TỔNG QUAN
Ô nhiễm một số yếu tố kim loại nặng trong môi trường nước, thực phẩm
1.1.1 Một số khái niệm về ô nhiễm môi trường
- Khái niệm ô nhiễm môi trường: Theo Luật Bảo vệ môi trường năm
Ô nhiễm môi trường vào năm 2014 được định nghĩa là sự thay đổi các tính chất lý học, hóa học và sinh vật học của môi trường, dẫn đến vi phạm các tiêu chuẩn môi trường Hậu quả của ô nhiễm này có thể gây hại cho sức khỏe con người, ảnh hưởng đến sự phát triển của sinh vật và làm suy giảm chất lượng môi trường.
Chất gây ô nhiễm là các hóa chất, yếu tố vật lý và sinh học có mặt trong môi trường với nồng độ vượt quá mức cho phép, dẫn đến ô nhiễm môi trường Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), các yếu tố nguy cơ môi trường như ô nhiễm không khí, nước, đất, phơi nhiễm hóa chất, biến đổi khí hậu và tia tử ngoại có thể gây ra hơn 100 loại bệnh và chấn thương.
- Môi trường ven biển hoặc cửa biển
Vùng ven biển là khu vực quan trọng, đóng vai trò chuyển tiếp giữa đất liền và biển, với các hệ sinh thái như cửa sông, thảm cỏ biển, đầm lầy muối, bãi triều, rừng ngập mặn và rạn san hô Những hệ sinh thái này cung cấp khoảng 20 triệu tấn cá tầng đáy và 8 triệu tấn cá biển, chiếm 28% sản lượng cá toàn cầu vào năm 2013.
Kim loại nặng (KLN) là những kim loại có tỷ trọng lớn hơn 5g/cm³, có nguồn gốc tự nhiên hoặc nhân tạo, và được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp, nông nghiệp và y tế Tuy nhiên, KLN có thể gây độc hại cho cơ thể sống ngay cả ở nồng độ thấp Các kim loại như As, Pb, Cd, Cr và Hg là mối quan tâm hàng đầu của WHO và cộng đồng nghiên cứu do ảnh hưởng đến sức khỏe con người và môi trường Nhóm nghiên cứu đang điều tra sự hiện diện của các KLN này trong nước và thực phẩm, đồng thời xem xét mối liên hệ với các chỉ số sức khỏe của cộng đồng.
1.1.2 Kim loại nặng, nguồn gốc, chuyển hóa trong tự nhiên và ảnh hưởng của chúng đến sức khỏe
Asen, mặc dù là á kim, nhưng được phân loại là kim loại nặng do tính độc hại của nó, gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người và môi trường Con người có thể tiếp xúc với asen từ các nguồn tự nhiên như hoạt động núi lửa, cũng như từ các hoạt động nhân tạo như nấu chảy kim loại màu, sản xuất năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch, và sản xuất thuốc trừ sâu, dịch hại, trừ cỏ Asen cũng có mặt trong nhiều hợp kim và chất bảo quản gỗ.
Vi khuẩn, tảo, nấm và con người có khả năng methyl hóa hợp chất Asen vô cơ thành axit monomethylarsonic (MMA) và axit dimethylarsinic (DMA) Asen vô cơ có độc tính mạnh, trong khi Asen hữu cơ thường không độc và được đào thải nhanh khỏi cơ thể Đường xâm nhập chính của As vào cơ thể là qua thức ăn và nước uống, với một lượng nhỏ từ không khí Phơi nhiễm Asen ở mức thấp có thể gây ra các triệu chứng như giảm sản xuất hồng cầu và bạch cầu, buồn nôn, nhịp tim bất thường, cảm giác tê và khó khăn trong di chuyển Trong khi đó, phơi nhiễm As mãn tính có thể dẫn đến tổn thương da, bệnh thần kinh, vấn đề về phổi, tăng huyết áp, bệnh tim mạch và đái tháo đường.
Chì chủ yếu xuất hiện trong môi trường từ hoạt động công nghiệp và các sản phẩm tiêu dùng như pin và sơn Nguồn phơi nhiễm chì chính là thực phẩm và nguồn nước, theo thông tin từ Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ.
Chì được xếp vào nhóm chất gây ung thư bởi USEPA và ATSDR, gây độc qua cơ chế ion và stress oxy hóa (ROS) Ở nồng độ cao, ROS có thể làm tổn thương cấu trúc tế bào, protein, axit nucleic, màng và lipid, dẫn đến stress tế bào cấp Chì có khả năng thay thế canxi trong điều hòa picomole, ảnh hưởng đến protein kinase C, gây kích thích thần kinh và giảm trí nhớ Khoảng 95% chì lắng đọng dưới dạng phốt phát không hòa tan trong xương Nhiễm độc chì có thể gây ra các triệu chứng cấp tính như mất vị giác, đau đầu, tăng huyết áp, và mệt mỏi, cũng như các tác động mãn tính nghiêm trọng như dị tật bẩm sinh, rối loạn tâm thần, và tổn thương não.
Cadmium (Cd) được thải ra môi trường từ các nguồn tự nhiên như phun trào núi lửa và phong hóa, cũng như từ các hoạt động của con người như khai thác, luyện kim, hút thuốc lá, đốt rác thải đô thị và sản xuất phân bón Cd được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm pin, bột màu, nhựa, sơn kim loại và mạ điện Theo ATSDR, Cd được xếp hạng là kim loại nặng độc hại thứ bảy.
Cadmium (Cd) có khả năng liên kết với các amino acid như cystein, glutamate, histidine và aspartate, dẫn đến tình trạng thiếu sắt Với trạng thái oxy hóa tương tự, Cd có thể thay thế kẽm trong metallothionein, gây ra độc tính cấp tính và mãn tính Thuốc lá là nguồn nhiễm Cd chính đối với người hút thuốc, trong khi rau và hoa quả có thể nhiễm Cd do tỷ lệ chuyển từ đất vào cây trồng cao Phơi nhiễm với Cd có thể gây ra nhiều vấn đề sức khỏe như loãng xương, rối loạn chuyển hóa canxi, tăng canxi niệu, sỏi thận và rối loạn chức năng thận Ngoài ra, phơi nhiễm với hàm lượng Cd cao có thể gây kích ứng dạ dày, nôn mửa và tiêu chảy, đồng thời Cd gây độc tính qua việc tương tác với các chất dinh dưỡng thiết yếu.
Crôm được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như luyện kim, mạ điện, sản xuất sơn và phẩm màu, thuộc da, và bảo quản gỗ Tuy nhiên, Cr (III) có thể dễ dàng bị oxy hóa thành Cr (VI), một chất cực kỳ độc hại và tan mạnh trong nước Trong môi trường, Cr (III) không gây hại do tính thấm màng yếu, trong khi Cr (VI) có khả năng gây đột biến và xâm nhập tế bào, được xếp vào nhóm chất gây ung thư ở người (nhóm 1) bởi cơ quan nghiên cứu ung thư quốc tế Các hợp chất Crôm (VI) như canxi cromat, kẽm cromat, strontium cromat và chì cromat có độc tính cao và gây ung thư tự nhiên Sự hấp thụ Crôm (VI) qua đường hô hấp và tiêu hóa diễn ra nhanh hơn so với Crôm (III), và phơi nhiễm với nồng độ Crôm cao có thể dẫn đến ức chế hồng cầu.
Thủy ngân là một nguyên tố tự nhiên có mặt trong không khí, nước và đất, và tiếp xúc với ngay cả một lượng nhỏ cũng có thể gây ra các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng, đặc biệt là đối với sự phát triển của thai nhi Chất này có tác động độc hại đến hệ thần kinh, tiêu hóa, miễn dịch, cũng như các cơ quan như phổi, thận, da và mắt Theo WHO, thủy ngân là một trong mười hóa chất quan trọng nhất ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng Mọi người chủ yếu tiếp xúc với methylmercury qua việc tiêu thụ cá và động vật có vỏ, trong khi ethylmercury, được sử dụng làm chất bảo quản trong một số vắc xin, không gây nguy hiểm cho sức khỏe.
Hình 1.1 Nguồn gốc, chu trình KLN trong hệ sinh thái đất-nước-không khí [26]
Hình 1.2 Ảnh hưởng của một số KLN chính đến sức khỏe [26]
1.1.3 Thực trạng ô nhiễm kim loại nặng trong nước, thực phẩm trên thế giới và Việt Nam
- Ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường nước và thủy hải sản
Khu vực cửa sông và ven biển có mức độ đa dạng sinh học cao, cung cấp nguồn lợi thủy sản lớn cho con người Tuy nhiên, đây cũng là nơi có nguy cơ ô nhiễm kim loại nặng cao do đặc điểm thủy động lực học và việc tiếp nhận chất thải từ hoạt động sinh hoạt và sản xuất Tình trạng nhiễm kim loại nặng trong sinh vật đã làm gia tăng lo ngại về sức khỏe cộng đồng tại nhiều khu vực cửa sông, ven biển trên thế giới Nhiều nghiên cứu tại Châu Á đã chỉ ra hàm lượng kim loại nặng trong thủy hải sản, đặc biệt là trong cơ và gan Một số nghiên cứu cho thấy hàm lượng kim loại nặng trong cá và tôm tiêu thụ ở Vịnh Ả Rập và Malaysia nằm trong giới hạn cho phép của quốc gia Tuy nhiên, nghiên cứu tại Jizan, Ả Rập Xê Út (2013) phát hiện hàm lượng trung bình kim loại nặng trong nước vượt giá trị khuyến cáo của WHO/USEPA, với thứ tự giảm dần là Cr > Pb > As > Cd.
Musaiger, DSouza (2008) và Agah (2009) đã tiến hành phân tích hàm lượng KLN trong cá tại Bahrain và trạm vùng biển Iran thuộc vịnh Ả Rập, và kết quả cho thấy chỉ có arsen (As) vượt quá giới hạn cho phép.
Nghiên cứu cho thấy hàm lượng chì (Pb) trong một số loại thủy hải sản như cỏ và vỏ bỳt dao động từ 0,5 đến 2,31 àg/g trọng lượng ướt Mức này vượt qua giới hạn cho phép quốc gia tại vịnh Ả Rập và Đụng Nam vịnh California, là 0,5 àg/g trọng lượng ướt.
Cơ cấu bệnh tật và nguy cơ phơi nhiễm KLN ở cư dân vùng ven biển
Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), sức khỏe không chỉ đơn thuần là việc không có bệnh tật hay tàn tật, mà còn là trạng thái hoàn toàn thoải mái về thể chất, tinh thần và xã hội.
Cơ cấu bệnh tật là cách sắp xếp các đặc trưng chủ yếu về tỷ lệ các loại hình bệnh và tật của con người trong một cộng đồng [54].
1.2.1.3 Đánh giá nguy cơ: Đánh giá nguy cơ (Risk Assessment): Là quá trình tính toán tác động tiềm tàng của một chất nguy hại về mặt hóa học, lý học, vi sinh vật học và sinh lý lên một hệ sinh thái hay một cộng đồng ở điều kiện đặc thù trong một khoảng thời gian nhất định [55, 56].
Lượng độc chất đưa vào cơ thể qua các con đường khác nhau tính trên
1 kg thể trọng trong 1 ngày.
Quá trình tiếp xúc với các tác nhân hóa học, lý học và sinh học từ môi trường bên ngoài cơ thể diễn ra qua các con đường hô hấp, tiêu hóa và tiếp xúc với da.
1.2.1.6 Nguy cơ sức khỏe (Health risk)
Quá trình tính toán liên quan đến các tác nhân hóa học, sinh học, vật lý, hoặc đánh giá tác động của một yếu tố xã hội lên cộng đồng dân cư trong những điều kiện cụ thể và khoảng thời gian nhất định.
1.2.1.7 Liều tham chiếu (Reference Dose- RfD)
Giá trị ước tính cho phơi nhiễm hàng ngày (mg/kg/ngày) ở nhóm đối tượng nghiên cứu.
1.2.1.8 Hệ số cancer slope factor (CSF)
Hệ số cancer slope factor là một công cụ quan trọng để ước tính nguy cơ mắc ung thư khi tiếp xúc với các chất gây ung thư hoặc có khả năng gây ung thư.
1.2.2 Cơ cấu bệnh tật khu vực ven biển trên thế giới và Việt Nam
Theo dự báo của Viện Đánh giá Y tế Quốc tế, đến năm 2040, bệnh tim mạch và đột quỵ vẫn sẽ là hai nguyên nhân gây tử vong hàng đầu Các bệnh không lây nhiễm như COPD, ung thư phổi, đái tháo đường, thận mạn tính và bệnh Alzheimer dự kiến sẽ tăng thứ hạng từ vị trí 9 và 13-18 năm 2016 lên thành nguyên nhân gây tử vong thứ 4-7 và 9 vào năm 2040.
Hình 1.3 Nguyên nhân tử vong năm 2016 và dự báo năm 2040 [57, 58]
Theo thống kê của WHO và các tổ chức quốc tế, tỷ lệ mắc và tử vong do bệnh không lây nhiễm đang gia tăng trên toàn cầu, trong khi bệnh truyền nhiễm có xu hướng giảm Bệnh không lây nhiễm vẫn là gánh nặng lớn nhất, đặc biệt tại các quốc gia có thu nhập thấp và trung bình, bao gồm cả Việt Nam.
Hình 1.4 Tỷ lệ tử vong theo nhóm nguyên nhân theo khu vực
Hình 1.5 Tỷ lệ tử vong do bệnh không lây nhiễm theo khu vực năm 2012
Tại Việt Nam, cơ cấu bệnh tật được phân loại thành ba nhóm chính: bệnh truyền nhiễm, bệnh không lây và tai nạn ngộ độc Theo thống kê của Bộ Y tế, năm 2016, tỷ lệ bệnh không lây nhiễm chiếm 69,1%, tăng từ 65,6% năm 2015, trong khi tỷ lệ bệnh lây nhiễm giảm xuống 20,8% so với 23,6% năm trước đó Trong năm năm qua, mô hình bệnh tật cho thấy bệnh không lây chiếm 2/3 tổng số bệnh, trong khi bệnh truyền nhiễm chỉ chiếm tỷ lệ thấp hơn 1/3, và phần còn lại là tai nạn, ngộ độc và chấn thương.
Hình 1.6 Cơ cấu bệnh tật trong 5 năm 2012-2016
Nguồn: Niên giám thống kê y tế, 2012-2016 [60]
Tại Hải Phòng, số liệu từ bảng 1.1 cho thấy sự tương đồng trong cơ cấu tỷ lệ bệnh nhân nhập viện giữa huyện Thủy Nguyên và toàn thành phố trong 5 năm qua Các chuyên khoa có tỷ lệ bệnh nhân khám và nhập viện cao nhất bao gồm Khối u (21,12-26,31%), Bệnh hệ tiêu hóa (13,67-12,24%), Bệnh hệ tuần hoàn (11,41-10,63%), và Chấn thương, ngộ độc (15%).
Bảng 1.1 Phân bố lượt khám theo chương bệnh ở người dân trong 5 năm (2014-2018)
I - Bệnh nhiễm khuẩn và ký sinh vật 14700 4,98 1848 4,85
III - Bệnh máu, cơ quan tạo máu, miễn dịch 5163 1,75 1080 2,83
IV - Bệnh nội tiết, dinh dưỡng chuyển hóa 10150 3,44 1049 2,75
VI - Bệnh hệ thần kinh 5170 1,75 534 1,40
VII - Bệnh mắt và phần phụ 8220 2,78 737 1,93
VIII - Bệnh tai và xương chũm 3930 1,33 336 0,88
IX - Bệnh hệ tuần hoàn 36797 12,46 4053 10,63
XII - Bệnh da và mô dưới da 3896 1,32 463 1,21
XIII - Bệnh hệ cơ xương và mô liên kết 9186 3,11 767 2,01 XIV - Bệnh hệ tiết niệu-sinh dục 17952 6,08 2656 6,97
XVIII - Triệu chứng, dấu hiệu bất thường, 7064 2,39 799 2,10 không phân loại ở nơi khác
XIX - Chấn thương, ngộ độc 45890 15,54 6054 15,88
Nguồn: Sở Y tế Hải Phòng [61]
Trong 5 năm qua, cơ cấu tỷ lệ phân bố lượt khám theo chương bệnh tại Hải Phòng đã có sự thay đổi Mặc dù tỷ lệ khám cao nhất vẫn thuộc về các chương bệnh, đặc biệt là Chương II (Khối U), nhưng sự biến động trong tỷ lệ này cho thấy sự phát triển và thay đổi trong nhu cầu chăm sóc sức khỏe của người dân.
Chương IX (Bệnh hệ tuần hoàn) và Chương XII đang cho thấy xu thế giảm trong tỷ lệ mắc bệnh, với bệnh hệ tuần hoàn giảm từ 15,60% trong năm qua Trong khi đó, các chương khác như Chương XI (Bệnh tiêu hóa), Chương XIX (Chấn thương, ngộ độc) và Chương X (Bệnh hô hấp) vẫn tiếp tục có sự thay đổi về xu thế mắc bệnh.
Tỷ lệ mắc bệnh Chương XI đã giảm từ 16,55% vào năm 2014 xuống còn 11,62% vào năm 2018, trong khi đó tỷ lệ mắc bệnh Chương X lại có xu hướng tăng, từ mức trung bình 6,7% trong các năm trước lên 11,65% vào năm 2018.
Bảng 1.2 Phân bố lượt khám theo chương bệnh ở Hải Phòng trong 5 năm (2014-2018)
Chương bệnh (nB.217) (nT.933) (nb.168) (nh.345) (ng.614)
III- Bệnh máu, cơ quan tạo 0,93 0,86 1,68 2,26 2,53 máu, miễn dịch
IV-Bệnh nội tiết, dinh dưỡng 4,51 3,62 3,41 3,14 2,94 chuyển hóa
VI- Bệnh hệ thần kinh 2,02 1,82 1,98 1,70 1,36
VII- Bệnh mắt & phần phụ 3,16 2,69 2,72 2,28 3,19
VIII- Bệnh tai & xương chũm 1,35 1,09 1,16 1,35 1,65
IX- Bệnh hệ tuần hoàn 15,60 12,94 11,80 11,55 7,04
XII- Bệnh da & mô dưới da 1,45 1,20 1,11 1,29 1,55
XIII- Bệnh hệ cơ xương & 3,06 3,61 3,63 2,70 2,67 mô liên kết
XIV- Bệnh hệ tiết niệu-sinh 5,61 6,23 5,90 6,51 5,98 dục
XVIII- Triệu chứng, dấu hiệu 1,28 2,24 1,94 2,94 3,09 bất thường, không phân loại ở nơi khác
XIX- Chấn thương, ngộ độc 12,07 16,79 16,64 16,47 14,74
Nguồn: Sở Y tế Hải Phòng [61]
Theo thống kê, tỷ lệ bệnh nhân khám tại Thủy Nguyên tương tự như tại Hải Phòng Các chương bệnh có tỷ lệ khám cao nhất qua các năm bao gồm: Chương II (Khối U), Chương IX (Bệnh hệ tuần hoàn), Chương XI (Bệnh tiêu hóa), Chương XIX (Chấn thương, ngộ độc) và Chương X (Bệnh hô hấp).
Bảng 1.3 Phân bố tỷ lệ lượt khám theo chương bệng của người dân Thủy
III - Bệnh máu, cơ quan tạo 0,93 0,86 1,68 2,26 2,53 máu, miễn dịch
IV - Bệnh nội tiết, dinh dưỡng 4,51 3,62 3,41 3,14 2,94 chuyển hóa
VI - Bệnh hệ thần kinh 2,02 1,82 1,98 1,70 1,36
VII - Bệnh mắt và phần phụ 3,16 2,69 2,72 2,28 3,19
VIII - Bệnh tai và xương chum 1,35 1,09 1,16 1,35 1,65
IX - Bệnh hệ tuần hoàn 15,60 12,94 11,80 11,55 7,04
XII - Bệnh da & mô dưới da 1,45 1,20 1,11 1,29 1,55
XIII - Bệnh hệ cơ xương và mô 3,06 3,61 3,63 2,70 2,67 liên kết
XIV - Bệnh hệ tiết niệu-sinh dục 5,61 6,23 5,90 6,51 5,98
XVIII - Triệu chứng, dấu hiệu bất thường, không phân loại ở 1,28 2,24 1,94 2,94 3,09 nơi khác
XIX - Chấn thương, ngộ độc 12,07 16,79 16,64 16,47 14,74
Nguồn: Sở Y tế Hải Phòng [61]
Các nghiên cứu và thống kê toàn cầu, đặc biệt tại các nước đang phát triển như Việt Nam, cho thấy tỷ lệ mắc các bệnh không lây nhiễm đang gia tăng, bao gồm cả những bệnh liên quan đến phơi nhiễm kim loại nặng.
1.2.3 Nguy cơ ảnh hưởng sức khỏe do sử dụng nước, rau và thủy sản nhiễm kim loại nặng
1.2.3.1 Phương pháp đánh giá nguy cơ Đánh giá nguy cơ là phương pháp xác định ảnh hưởng của ô nhiễm môi trường đất, nước, không khí đến môi trường và sức khỏe con người Nguy cơ là sự kết hợp xác suất, hoặc tần suất xảy ra của một mối nguy hiểm xác định và mức độ hậu quả xảy ra: Nguy cơ = yếu tố nguy cơ + tiếp xúc Tổ chức Nông lương thế giới, USEPA và WHO đã phát triển nhiều cách tiếp cận để xác định nguy cơ sức khỏe con người do tiếp xúc với các chất độc hại qua chế độ ăn uống Phương pháp phổ biến nhất được sử dụng để xác định chế độ ăn uống với kim loại nặng là tính lượng tiêu thụ hàng ngày, hàng tuần hoặc hàng tháng, thương số nguy cơ (HQ) và chỉ số tác động (HI) Kết quả của quá trình đánh giá là chỉ số tác động/ảnh hưởng sức khỏe hoặc nguy cơ gây ung thư [62].
1.2.3.2 Nguy cơ ảnh hưởng sức khỏe do sử dụng nước, rau và thủy sản thực phẩm nhiễm kim loại nặng
+ Nguy cơ ảnh hưởng sức khỏe từ nguồn nước nhiễm kim loại nặng
Một số nghiên cứu đã phát hiện nguy cơ ung thư với người sử dụng nguồn nước nhiễm KLN ở Châu Á và Châu Phi Catherine Nyambura và cộng sự
(2020) ước tính chỉ số nguy cơ và nguy cơ ung thư ở người trưởng thành do Cd là 26,2 và 4,9 1000 người; do Pb là 57,0 và 7,3 100 người tương ứng [63].
Nghiên cứu của Shamar (2019) tại Ấn Độ cho thấy hàm lượng KLN
Giải pháp loại bỏ kim loại nặng trong nguồn nước
Loại bỏ kim loại nặng là cần thiết để đảm bảo an toàn cho nước sinh hoạt Các phương pháp phổ biến để loại bỏ kim loại nặng trong nước bao gồm kết tủa hóa học, keo tụ- tạo bông, màng lọc, trao đổi ion, điện hóa và hấp phụ.
Kết tủa hóa học là phương pháp đơn giản và phổ biến để xử lý nước thải, bằng cách thêm chất kết tủa vào nước, các cation phản ứng tạo thành các chất không hòa tan Phương pháp này thường sử dụng kết tủa hydroxit, với vôi để tăng pH, nhưng cũng có thể sử dụng sulfua do độ hòa tan thấp hơn Tuy nhiên, kết tủa hóa học tạo ra nhiều bùn thải, dẫn đến chi phí xử lý và tiêu hủy cao, đồng thời làm tăng nồng độ muối trong nước thải, không đáp ứng tiêu chuẩn xử lý.
Đông tụ và kết tủa là hai phương pháp hiệu quả trong xử lý nước, giúp loại bỏ kim loại nặng và chất lơ lửng Việc sử dụng các chất keo tụ như nhôm hoặc sắt sunfat tạo ra sự mất ổn định của các hạt keo, hình thành cốt liệu lớn Polyelectrolytes cũng được áp dụng để kết nối các hạt thành khối kết tụ lớn, với các chất keo tụ phổ biến như polyferric sulfate, nhôm sulfate và polyacrylamide Cuối cùng, các chất kết tụ này có thể được loại bỏ thông qua quá trình lắng và lọc.
Công nghệ lọc màng là giải pháp hiệu quả để loại bỏ kim loại nặng trong nước, với màng siêu lọc (UltraFilter) giúp giữ lại các cation và chất hòa tan có trọng lượng phân tử thấp Để loại bỏ kim loại nặng hòa tan, các mixen hoạt động bề mặt được thêm vào nước thải, tạo ra cấu trúc mà màng giữ lại Lọc nano là một lựa chọn thay thế cho việc loại bỏ một số cation như Niken, Crôm và Asen nhờ vào tính chất điện tích và hiệu ứng steric của màng Ngoài ra, thẩm thấu ngược (Reverse osmosis RO) cũng là phương pháp hiệu quả, khi tạo áp suất, màng bán thấm có khả năng loại bỏ hầu hết các chất gây ô nhiễm hòa tan, bao gồm các kim loại nặng.
Nhựa trao đổi ion là một phương pháp hiệu quả để loại bỏ kim loại nặng từ nước thải, thông qua việc trao đổi thuận nghịch các ion giữa nhựa rắn và pha lỏng Để đạt được hiệu quả cao trong việc loại bỏ kim loại nặng, cần sử dụng nhựa trao đổi cation Hiện nay, có nhiều loại nhựa chọn lọc phù hợp để phục hồi các kim loại quý giá.
Phương pháp điện hóa là một lựa chọn hiệu quả để loại bỏ kim loại nặng khỏi nước, thường được áp dụng trong ngành công nghiệp luyện kim Quá trình lọc điện sử dụng màng ion hóa để trao đổi các loài ion thông qua việc áp dụng điện thế Trong khi đó, định vị điện giúp giảm cation về trạng thái hóa trị 0 thông qua dòng điện, được xem là một quy trình làm sạch có nguồn gốc từ người Viking, và rất hữu ích trong việc phục hồi các cation có giá trị.
Hấp phụ là một phương pháp hiệu quả để loại bỏ kim loại nặng khỏi nước, trong đó chất hấp phụ tích lũy trên bề mặt của pha rắn Phương pháp này thường được sử dụng để giảm thiểu ô nhiễm hữu cơ và vô cơ trong xử lý nước và nước thải Hiệu quả của quá trình hấp phụ phụ thuộc vào tính chất của chất hấp phụ, bao gồm diện tích bề mặt, tính chọn lọc và động học Sử dụng chất hấp phụ phù hợp có thể đạt được hiệu quả cao và tốc độ hấp phụ nhanh, trong khi chất hấp phụ giá rẻ giúp quá trình trở nên khả thi hơn Sự đa dạng của các chất hấp phụ được phát triển nhằm đảm bảo tính linh hoạt, hiệu quả và đơn giản trong thiết kế và vận hành.
Bảng 1.4 Ưu nhược điểm của các kỹ thuật xử lý kim loại nặng [86]
Kỹ thuật Ƣu điểm Nhƣợc điểm
Kết tủa là phương pháp chi phí thấp và tiêu tốn ít năng lượng, nhưng lại tạo ra khối lượng bùn thải lớn Mặc dù quy trình vận hành đơn giản, chi phí xử lý bùn lại cao và cần sử dụng nhiều hóa chất để đạt được hiệu quả kết tủa.
Keo tụ, Giảm thời gian lắng các chất Chi phí cao cho xử lý bùn thải tạo bông rắn lơ lửng
Màng lọc Không gian nhỏ, hiệu quả Chi phí vận hành cao, tiêu thụ cao nhiều năng lượng.
Trao đổi ion là một phương pháp hiệu quả cao trong xử lý nước, không tạo ra bùn và giúp loại bỏ nhanh chóng các tạp chất Tuy nhiên, phương pháp này có giá thành cao và cần phải tái sinh định kỳ để duy trì hiệu suất.
Tiêu thụ nhiều năng lượng
Thiêt kế đơn giản, hoạt động
Hấp phụ với chi phí ban đầu thấp, vật Hiệu suất hấp phụ phụ thuộc liệu có sẵn, dễ dàng lựa chọn vào loại vật liệu. loại vật liệu
Hình 1.8 Các kỹ thuật loại bỏ kim loại nặng trong nước [87]
Phương pháp hấp phụ ngày càng được ưa chuộng nhờ vào chi phí thấp và hiệu quả cao trong việc loại bỏ kim loại nặng trong nước Các chất hấp phụ thường được sử dụng bao gồm vật liệu tự nhiên và dẫn xuất của chúng, như carbon, silica và aerogel Các chất hấp phụ tự nhiên như zeolit, đất sét, polymer tự nhiên và chất thải hữu cơ cũng đóng vai trò quan trọng Đặc biệt, đất sét là một vật liệu tự nhiên kết hợp giữa aluminosilicates và oxit kim loại, mang lại hiệu quả trong quá trình xử lý nước.
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng khoáng sét không biến đổi (2009) và khoáng sét biến đổi (Ghassabzadeh, 2010; Liu, 2010; Kumar, 2012; Hua, 2018) có khả năng hấp phụ ion kim loại từ nước Ngoài ra, đất sét tổng hợp (Mobasherpour, 2012) và polyme tự nhiên như chitin và chitosan cũng được sử dụng hiệu quả trong việc loại bỏ kim loại nặng Các nghiên cứu của Popuri và cộng sự (2009) cho thấy chitosan có thể được sử dụng để tráng hạt PVC, trong khi Heidari (2013) phát triển các hạt nano axit metacrylic chitosan và Thuận (2018) tổng hợp hạt chitosan liên kết ngang có vỏ từ tính Aliabadi (2013) đã thử nghiệm màng sợi nano poly ethyleneoxide/chitosan Thêm vào đó, chất thải hữu cơ như mùn cưa (Yang, 2010; Hashem, 2011; Sulaiman, 2011) và vỏ cây bạch đàn natri hydroxit biến đổi (Afroze, 2016) cũng đã được nghiên cứu cho mục đích hấp phụ Biochars từ chất thải hữu cơ cũng cho thấy tiềm năng trong việc sử dụng làm chất hấp phụ.
Chất hấp phụ dựa trên carbon, đặc biệt là ống nano carbon (CNTs), đã được nghiên cứu để hấp thụ cation kim loại Nghiên cứu của Hayati (2016) đã chỉ ra tính chất hấp phụ của hỗn hợp poly (amidoamine)/CNT, mở ra hướng đi mới trong ứng dụng CNTs trong lĩnh vực này.
Việc sử dụng sử dụng kỹ thuật hấp phụ thường dựa vào cân nhắc, xem xét chi phí và hiệu quả loại bỏ KLN trong nước.
Hình 1.9 Loại bỏ As bằng vật liệu hấp phụ tự nhiên giá thành thấp [87]
Tại Việt Nam, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện về các giải pháp xử lý kim loại nặng trong nước, tập trung chủ yếu vào việc loại bỏ Asen trong nước ngầm, một tác nhân ô nhiễm phổ biến ở các vùng nông thôn Các phương pháp hấp phụ sử dụng nhiều loại vật liệu kết hợp với lọc đã được áp dụng để đánh giá hiệu quả trong việc xử lý Asen trong nước.
- Hệ thống lọc với vật liệu MF - 97
Vật liệu sắt - mangan (MF - 97) đã được sử dụng từ năm 1997 nhờ vào những ưu điểm vượt trội như tốc độ xử lý cao từ 30-60 lít/giờ Quá trình oxy hóa và hấp phụ diễn ra đồng thời, cho phép loại bỏ hiệu quả As(III), As(V) và hầu hết các kim loại nặng khác như Mn, Hg, và Fe Nghiên cứu của các nhà khoa học tại Viện Địa lý đã chứng minh rằng vật liệu MF-97 có khả năng hấp thụ Asen rất tốt.
- Xử lý Asen bằng vật liệu oxy hóa và hấp phụ
Lê Văn Cát và cộng sự đã nghiên cứu việc sử dụng vật liệu FeOOH để hấp phụ Asen, trong đó oxy hóa As(III) được thực hiện bằng clo, pemanganat và hydrogen peroxide với các hàm lượng khác nhau, khi có mặt Fe(II) và nồng độ Asen ban đầu là 200ppb Nghiên cứu cũng cho thấy các vật liệu tự nhiên như đất sét, đá ong và đá son có sẵn ở Việt Nam đã được áp dụng thành công trong việc chế tạo thiết bị hấp phụ Asen cho nước sinh hoạt với chi phí thấp chỉ từ 20.000 đến 30.000 đồng cho mỗi lần thay cột lọc.
ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Địa điểm, thời gian nghiên cứu
Khu dân cư trong khoảng cách 1500 mét với các nhà máy, xí nghiệp sản xuất ở 2 xã Tam Hưng và thị trấn Minh Đức, thuộc huyện Thủy Nguyên, Hải Phòng.
Từ tháng 12 năm 2016 đến tháng 05 năm 2019.
Nghiên cứu được chia làm 2 giai đoạn: giai đoạn nghiên cứu mô tả cắt ngang và giai đoạn thử nghiệm can thiệp.
- Giai đoạn nghiên cứu mô tả cắt ngang tiến hành từ tháng 12/2016 đến tháng 5/2017
- Giai đoạn nghiên cứu thử nghiệm can thiệp từ 5 2017 đến tháng5/2019 (bao gồm 6 tháng thử nghiệm tại phòng thí nghiệm và 18 tháng thử nghiệm tại thực địa).
Phương pháp nghiên cứu
2.3.1 Thiết kế nghiên cứu: Nghiên cứu gồm 2 giai đoạn
Giai đoạn nghiên cứu mô tả cắt ngang được thực hiện nhằm phân tích tỷ lệ mẫu nước bề mặt, nước sinh hoạt, thủy sản và rau có chứa hàm lượng As.
Nghiên cứu cho thấy nồng độ Pb, Cd, Cr và Hg vượt mức TCCP tại khu vực hai xã Tam Hưng và Minh Đức, huyện Thủy Nguyên, Hải Phòng Tình trạng thấm nhiễm kim loại nặng (KLN) có mối liên quan chặt chẽ với tỷ lệ mắc bệnh theo ICD-10, cho thấy nguy cơ sức khỏe và nguy cơ ung thư gia tăng do việc sử dụng nước, thủy sản và rau quả bị ô nhiễm KLN trong cộng đồng sống gần các nhà máy và khu công nghiệp.
Nghiên cứu thử nghiệm can thiệp so sánh trước sau nhằm đánh giá hiệu quả loại bỏ kim loại nặng trong nước bằng bể lọc chậm sử dụng than hoạt tính từ cây thầu dầu Thí nghiệm được thực hiện trong phòng thí nghiệm trong 6 tháng và tại thực địa ở xã Tam Hưng trong 18 tháng Kết quả cho thấy phương pháp này có khả năng cải thiện chất lượng nước, giảm thiểu ô nhiễm kim loại nặng.
+ Thử nghiệm can thiệp tại phòng thí nghiệm.
+ Thử nghiệm can thiệp thực địa tại xã Tam Hưng.
Hàm lượng KLN trong mẫu nước được xác định và so sánh với tiêu chuẩn cho phép của Việt Nam nhằm đánh giá hiệu quả của thử nghiệm.
2.3.2 Cỡ mẫu và chọn mẫu nghiên cứu
2.3.2.1 Cỡ mẫu nghiên cứu Áp dụng công thức tính cỡ mẫu ước lượng cho một tỷ lệ và giá trị trung bình với nghiên cứu mô tả.
- Cỡ mẫu xét nghiệm kim loại nặng trong đất nông nghiệp, nước bề mặt: Áp dụng công thức tính cỡ mẫu cho nghiên cứu mô tả:
Trong đó: n: cỡ mẫu tối thiểu cần điều tra
Chọn khoảng lệch mong muốn trong chọn mẫu là 5%, tương ứng d=0,05.
Theo nghiên cứu của Dương Thị Tú Anh tại lưu vực sông Cầu năm 2016, độ lệch chuẩn của chỉ số chì trong mẫu nước được xác định là 0,16 Từ đó, áp dụng công thức, số mẫu cần thiết được tính toán là n = (1,96² x 0,16²)/0,05² = 39,33.
Chúng tôi sử dụng chỉ tiêu Pb để xác định cỡ mẫu lớn nhất, bao gồm các kim loại nặng khác trong mẫu đất và nước bề mặt Cỡ mẫu tối thiểu cần thu thập là 40 mẫu, nhưng thực tế chúng tôi đã thu thập được 54 mẫu đất nông nghiệp và 54 mẫu nước bề mặt, mỗi khu vực gồm 27 mẫu ở Tam Hưng và 27 mẫu ở Minh Đức trong khu vực nghiên cứu.
- Cỡ mẫu xét nghiệm kim loại nặng trong nguồn nước sinh hoạt: Áp dụng công thức tính cỡ mẫu cho nghiên cứu mô tả:
Trong đó: n là cỡ mẫu tối thiểu cần điều tra.
Tương ứng với độ tin cậy 95%, α = 0,05 thì Z (1-/2) = 1,96.
Nghiên cứu của Nguyễn Mạnh Khải cho thấy rằng 70,0% mẫu nước ngầm tại xã Trung Châu, Đan Phượng, Hà Nội bị ô nhiễm Asen, với xác suất chọn p=0,7.
Chọn khoảng lệch mong muốn trong chọn mẫu là 10% tương ứng d = 0,1. Thay vào công thức: n = (1,96 2 x 0,7 x 0,3) / 0,1 2 = 80,67 (mẫu).
Cỡ mẫu tối thiểu để xét nghiệm hàm lượng kim loại nặng (KLN) trong nước giếng (nước ăn uống sinh hoạt) là 81 Trong nghiên cứu của chúng tôi, đã thu thập tổng cộng 222 mẫu nước giếng từ khu vực khảo sát.
- Cỡ mẫu xét nghiệm thực phẩm (rau, thủy sản)
Để xác định cỡ mẫu xét nghiệm hàm lượng kim loại nặng trong rau trồng, cần áp dụng công thức tính cỡ mẫu cho nghiên cứu cắt ngang nhằm ước lượng giá trị trung bình.
Trong đó: n: cỡ mẫu tối thiểu cần điều tra.
Z (1-/2): hệ số tin cậy, ở ngưỡng xác xuất = 0,05 thì Z (1-/2) = 1,96. s: độ lệch chuẩn Theo nghiên cứu của Bùi Thị Kim Anh [51], hàm lượng
Nồng độ Cd trong rau cải xanh tại Bắc Kạn được ghi nhận là 1,52 ± 0,56 mg/kg, với độ lệch chuẩn s = 0,56 Để xác định kích thước mẫu, khoảng sai lệch mong muốn giữa tham số mẫu và tham số quần thể được chọn là 10%, tương ứng với d = 0,1.
Thay vào công thức, cỡ mẫu tối thiểu là 120 Thực tế, chúng tôi lấy 135 mẫu rau ở khu vực nghiên cứu.
+ Cỡ mẫu xét nghiệm kim loại nặng trong thủy sản Áp dụng công thức tính cỡ mẫu cho ước lượng giá trị trung bình:
Trong đó: n: cỡ mẫu tối thiểu cần điều tra
Hệ số tin cậy Z (1-/2) ở ngưỡng xác suất = 0,05 là 1,96 Theo nghiên cứu của Lê Quang Dũng, hàm lượng Cd trong ngao tại Phù Long, Cát Hải, Hải Phòng được xác định là 0,78 ±0,25 mg/kg, do đó độ lệch chuẩn s = 0,25 Khoảng sai lệch mong muốn giữa tham số mẫu và tham số quần thể được chọn là 10%, tương ứng với d = 0,1.
Thay vào công thức, cỡ mẫu thực phẩm tối thiểu xét nghiệm là 24,01 mẫu Thực tế chúng tôi lấy 40 mẫu thủy sản.
- Cỡ mẫu điều tra cơ cấu bệnh tật: Áp dụng công tính ước lượng cho một tỷ lệ:
Trong đó: n là cỡ mẫu điều tra.
Để tính toán tỷ lệ % thấm nhiễm kim loại nặng trong cộng đồng với độ tin cậy 95%, ta sử dụng Z(1-α/2) = 1,96 Theo nghiên cứu của Hà Xuân Sơn, tỷ lệ thấm nhiễm kim loại nặng trong quần thể nghiên cứu là 28% Sai số tuyệt đối được chọn là d = 0,04 để đảm bảo độ chính xác của kết quả.
Thay vào công thức, cỡ mẫu tối thiểu cần nghiên cứu là: n = (1,96 2 x 0,28x 0,72) 0,0016 = 484 người.
Cỡ mẫu tối thiểu cần điều tra tại mỗi xã là 484 người, tổng số đối tượng điều tra cho cả hai xã là 968 người Nghiên cứu của chúng tôi thực tế đã được thực hiện dựa trên con số này.
- Cỡ mẫu máu, nước tiểu xét nghiệm xác định các yếu tố gây bệnh cho cộng đồng: Áp dụng công thức cho nghiên cứu mô tả
Trong đó: n: cỡ mẫu điều tra.
Z (1-/2) : độ tin cậy 95% (Z (1-/2) = 1,96). p: tỷ lệ mẫu máu, nước tiểu không đạt tiêu chuẩn cho phép.
Theo nghiên cứu của Hà Xuân Sơn năm 2015 về tác động của ô nhiễm môi trường đến sức khỏe người dân tại khu vực khai thác kim loại màu Thái Nguyên, tỷ lệ nhiễm độc chì trong nước tiểu tại xã Tân Long có nguy cơ ô nhiễm cao lên tới 10,9% Do đó, giá trị p được chọn là 0,109, với khoảng lệch mong muốn trong chọn mẫu là 0,03.
Như vậy, cỡ mẫu tối thiểu xét nghiệm mẫu máu, nước tiểu là: n = (1,96 2 x 0,109 x 0,891)/0,03 2 = 415 mẫu.
Thực tế nghiên cứu trên 450 người, gồm 225 nam giới và 225 nữ giới với 450 mẫu máu và 450 mẫu nước tiểu.
- Chọn mẫu đất nông nghiệp và nước mặt
Lập bản đồ địa điểm nghiên cứu gồm khu vực dân cư có khoảng cách
Nghiên cứu được thực hiện tại 1500 mét từ các nhà máy và xí nghiệp ở hai xã Tam Hưng và Minh Đức, mỗi xã có 9 thôn Nhóm nghiên cứu đã chọn 3 mẫu đất nông nghiệp và 3 mẫu nước bề mặt từ mỗi thôn, tuân thủ theo Thường quy kỹ thuật sức khỏe nghề nghiệp và môi trường năm 2015.
Sai số và cách khống chế sai số
Sai số trong đo lường và lấy mẫu xét nghiệm liên quan đến việc xác định hàm lượng kim loại nặng (As, Pb, Cd, Cr, Hg) trong môi trường, cũng như các chỉ số hoá sinh và công thức máu Để giảm thiểu sai số, cần sử dụng công cụ đã được đánh giá độ tin cậy và chuẩn hóa trước khi thu thập dữ liệu Tất cả các kỹ thuật và xét nghiệm trong nghiên cứu đều tuân thủ quy chuẩn Việt Nam do Bộ Tài nguyên và Môi trường ban hành, cùng với quy chuẩn của Viện Sức khoẻ nghề nghiệp và môi trường được Bộ Y tế phê duyệt.
Sai số trong quá trình thu thập thông tin liên quan đến khám bệnh và khảo sát tần suất tiêu thụ thực phẩm của người dân có thể được khống chế bằng cách chuẩn bị kỹ lưỡng, lựa chọn đúng phương pháp và tập huấn cho nhóm nghiên cứu Nhóm nghiên cứu bao gồm giảng viên, bác sĩ từ Trường Đại học Y Dược Hải Phòng, Viện Quân y 103, Học viện Quân y, cùng với các sinh viên y đa khoa và y học dự phòng, đã được đào tạo bài bản trước khi tiến hành điều tra tại cộng đồng.
Số liệu thu thập được làm sạch ngay tại cộng đồng vào cuối mỗi ngày điều tra.
Xử lý số liệu
- Số liệu sau khi thu thập được làm sạch và nhập liệu bằng Excel và phân tích, xử lý bằng phần mềm SPSS 22.0.
- Các chỉ số thống kê: n, trung bình, trung vị, độ lệch chuẩn, tỷ lệ %.
- Các test kiểm định thống kê: test χ2, Fisher exact được sử dụng để so sánh tỷ lệ %; test t và Anova được dùng để so sánh giá trị trung bình.
Tính toán số lượng mẫu và tỷ lệ phần trăm mẫu môi trường, bao gồm nước sinh hoạt và nước bề mặt, cùng với thực phẩm như rau và thủy hải sản, cho thấy hàm lượng kim loại nặng (KLN) không đạt tiêu chuẩn cho phép.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi tính toán tỷ lệ phần trăm và thực hiện kiểm định χ2 để so sánh sự khác biệt về tỷ lệ mắc bệnh theo ICD10 Đồng thời, chúng tôi cũng phân tích tỷ lệ có triệu chứng nhiễm độc cùng với chỉ số hóa sinh máu và huyết học giữa nhóm thâm nhiễm và không thâm nhiễm KLN Kết quả cho thấy sự khác biệt rõ rệt giữa hai nhóm, góp phần làm rõ mối liên hệ giữa tình trạng thâm nhiễm và các chỉ số y tế liên quan.
- Tính và so sánh thương số nguy cơ HQ, chỉ số tác động HI của 8 loại rau, 4 loại thủy sản được tiêu thụ phổ biến ở khu vực nghiên cứu.
- Tính và so sánh nguy cơ ung thư ước tính do sử dụng nước và rau, thủy sản nhiễm KLN với ngưỡng chấp nhận được (10 -6 -10 -4 ).
- So sánh hàm lượng As, Pb, Cd và Cr trong mẫu nước thử nghiệm sau can thiệp với tiêu chuẩn cho phép (< giới hạn cho phép).
- So sánh nguy cơ ung thư ước tính do KLN trong nước giếng trước và sau can thiệp tại thực địa với ngưỡng chấp nhận được (10 -6 -10 -4 ).
- Ngưỡng ý nghĩa thống kê khi chỉ số p < 0,05.
- Với kết quả thử nghiệm can thiệp, tính chỉ số hiệu quả ở mẫu can thiệp bằng công thức:
1giá trị trung bình tại thời điểm bắt đầu can thiệp.
2: giá trị trung bình tại thời điểm sau can thiệp.
- Số liệu được trình bày dưới dạng bảng và hình biểu thị tần số, giá trị trung bình, tỷ lệ và độ lệch chuẩn của các giá trị đó.
Đạo đức nghiên cứu
Nghiên cứu được thực hiện theo đề cương đã được Hội đồng phê duyệt của Trường Đại học Y Dược Hải Phòng và có sự đồng thuận từ Trung tâm Y tế huyện Thủy Nguyên, UBND và người dân các xã Minh Đức, Tam Hưng Tất cả đối tượng tham gia nghiên cứu đều được giải thích rõ ràng về mục đích và ý nghĩa của nghiên cứu, đồng thời ký thỏa thuận tự nguyện tham gia Đối tượng nghiên cứu có quyền từ chối tham gia bất kỳ lúc nào trong quá trình nghiên cứu.
Trong nghiên cứu, các đối tượng đã sử dụng kim tiêm một lần để lấy máu tĩnh mạch Tất cả người dân phát hiện mắc bệnh và có dấu hiệu thấm nhiễm KLN tại các xã Tam Hưng và Minh Đức đã được thông báo và tư vấn về các biện pháp điều trị và phòng ngừa.
Tất cả thông tin cá nhân sẽ được bảo mật và chỉ được sử dụng cho mục đích nghiên cứu Mục tiêu của nghiên cứu là nhằm nâng cao chất lượng nước sinh hoạt và cải thiện sức khỏe cộng đồng tại Tam Hưng và Minh Đức, huyện Thủy Nguyên, Hải Phòng.
Hình 2.1 Sơ đồ nghiên cứu