Giới thiệu chung về cadimi

Cadimi (tiếng Anh: Cadmium) là nguyên tố hóa học có ký hiệu Cd và số nguyên tử bằng 48.

Cadimi (sau đây gọi tắt là Cd) là một kim loại chuyển tiếp tương đối hiếm, màu trắng ánh xanh, một trong rất ít nguyên tố không có ích lợi cho cơ thể con người. Cd và các các hợp chất của Cd là những chất độc thậm chí chỉ với nồng độ thấp do có khả năng tích lũy sinh học trong cơ thể.

Hít thở phải bụi có chứa Cd dẫn đến các vấn đề đối với hệ hô hấp và thận, có thể dẫn đến tử vong (thông thường là do hỏng thận). Nuốt phải một lượng nhỏ Cd có thể phát sinh ngộ độc tức thì gây nôn mửa, tiêu chảy và nặng hơn là tổn thương gan và thận. Các hợp chất chứa Cd được coi là tác nhân gây ung thư.

Nguồn phát sinh Cd

Trong đất, Cd xuất hiện với nồng độ từ khoảng 0.01 đến 1 mg/kg, trữ lượng Cd toàn cầu ở mức 600.000 tấn, Cd không tồn tại độc lập mà thường có trong quặng kẽm, khoảng 0,03% của quặng. Cd được xếp là một trong những kim loại nặng di động nhất trong môi trường.

Nguồn Cd trong tự nhiên: Các nguồn phát thải Cd tự nhiên đáng kể bao gồm đá phong hóa, cháy rừng, núi lửa. Cd tồn tại trong đất hàng thập kỷ do khả năng di động thấp dưới các quá trình phân hủy tự nhiên.

Cd trong đá, trầm tích và đất: Nói chung, nồng độ Cd trong đá trầm tích (0.01 đến 2.6 mg/kg) cao hơn nồng độ trong đá từ núi lửa (0.07 đến 0.25 mg/kg). Cd là một tạp chất phổ biến trong các khoáng chất photphat và đá photphorit, nguyên liệu cho sản xuất phân bón. Hàm lượng Cd trong các loại quặng apatite của các quốc gia chênh nhau khá nhiều.

Các nguồn nước tưới ô nhiễm, chẳng hạn như những nguồn bị ảnh hưởng bởi nước thải khai thác hoặc nước xả thải công nghiệp, làm gia tăng Cd trực tiếp vào môi trường và cây trồng. Cháy rừng và núi lửa, đốt cháy nhiên liệu hóa thạch như than và dầu cũng giải phóng Cd vào khí quyển.

Một số hoạt động công nghiệp dẫn đến ô nhiễm Cd. Khai thác mỏ, tinh chế kim loại như chì, kẽm, đồng góp phần đáng kể vào ô nhiễm đất và nước. Cd cũng được dùng trong sản xuất pin Ni-Cd, tuy nhiên, ngày nay, pin Ni-Cd được thay thế bằng niken-kim loại hydride và pin lithium-ion.

Sản xuất pigment và nhựa cũng góp phần vào ô nhiễm Cd thông qua việc xả nước thải. Các nhà máy trên xả nước thải chứa Cd vào môi trường, tại đây Cd tích tụ trong trầm tích. Các dòng nước ô nhiễm được sử dụng cho tưới tiêu đưa Cd trực tiếp vào cây trồng, gần như bỏ qua sự tương tác với đất.

Phân bón chứa lân là một nguồn khác gây ô nhiễm Cd. Quặng apatite, sử dụng trong sản xuất phân bón, có chứa hàm lượng nhất định Cd. Một phân tích của Tạp chí Environmental Science & Technology năm 2022 cho thấy mức độ Cd trong các loại phân bón thương mại dao động từ 5 đến 100 mg/kg, với nồng độ cao hơn trong các sản phẩm sử dụng apatite ở Bắc Phi. Theo thời gian, việc sử dụng phân bón lặp đi lặp lại làm tăng khả năng tích lũy của Cd, đặc biệt trong đất có độ pH thấp.

Hoạt động khai thác: Một số loại khoáng sản kể cả than, có chứa một lượng nhất định Cd. Cd xâm nhập vào môi trường thông qua các hoạt động khai thác. Khi quặng chứa Cd được tách ra, Cd có thể được giải phóng vào không khí và nước.

Hút thuốc lá là nguồn phát sinh Cd, phơi nhiễm Cd từ hút thuốc lá tùy thuộc vào loại thuốc lá. Một điếu thuốc lá chứa 1 - 2 μg Cd, một người hút 20 điếu thuốc mỗi ngày sẽ hấp thụ khoảng 1 μg Cd. Trước đây các họa sĩ thường sử dụng màu của các hợp chất của Cd (Cadimi sulfide và cadimi sulfoselenide) khi muốn thể hiện màu vàng, cam và đỏ.

Một số loại thực phẩm có mức nhiễm Cd cao

Con người tiếp xúc với Cd thông qua đường ăn uống, vì Cd được hấp thụ vào thực phẩm hoặc do nước ô nhiễm. Cd được rễ cây hấp thụ và vận chuyển đến các bộ phận khác nhau của cây cũng như từ tích tụ sinh học trong một số thực phẩm có nguồn gốc từ động vật và theo cách này Cd có thể xâm nhập vào chuỗi thức ăn.

Rau xanh: Các loại rau xanh như rau chân vịt, xà lách và cải xoăn hấp thụ Cd từ đất thông qua hệ thống rễ nông của chúng. Khảo sát của Cơ quan an toàn thực phẩm châu Âu (EFSA) năm 2022 cho biết rau chân vịt chứa Cd trung bình là 0,2 mg/kg.

Ngũ cốc và các loại hạt: Các loại ngũ cốc chính như gạo, lúa mì và yến mạch hấp thụ Cd từ đất và nước. Gạo, được trồng trong các cánh đồng ngập nước, dễ bị nhiễm Cd hơn, do điều kiện yếm khí. Một nghiên cứu năm 2023 trên Tạp chí Khoa học Môi trường phát hiện rằng gạo từ các khu vực bị ô nhiễm ở Trung Quốc vượt quá 0,4 mg/kg.

Thủy sản: Các động vật thân mềm như hàu, ngao và sò điệp tích tụ Cd do hấp thụ kim loại từ nước và trầm tích. Một báo cáo của Tổ chức Nông - Lương thực Thế giới (FAO) vào năm 2022 cho biết mức Cd trong động vật hai mảnh vỏ dao động từ 0.5 đến 2.0 mg/kg, cao hơn đáng kể so với hầu hết các loại thực phẩm khác.

Hạt: Hạt hướng dương và hạt lanh chứa hàm lượng Cd đáng kể do hệ rễ sâu của chúng. Một nghiên cứu năm 2021 của Tạp chí Food and Chemical Toxicology cho biết hạt hướng dương chứa Cd vượt quá 1,5 mg/kg, cao hơn nhiều so với hầu hết các loại thực phẩm nguồn gốc thực vật.

Cd trong quặng apatit và trong phân bón chứa lân

Quặng apatite cũng chứa các kim loại nặng trong đó có Cd, nồng độ Cd trong quặng thay đổi phần lớn theo nguồn gốc, thường dao động trong khoảng 1 - 1.500 mg Cd/kg quặng.

Hàm lượng Cd trong một số loại quặng apatite trên thế giới như sau (mg Cd/kg quặng): Florida (Mỹ) 3,31; Idaho (Mỹ) 199; Morocco 507; Taiba (Senegal) 87; Zin (Israel) 31; Tunisia 40; Tongo 58, loại hàm lượng Cd thấp dao động từ 1-4 mg/kg, loại hàm lượng Cd cao dao đông từ 5 - 1.500 mg/kg. Tại Nauru, một hòn đảo ở Thái Bình Dương, hàm lượng Cd trong quặng apatite cao nhất, đạt 240 mg/kg P2O5 (trên 1.500 mg/kg quặng).

Từ quặng apatit có thể chế biến ra hàng loạt loại phân bón chứa lân như MAP, DAP, SSP, TSP, FMP… Có hai lựa chọn để thu được nồng độ Cd thấp trong phân bón chứa lân: (i) Sử dụng quặng apatie có hàm lượng Cd thấp, đây được coi là lựa chọn chi phí thấp; ii) Giảm lượng phân bón nói chung và phân bón chứa lân nói riêng một cách phù hợp.

Hàm lượng Cd tại Việt Nam theo công bố tại Tạp chí Khoa học và Công nghệ nông nghiệp Việt Nam “Kết quả nghiên cứu hàm lượng Cd trong đất tại một số vùng nguy cơ ô nhiễm do chất thải đô thị và công nghiệp”, Phạm Quang Hà như sau (đơn vị mg/kg): Phân bò 0,48, phân lợn 1,5, Supe Lâm Thao 2,77, phân lân nung chảy Văn Điển 2,63, quặng apatit Lào Cai 4,25. Như vậy có thể thấy, hàm lượng Cd trong quặng apatit Lào Cai tại Việt Nam, nguyên liệu chính sản xuất lân supe, lân nung chảy, DAP trong nước thuộc nhóm quặng có hàm lượng Cd thấp trên thế giới.

Các quốc gia như Thụy Điển và Hà Lan đặt ra giới hạn nghiêm ngặt về Cd trong phân bón, giới hạn nồng độ ở mức 20 mg/kg để giảm thiểu ô nhiễm. Các quy định toàn cầu về hàm lượng Cd khá khác nhau. Tại EU, hàm lượng Cd được tính theo lượng P2O5, tại Bỉ là 90 mg Cd/P2O5; tại Đan Mạch là 45, tại Phần Lan là 21,5, tại Đức là 60, tại Bồ Đào Nha là 44, tại Vương quốc Anh là 115 mg Cd/kg P2O5,… (nguồn: Cadmium in phosphorous fertilizer: Balannce and trends, Journal of Chemistry, September 2022).

Quy định về Cd tại Trung Quốc: i) Quy định về hàm lượng Cd trong thực phẩm, đặc biệt là trong rau và gạo, dựa trên Tiêu chuẩn an toàn thực phẩm quốc gia. Mức Cd tối đa được phép trong sản phẩm là 0,6 mg/kg. Các giới hạn cụ thể cho rau lá là 0,2 mg/kg, rau củ và rễ là 0,3 mg/kg; ii) Quy định về hàm lượng Cd trong phân bón: Theo tiêu chuẩn quốc gia của Trung Quốc, GB 38,400–2019, nồng độ Cd tối đa trong phân bón không được quá 10 mg/kg, nghiêm ngặt hơn so với các quốc gia khác; iii) Quy định về Cd trong quả sầu riêng: Theo tiêu chuẩn GB 2762-2022, mức tối đa cho phép đối với Cd trong trái cây tươi, bao gồm cả cùi sầu riêng là 0,05 mg/kg.

Theo Thông tư 09/2019/TT-BNNPTNT ngày 27 tháng 8 năm 2019 của Bộ NN và PTNT (nay là Bộ TNMT) ban hành “Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng phân bón” thì “Các loại phân bón có chỉ tiêu chất lượng là chất hữu cơ hoặc chứa thành phần nguyên liệu sản xuất có nguồn gốc từ than bùn; rác thải đô thị; phế thải công nghiệp chế biến nông sản, thực phẩm; phế thải chăn nuôi” có hàm lượng Cd tối đa 5 mg/kg hoặc mg/l hoặc ppm khối lượng; “Phân lân nung chảy, phân superphosphat đơn, phân superphosphat kép, phân diamoni phosphat, phân lân nung chảy vi lượng, phân superphosphat đơn-vi lượng, phân superphosphat kép-vi lượng, phân diamoni phosphat-vi lượng” có có hàm lượng Cd tối đa 12 mg/kg hoặc mg/l (1 ppm = 1mg/kg).

Các đặc điểm của đất và nước ảnh hưởng đến sự hấp thu Cd

Thực vật hấp thụ hầu hết Cd từ đất qua rễ, nơi nó có thể di chuyển đến lá, hạt và trái cây. Thông thường, Cd tích tụ nhiều hơn ở lá so với rễ và hạt. Hàm lượng của Cd trong thực vật bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, nhưng nhìn chung, khi pH của đất giảm lượng Cd trong thực vật cũng tăng lên.

Độ pH của đất đóng vai trò chủ chốt, các loại đất axit (pH < 6) và làm cho Cd dễ tiếp cận hơn với rễ cây. Một nghiên cứu năm 2022 trong Tạp chí Ô nhiễm Môi trường cho thấy rằng sự hấp thu Cd ở lúa mì và gạo cao hơn gần 50% trong các loại đất có độ pH 5.5 so với các loại đất trung tính.

Một số phương pháp loại bỏ Cd trong đất

Phương pháp khôi phục môi trường có tính chất dài hạn: Cd trong đất có thể được loại bỏ thông qua phục hồi bằng phương pháp có tên tiếng Anh là bioremediation và phytoremediation.

Bioremediation là biện pháp sinh học để giải quyết các vấn đề môi trường nói chung và Cd nói riêng. Phương pháp này hiệu quả về chi phí và sử dụng các biện pháp tự nhiên để loại bỏ các chất ô nhiễm khỏi đất và nước thông qua việc sử dụng các tác nhân sinh học, chẳng hạn như vi khuẩn và nấm, để loại bỏ hoặc trung hòa một số chất ô nhiễm trong đất hoặc nước. Bioremediation có hai phương pháp: phương pháp in-sit và ex-situ.

Phytoremediation được định nghĩa là việc sử dụng các loại cây để khắc phục đất hoặc nước bị ô nhiễm Cd vì một số loại cây có thể tích tụ Cd trong mô của chúng, sau đó được thu hoạch và xử lý an toàn. Có tới 46 loài cây có khả năng khử độc đất, trong số đó có thể kể tới những cây đại trà như: cỏ lá gừng, dương xỉ, rau má, cải Ấn Độ… được sử dụng để khử kim loại nặng từ các khu vực bị ô nhiễm. Sử dụng phytoremendiation là phương pháp tiết kiệm chi phí và thân thiện với môi trường, được đánh giá là chậm nhưng chắc.

Phương pháp khôi phục môi trường có tính chất cấp tốc: Trong trường hợp Cd đã ô nhiễm đất, sử dụng phương pháp khôi phục là cần thiết, bao gồm: i) Rửa đất và rửa hòa tan: loại bỏ Cd khỏi đất ô nhiễm bằng cách rửa rồi xử lý bằng các dung dịch hóa chất phù hợp; ii) Giảm khả năng tương tác của Cd như thêm các chất phù hợp vào đất để liên kết với Cd, giảm khả năng di chuyển và khả năng tương tác của Cd. Dẫn đến Cd khó tiếp cận hơn đối với thực vật và môi trường.

Ngăn ngừa từ nguồn: Cách tiếp cận hiệu quả nhất là ngăn chặn Cd vào môi trường ngay từ đầu: i) Thực hành công nghiệp sạch hơn: Các ngành công nghiệp phải áp dụng công nghệ sạch hơn để giảm thiểu phát thải Cd và việc tạo ra chất thải và thay thế Cd bằng các vật liệu ít độc hại hơn trong quy trình sản xuất; giảm sử dụng Cd trong sản phẩm bằng cách thay thế Cd có thể giảm đáng kể các nguồn ô nhiễm.

Thực hành nông nghiệp bền vững: Giảm thiểu việc sử dụng phân bón có chứa Cd là rất quan trọng, bao gồm việc tìm các loại phân bón thay thế và thường xuyên kiểm tra tình trạng của đất.

Quản lý chất thải thích hợp: Cải thiện các thực hành quản lý chất thải, đặc biệt là đối với chất thải điện tử, là rất quan trọng nhằm ngăn chặn ô nhiễm Cd từ bãi chôn lấp.

Cải thiện điều kiện đất và kỹ thuật trồng trọt để giảm mức độ nhiễm Cd

Tăng pH của đất lên mức cao nhất trong khoảng tối ưu cho trồng trọt, lý tưởng là pH trên 6. Việc bón vôi cho các loại đất axit bằng canxi cacbonat có thể làm giảm khả năng tương tác của Cd thông qua việc hình thành các hợp chất Cd không hòa tan.

Tăng cường phân bón hữu cơ trong đất một cách phù hợp, phân hữu cơ và vôi cũng có thể chứa Cd, vì vậy cần đảm bảo rằng các sản phẩm trên chứa Cd ở mức thấp được sử dụng.

Khắc phục bất kỳ sự thiếu hụt kẽm trong đất, bởi vì Cd và kẽm cạnh tranh sự tương tác, nồng độ kẽm cao hơn trong đất có thể làm giảm sự tích lũy Cd trong cây trồng. Một nghiên cứu vào năm 2021 trên Tạp chí Plant and Soil cho thấy việc tăng cường phân bón kẽm trong các cánh đồng nhiễm Cd đã làm giảm sự hấp thụ Cd trong gạo tới 30%.

Biochar (than sinh học) là chất cải tạo đất được tạo ra từ sự phân hủy nhiệt của các vật liệu hữu cơ trong môi trường yếm khí hoặc nghèo oxy. Do các tính chất lý hóa của biochar, bao gồm cấu trúc xốp, kích thước hạt lớn, pH cao, khả năng trao đổi cation, hàm lượng carbon cao và các nhóm chức năng hoạt động, việc sử dụng biochar không chỉ giảm khả năng tương tác của các kim loại nặng, chẳng hạn như Cd trong đất, mà còn giảm sự hấp thụ kim loại nặng của cây trồng thông qua kết tủa, phức hợp và trao đổi cation. Tuy nhiên, việc hấp thụ Cd một cách hiệu quả phụ thuộc vào tình trạng đất và loại biochar được sử dụng.

Học tập kinh nghiệm của một số nước tiên tiến, thí dụ tại New Zealand có Chiến lược quản lý Cd quốc gia được giám sát bởi Nhóm quản lý Cd, bao gồm đại diện từ Cơ quan quản lý an toàn thực phẩm, Bộ Môi trường, Quỹ Nghiên cứu nông nghiệp, Hiệp hội Phân bón, Hiệp hội Ngành thịt, Hội Nông dân Liên bang, và các hội đồng vùng,…

Trong nhiều biện pháp có biện pháp giám sát Cd trong đất và phân bón: Giám sát đất được thực hiện thông qua việc kiểm tra Cd cùng với phân tích dinh dưỡng thường xuyên trong các loại đất nông nghiệp và các loại phân bón. Các công ty phân bón cũng phải thường xuyên kiểm tra mức Cd trong các sản phẩm phân bón, đặc biệt là phân bón chứa lân.