Nghiên cứu đặc điểm và sự tích lũy vi nhựa trong đất bùn trầm tích sông Cầu, đoạn chảy qua thành phố Thái Nguyên, tỉnh Thái Nguyên

1. Đặt vấn đề

Vi nhựa là các hạt nhựa có kích thước từ 1µm - 5,0mm, nhưng tập trung khoảng 0,1 mm - 5 mm và là những hạt nhân tạo phân bố rất phổ biến trong môi trường [1]. Trong vài thập kỷ qua, vi nhựa đã trở thành một chất ô nhiễm phổ biến trong đất và nước, dẫn đến mối đe dọa tiềm tàng đối với hệ sinh thái. Các kết quả nghiên cứu của [3],[5] đã ghi nhận và xác định ảnh hưởng của ô nhiễm vi nhựa trong môi trường biển, hồ và nhiều lưu vực sông. Ô nhiễm nhựa hiện nay đã trở thành một trong các mối quan tâm chính về vấn đề môi trường toàn cầu. Các sản phẩm nhựa được sử dụng rộng rãi bởi những tiện ích mà nó đem lại cho cuộc sống, tuy nhiên rác thải nhựa lại là vấn đề lớn mà con người đang phải đối mặt. Rác thải nhựa phần lớn được tiêu hủy hoặc phân tán tới hầu khắp các lớp đất, theo dòng chảy đổ về sông, hồ rồi ra biển. Sự có mặt ngày càng lớn vi nhựa đã và đang có tác động tiêu cực đến môi trường, trước hết là môi trường đất, nước, sinh vật thủy sinh và sức khỏe con người.

Sông Cầu bắt nguồn từ huyện Chợ Đồn, tỉnh Bắc Kạn, tổng chiều dài các chi nhánh sông khoảng 1.600 km đi qua gần như toàn bộ các tỉnh Bắc Kạn,Thái Nguyên và một phần tỉnh Bắc Ninh, Bắc Giang, Vĩnh Phúc, Hải Dương và Hà Nội. Những năm gần đây, thành phố Thái Nguyên có bước phát triển nhanh và toàn diện, đặc biệt là công nghiệp, dịch vụ, đô thị hóa và sự gia tăng dân số. Dòng sông Cầu chảy qua thành phố, ngoài việc cung cấp nước còn tạo nên cảnh quan, sinh thái, vẻ đẹp cho thành phố, mặt khác chịu áp lực không nhỏ về ô nhiễm môi trường, trong đó có ô nhiễm vi nhựa. Đoạn sông chảy qua thành phố chịu tác động của hoạt động dân sinh, thương mại, dịch vụ và sản xuất nông nghiệp ven sông. Rác thải nhựa phát sinh từ các hoạt động này có thể theo dòng chảy đi vào sông, phân rã thành các hạt nhỏ và tích lũy trong lớp bùn trầm tích.

Nghiên cứu đặc điểm và sự tích lũy vi nhựa trong bùn trầm tích sông Cầu nhằm xác định mật độ, hình dạng, kích thước, màu sắc và thành phần vật liệu của vi nhựa được ghi nhận tại khu vực khảo sát. Kết quả cung cấp dữ liệu phục vụ theo dõi ô nhiễm vi nhựa và đề xuất các biện pháp kiểm soát nguồn thải phù hợp với điều kiện địa phương. Bên cạnh đó, đề xuất các cơ quan chức năng có giải pháp quản lý nguồn gây ô nhiễm, đảm bảo sức khỏe cho cộng đồng và phát triển bền vững. 

2. Đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu

2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là vi nhựa trong bùn trầm tích sông Cầu, đoạn chảy qua thành phố Thái Nguyên, tỉnh Thái Nguyên. Ba vị trí khảo sát được lựa chọn để đại diện cho các khu vực phía nam, phía bắc và trung tâm thành phố. Mỗi vị trí thu ba mẫu, tổng cộng chín mẫu bùn trầm tích, ký hiệu từ SC1 đến SC9.

Bảng 1. Các điểm lấy mẫu bùn trầm tích sông Cầu địa phận thành phố Thái Nguyên

Hình 1. Sơ đồ ba vị trí thu mẫu bùn trầm tích sông Cầu tại khu vực nghiên cứu.

2.2. Nội dung nghiên cứu

(i) Xác định mật độ và sự phân bố vi nhựa trong bùn trầm tích tại ba vị trí khảo sát.

(ii) Mô tả hình dạng, kích thước và màu sắc của các hạt vi nhựa.

(iii) Phân tích thành phần vi nhựa bằng quang phổ hồng ngoại biến đổi FT-IR và thảo luận ý nghĩa của kết quả đối với quản lý môi trường sông Cầu.

2.3. Thu mẫu, xử lý và phân tích

Mẫu được thu theo nguyên tắc lấy mẫu định hướng và đại diện [1, 4, 6], sử dụng gầu chuyên dụng Ekman Wildco kích thước 15 × 15 × 15 cm. Bùn trầm tích được lấy ở độ sâu 2–10 cm, trộn đều; khối lượng mỗi mẫu khoảng 1 kg. Các mẫu được đồng nhất, sàng ướt để loại bỏ tạp vật kích thước lớn, sau đó sấy ở 50 °C trong 72 giờ. Chất hữu cơ được loại bỏ bằng phương pháp oxy hóa peroxide ướt với dung dịch H₂O₂ 30%. Vi nhựa được phân tách tỷ trọng bằng dung dịch ZnCl₂ có tỷ trọng 1,2–1,6 g/cm³; phần dung dịch nổi được thu hồi để tiếp tục phân tích [1, 4, 6].

Sau phân tách, mẫu được đưa vào đĩa Petri và sấy ở 40 °C. Số lượng, hình dạng, kích thước và màu sắc của các hạt được quan sát bằng kính hiển vi soi nổi Carl Zeiss Stemi 508 kết nối camera Axiocam 150, với độ phóng đại 8–50 lần. Các hạt được phân loại theo bốn nhóm hình dạng: mảnh, sợi, màng và bọt. Công đoạn này được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Trung tâm Nghiên cứu cây trồng thích ứng với biến đổi khí hậu, Trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên.

Quá trình xử lý và phân tích mẫu được mô tả như hình 2.

Hình 2: Sơ đồ mô tả phương pháp thu thập, xử lý và phân tích mẫu vi nhựa

t liệu được phân tích bằng quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR), thông qua đối chiếu phổ hấp thụ của mẫu với thư viện phổ đã công bố. Phân tích FTIR được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Vật liệu, Trường Đại học Việt Đức, tỉnh Bình Dương.

2.4. Xử lý số liệu

Số liệu được tổng hợp và xử lý bằng Excel và SPSS 16.0. Mật độ vi nhựa được trình bày bằng số hạt trên một kilôgam mẫu, kèm giá trị trung bình và độ lệch chuẩn. Đặc điểm hình dạng, kích thước, màu sắc và thành phần vật liệu được thể hiện bằng tỷ lệ phần trăm.

3. Kết quả và thảo luận

3.1. Mật độ và sự phân bố vi nhựa trong bùn trầm tích

Vi nhựa được ghi nhận tại cả ba vị trí khảo sát, với mật độ trung bình dao động từ 250 đến 900 hạt/kg. Khu vực cầu Bến Oánh (VT1) có mật độ cao nhất, đạt 900,0 ± 3,7 hạt/kg; tiếp đến là khu vực cầu Bến Tượng (VT3) với 550,0 ± 4,8 hạt/kg và khu vực phường Quang Vinh (VT2) với 250,0 ± 2,3 hạt/kg.

Mật độ vi nhựa giảm theo thứ tự VT1 > VT3 > VT2; giá trị trung bình tại VT1 cao gấp 3,6 lần VT2. Khảo sát thực địa cho thấy VT1 nằm ở đoạn sông sau khi chảy qua khu vực trung tâm thành phố, nơi có thể tiếp nhận chất thải từ hoạt động dân sinh, dịch vụ và sản xuất ven sông. Sự khác biệt giữa các vị trí có thể liên quan đến nguồn phát sinh, đặc điểm dòng chảy và điều kiện lắng đọng. Đây là các yếu tố cần tiếp tục khảo sát để làm rõ cơ chế tích lũy vi nhựa.

Bảng 2. Mật độ vi nhựa trong bùn trầm tích tại ba vị trí khảo sát

3.2. Hình dạng, kích thước và màu sắc vi nhựa

Dạng mảnh chiếm tỷ lệ lớn nhất (59,2%), tiếp đến là dạng bọt (20,4%), dạng sợi (13,7%) và dạng màng (6,7%). Hai nhóm mảnh và bọt chiếm tổng cộng 79,6%, cho thấy chúng là những dạng được ghi nhận phổ biến trong bùn trầm tích tại khu vực nghiên cứu.

Hình 3. Các hình dạng vi nhựa đại diện quan sát dưới kính hiển vi soi nổi.

Về kích thước, các hạt thuộc khoảng 0,5–5,0 mm chiếm 70,3%; riêng nhóm 1,0–5,0 mm chiếm 40,0%. Về màu sắc, màu vàng phổ biến nhất với tỷ lệ 65,9%, tiếp đến là trắng/trong suốt với 21,2%. Các màu còn lại gồm nâu, xanh da trời, xanh lục và đen.

Hình 4. Hình dạng, kích thước và màu sắc vi nhựa tại khu vực nghiên cứu.

Bảng 3. Một số đặc điểm vi nhựa tại khu vực nghiên cứu

3.3. Thành phần vật liệu xác định bằng FTIR

Kết quả phân tích FTIR ghi nhận các loại nhựa phổ biến gồm polyethylene (PE), polyethylene terephthalate (PET) và polypropylene (PP), chiếm tổng cộng 68,3%. Sự hiện diện chủ yếu của nhóm này phù hợp với việc các vật liệu nhựa nói trên được sử dụng rộng rãi trong sản xuất và đời sống.

Hình 5. Hình dạng, kích thước mẫu vi nhựa sông Cầu và kết quả phân tích FT-IR (a), (b) SA (c) EPR và CR, (d) NLR, (e) EPDM, (f) PP, PE và PET (Hình 6)

Trong tập hợp vật liệu được phân tích, một số mẫu có phổ tương ứng với cao su ethylene propylene (EPR), cao su neoprene (CR), ethylene propylene diene monomer (EPDM), cao su latex tự nhiên (NLR) và alginat natri (SA). Những kết quả này cho thấy thành phần vật liệu của các hạt thu được khá đa dạng; việc đối chiếu phổ FTIR hỗ trợ nhận dạng vật liệu bên cạnh quan sát hình thái.

Do phần lớn hạt vi nhựa có kích thước tương đối lớn cho thấy sự tích lũy chưa lâu và việc phân rã trong môi trường diễn ra còn ở mức độ thấp. Đồng thời, các thành phần nhựa tổng hợp tổng hợp nhân tạo như PE, PET, PP chiếm tỷ lệ cao (68,3%), sau đó là EPR, EPDM cũng có thể lý giải bởi chúng được sử dụng phổ biến trong các hoạt động sản xuất và đời sống của người dân.

Kết quả phân tích FT-IR về thành phần chủng loại vi nhựa thể hiện ở hình 5. Kết quả phân tích FT-IR cho thấy: Mẫu SC1.3 và SC1.4 (Hình 5 (a), (b)) xác định trong mẫu vi nhựa có mặt của Natri Alginate Polyme (hay Sodium Alginate (SA)/ Alginic Acid Sodium Salt) C6H7NaO6 công thức phân tử C5H7O4COONa; Mẫu SC1.6 (Hình 5(c)) xác định có mặt của Ethylene Propylene Rubber (EPR) là một loại cao su tổng hợp được tạo ra từ các monome ethylene và propylene và cao su Neoprene (CR) một loại cao su tổng hợp được sản xuất từ polymer của chloropren; Mẫu SC1.9 (Hình 5(d))  xác định có mặt của Natural Latex Rubber (NLR) hay cao su latex tự nhiên là một loại cao su thiên nhiên thu được từ nhựa cây cao su; Mẫu SC1.11 (Hình 5(e)) xác định có mặt của EPDM (Ethylene Propylene Diene Monomer) là một loại cao su tổng hợp có nguồn gốc từ dầu mỏ, được sản xuất thông qua quá trình trùng hợp các monomer ethylene, propylene và diene. Mẫu SC6.1 (Hình 5(f) xác định có mặt của Polypropylene (PP). Nhựa Polypropylene (PP) là một loại nhựa nhiệt dẻo được sản xuất từ monomer propylene, một hợp chất hữu cơ từ dầu mỏ. Đây là một trong những loại nhựa phổ biến và rộng rãi nhất, được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp.

Hình 6. Mẫu vi nhựa SC1(a), SC1.3(b), SC1.1(c), SC1.5(d) và kết quả FT-IR vi nhựa chứa PE (Polyethylene) và PET (Polyethylene Terephthalate).

Kết quả phân tích FT-IR các mẫu SC1(a), SC1.1(b), SC1.1(c), SC1.5(d) (Hình 6) xác định trong mẫu vi nhựa có mặt của PE (Polyethylene) và PET (Polyethylene Terephthalate). Trong đó các loại nhựa phát hiện, nhựa PE, PET, PP chiếm chủ yếu với tỷ lệ 68,3% còn lại là SA, EPR và cao su tổng hợp Neoprene (CR), NLR, EPDM và các loại nhựa khác chiếm số rất ít.

Các hạt vi nhựa có nguồn gốc cao su tổng hợp, khó phân huỷ trong môi trường như EPR, CR, EPDM có thể xâm nhập vào chuỗi thức ăn của hệ sinh thái thủy sinh. Các sinh vật nhỏ như phù du, cá con và động vật không xương sống có thể vô tình nuốt phải các hạt này, gây ra tắc nghẽn hệ tiêu hóa, suy dinh dưỡng hoặc tích tụ độc tố trong cơ thể. Các chất phụ gia trong cao su EPR, CR, EPDM như chất chống oxy hóa hoặc chất hóa dẻo, có thể hòa tan vào nước và gây độc hại cho sinh vật thủy sinh. Về lâu dài, sự tồn tại của các loại vi nhựa trong môi trường nước có thể làm suy giảm đa dạng sinh học, ảnh hưởng đến hệ sinh thái và gián tiếp tác động đến con người qua chuỗi thức ăn.

3.4. Thảo luận và ý nghĩa môi trường

Các nghiên cứu trong nước đã ghi nhận vi nhựa trong nước và trầm tích sông Sài Gòn-Đồng Nai, trầm tích ven biển Thanh Hóa, Đà Nẵng, cửa sông Thuận An và vùng than bùn Long An [1–6]. Kết quả trên sông Cầu có sự tương đồng về sự xuất hiện của các loại nhựa phổ biến như PE, PET và PP, đồng thời bổ sung dữ liệu về mật độ và hình thái vi nhựa trong môi trường sông tại Thái Nguyên. Khi đối chiếu giữa các khu vực, cần xem xét sự khác biệt về phương pháp thu mẫu, khoảng kích thước được phân tích và điều kiện môi trường.

Sự tích lũy vi nhựa trong bùn trầm tích cho thấy cần quan tâm đồng thời đến rác thải nhựa trên bề mặt và các hạt nhựa đã lắng đọng. Chênh lệch mật độ giữa ba vị trí gợi ý vai trò của nguồn thải và hoạt động ven sông, nhưng cần có dữ liệu bổ sung để xác định mức đóng góp của từng nguồn.

Về quản lý, kết quả nghiên cứu là cơ sở để tăng cường thu gom rác thải nhựa, hạn chế phát tán chất thải từ khu dân cư, chợ và hoạt động sản xuất ven sông; đồng thời xây dựng chương trình theo dõi vi nhựa trong trầm tích. Các nghiên cứu tiếp theo cần mở rộng số điểm và thời gian lấy mẫu, đánh giá biến động theo mùa, khả năng tiếp nhận vi nhựa của sinh vật thủy sinh và các tác động sinh thái liên quan.

4. Kết luận

Vi nhựa trong bùn thải trầm tích sông Cầu, đoạn chảy qua thành phố Thái Nguyên có hàm lượng dao động từ 250-900 hạt/kg, cao nhất ở VT1 (khu vực cầu Bến Oánh, phía nam thành phố) 900 hạt/kg±3,7 hạt/kg, sau đó đến VT3 (khu vực cầu Bến Tượng, trung tâm thành phố), VT2 (khu vực phường Quang Vinh, phía bắc thành phố) với giá trị trung bình là 550,0±4,8 và 250±2,3 hạt/kg. Các hạt vi nhựa có kích thước từ trung bình đến lớn, với các hình dạng phổ biến là mảnh (59,2%), bọt (20,4%), sợi (13,7%) và film (6,7%), cùng các màu sắc chính là vàng (65,9%), trắng/trong suốt (21,2%) và các màu khác. Thành phần vi nhựa bao gồm Polyethylene (PE), Polyethylene Terephthalate (PET), Natri Alginate Polyme (SA), Ethylene Propylene Rubber (EPR), Neoprene Rubber (CR), Natural Latex Rubber (NLR), Ethylene Propylene Diene Monomer (EPDM) và Polypropylene (PP). trong đó PE, PET, PP chiếm tỷ lệ đa số (68,3%).Vi nhựa phân bố không đồng đều theo không gian, phản ánh ảnh hưởng tác động của mật độ dân số và các hoạt động sinh hoạt đến sự ô nhiễm vi nhựa. Sự tồn tại của các loại vi nhựa trong môi trường nước sông Cầu ảnh hưởng đến hệ sinh thái thuỷ sinh và gián tiếp tác động đến con người qua chuỗi thức ăn. Kết quả này nhấn mạnh sự cần thiết của các biện pháp quản lý bền vững để bảo vệ nguồn tài nguyên nước Sông Cầu, trong đó có ô nhiễm vi nhựa trong đất bùn thải trầm tích trong bối cảnh áp lực từ phát triển kinh tế-xã hội và sử dụng sản phẩm nhựa ngày càng gia tăng.

Tài liệu tham khảo

[1] Kỳ, N. M., Hưng, N. T. Q., Mạnh, N. C., & Dũng, B. Q. (2022). Nghiên cứu đặc điểm và sự tích lũy vi nhựa trong than bùn tại xã Thuận Nghĩa Hòa, huyện Thạnh Hóa, tỉnh Long An. Tạp chí Khí tượng Thủy văn.

[2] Dũng, L. V., Dực, T. H., Hà, N. T. H., Tùng, N. D., Tuệ, N. T., Hiếu, P. V., & Nhuận, M. T. (2020). Nghiên cứu phương pháp xác định hạt vi nhựa trong môi trường trầm tích bãi triều ven biển, áp dụng thử nghiệm tại xã Đa Lộc, huyện Hậu Lộc, tỉnh Thanh Hóa. Tạp chí Khí tượng Thủy văn.

[3] Phu, H., Han, H. T. N., Thảo, N. L. N., Đông, Đ. V., & Han, T. G. (2021). Nghiên cứu mức độ ô nhiễm vi nhựa trong nước và trầm tích sông Sài Gòn–Đồng Nai. Tạp chí Khí tượng Thủy văn.

[4] Mạnh, Đ. V., Thơm, Đ. T., Lê Xuân Thanh Thảo, H. Đ., Long, N. T. L., Thành, N. D., Ngọ, V. Đ., & Việt, P. H. (2021). Phân tích đặc tính của rác thải vi nhựa trong trầm tích bãi biển vùng duyên hải Việt Nam: Nghiên cứu ban đầu tại Đà Nẵng. Tạp chí Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Bản B, 63(11ĐB).

[5] Nguyễn Hoài Như Ý, Trương Thị Ngân Hà, Phan Thị Thảo Linh, Võ Văn Minh, Lê Thị Mai, Trịnh Đăng Mậu, & Trần Nguyễn Quỳnh Anh (2023). Phân bố của vi nhựa trong nước mặt và trầm tích ở cửa sông Thuận An, Thừa Thiên Huế. Tạp chí Khoa học và Công nghệ – Đại học Đà Nẵng, 21(3).

[6] Ky Nguyen Minh, Chitsan Lin, Nguyen Tri Quang Hung, Hong-Giang Hoang, Dai-Viet N. Vo, & Huu-Tuan Tran (2023). Investigation of ecological risk of microplastics in peatland areas: A case study in Vietnam. Environmental Research.

Nguyễn Ngọc Sơn Hải, Nguyễn Minh Kỳ, Nguyễn Ngọc Nông

Thông tin liên hệ: Nguyễn Ngọc Sơn Hải
Khoa Quản lý tài nguyên, Trường Đại học Nông Lâm – Đại học Thái Nguyên
Email: nguyenngocsonhai@tuaf.edu.vn