Đánh giá sự tích lũy và rủi ro sinh thái một số kim loại nặng trong đất đô thị. Trường hợp nghiên cứu ở phường Cam Giá, thành phố Thái Nguyên

Quá trình tích lũy kim loại nặng trong môi trường đất đô thị từ các nguồn ô nhiễm trong quá trình công nghiệp hóa và đô thị hóa là rất quan trọng để giải quyết các vấn đề môi trường, đồng thời cũng là mối nguy cơ tiềm ẩn có thể tác động trực tiếp đến môi trường đất và thậm chí có thể ảnh hưởng đến sức khoẻ cộng đồng đô thị nơi tập trung số lượng lớn dân cư. Trong nghiên cứu này, áp dụng các chỉ số mức độ ô nhiễm (C_d); chỉ số ô nhiễm Nemerow (P_s) và các chỉ số tiềm năng sinh thái (RI) nhằm đề cập đến việc đánh giá ô nhiễm kim loại nặng sử dụng cho 6 thông số Cu, Pb, Zn, Cr, Cd và As. Qua kết quả phân tích, đánh giá cho thấy một số kim loại nặng nằm trong giới hạn cho phép và một số kim loại nặng khác vượt quá tiêu chuẩn cho phép về giới hạn tối đa hàm lượng tổng số của kim loại nặng trong tầng đất mặt đối với đất dân sinh, đất đô thị. Thứ tự đánh giá mức độ rủi ro sinh thái tiềm năng đối với các nguyên tố kim loại nặng trong khu vực nghiên cứu: Cd > Pb > As > Zn > Cu > Cr.

1. Giới thiệu

Trong những năm gần đây, nhiều sự quan tâm hướng tới vấn đề ô nhiễm đất đô thị do kim loại nặng khi mà tốc độ công nghiệp hóa và đô thị hóa diễn ra nhanh chóng [1]. Nhiều nghiên cứu khác cũng đã đề cập vấn đề này và đã chỉ ra rõ các nguyên nhân chủ yếu là từ các ngành công nghiệp hiện đại, giao thông và các hoạt động khai thác khác ở khu vực đô thị [2-6]. Nồng độ của kim loại nặng và các yếu tố độc hại trong đất và bụi bên đường có thể giúp thông báo về mức độ ô nhiễm ở các khu vực đô thị và công nghiệp vì nồng độ này thường phản ánh mức độ phát thải từ các nguồn nhân tạo [7-8]. Nhìn chung, có hai nguồn chính của kim loại nặng trong đất [9], đại diện cho nồng độ kim loại nặng có nguồn gốc từ đá mẹ [11] và từ nguồn nhân tạo, gây ra bởi quá trình hóa học, chất thải công nghiệp - nông nghiệp và bụi giao thông. Hàm lượng kim loại nặng vượt giới hạn cho phép thì chúng sẽ trở nên độc hại. Một số nguyên tố như Cd, Pb, Hg hiện nay không phát hiện thấy chúng có chức năng sinh học và chúng thể hiện độc tính đối với con người [10]. Khảo sát về hàm lượng một số kim loại nặng trong đất thuộc khu vực phường Cam Giá, thành phố Thái Nguyên đã cho thấy có dấu hiệu hàm lượng kim loại nặng vượt quá tiêu chuẩn cho phép (QCVN 03-MT:2015/BTNMT) [12]. Các công cụ đánh giá tổng hợp chỉ số ô nhiễm kim loại nặng, các chỉ số rủi ro sinh thái tiềm năng đơn lẻ và chỉ số rủi ro sinh thái tiềm năng tổng hợp đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới [13-16]. Trong nghiên cứu này đã sử dụng các chỉ số đánh giá tổng hợp nhằm làm rõ các nguy cơ gây ô nhiễm môi trường đất liên quan đến quá trình tích lũy kim loại nặng trong đất đô thị phường Cam Giá, thành phố Thái Nguyên.

2. Phương pháp nghiên cứu

2.1. Khu vực nghiên cứu

Phường Cam Giá nằm ở phía đông nam thành phố Thái Nguyên, có diện tích 9 km², dân số năm 1999 là 10.186 người, mật độ dân số đạt 1.132 người/km². Trên địa bàn phường có Công ty Gang thép Thái Nguyên, một cơ sở kinh tế quan trọng trong quá trình phát triển của thành phố Thái Nguyên. Địa phận phường có một đoạn sông Cầu chảy qua với một số nhánh sông nhỏ nằm trong phường Cam Giá (Bảng 2.1).

Bảng 2.1. Một số vị trí lấy mẫu đất

Mẫu được lấy bằng ống nhựa PVC (đường kính 2,5 cm), ở độ sâu từ 0 - 20 cm, được bảo quản nguyên trạng, xử lý và phân tích ICP-MS tại phòng thí nghiệm.

2.2. Các phương pháp thực hiện

Phương pháp đánh giá chỉ số mức độ ô nhiễm tổng cộng: Chỉ số mức độ ô nhiễm tổng cộng của m độc chất được xác định bằng tổng các chỉ số ô nhiễm đơn lẻ [17, 18], và xác định theo công thức sau:

Trong đó:

m: Là số độc chất, kim loại nặng được áp dụng tính toán chỉ số ô nhiễm;

Cⁱ_f: Chỉ số ô nhiễm đơn lẻ của độc chất và kim loại nặng, xác định theo công thức sau:

Cⁱ_f = C_i / C_ref

Trong đó:

C_i : là đại diện cho nồng độ trung bình của các độc chất, kim loại nặng;

C_ref : là giá trị giới hạn theo các tiêu chuẩn đánh giá (QCVN 03-MT : 2015/BTNMT) [12].

Thang đánh giá chỉ số mức độ ô nhiễm tổng cộng được áp dụng như sau:

Bảng 2.2. Đánh giá mức độ ô nhiễm tổng cộng [17, 18]

Phương pháp đánh giá theo chỉ số ô nhiễm Nemerow: Áp dụng phương pháp xác định chỉ số ô nhiễm Nemerow [19]. Chỉ số ô nhiễm Nemerow phản ánh trực tiếp tình trạng ô nhiễm và được xác định theo công thức sau:

Trong đó:

P_s : là chỉ tiêu ô nhiễm Nemerow;

P_ave : là giá trị trung bình của chỉ số ô nhiễm đơn lẻ (Cⁱ_f) của tất cả các kim loại;

P_max : là giá trị cao nhất của các chỉ số đơn lẻ.

Thang đánh giá hiện trạng ô nhiễm theo chỉ số Nemerow (P_s) như sau:

Bảng 2.3. Chỉ số ô nhiễm Nemerow

Phương pháp chỉ số rủi ro tiềm năng sinh thái: Phương pháp chỉ số rủi ro tiềm năng sinh thái được Hakanson đề xuất để đánh giá ô nhiễm kim loại nặng [13]. Chỉ số rủi ro tiềm năng sinh thái (RI) được xác định theo công thức sau:

FI = ∑ⁿ_i=1Eⁱ_r

Trong đó:

Eⁱ_r = Tⁱ_r x Cⁱ_f

Tⁱ_r : là hệ số đáp ứng độc tính được đề xuất bởi Hakanson (Bảng 2.4);

Thang đánh giá rủi ro tiềm năng sinh thái đơn lẻ của 8 độc chất nói trên được đề xuất bởi Hakanson, trình bày ở bảng 2.5 [13].

Thang đánh giá rủi ro tiềm năng sinh thái tổng hợp của 8 độc chất nói trên được đề xuất bởi Hakanson, trình bày ở bảng 2.6 [13].

Bảng 2.4. Chỉ số phản ứng độc tính của một số chất độc và kim loại nặng [13]

Bảng 2.5. Đánh giá mức rủi ro tiềm năng sinh thái đơn lẻ [13]

Bảng 2.6. Đánh giá mức rủi ro tiềm năng sinh thái tổng hợp [13]

3. Kết quả và thảo luận

3.1. Đánh giá mức độ tích lũy kim loại nặng

Kết quả phân tích hàm lượng kim loại nặng (tổng số) trong một số mẫu đất được thể hiện ở bảng 3.1. Một số mẫu có hàm lượng chì, kẽm và cadimi đã vượt quy chuẩn cho phép về giới hạn tối đa hàm lượng tổng số của một số kim loại nặng trong tầng đất mặt đối với đất dân sinh, đô thị (QCVN 03-MT:2015/BTNMT). Ngược lại, hàm lượng tổng số của crom và đồng đối với một số mẫu đất khác lại thấp hơn quy chuẩn cho phép, thậm chí cũng đối với hàm lượng asen ngoại trừ vị trí mẫu số M5.

Bảng 3.1. Hàm lượng tổng một số kim loại nặng trong mẫu đất

3.2. Chỉ số ô nhiễm tổng cộng (C_d)

Chỉ số mức độ ô nhiễm tổng cộng của cả 6 nguyên tố kim loại nặng trong 6 mẫu đất được đưa ra để đánh giá đã được thể hiện ở bảng 3.2, cho thấy ở vị trí M3 (C_d < 6) ở mức ô nhiễm thấp nhất; vị trí M2 ở mức ô nhiễm vừa phải; các vị trí M1 và M6 đã thể hiện mức độ ô nhiễm đáng kể và đặc biệt ở các vị trí M4 và M5 thì chỉ số C_d đã vượt mức cực đại của phép so sánh với C_d > 24. Thông qua chỉ số ô nhiễm tổng cộng đã cho thấy đa số các vị trí đã có mức ô nhiễm kim loại nặng.

3.3. Chỉ số ô nhiễm Nemerow (P_s)

Kết quả tính toán chỉ số ô nhiễm Nemerow để xác định thực trạng mức độ ô nhiễm kim loại nặng của đất với các thông số như thể hiện ở bảng 3.2.

Bảng 3.2. Chỉ số ô nhiễm kim loại nặng theo phương pháp Nemerow

Tương ứng với chỉ số ô nhiễm tổng cộng, chỉ số Nemerow cũng đã chỉ ra vị trí M3 đạt ngưỡng an toàn; vị trí M2 ở mức độ ô nhiễm nhẹ và còn lại các vị trí M1, M4, M5 và M6 đều có chỉ số Nemerow > 3, nghĩa là ở mức độ ô nhiễm nghiêm trọng. Hơn nữa, phù hợp với đánh giá mức độ ô nhiễm tổng cộng là rất cao ở các vị trí M4 và M5.

3.4. Đánh giá rủi ro sinh thái tiềm năng (RI)

Áp dụng công thức tính chỉ số rủi ro sinh thái tiềm năng (RI) trong mục 2.2 ở trên, kết quả tính toán yếu tố rủi ro sinh thái tiềm năng của từng kim loại nặng được trình bày ở bảng 3.3.

Bảng 3.3. Chỉ số rủi ro sinh thái tiềm năng

Từ kết quả bảng 3.3 kết hợp với thang đánh giá (bảng 2.5) mức độ rủi ro sinh thái tiềm năng đơn lẻ (Eⁱ_r) cho thấy mức độ rủi ro sinh thái đối với các kim loại nặng cadimi và chì là rất cao, Eⁱ_r (Cd) trung bình là 179,75 nhưng có mức đột biến ở ngưỡng rất cao tại vị trí M5. Eⁱ_r (Pb) trung bình là 39,83 nhưng mức đột biến ở ngưỡng đáng lo ngại tại vị trí M4. Qua bảng kết quả này cũng có thể sắp xếp yếu tố rủi ro sinh thái tiềm năng đơn lẻ cho từng kim loại theo thứ tự như sau: Eⁱ_r(Cd) > Eⁱ_r(Pb) > Eⁱ_r(As) > Eⁱ_r(Zn) > Eⁱ_r(Cu) > Eⁱ_r(Cr). Mức độ rủi ro sinh thái đối với các nguyên tố kim loại nặng còn lại (As, Zn, Cu, Cr) đều ở mức thấp trong nghiên cứu này.

Đối với chỉ số rủi ro sinh thái tiềm năng tổng hợp (RI) kết hợp với thang đánh giá (bảng 2.6) cho thấy các vị trí M1, M2 và M3 đều có mức rủi ro sinh thái tiềm năng thấp (RI < 150), tại vị trí M6 có mức rủi ro sinh thái tiềm năng ở ngưỡng vừa phải và đặc biệt tại vị trí M4 và M5 đều có mức rủi ro sinh thái tiềm năng vượt ngưỡng cực đại của thang đánh giá với các giá trị lần lượt là RI(M4) = 324,09 (ở ngưỡng đáng lo ngại) và RI(M5) = 600,35 (ở ngưỡng rất cao). Kết quả cũng thể hiện một cách tương đồng với các chỉ số đánh giá mức độ ô nhiễm tổng cộng hay chỉ số ô nhiễm Nemerow.

4. Kết luận

Kết quả phân tích, đánh giá mức độ ô nhiễm các nguyên tố kim loại nặng và rủi ro sinh thái tiềm năng đã thể hiện các dấu hiệu ô nhiễm môi trường đất của các kim loại nặng như Cu, Pb, Zn, Cd, Cr và As, cụ thể như sau:

- So với quy chuẩn Việt Nam áp dụng cho đất dân sinh, đô thị, hầu hết các mẫu đất vượt quá tiêu chuẩn cho phép về giới hạn tối đa hàm lượng tổng số kim loại nặng trong tầng đất mặt là Pb, Zn, Cd và As (QCVN 03- MT/2015/BTNMT);

- Chỉ số ô nhiễm tổng cộng (C_d) và chỉ số ô nhiễm Nemerow (P_s) đều chỉ ra mức độ ô nhiễm khá cao và ô nhiễm nghiêm trọng đối với các vị trí M4 và M5. Các vị trí còn lại ở ngưỡng mức độ ô nhiễm nhẹ.

- Kết quả tính toán và đánh giá chỉ số rủi ro sinh thái tiềm năng đơn lẻ đều chỉ ra mức độ rủi ro sinh thái cao và mức độ rủi ro sinh thái rất cao lần lượt đối với các vị trí M4 và M5. Các vị trí còn lại ở ngưỡng mức độ rủi ro sinh thái thấp. Chỉ số rủi ro tiềm năng sinh thái tổng hợp ở mức độ rủi ro sinh thái đáng lo ngại ở vị trí M4 và ở mức độ rủi ro sinh thái rất cao tại vị trí M5. Các vị trí còn lại đều ở mức rủi ro sinh thái thấp.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Sun L.V, Yang X.B, Wang N.Q & Chen S. (2008). Spatial distribution of Cd, and Cu, in soils in Shenyang Zhangshi irrigation area (SZIA) - China Journal of Zhejiang University, Science. B, 9, 271 - 278.
2. Nazzal Y, Rosen M.A & Al-Rawabdeh A.M. (2012). Assessment of metals pollution in urban road dusts from selected highways of the Greater Toronto Area in Canada - Environ Monit Assess J. Springer. doi: 10.1007/s10661-012-2672-3.
3. Nazzal Y, Habes G & Rosen M.A. (2014). Application of multivariate geostatistics in the investigation of heavy metal contamination of road side dusts from selected highways of the Greater Toronto, Canada - J. Environ. Earth Sci., 71, 1409-1419.
4. Xiauyu Li, Lijuan Liu, Yugang Wang, Geping Luo, Xi Chen, Xiaoliang Yang, Myrna H.P.H, Ruichao Guo, Houjun Wang, Jiehua Cui & Xingyuan He. (2013). Heavy metal contamination of urban soil in an old industry city (Shenyang) in Northeast China - Geoderma, 192, 50-58.
5. Gallagher F.J, Pechmann I, Bogden J.D, Grabosky J & Weis P. (2008). Soil metal concentration and vegetative assemblage structure in an urban brownfield - Environmental Pollution, 153, 351-361.
6. De Kimpe C.R & Morel J.L. (2000). Urban soil management, a growing concern. Soil Science, 165, 31-40.
7. Fergusson J.E. (1990). The Heavy Elements: Chemistry, Environment Impact and Health Effects, vol. 9- Pergamon Press, Oxford.
8. Harrison R.M, Laxen D.P.H & Wilson S.J. (1981). Chemical association of lead and zinc in street dust and road side soils - Environ. Sci. Technol., 15, 1378-1381.
9. Li J.L, He M, Han, W & Gu Y.F. (2009). Analysis and assessment on heavy metal sources in the coastal soils developed from alluvial deposits using multivariate statistical methods - Journal of Hazardous Materials, 164, 976-981.
10. Science Communication Unit, University of the West of England, Bristol (2013). Science for Environment Policy In-depth Report: Soil Contamination: Impacts on Human Health. Report produced for the European Commission DG Environment.
11. Zhiyuan Li, Zongwei Ma, Tsering Janvan der Kuijp, Zengwei Yuan, Lei Huang. (2014) “A review of soil heavy metal pollution from mines in China: Pollution and health risk assessment”. Science of The Total Environment 468-469, pp. 843-853.
12. QCVN 03-MT:2015/BTNMT. Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về giới hạn cho phép của một số kim loại nặng trong đất.
13. Hakanson L. (1980). “An ecological risk index for aquatic pollution control: A sedimentological approach”. Water Research 14, pp. 975-1001.
14. Binggan Wei, Linsheng Yang. (2010). A review of heavy metal contaminations in urban soils, urban road dusts and agricultural soils from China. Microchemical Journal 94, pp. 99-107.
15. Yuanan Hu, Xueping Liu, Jinmei Bai, Kaimin Shih & Eddy Y. Zeng, and Hefa Cheng (2013). “Assessing heavy metal pollution in the surface soils of a region that had undergone three decades of intense industrialization and urbanization”. Environmental Science and Pollution Research 20, pp. 6150 - 6159.
16. Mohamed S.M. EL-Bady (2016). “New approach for calculation of pollution indices of the soils by heavy metals: case study for soils of Bahr ElBaqar Region, South of Manzala Lagoon, Egypt”. International Journal of ChemTech Research 9 (4), pp. 461- 474.
17. Caeiro, S., Costa, M. H., Ramos, T. B. (2005). “Assessing Heavy Metal Contamination in Sado Estuary Sediment: An Index Analysis Approach”. Ecological Indicators 5, pp. 151-169.
18. Pekey, H, Karaka, D, Ayberk, S, Tolun L, and Bakoglu M. (2004). “Ecological Risk Assessment Using Trace Elements from Surface Sediments of zmit Bay (Northeastern Marmara Sea) Turkey”. Marine Pollution Bulletin 48, pp. 946–953.
19. Qingjie G, Jun D, Yunchuan X, Qingfei W, Liqiang Y. (2008). “Calculating pollution indicies by heavy metals in ecological geochemis assessments and a case study in parks of Beijing”. Journal of China University of Geosciences 19(3), pp. 230-241.

ThS NGUYỄN VĂN BÌNH - TS NGUYỄN QUỐC PHI - ThS ĐỖ THỊ HẢI - ThS ĐỖ CAO CƯỜNG - ThS NGUYỄN TRUNG THÀNH, Khoa Khoa học và Kỹ thuật Địa chất, Trường Đại học Mỏ - Địa chất

ThS PHAN THỊ MAI HOA - Khoa Môi trường, Trường Đại học Mỏ - Địa chất