Luận án tiến sĩ phân tích dư lượng hoá chất bảo vệ thực vật bằng QuEChERS GC/MS

MỞ ĐẦU Việt Nam là nƣớc nông nghiệp. Trong thời kỳ đổi mới, nông nghiệp Việt Nam đã đạt đƣợc những thành tựu nổi bật, duy trì tốc độ tăng trƣởng đều, ổn định và đã trở thành chỗ dựa nền tảng cho công nghiệp và dịch vụ, góp phần quan trọng vào việc ổn định xã hội ở nƣớc ta. Để có đƣợc những kết quả khả quan nhƣ vậy, không thể phủ nhận vai trò của việc ứng dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật khác nhau trong sản xuất, canh tác trong đó có việc sử dụng hóa chất bảo vệ thực vật (HCBVTV) nhƣ một tác nhân bảo vệ cây trồng khỏi sâu bệnh, động thực vật gây hại, góp phần làm tăng năng suất cũng nhƣ chất lƣợng sản phẩm nông nghiệp. Do đó, HCBVTV ngày càng đƣợc sử dụng phổ biến tại nƣớc ta với chủng loại ngày càng tăng (từ 189 hoạt chất năm 2003 lên 1700 hoạt chất năm 2016) [34].

Nhƣ vậy, theo thời gian, trong môi trƣờng đất (nơi tiếp nhận đầu tiên của HCBVTV trong quá trình sử dụng) sẽ tồn tại nhiều loại HCBVTV thuộc các nhóm khác nhau (dƣ lƣợng) do việc sử dụng đã kéo dài qua nhiều năm hay do sử dụng nhiều loại đan xen, pha trộn đồng thời. Tuy nhiên, do đều là hóa chất có độc tính cao, thời gian phân hủy kéo dài nên bên cạnh tính tích cực là bảo vệ cây trồng, HCBVTV ít nhiều đã gây ảnh hƣởng đến sinh vật và môi trƣờng xung quanh. Đặc biệt, HCBVTV có thể tích tụ trong các sản phẩm nông nghiệp từ môi trƣờng đất và gây hại trực tiếp đến con ngƣời. Việc xác định dƣ lƣợng HCBVTV trong đất nhằm đánh giá mức độ ô nhiễm môi trƣờng và đảm bảo cho phát triển nền nông nghiệp sạch, an toàn.

Hiện nay, tại Việt Nam công tác đánh giá dƣ lƣợng HCBVTV trong đất vẫn đƣợc tiến hành riêng theo từng nhóm chất, mỗi nhóm có qui trình phân tích riêng (phƣơng pháp truyền thống). Mỗi qui trình bao gồm quá trình chiết (thƣờng là shoxlet), làm sạch bằng sắc ký cột và phân tích trên thiết bị phù hợp. Vì vậy, để có thể phân tích hết các HCBVTV, cần dùng nhiều kỹ thuật chiết và phân tích khác nhau, dẫn đến mất thời gian (chiết đến 16 – 18 tiếng) và tốn kinh phí (cần trên 1 lít dung môi). Do đó, việc xây dựng phƣơng pháp có thể xác định đồng thời nhiều HCBVTV thuộc các nhóm khác nhau là cần thiết.

3 Trên thế giới, các phƣơng pháp xác định HCBVTV đã hình thành từ rất lâu và ngày càng phát triển theo hƣớng áp dụng các kỹ thuật, công nghệ mới nhằm tăng hiệu quả, độ chính xác và giảm chi phí, thời gian [1]. Năm 2003, Anastassiades và cộng sự lần đầu tiên công bố một phƣơng pháp chiết và làm sạch nhanh đƣợc gọi là QuEChERS (viết tắt của Quick, Easy, Cheap, Efficient, Rugged, Safe) để xác định HCBVTV trong rau quả [67]. Phƣơng pháp bao gồm một quá trình chiết chung cho phần lớn các chất và làm sạch bằng kỹ thuật chiết phân tán d-SPE (dispersive solid phase extraction). Tuy nhiên, tùy thuộc nền mẫu và đối tƣợng phân tích sẽ cần có những nghiên cứu, khảo sát sâu để thiết lập ra qui trình riêng biệt.

Phƣơng pháp nhanh chóng đƣợc chấp nhận và phát triển ứng dụng cho các đối tƣợng phân tích và nền mẫu khác nhau, chủ yếu cho các sản phẩm nông nghiệp và thực phẩm. Với nền mẫu đất, trầm tích, đến năm 2008 mới có công bố đầu tiên và cho đến nay cũng chỉ xác định đồng thời trên 40 loại HCBVTV [76]. Theo các tiêu chuẩn hiện hành tại Việt Nam cũng nhƣ trên thế giới, HCBVTV trong đất vẫn đƣợc xác định theo phƣơng pháp truyền thống, tức là chiết tách, làm sạch theo nhóm sau đó phân tích trên thiết bị phù hợp (sắc ký khí, lỏng với các đầu dò khác nhau). Với những thực tế trên, đề tài ―Nghiên cứu phát triển kỹ thuật QuEchERS GC/MS 3 SIM để phân tích đồng thời dƣ lƣợng hóa chất bảo vệ thực vật trong đất‖ đƣợc thực hiện với mục đích: - Nghiên cứu phát triển một kỹ thuật phân tích mới có thể phân tích đồng thời hóa chất bảo vệ thực vật thuộc các nhóm hoạt chất khác nhau trong đất nhằm giảm thời gian và chi phí phân tích.

- Sơ bộ đánh giá với các phƣơng pháp hiện hành thông qua phân tích mẫu thực tế và so sánh với một số phòng phân tích khác 4 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về hoá chất bảo vệ thực vật 1.1 Phân loại hóa chất bảo vệ thực vật Hóa chất bảo vệ thực vật là các loại hóa chất đƣợc sử dụng trong canh tác nông lâm nghiệp nhằm mục đích bảo vệ cây trồng khỏi các sinh vật gây hại. Hiện nay trên thế giới, có trên 1500 loại hóa chất bảo vệ thực vật đã và đang đƣợc sử dụng, đƣợc phân loại dựa trên thành phần, cấu tạo hóa học (nhóm cơ clo, cơ phốt pho, carbamate. ) hay theo công dụng (thuốc trừ sâu, trừ nấm, trừ cỏ…) và đôi khi theo cấp độ độc hoặc theo thời gian phân hủy của chúng. Theo cấu tạo hoá học, HCBVTV có thể đƣợc phân thành các nhóm chính sau: [2-3] - Nhóm cơ Clo (Organochlorines) là các hợp chất hữu cơ với năm hoặc nhiều hơn các nguyên tử clo và là HCBVTV hữu cơ tổng hợp đầu tiên đƣợc sử dụng trong nông nghiệp, y tế công cộng và tồn tại trong môi trƣờng với thời gian dài trƣớc khi phân huỷ hoàn toàn.

HCBVTV clo hữu cơ gây rối loạn hệ thần kinh dẫn đến co giật, tê liệt và gây tử vong cho côn trùng. Phần lớn các hoạt chất thuộc nhóm đã bị cấm hoặc hạn chế sử dụng. Một số ví dụ đại diện đã đƣợc sử dụng phổ biến những thập niên 70, 80 của thế kỷ trƣớc là DDT, lindane, endosulfan, aldrin, dieldrin và chlordane. 5 - Nhóm cơ Phốt pho (Organophosphorous): có cấu trúc cơ bản đƣợc xác định theo công thức Schrader, trong đó, R1 và R2 thƣờng là nhóm methyl hoặc ethyl, O trong nhóm OX có thể đƣợc thay thế bằng S và nhóm X rất đa dạng.

HCBVTV cơ phốt pho nói chung là có độc tính cao với côn trùng và động vật máu nóng, tác động nhƣ chất ức chế cholinesterase dẫn đến một lớp phủ thƣờng trực của acetylcholine trên một khớp thần kinh. Kết quả là, các xung động thần kinh không di chuyển trên các khớp thần kinh gây co giật của cơ bắp và do đó nhanh chóng tê liệt và chết. HCBVTV cơ phốt pho dễ bị phân hủy trong môi trƣờng bởi các tác nhân hóa học và sinh học khác nhau, do đó không tồn tại quá lâu trong môi trƣờng. Tuy nhiên, do độc tính cao nên một số chất đã bị cấm, hạn chế sử dụng.

Một số chất đƣợc sử dụng rộng rãi bao gồm parathion, malathion. - Nhóm Carbamate: là HCBVTV hữu cơ có nguồn gốc từ axit carbamic với công thức chung Trong đó, R1 là một nhóm rƣợu, R2 là nhóm methyl và R3 thƣờng là hydro. Carbamate có độc tính với côn trùng và động vật có vú, gây ức chế men cholinesterase. Nhóm này thƣờng đƣợc phối trộn với các nhóm khác để tăng phổ tác dụng và có đặc điểm: ít tan trong nƣớc, dễ bị phân hủy.

Một số hoạt chất sử dụng rộng rãi trong nhóm này bao gồm carbaryl, carbofuran và aminocarb. 6 - Nhóm Pyrethroid là chất tƣơng tự tổng hợp của pyrethrins tự nhiên, một sản phẩm từ hoa kim cúc (cinerariaefolium). Pyrethroid đƣợc công nhận là có hiệu quả đối với côn trùng gây hại, nhƣng độc tính với động vật có vú thấp và dễ phân hủy sinh học. Tuy nhiên, do dễ bị phân huỷ quang học nên ít đƣợc sử dụng trong nông nghiệp.

Các pyrethroid tổng hợp đƣợc sử dụng rộng rãi nhất bao gồm permethrin, cypermethrin và deltamethrin. - Một số nhóm HCBVTV khác: Một số HCBVTV có cấu tạo khác biệt do dó không đƣợc xếp vào các nhóm chính nêu trên và cũng có nhiều HCBVTV không đƣợc xếp vào một nhóm cụ thể nào.2 Tình hình sử dụng hóa chất bảo vệ thực vật - Trên thế giới [2]: HCBVTV đã đƣợc sử dụng từ rất lâu và có nguồn gốc chủ yếu từ vô cơ, nhƣ đồng, thủy ngân, asen (trƣớc năm 1940). Đến năm 1939, thuốc trừ sâu tổng hợp đầu tiên (DDT - thuộc nhóm cơ clo) ra đời và đƣợc xem là thần dƣợc cho nông nghiệp. 7 Những năm tiếp sau đó, rất nhiều HCBVTV nhóm cơ clo đƣợc phát triển và sử dụng rộng rãi do có hoạt tính cao (mặc dù nhóm cơ phốt pho và carbamat đã đƣợc hình thành).

Tuy nhiên, đến những năm 60, nhiều báo cáo về tính độc hại cũng nhƣ ảnh hƣởng của nhóm cơ clo đến sức khỏe và môi trƣờng đã đƣợc ghi nhận và việc sử dụng DDT cũng nhƣ nhiều hoạt chất HCBVTV nhóm cơ clo đã bị cấm sử dụng trong nông nghiệp tại Mỹ vào năm 1973. Việc cấm này tạo điều kiện cho việc phát triển các HCBVTV thân thiện với môi trƣờng hơn nhƣ nhóm cơ phốt pho, nhóm carbamat và cũng đánh dấu sự ra đời của nhóm pyrethroid. Từ năm 1980 đến nay, đã phát minh ra nhiều loại HCBVTV mới có tính an toàn và ít độc hại hơn, trong đó tập trung vào các chất có nguồn gốc sinh học, từ tự nhiên. Các HCBVTV mới này có tính chọn lọc cao, ít độc hại nhƣng có phổ tác dụng hạn hẹp và hoạt lực thấp, vì vậy, thƣờng đƣợc phối hợp 2 hay nhiều loại với nhau để tăng hiệu quả.

Đồng thời với việc tạo ra các HCBVTV mới, nhiều HCBVTV có tính độc cao cũng bị cấm và hạn chế sử dụng, tập trung chủ yếu vào nhóm vô cơ, cơ clo và một số chất thuộc nhóm cơ phốt pho. Theo thống kê của tổ chức Nông Lƣơng Thế giới (FAO), hàng năm có trên 2 triệu tấn HCBVTV đƣợc sử dụng trên toàn thế giới. Mặc dù một số loại HCBVTV độc hại đã bị cấm sử dụng từ những năm 80 của thế kỷ trƣớc (ở Việt Nam là những năm 90), tuy nhiên, do tính bền và khó phân hủy nên chúng vẫn tồn tại trong môi trƣờng, nhất là môi trƣờng đất. - Tại Việt Nam [3, 87]: Theo thống kê vào năm 1957 tại miền Bắc nƣớc ta sử dụng khoảng 100 tấn.

Ðến trƣớc năm 1985 khối lƣợng HCBVTV dùng hàng năm khoảng 6. Các loại HCBVTV mà Việt Nam sử dụng trong giai đoạn trƣớc 1995 có độ độc cao, nhiều loại đã lạc hậu (cấm sử dụng trên thế giới) nhƣ DDT, 666, parathion với lƣợng sử dụng khoảng 0,3kg/ha. Tuy nhiên, nhiều loại HCBVTV cũng đƣợc sử dụng trong các lĩnh vực khác, ví dụ sử dụng DDT để phòng trừ muỗi truyền bệnh sốt rét (từ 1957 -1994: 24. Danh mục thuốc BVTV đƣợc phép sử dụng ở nƣớc ta đến năm 2013 đã lên tới 1.