lắng acid.  Gió có thể đem các chất ô nhiễm này đi xa hàng trăm dặm trước khi chúng kết hợp với hơi nước để tạo thành sa lắng ướt acid.  Sa lắng ướt có thể xảy ra ở các vùng rất xa nguồn ô nhiễm trong khi đó sa lắng khô xảy ra ở vùng gần thành phố và khu công nghiệp – nguồn thải chất ô nhiễm. 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 13 Sự sa lắng acid xảy ra ở đâu?  Các chất ô nhiễm không khí không có biên giới, chúng di chuyển từ nước này sang nước khác. Vì lý do trên mà ô nhiễm không khí đựơc gọi là sự ô nhiễm “không biên giới”. Ví dụ: - Trong những năm gần đây ở đồng bằng sông Cửu Long nước ta có một số vùng phát hiện ra mưa acid – đó là hậu quả của những hoạt động công nghiệp ở các nước thượng lưu sông Mêkông. - Mưa acid đã tác hại ở nhiều nước Tây và Trung Aâu, Thụy Điển, Đông Bắc Hoa Kỳ, Đông Nam Canada, Đông Nam Trung Quốc và một số vùng khác. 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 14 Có mấy cách sa lắng acid?  Các chất ô nhiễm sẽ lắng tụ xuống theo 2 cách:  Lắng tụ ướt: các giọt H 2 SO 4 và HNO 3 lơ lửng rơi trở lại vào đất dưới dạng mưa acid.  Lắng tụ khô: các hạt muối sulfate và nitrate ở thể rắn và khí SO 2 rơi xuống lại mặt đất. Các thể này tác dụng với nước trong đất và các vực nước để tạo ra acid sulfuric và acid nitric  2 loại trên được gọi chung là lắng tụ acid hay mưa acid.  Tuy gọi là mưa acid nhưng thực ra acid có cả trong băng tuyết, mưa tuyết và sương mù giọt sương. 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 15 7.2.4. Hậu quả của mưa acid  Mưa acid tác hại đến:  Vật chất  Hệ sinh thái  Rừng  Nước  Con người 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 16 7.2.4. Hậu quả của mưa acid - tác hại đến vật chất  Phá hủy lớp sáp bảo vệ mặt lá, ức chế sự quang hợp của cây.  Rửa trôi các chất dinh dưỡng như canxi ra khỏi đất.  Giết các vi sinh vật  Đẩy nhôm ra khỏi các hạt đất vào trong nước  Hủy diệt các rễ tơ  làm giảm sức hút nước và dưỡng chất của cây.  Làm hóa đen các bức tượng, nhà cửa, xe cộ, áo quần.  Phá hủy dần dần các di tích, công trình kiến trúc cổ (do mưa acid làm kim loại bị chóng rỉ mòn  tuổi thọ của máy móc, công trình kiến trúc giảm thấp). 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 17 7.2.4. Hậu quả của mưa acid - tác hại đến vật chất Vật chất Tác hại Các chất gây hại Đá và bê tông Xói mòn bề mặt, mất màu làm vấy bẩn SO 2 , H 2 SO 4 , HNO 3 , hạt rắn Kim loại Xói mòn, làm mờ xỉn, giảm độ cứng rắn SO 2 , H 2 SO 4 , HNO 3 , hạt rắn H 2 S Đồ gốm và kính Xói mòn bề mặt HF, hạt rắn Sơn Xói mòn bề mặt, mất màu làm vấy bẩn SO 2 , H 2 S, Ozone, hạt rắn Giấy Nhăn nheo, mất màu SO 2 Cao su Nứt, mất độ dẽo dai Ozone Da Suy thoái bề mặt, mất độ bền SO 2 Tơ sợi Thoái hóa, mờ nhạt, lấm bẩn SO 2 , NO 2 , Ozone, hạt rắn 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 18 7.2.4. Hậu quả của mưa acid - tác động lên các hệ sinh thái  Mưa acid có thể tác động nghiêm trọng đến hệ sinh thái nước và đất.  Khi nồng độ acid vượt quá khả năng chịu tải thì đất và nước mặt dần dần bị acid hóa  phá hủy quá trình sinh hóa của các cơ thể sống trong đất và nước.  Khi đất bị acid hóa, các cation trao đổi cơ bản (Ca, Mg) trong đất bị thay thế bằng ion H + hay các kim loại hòa tan  các cation cơ bản ở trong dd đất và có thể bị lọc đi  làm giảm độ phì của đất và đất trở nên có tính acid hơn  giảm các quần thể VSV đất  làm chậm quá trình tạo dưỡng chất cho thực vật. 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 19 7.2.4. Hậu quả của mưa acid - tác động lên các hệ sinh thái  Sa lắng acid rơi xuống hồ và dòng chảy cũng sẽ có các phản ứng hóa học tương tự như trong hệ đất  làm cho pH nước mặt giảm, giảm độ kiềm, giảm khả năng đệm của nước (do giảm các hợp chất bicarbonate của nước), gia tăng nồng độ Al, Mg, Fe so với các thành phần khác trong nước  làm giảm đa dạng sinh học của các loài thủy sinh và giảm năng suất của hệ. 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 22 7.2.4. Hậu quả của mưa acid - tác động đối với rừng  Sa lắng acid trên đất rừng - Mưa rào mùa xuân sẽ rửa sạch các lá rừng  nước rơi dọc thân cây xuống đất rừng bên dưới  1 phần nước thấm vào trong đất, 1 phần chảy thành dòng trên bề mặt đất và đi vào các dòng suối, sông, hồ. - Nhờ khả năng đệm của đất nên 1 số acid đựơc trung hòa  làm chậm đi quá trình acid hóa đất. 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 23 7.2.4. Hậu quả của mưa acid - tác động đối với rừng  Sa lắng acid tác hại cây rừng Sa lắng acid không làm cho cây cối chết ngay lập tức mà làm cho chúng yếu đi bằng cách: - Lá cây bị chết - Giảm dưỡng chất cung cấp cho cây (do mưa acid hòa tan các chất dinh dưỡng và rửa trôi chúng trước khi thực vật có thể sử dụng chúng để phát triển) - Làm cho cây bị nhiễm độc bởi các hợp chất gây độc được giải phóng một cách chậm chạp từ đất (nhôm). 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 24 7.2.4. Hậu quả của mưa acid - tác động đối với nước  Sa lắng acid có thể rơi trực tiếp trên các thủy vực hay đã chảy qua rừng, ruộng, nhà cửa, đường sá.  Tác động của sa lắng acid có thể thấy rõ trong các thủy vực như sông, suối, ao hồ, đầm lầy – thể hiện ở giá trị pH giảm (hầu hết sông suối và hồ bình thường có pH = 6-8)  Khi sông hồ trở nên acid hóa  số lượng và số loài cá, thủy sinh thực vật sống trong các thủy vực đó bị giảm đi.  Các loài nhạy cảm với acid sẽ bị tiêu diệt khi pH giảm.  Độc chất nhôm rửa trôi từ đất có thể làm cá ngộ độc và chết.  Ở pH = 5 thì hầu hết trứng ếch không thể nở. 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 25 7.2.4. Hậu quả của mưa acid - tác động đối với con người  Sa lắng ướt acid không gây hại trực tiếp đối với con người.  Sa lắng khô gây ra các bệnh về đường hô hấp và làm giảm tầm nhìn (do việc hình thành SO 2 trong khí quyển) 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 26 7.2.5. Những biện pháp hạn chế hậu quả của mưa acid  Có 2 biện pháp khống chế chính được sử dụng để khống chế ô nhiễm không khí:  Khống chế đầu vào: ngăn ngừa hoặc làm giảm độ trầm trọng của chất ô nhiễm  cách này ít tốn kém.  Khống chế đầu ra: giải quyết hậu quả khi chất ô nhiễm lọt vào môi trường  cách này khá tốn kém. 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 27 Khống chế ô nhiễm SO 2  Khống chế đầu vào:  Đốt loại than chứa ít sulfur.  Loại bỏ sulfur ra khỏi than.  Chuyển đổi than thành khí hoặc nhiên liệu lỏng.  Phát triển năng lượng gió, năng lượng mặt trời, thủy điện.  Loại bỏ sulfur trong quá trình đốt bằng kỹ thuật tháp đốt  Loại bỏ sulfur trong quá trình đốt bằng kỹ thuật đốt phun vôi. 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 28 Khống chế ô nhiễm SO 2  Khống chế đầu ra:  Sử dụng ống khói cao (60 – 375 m)  Loại bỏ chất ô nhiễm sau khi đốt bằng các kỹ thuật khử sulfur khác nhau.  Tăng thuế trên đơn vị khí xả.  Thêm vôi hoặc đá vôi nghiền vào các vùng đất bị acid hóa để trung hòa. 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 29 Khống chế ô nhiễm NO x  Khống chế đầu vào:  Loại bỏ các oxid nitơ trong tháp đốt.  Loại bỏ sulfur trong quá trình đốt bằng kỹ thuật đốt phun vôi.  Giảm nhiệt độ đốt.  Phát triển năng lượng gió, mặt trời, thủy điện.  Khống chế đầu ra:  Dùng ống xả khói cao  Tăng thuế trên đơn vị khí xả  Đốt trở lại ở nhiệt độ thấp hơn  Cho khí xả tác dụng với acid isocyanic (HCNO) 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 30 Khống chế khói xả từ xe cộ  Khống chế đầu vào  Chuyển sang dùng các phương tiện vận chuyển công cộng.  Chuyển sang dùng các động cơ ít gây ô nhiễm.  Chuyển sang các nhiên liệu ít gây ô nhiễm (khí thiên nhiên, rượu, H 2 )  Tăng gia hiệu năng dùng nhiên liệu.  Cải tiến các động cơ đốt trong để giảm khí xả.  Khống chế đầu ra:  Dùng các công cụ khống chế khí xả  Kiểm tra xe mỗi năm 2 lần và gia tăng tiền phạt. 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 31 7.3. Độc chất do ô nhiễm dầu và sản phẩm của dầu  7.3.1. Dầu lửa và tác động của chúng đến môi trường  7.3.2. Thành phần và đặc tính của dầu lửa  7.3.3. Độc tính và cách tiếp xúc  7.3.4. Phương pháp khống chế dầu tràn 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 32 7.3.1. Dầu lửa và tác động của chúng đến môi trường  Dầu lửa có mặt trong lòng đất rất lâu trước khi được con người khai thác và sử dụng.  Có những chỗ dầu lửa rò rỉ tự nhiên lên mặt đất hoặc đáy biển  tạo nên hệ sinh thái đặc biệt thích ứng với điều kiện nhiễm dầu này.  Tuy nhiên khi lượng dầu xả quá lớn (do vận chuyển hay khai thác) thì hệ sinh thái không thể tự điều chỉnh được. 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 33 7.3.1. Dầu lửa và tác động của chúng đến môi trường  Một số trường hợp dầu tràn quan trọng là: - Giếng dầu Ixtoco 1 ở Balvia de Campeche (Mexico) bị hủy hoại vào tháng 6/1979, đến tháng 6/1980 mới dập tắt đựơc và đã thoát ra khoảng 5880 tỉ gallon dầu. - Chiến tranh vùng Vịnh năm 1990 làm 300 giếng dầu ở Kuwatt bị cháy trong vòng 10 tháng. Dầu bị xả ra biển làm bẩn 400 dặm bờ biển. - Tàu dầu Exxon Valdez vỡ, làm thoát ra 11 triệu gallon dầu ở tiểu bang Alaska – số lượng dầu này lan tỏa trên 25000 dặm bờ biển làm chết 36.000 chim, 3500-5500 rái biển; chi phí tẩy rửa cho năm thứ nhất lên đến 2,5 tỉ USD. 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 34 7.3.2. Thành phần và đặc tính của dầu lửa  Thành phần thiên nhiên của dầu lửa rất phức tạp và thay đổi tùy theo vị trí của mỏ dầu.  Dầu lửa là một hỗn hợp phức tạp của các hydrocarbon và các chất khác (phân tử có chứa C, H, S, N, O) do sự phân hủy một phần các vật chất bắt nguồn từ thực vật.  Các sản phẩm phân hủy có ở 3 dạng:  Dạng khí: khí đốt thiên nhiên  Dạng lỏng: dầu thô  Dạng rắn: hắc ín 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 35 7.3.2. Thành phần và đặc tính của dầu lửa Thành phần nguyên tố của dầu thô: Nguyên tố Quãng biến thiên (% theo trọng lượng) C H S N O 82 - 87 11 - 15 0 - 8 0 - 1 0.0 - 0.5 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 36 7.3.2. Thành phần và đặc tính của dầu lửa Các vi lượng trong dầu thô Nguyên tố Nồng độ (ppm) Al At Ba Bo Cd Ca Cr Pb Mg Ni P Si Ti Va (Vanadium) Zn 11 11 3 <1 <1 37 3 2 8 12 98 7 13 38 7 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 37 7.3.2. Thành phần và đặc tính của dầu lửa  Dựa vào cấu trúc phân tử, dầu lửa được chia ra làm 5 nhóm chính: - Những chất bão hòa: - Paraffin bình thường (HC dây thẳng) - Isoparaffins (các HC phân nhánh) - Cycloparaffins hoặc Napthalene (các HC vòng bão hòa hoặc bán bão hòa) - Những chất thơm: - Các hợp chất HC thơm - Các HC thơm đa nhân (PAH) và các chất tương đồng có nhóm alkyl ở C 1 và C 4 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 38 7.3.2. Thành phần và đặc tính của dầu lửa - Những chất phân cực: - Hợp chất thơm chứa S - Hợp chất thơm chứa N - Hợp chất thơm chứa O - Các porphyrins: Các chất vòng lớn phức tạp dẫn xuất từ lục lạp và có một nhân là 1 kim loại vi lượng. - Các loại nhựa (asphalt và resin): thành phần tùy thuộc vào nguồn xuất phát. 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 39 7.3.3. Độc tính và cách tiếp xúc  Rất khó đánh giá độc tính của một hỗn hợp nhiều thành phần như dầu thô và các sản phẩm tinh luyện ngay cả khi biết đựơc độc tính của từng thành phần riêng biệt.  Lý do?  Biết quá ít thông tin về hiệu ứng hỗ trợ, cộng hợp hoặc đối kháng của các chất trong hỗn hợp.  Các chất riêng rẽ sẽ có tác động khác nhau lên các đối tượng sinh vật sống trong cùng 1 hệ sinh thái.  Độ độc khác nhau tùy vào tỷ lệ và nồng độ của các thành phần hợp thành. 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 40 7.3.3. Độc tính và cách tiếp xúc (1) Các thành phần có độ độc cấp tính: - Benzen và Napthalen là thành phần có tính độc cao nhất trong dầu thô, là các hợp chất phổ biến lúc dầu tràn hoặc thóat ra từ lòng đất. - Các dẫn xuất của benzen và Napthalen không có tính gây ung thư. - Hiệu ứng độc: làm biến đổi phần nào các loại men giải độc, tổn thương gan, làm sai lạc chức năng sinh sản. 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 41 7.3.3. Độc tính và cách tiếp xúc 2) Các thành phần gây độc kinh niên: - Các hợp chất thơm đa nhân (PAH) có trọng lượng phân tử cao. - Benzo (a) pyrene là chất gây ung thư ở ngừơi.  Chính các chất vòng thơm không thay thế trong dầu thô gây ra những tác động có hại. 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 42 7.3.3. Độc tính và cách tiếp xúc (3) Con đường tiếp xúc  Con đường xâm nhập của