Xác định độc tố trong môi trường tự nhiên, thách thức và phương pháp

Xác định độc tố trong môi trường tự nhiên, thách thức và phương pháp

Tác giả: Đặng Đức Huy (TS, Trent University, Ontario, Canada)

Email liên hệ: huydang@trentu.ca/huydang@vjsonline.org

Biên tập viên: Bình Nguyễn (TS, Arizona State University, USA)

Môi trường sinh thái tự nhiên có khả năng tự cân bằng nhờ sự tương tác nội tại giữa các yếu tố tạo nên môi trường đó. Khả năng chống chịu và tự cân bằng của một hệ sinh thái (ecological buffer capacity) đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong môi trường tự nhiên, đảm bảo sự ổn định và phát triển cho quần xã sinh vật (biocenosis) đối mặt với tác động bên ngoài.

Đương nhiên, khả năng tự cân bằng của môi trường tự nhiên có giới hạn, tùy vào cường độ và tần số lặp lại của tác động ngoại lai. Các yếu tố ngoại lai mang tính hoàn toàn tự nhiên có ảnh hưởng nghiêm trọng đến sự ổn định của một hệ sinh thái có thể kể đến núi lửa, cháy rừng, động đất, sóng thần… Bên cạnh đó, những hiện tượng tự nhiên khác, như sự nóng lên toàn cầu, axit hóa nước biển…, lại có ảnh hưởng gián tiếp của con người.

Ngoài ra, rất nhiều sinh cảnh trên toàn cầu bị tàn phá do tác động trực tiếp của con người. Các hoạt động như san phá rừng, xây bể chứa thủy điện … có hậu quả ngay lập tức đến sinh cảnh trên toàn cầu;  trong khi đó các hiện tượng như biến đổi khí hậu, ô nhiễm môi trường có tác động lâu dài và hậu quả chỉ có thể ghi nhận sau một thời gian.

Việc đánh giá và xác định nguồn gốc cũng như hậu quả của những hoạt động đó vô cùng quan trọng và quyết định phương án hợp lý giữa cân bằng môi trường sinh thái, sức khỏe cộng đồng với lợi ích kinh tế mà những hoạt động đó mang lại.

Tuy nhiên, do các hoạt động của con người phát triển nhanh chóng và đa dạng trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, nông nghiệp, dịch vụ, với nhiều nhánh nhỏ của mỗi ngành; các sinh cảnh môi trường cũng rất phong phú và mang nhiều đặc trưng khác nhau (môi trường nước ngọt, nước lợ, nước biển; không khí, nước, đất, trầm tích …), dẫn đến việc xác định ảnh hưởng của các hoạt động của con người lên từng hệ sinh thái là một thách thức lớn.

Hình 1: Vòng tuần hoàn của các chất trong môi trường biển và duyên hải.

Vai trò của đánh giá tác động môi trường khi xác định độc tố tiềm ẩn trong môi trường

Đánh giá tác động môi trường (Environmental Impact Assessment) phải dựa trên từng sinh cảnh và từng đặc trưng của hoạt động con người trong môi trường đó để xác định ra yếu tố gây ảnh hưởng. Các yếu tố có thể gây ảnh hưởng tới hệ sinh thái được chia ra nhiều nguồn gốc: vật lý (thay đổi dòng chảy, tăng hoặc giảm cường độ ánh sáng …), hóa học (tăng nồng độ độc chất, giảm nồng độ chất khoáng và dinh dưỡng…), hóa địa chất (thay đổi cấu tạo hóa học dẫn đến thay đổi vật chất khoáng trong môi trường), và sinh học (ô nhiễm vi sinh, sinh vật xâm lấn).

Các yếu tố vật lý hay sinh học thường có thể quan sát và đánh giá được bằng các phương pháp đã được tiêu chuẩn hóa. Áp dụng kỹ thuật môi trường giúp giải quyết một số vấn đề liên quan đến thay đổi cấu trúc vật lý của hệ sinh thái, ví dụ như việc xây dựng các thang cá (fish ladder) trong các dự án đập thủy điện trên con đường di cư và di trú. Tuy nhiên các yếu tố hóa học và hóa địa chất phức tạp hơn và khó nắm bắt do sự đa dạng của các yếu tố và giới hạn của phương pháp xét nghiệm. Về cơ bản, các hợp chất hóa học được phân ra làm ba loại: hóa học hữu cơ, vô cơ và cơ kim (organometallic). Về số lượng, có khoảng 100 000 hợp chất vô cơ và 10 triệu hợp chất hữu cơ được biết đến, nghĩa là người ta có thể dùng tên gọi của các hợp chất đó để đặt tên cho toàn bộ dân số của thành phố Hồ Chí Minh đủ cho đến đến năm 2020.  Ngoài ra, các hợp chất đó còn được chia làm nhiều nhóm với các tính chất đặc trưng khác nhau, dẫn đến sự phát tán trong môi trường khác nhau, ảnh hưởng lên sinh vật cũng khác nhau và nhiều yêu cầu xét nghiệm đặc trưng.

Trên thực tế, ảnh hưởng của mỗi hợp chất đều khác nhau. Paracelsus (1493-1541), bác sĩ người Thụy Sĩ, cha đẻ của ngành độc chất học có đánh giá như sau: “Mọi thứ đều là độc dược, vạn vật đều chứa độc. Sự nguy hiểm của chất độc phụ thuộc vào liều lượng”. Có những chất là độc tố ở liều lượng rất nhỏ như chì, thủy ngân, cyanua …; nhưng có những chất đóng vai trò quan trong trong sự phát triển của sinh vật ở liều lượng vừa đủ và trở thành độc chất ở liều lượng lớn hơn (vi lượng: đồng, kẽm; vitamin: A, D, K).

Phản ứng của hệ sinh thái sau tác động bên ngoài cũng hoàn toàn phụ thuộc vào số lượng cũng như độc tố của các yếu tố ngoại lai. Việc xác định các hợp chất ngoại lại này cũng như xét nghiệm nồng độ của chúng là một thách thức không nhỏ với các nhà khoa học môi trường.

Như đã nói ở trên, việc đánh giá ảnh hưởng môi trường phụ thuộc vào các yếu tố riêng biệt của hệ sinh thái cũng như các hoạt động của con người. Mỗi trường hợp đều yêu cầu các phương pháp khác nhau đòi hỏi kinh nghiệm giám định và xét nghiệm của người nghiên cứu cũng như cơ sở hạ tầng và công cụ tương thích.

Một ví dụ cụ thể là đánh giá ảnh hưởng của khu công nghiệp sản xuất sắt thép lên môi trường biển và vùng duyên hải. Việc đánh giá tác động của ngành công nghiệp này yêu cầu người đánh giá tác động môi trường nắm bắt được quy trình cũng như nguyên liệu đầu vào và sản phẩm đầu ra. Theo số liệu của Ủy bản Châu Âu năm 2006, tổng nguyên liệu đầu vào cho ngành công nghiệp sắt thép vào khoảng 357 triệu tấn, sản xuất ra 206 triệu tấn thép và hơn 150 triệu tấn còn lại là sản phẩm phụ, bao gồm khí thải và xỉ, chiếm đến 42 % tổng nguyên liệu đầu vào (Remus et al., 2013).

Nguyên liệu cơ bản của ngành công nghiệp sắt thép là quặng sắt và vật liệu tái chế (phế thải). Việc tách sắt từ quặng là một quá trình khử mạnh dùng than cốc (Carbon khi cháy tạo nên khí CO là một chất khử đủ mạnh để phản ứng với quặng sắt tạo ra sắt nguyên tố và CO2. Đá vôi được thêm vào quặng nóng chảy để tách nguyên tố sắt khỏi đá và các thành phần khác (impurities). Quá trình này tạo ra một lượng lớn khí độc, là sản phẩm oxy hóa của các nguyên tố lưu huỳnh, nitơ nằm trong nguyên liệu ban đầu. Nước làm nguội cũng nhiễm một lượng lớn các chất như ammonia (sản phẩm của quá trình khử) và cyanua cũng như các hợp chất hữu cơ có độc tính cao (các hydrocacbon thơm mạch vòng, PAH).

Quá trình sản xuất thép sử dụng các nguyên tố vô cơ: Mn, Cr, Ni, Mo, V, W. Nước được dùng để làm nguội và bôi trơn sẽ nhiễm nhiều tạp chất: dầu công nghiệp, nguyên tố vô cơ và mang tính axit cao. Như vậy, quá trình này sản sinh ra một lượng lớn xỉ, khí độc và nước xả công nghiệp có nguy cơ chứa một lượng lớn các chất độc hại (ammonia, cyanua, dầu công nghiệp, hydrocarbon thơm mạch vòng và các nguyên tố vô cơ, xem bảng 1). Ngoài ra, để sản xuất ra 1 tấn thép, lượng nước cần dùng cho tất cả các chu trình sản xuất thép dao động trong khoảng 6,5-84 m3 nước (International Finance Corporation (World Bank Group), 2007). Như vậy, một nhà máy có công suất 22,5 triệu tấn thép một năm sẽ có nhu cầu khoảng 0,1-1 tỷ m3 nước, với nguy cơ nhiễm một lượng lớn chất ô nhiễm (bảng 1). Nếu lấy trung bình tỉ lệ nồng độ chất ô nhiễm trong nước xả công nghiệp so với nước biển sạch (khoảng 25 000 lần, xem bảng 1), số lượng nước xả của trung tâm công nghiệp thép nói trên tương đương với 1 km3 có khả năng gây ô nhiễm cho 25 000 km3 nước biển. Khi so sánh với tổng khối nước biển Đông (9880000 km3, (Eakins and Sharman, 2010)), riêng một khu công nghiệp thép có khả năng ô nhiễm 0,25 % toàn bộ nước biển Đông. Đương nhiên, lượng nước xả trên phải qua xử lý, làm giảm tối đa nồng độ chất ô nhiễm trước khi xả thải. Tuy nhiên, đánh giá tác động môi trường dựa trên tính toán của trường hợp xấu nhất và yếu tố thứ hai là các chất ô nhiễm có khả năng bị giới hạn phát tán ở khu vực gần vùng xả ô nhiễm (sẽ được trình bày ngay sau đây), nên tác động lên địa phương còn lớn hơn rất nhiều.

Bảng 1: So sánh các chỉ số lý-hóa và nồng độ các nguyên tố trong nước xả công nghiệp thép và môi trưởng biển không ô nhiễm

Đơn vị Giá trị thường thấy trong nước xả công nghiệp thép (International Finance Corporation (World Bank Group), 2007) Giá trị thường thấy trong môi trường biển không ô nhiễm (Sohrin and Bruland, 2011) Tỉ lệ nồng độ chất trong nước xả công nghiệp so với nước biển
pH 9-Jun 7,8-8,2
Tổng chất rắn lơ lửng mg L-1 35
Dầu mỡ mg L-1 10 <<
Chất hữu cơ hòa tan mg L-1 250 0,5-1 250-500
Phenol mg L-1 0,5 <<<<
Cd mg L-1 0,01 0,00007 143
Tổng Cr mg L-1 0,5 0,0002 2500
Cu mg L-1 0,5 0,00019 2632
Pb mg L-1 0,2 0,0021 95
Sn mg L-1 2 0,0024 833
Hg mg L-1 0,01 0,0000002 50000
Ni mg L-1 0,5 0,00047 1064
Zn mg L-1 2 0,0004 5000
Cyanua mg L-1 0,5
Tổng N mgN L-1 30
Ammonia mgN L-1 5 <<
Tổng P mg L-1 2
F mgF L-1 5 1,3
S mgS L-1 0,1 0,9
Fe mg L-1 5 0,00003 170000
PAH mg L-1 0,05 143

 

Các quá trình vật lý và sinh hóa địa chất (physic and biogeochemical processes) và vòng tuần hoàn của các chất ô nhiễm

Dựa trên việc giới hạn danh sách các chất và hợp chất có khả năng phát tán trong môi trường, dù hệ thống xử lý chất thải có mục đích loại bỏ hết các độc chất trên, việc đánh giá tác động của khu công nghiệp trên bao gồm việc quan trắc nồng độ tất cả các hợp chất đó. Công việc này yêu cầu kiến thức và kinh nghiệm về các quá trình sinh hóa địa chất (biogeochemical processes, hình 1). Tùy tính chất đặc trưng của từng hợp chất, độ phát tán của chúng trong môi trường biển và duyên hải có thể giới hạn quanh khu vực xả thải hoặc phát tán rộng theo các dòng hải lưu.

Các nguyên tố hoặc hợp chất có khả năng ngoại hấp (adsorption) hoặc liên hợp với chất rắn lơ lửng (suspended matter) trong nước sẽ dễ dàng lắng xuống lớp trầm tích nên phạm vi phát tán sẽ giới hạn quanh khu vực ô nhiễm (Hình 2). Một số ví dụ như các hợp chất hữu cơ vốn có tính chất kỵ nước (hydrophobic) sẽ gắn kết với các hợp chất hữu cơ và các hạt lơ lửng rồi lắng xuống quanh khu vực xả ô nhiễm. Sắt (Fe), Mangan (Mn) hòa tan cao trong môi trường axit hoặc nghèo oxy sẽ kết tủa dạng oxit khi được xả vào nước biển có độ pH cao (pH của nước biển dao động trong khoảng 7,8-8,2) và giàu oxy. Việc kết tủa này tạo nên bề mặt ngoại hấp cho nhiều nguyên tố khác (As, Mo, P…). Cơ chế này tương tự với các bể lắng sắt hòa tan khi bơm nước ngầm lên để dùng trong các hộ gia đình, việc lọc sắt kết tủa trong các bể cát làm giảm tương đối nồng độ thạch tín (Arsenic) có trong nước ngầm (Dixit and Hering, 2003). Tuy nhiên, khi nước xả ô nhiễm có tính khử cao (chứa nhiều ammonia, cyanua, FeII và MnII hòa tan), nồng độ oxy trong nước sẽ giảm do các phản ứng oxy hóa khử. Hiện tượng này làm chậm đi quá trình oxy hóa và lắng đọng của oxit sắt và mangan nên làm tăng độ phát tán của các chất ô nhiễm. Hơn nữa, nồng độ cao các chất hữu cơ kết hợp với chất phú dưỡng (N và P) khi được xả vào môi trưởng biển sẽ kích thích sự phát triển của tảo và vi khuẩn. Vi khuẩn phân hủy chất hữu cơ thiên nhiên ([CH2O]n) theo phản ứng sau:

[CH2O]n + Ox = CO2 + H2O + Red                (phản ứng chưa được cân bằng)

Với Ox và Red là chất oxy hóa và chất khử. Trong môi trường biển giàu oxy, chất oxy hóa đầu tiên dễ được vi khuẩn sử dụng là oxy đẫn đên tình trạng môi trường biển trở nên yếm khí.

Các quá trình này phụ thuộc vào độ pha loãng của khối lượng nước xả ô nhiễm với khối lượng nước biển được làm mới do các dòng hải lưu. Kết luận lại, việc thay đổi điều kiện hóa-lý của môi trường nước (giảm pH, giảm ôxy hòa tan trong nước, tăng độ đục do các hạt lơ lửng làm giảm ánh sáng xuyên thấu) kết hợp với tăng đột biến nống độ độc chất trong môi trường ảnh hưởng trực tiếp đến hệ sinh thái, gây chết hàng loạt sinh vật biển. Khi các khu công nghiệp xả một lượng nước ô nhiễm với nồng độ thấp, khả năng chống chịu và tự cân bằng của hệ sinh thái làm giảm hậu quả quan sát được. Tuy nhiên, việc quan trắc nồng độ chất ô nhiễm tích tụ trong nước biển và đặc biệt là trầm tích quanh khu vực ô nhiễm cho phép theo dõi khả năng vận hành của hệ thống xử lý nước thải. Việc quan trắc này giúp đánh giá tác động môi trường của khu công nghiệp nhằm tìm ra biện pháp xử lý nước thải thích hợp. Trong trường hợp xấu hơn, khi lượng nước thải vượt quá khả năng tự cân bằng của hệ sinh thái, hậu quả dẫn đến là sự sụp đổ của cả quần xã sinh vật và hậu quả trở nên nghiêm trọng và không thể đảo ngược. Trong cả hai trường hợp, quá trình tìm ra nguồn gốc ô nhiễm hoàn toàn dựa trên kết quả quan trắc môi trường, bao gồm nước, trầm tích và sinh vật.

Hình 2: Mô phỏng các quá trình phát tán của các nguyên tố và hợp chất trong quá trình pha loãng nước xả công nghiệp vào môi trường biển. Các nguyên tô Fe, Mn, N và P được biểu thị bằng chữ với kích thước chữ tương ứng với nồng độ trong quá trình phát tán. PAH, cyanua và hợp chất hữu cơ được biểu thị bằng cấu trúc với kích thước tương ứng với nồng độ trong quá trình phát tán.

Thách thức và phương pháp quan trắc môi trường

Khó khăn của việc xét nghiệm hóa học trong môi trường biển là nồng độ muối cao (tổng độ mặn của nước biển dao động từ 35 đến 40 g muối hòa tan trong 1 L nước biển). Tuy việc xét nghiệm độc tố trong nước biển ở điều kiện nồng độ thấp đòi hỏi kinh nghiệm và các công cụ đặc dụng, xét nghiệm độc tốc trong nước biển ô nhiễm hoàn toàn có thể thực hiện ở các phòng thí nghiệm đơn thuần, thậm chí có thể thực hiện ngay tại hiện trường nhờ các bộ kit xét nghiệm đã được tiêu chuẩn hóa. Về cơ bản, các thông số hóa-lý môi trường (pH, điện thế oxy hóa khử (Eh), độ oxy hòa tan, nồng độ chất rắn lơ lửng) phải được ghi nhận và đo đạc thường xuyên. Thay đổi bất thường của các thông số trên, ngoài quy luật cơ bản (ví dụ như ảnh hưởng của nhiệt độ nước lên pH và oxy hòa tan) chỉ rõ ảnh hưởng của nguồn nước khác pha loãng vào nước biển.

Xét nghiệm nước và trầm tích yêu cầu quy trình lấy mẫu tuân thủ các yêu cầu cơ bản, tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu (U.S. Geological Survey, 2015). Ví dụ như để xét nghiệm các nguyên tố kim loại, vật liệu của dụng cụ lấy mẫu phải làm bằng nhựa chống ngoại hấp (HDPE, PTFE …), không sử dụng dụng cụ bằng thủy tinh; ngược lại, trong khi xét nghiệm các hợp chất hữu cơ yêu cầu dụng cụ lấy mẫu thủy tinh và không phải bằng nhựa. Nước và trầm tích phải được bảo quản trong môi trường lạnh tránh ánh sang để giảm thiểu tối đa ảnh hưởng của hiện tượng phân hủy quang học và phát triển của vi sinh vật. Để xét nghiệm các hợp chất và nguyên tố hòa tan, lọc mẫu qua giấy lọc 0,22 hoặc 0,45 μm là cần thiết (chú ý vật liệu của giấy lọc tùy yếu tố muốn xét nghiệm). Việc bảo quản mẫu từ khi được lấy về đến lúc xét nghiệm cũng phải được chú trọng (trong môi trường axit với các nguyên tố kim loại, trong môi trường vô khuẩn với các hợp chất hữu cơ). Có nhiều phương pháp để xét nghiệm các yếu tố trên, tùy thuộc vào nồng độ và đặc tính của mẫu (ảnh hưởng của các yếu tô gây cản trở: nống độ muối, hiện tượng giao thoa phổ …). Ở nồng độ ô nhiễm, các hợp chất hữu cơ có thể được xét nghiệm bằng hệ thống sắc ký (chromatography) kết hợp với phổ khối (mass spectroscopy) hoặc hấp thụ UV. Nồng độ các nguyên tố vô cơ có thể được xác định bằng các phương pháp quang phổ (photospectroscopy, absorption/emission spectroscopy) hoặc khối phổ (mass spectroscopy). Khi nồng độ các yếu tố ô nhiễm rất cao, nhiều bộ xét nghiệm (kit) được thương mại hóa có thể cho kết quả chính xác (Hach, Millipore…). Trầm tích và mẫu sinh vật nằm ở dạng rắn và yêu cầu quá trình phá mẫu (chuyển sang dạng hòa tan) để xét nghiệm, quá trình này thường diễn ra trong môi trường axit và ôxy hóa cao nhằm chuyển hóa các nguyên tố vô cơ gắn kết mạnh với cấu trúc hạt (oxit, đất sét, …) sang dạng hòa tan. Để xét nghiệm các hợp chất hữu cơ trong trầm tích và mẫu sinh vật, mẫu xét nghiệm thường được trộn lẫn với dung môi hữu cơ nhằm chiết xuất các hợp chất hữu cơ có tình hòa tan cao hơn trong dung môi. Các phương pháp xét nghiệm tương tự như xét nghiệm mẫu nước.

Việc đánh giá mức độ ô nhiễm trầm tích chưa được tiêu chuẩn hóa ở phạm vi toàn câu. Tuy nhiên, việc tiêu chuẩn hóa mức độ đánh giá ô nhiễm trầm tích biển hoặc vùng cửa sông ở Pháp đã được quy định bằng văn bản luật (điều 27, Nghị định ngày 14/06/2000, Thông cáo chính phủ số 184 ngày 10/08/2000). Nghị định này nhằm mục đích đưa ra các tiêu chuẩn đánh giá trầm tích biển nhằm giảm thiểu tối đa ô nhiễm biển. Theo đó, 2 mức đánh giá được đưa ra, tiêu chuẩn N1 và N2 (Bảng 2). Nếu nồng độ chất ô nhiễm nằm dưới ngưỡng N1, trầm tích được đánh giá sạch và trên N2, mẫu trầm tích được coi là ô nhiễm. Một khi vùng biển bị đánh giá trên mức N2, tất cả các hoạt động làm ảnh hưởng đến sự ổn định của sinh cảnh đều bị giới hạn.

Bảng 2: Tiêu chuẩn N1 và N2 nhằm đánh giá mức độ ô nhiễm trầm tích biển và cửa sông, nghị định ngày 14/06/2000, Thông cáo chính phủ số 184 ngày 10/08/2000, Cộng Hòa Pháp). Tiêu chuẩn N1 và N2 quy định nồng độ các nguyên tố và hợp chất với đơn vị mg chất trên 1 kg trầm tích sấy khô. Trầm tích phải được sàng qua ngưỡng 2 mm.

N1 (mg kg-1) N2(mg kg-1)
As 25 50
Cd 1,2 2,4
Cr 90 180
Cu 45 90
Hg 0,8 1,6
Ni 37 74
Pb 100 200
Zn 276 552
PCB 0,5 1

Trên đây là một ví dụ về các bước cơ bản trong việc đánh giá tác động của một khu công nghiệp lên môi trường biển. Những hợp chất hữu cơ có thể phân hủy, tuy nhiên, thời gian phân hủy có thể kéo dài và một số chất có thể sinh ra các sản phẩm phụ với độc tính cao hơn. Trái lại, các nguyên tố vô cơ, đặc biệt là các nguyên tô vô cơ, bao gồm cả kim loại và phi kim không thể phân hủy và tồn tại vĩnh viễn trong môi trường và có khả năng phát tán cao, đặc biệt trong chuỗi thức ăn và ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng. Là một đất nước đang phát triển và trong bối cảnh trở thành công xưởng của thế giới, môi trường Việt Nam cần được chú trọng bảo vệ để đảm bảo cho các thế hệ sau này. Đây là một câu hỏi lớn liên quan đến lợi ích kinh tế cũng như an ninh và vận mệnh quốc gia lâu dài.

Tài liệu tham khảo:

Dixit, S., Hering, J.G., 2003. Comparison of arsenic(V) and arsenic(III) sorption onto iron oxide minerals: implications for arsenic mobility. Environ. Sci. Technol. 37, 4182–4189.

Eakins, B.W., Sharman, G. f., 2010. Volumes of the World’s Oceans from ETOPO1, NOAA National Geophysical Data Center, Boulder, CO.

International Finance Corporation (World Bank Group), 2007. Environmental, Health, and Safety Guidelines for Integrated Steel Mills. 27 p.

Remus, R., Roudier, S., Aguado Monsonet, M. a., Sancho, L.D., 2013. Best Available Techniques (BAT) Reference Document for Iron and Steel Production. 627 p.

Sohrin, Y., Bruland, K.W., 2011. Global status of trace elements in the ocean. Trends Anal. Chem. 30, 1291–1307.

U.S. Geological Survey, 2015. Book 9: Handbooks for Water-Resources Investigations. National Field Manual for the Collection of Water-Quality Data. 1539 p.

Theo Vjsonline

Xem bài gốc tại đây 

Comments

Comments Closed

Comments are closed. You will not be able to post a comment in this post.