Khả năng hấp thu dinh dưỡng nitrate của bèo tấm Lemna minor L. trong điều kiện phòng thí nghiệm

Bài viết trình bày đánh giá khả năng hấp thu nitrate của bèo tấm (Lemna minor L.) có nguồn gốc từ Việt Nam trong điều kiện phòng thí nghiệm. Kết quả cho thấy, sau 9 ngày thí nghiệm, bèo có thể hấp thu từ 10 – 23% hàm lượng nitrate.

Chuyên san Phát triển Khoa học Công nghệ số (2), 2018 KHẢ NĂNG HẤP THU DINH DƯỠNG NITRATE CỦA BÈO TẤM LEMNA MINOR L TRONG ĐIỀU KIỆN PHÒNG THÍ NGHIỆM Nguyễn Q Hảo1, Trần Ngơ Hồng Dung1, Bùi Thị Như Phượng2, Phan Thế Huy2, Đào Thanh Sơn1* Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM Viện Môi trường Tài nguyên, ĐHQG TP.HCM *Tác giả liên lạc: dao.son@hcmut.edu.vn (Ngày nhận bài: 20/4/2018; Ngày duyệt đăng: 25/5/2018) TÓM TẮT Ô nhiễm hữu cơ, gia tăng dinh dưỡng phú dưỡng hóa mơi trường nước vấn đề phổ biến giới nói chung Việt Nam nói riêng Việc sử dụng thực vật để cải thiện chất lượng nước mặt biện pháp ưu tiên lựa chọn thân thiện mơi trường, chi phí thấp hiệu cao Trong nghiên cứu này, đánh giá khả hấp thu nitrate bèo (Lemna minor L.) có nguồn gốc từ Việt Nam điều kiện phịng thí nghiệm Kết cho thấy, sau ngày thí nghiệm, bèo hấp thu từ 10 – 23% hàm lượng nitrate Tuy nhiên xét theo sinh khối, khả hấp thu nitrate bèo nghiên cứu vào khoảng 24,87 mg nitrate/g trọng lượng tươi bèo Tỷ lệ hấp thu nitrate khả quan bèo sở cho việc tiến hành nghiên cứu cấp độ cao (như pilot) trước đưa vào ứng dụng thực tiễn Từ khóa: Bèo tấm, nitrate, cải tạo môi trường thực vật NITRATE UPTAKE CAPACITY OF DUCKWEED LEMNA MINOR L UPON THE LABORATORY CONDITIONS , Nguyen Quy Hao1, Tran Ngo Hoang Dung1, Bui Thi Nhu Phuong2, Phan The Huy2, Dao Thanh Son1* Ho Chi Minh City University of Technology, VNU – HCM Institute for Environment and Resources, VNU – HCM *Corresponding Author: dao.son@hcmut.edu.vn ABSTRACT Organic pollution, nutrient increase and eutrophication of aquatic environment are common problems in the world in general and Vietnam in particular Phytoremediation is one of the most priority means to improve the surface water quality because of the friendly environment, low cost and high efficiency In this study, we evaluated the nitrate uptake capacity of duckweed (Lemna minor L.) from Vietnam upon the laboratory conditions The results showed that after days of incubation, the duckweed could uptake from 10 – 23% of the nitrate concentration Based on the biomass, the nitrate uptake capicity of the duckweed was around 24.87 mg nitrate/ g wet weight of the plant The high nitrate uptake capicity of the duckweed suggests further researches at higher scales (e.g pilot) before application Keywords: Duckweed, nitrate, phytoremediation đầm lầy Bèo cịn tìm thấy nơi có lượng chất dinh dưỡng cao (Nitơ, Photpho) nước thải sinh hoạt nông nghiệp, bể tự hoại (Lembi, 2009) Bèo nguồn thức ăn quan trọng cho MỞ ĐẦU Bèo (Lemna minor L.) loài thực vật nước phân bố rộng khắp giới, đặc biệt vùng nhiệt đới cận nhiệt Chúng thường tìm thấy ao hồ 26 Chuyên san Phát triển Khoa học Công nghệ số (2), 2018 số thủy sinh vật chim nước, cá gia cầm (FAO, 1999; APHA, 2012) Bèo có vai trị quan trọng việc khắc phục tình trạng dư thừa chất dinh dưỡng dạng khống chất ao hồ biện pháp sinh học chúng phát triển nhanh hấp thụ phần lớn chất này, cụ thể hợp chất nitơ phospho (Goppy & Murray, 2003) Đồng thời, việc sử dụng loài thực vật thủy sinh để đánh giá chất lượng mơi trường đạt nhiều thành tựu có ý nghĩa khoa học thực tiễn (Lê Hữu Thắng Lê Huy Hoàng, 2016) Các nghiên cứu cho thấy, phát triển bèo bị chi phối nhiều yếu tố môi trường bao gồm ánh sáng, nhiệt độ, pH, độ sâu vực nước, hàm lượng dinh dưỡng nồng độ kim loại Bèo sống khoảng nhiệt độ nước từ – 33oC, thích hợp 25 – 30oC Khoảng pH cho bèo phát triển tốt từ 6,5 – 7, nhiên bèo sống khoảng pH từ – Tuy tăng trưởng bèo bị ức chế điều kiện pH cao (FAO, 1999) Ở điều kiện thời tiết ấm, độ sâu nước không ảnh hưởng nhiều đến sinh trưởng phát triển bèo Tuy nhiên lại vấn đề lớn vùng có khí hậu nóng lạnh, nhiệt độ nước biến động lớn không giữ khoảng nhiệt độ tối thích (Zhang cộng sự, 2014) Bèo có khả loại bỏ hiệu nitơ (N) nước thơng qua q trình hấp thụ dinh dưỡng tích lũy chúng tế bào (chủ yếu dạng protein) Hàm lượng N bèo chiếm đến 5,9% khối lượng khô Cơ chế tách hợp chất nitơ lồi thực vật thủy sinh nói chung bèo nói riêng thực qua trình: hấp thụ tạo thành sinh khối bèo, bay amoniac, nitrate hóa kết hợp khử nitrate Nhờ tốc độ phát triển nhanh chóng, sau thời gian ngắn, bèo phủ kín tồn mặt thống Nếu ni điều kiện thích hợp, từ diện tích che phủ ban đầu 10 cm2, bèo tăng sinh khối gấp 10 triệu lần che phủ diện tích (100 triệu cm2) vịng chưa đến 50 ngày (FAO, 1999) Bèo không cung cấp oxy cho nước nên bèo phát triển mạnh, che phủ bề mặt thoáng, mật độ tảo nước thấp, khả phát triển vi sinh vật hiếu khí bị hạn chế Khi đó, mơi trường nước trở thành mơi trường thiếu khí, thuận lợi cho việc khử nitrate Ô nhiễm hữu vấn đề phổ biến thủy vực nước Việt Nam Hướng nghiên cứu bèo nói chung bèo nói riêng nước ta cịn khiêm tốn rời rạc với số cơng trình cơng bố Trần Văn Tựa cs (2010) Vũ Thị Nguyệt cs (2014) nghiên cứu sử dụng bèo tây để xử lí N photpho mơi trường nước thải chăn nuôi lợn sau công nghệ biogas Gần đây, Vũ Nguyên cs (2017) khảo sát phát triển bèo ảnh hưởng riêng lẻ kết hợp hai kim loại đồng crôm Kết cho thấy ức chế mạnh đồng phát triển bèo, crơm kích thích phát triển kết hợp hai kim loại nêu làm giảm độc tính đồng Bèo có ý nghĩa vai trò quan trọng hệ sinh thái Bên cạnh việc sinh vật sản xuất, bèo cho thấy tiềm lớn việc làm môi trường nước Mơi trường nước Việt Nam, nhìn chung, bị ô nhiễm hữu Nhiều nghiên cứu khả xử lí nitơ bèo cơng bố giới, cịn hạn chế Việt Nam Mục tiêu nghiên cứu đánh giá khả hấp thu nitơ bèo có nguồn gốc Việt Nam điều kiện phịng thí nghiệm VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP Vật liệu Bèo thu từ ao trồng rau nhút kết hợp nuôi cá Quận 12, thành phố Hồ Chí Minh (Vũ Nguyên cs., 2017) Loài bèo (Lemna minor L.) ni trì Module Độc học Sinh thái, Khoa Môi trường Tài nguyên, trường Đại học 27 Chuyên san Phát triển Khoa học Công nghệ số (2), 2018 Bách Khoa TP.HCM Bèo nuôi môi trường nhân tạo Z8 (Kotai, 1972) điều kiện phịng thí nghiệm với nhiệt độ 27 ± 2°C, pH = 7, cường độ ánh sáng khoảng 3.000 Lux bề mặt nước chu kỳ sáng tối 12h sáng: 12h tối (Khellaf Zerdaoui, 2009; APHA, 2012) Thiết kế thí nghiệm phân tích nitrate Trong nghiên cứu, thí nghiệm thiết kế bao gồm mơi trường Z8 có cho thêm bèo Hai bình thí nghiệm chuẩn bị tiến hành song song, bình thứ chứa 250 mL môi trường Z8 125 bèo Bình thứ chứa 300 mL mơi trường Z8 150 bèo Một bình khác chứa 300 mL mơi trường Z8 khơng có bèo, tiến hành song song nhằm để kiểm chứng thay đổi nitrate (trong Z8) điều kiện khơng có bèo Thí nghiệm tiến hành điều kiện phịng thí nghiệm đề cập phần kéo dài ngày, đến ngày cuối (ngày thứ 9) số bèo đủ nhiều để che phủ gần tồn bề mặt bình thí nghiệm (Hình 1) Hình Bèo (duckweed) bình thí nghiệm vào ngày thứ (A) ngày thứ (B) Mẫu nước dùng khảo sát hàm lượng nitrate Việc xác định hàm lượng nitrate thực (50 mL) cho thí nghiệm thu lần vào theo phương pháp TCVN 6180:1996 ngày bắt đầu (ngày 1) ngày thứ ngày Cụ thể chuẩn bị dãy nồng độ chuẩn (Bảng kết thúc thí nghiệm (ngày thứ 9) Số 1), thực phân tích mẫu bao gồm bèo bình thí nghiệm vào thời bước: lấy mẫu cho vào cốc thêm vào điểm ngày ngày thí nghiệm dung dịch natri nitrua axit acetic, để ghi nhận Trọng lượng trung n phút sau để bay hỗn bình bèo xác định hợp khô nồi cách thủy Các cách cân ngẫu nhiên 30 bèo (mỗi nồng độ pha dùng để dựng đường chuẩn lá) từ lơ thí nghiệm thể Bảng sau Bảng Các nồng độ pha dùng để dựng đường chuẩn Mẫu Thể tích dd chuẩn 1mg/L (mL) Nước cất không chứa NO3- (mL) 25 24 23 22 21 20 Nồng độ N-NO3- (mg/L) 0,04 0,08 0,12 0,16 0,20 Tiếp theo, cách bước thực phân tích tiến hành bao gồm: (i) thêm mL dung dịch natri salixylat, trộn với mẫu cho bay hỗn hợp tới khô lần nữa; (ii) lấy cốc khỏi nồi cách thuỷ, để nguội đến nhiệt độ phòng; (iii) thêm mL 28 Chuyên san Phát triển Khoa học Công nghệ số (2), 2018 axit sunfuric lắc nhẹ cho hoà tan cặn cốc, để hỗn hợp lắng 10 phút; (iv) thêm 10 ml nước, 10 ml dung dịch kiềm; (v) chuyển hỗn hợp sang bình định mức 25ml đặt bình vào nồi cách thuỷ 25ºC 10 phút sau lấy bình ra, thêm nước đến vạch 25ml; (vi) lắc đo màu bước sóng 415nm Dựa vào phương trình đường chuẩn lập máy để tính tốn kết cuối mẫu thí nghiệm đáng kể nghiên cứu nghiên cứu trước Vũ Thị Nguyệt cs (2014) nhiều lý sau (1) khác biệt đối tượng thực vật (bèo bèo tây) dùng để xử lý dinh dưỡng; (2) quy mô nghiên cứu (phịng thí nghiệm pilot); (3) chất nước chứa dinh dưỡng (môi trường Z8 nhân tạo chất thải nuôi heo sau phân giải vi sinh vật) Các lồi thực vật khác thường có nhu cầu dinh dưỡng, khả chuyển hóa nitrate khác Bèo tây có kích thước lớn kèm rễ phát triển mạnh nên khả sử dụng dinh dưỡng nước cao bèo tấm, xét đơn vị cá thể/ Bên cạnh đó, nước thải nuôi heo nghiên cứu Vũ Thị Nguyệt cs (2014) chứa phần lớn amonium phần nhỏ nitrate; cịn mơi trường Z8 chứa nitrate amonium nguồn dinh dưỡng nitơ các họ bèo thích sử dụng (Fang et al., 2007) Trong điều kiện pilot có dịng chảy (khơng mạnh) liên tục (Vũ Thị Nguyệt cs., 2014), phát triển thủy thực vật tốt điều kiện nước tĩnh (nghiên cứu tại), góp phần làm gia tăng khả hấp thu dinh dưỡng thực vật Sau cùng, nước thải nuôi heo sau phân giải vi sinh vật chứa hỗn hợp dinh dưỡng vi sinh vật (trong nghiên cứu Vũ Thị Nguyệt cs., 2014), mơi trường Z8 (nhân tạo) nghiên cứu tại, khơng có (rất ít) vi sinh vật Các vi sinh vật nước (i) hấp thu dinh dưỡng (bao gồm N) q trình phát triển (ii) chuyển hóa N dạng hợp chất (nitrate, amonium, nitrite) thành khí nitơ, giải phóng vào khơng khí, từ dẫn đến việc giảm nhanh hàm lượng dinh dưỡng (N) môi trường nước KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Sự phát triển bèo thay đổi nồng độ nitrate thí nghiệm Số bèo lơ thí nghiệm, gia tăng từ 150 lên 402 từ 125 lên 363 (Bảng 2) Nhìn chung gia tăng khơng q nhanh so với kết nghiên cứu trước Vũ Nguyên cs (2017) Rất số lượng bèo bắt đầu thí nghiệm diện tích mặt thống có ảnh hưởng lên tốc độ phân chia bèo điều kiện phịng thí nghiệm Điều cần nghiên cứu kỹ để xác định ảnh hưởng (nếu có) mang tính định lượng Hàm lượng nitrate bình chứa mơi trường Z8 khơng có bèo tấm, không bị suy giảm Hàm lượng nitrate hai bình thí nghiệm giảm chậm ngày đầu thí nghiệm, từ – mg/L Tuy nhiên ngày sau đó, hàm lượng nitrate giảm nhiều hơn, từ – 10 mg/L (Bảng 2) Xét theo thay đổi nồng độ nitrate thí nghiệm tỷ lệ nitrate bèo hấp thu không cao, từ 10 – 23% Tỷ lệ thấp so với tỷ lệ xử lý tổng nitơ bèo tây (Eichhornia crassipes) nghiên cứu mức độ pilot với nước thải nuôi heo, lên đến 65% (Vũ Thị Nguyệt cs., 2014) Sự khác biệt Bảng Sự thay đổi số bèo hàm lượng nitrate thí nghiệm Bình thí nghiệm/thể tích Ngày thí Số Nồng độ nitrate tính mơi trường Z8 nghiệm bèo theo N (N-NO3- mg/L) 1/300 mL 150 47 245 45 402 36 29 Chuyên san Phát triển Khoa học Công nghệ số (2), 2018 2/250 mL 125 285 363 47 46 42 tin khả hấp thu N bèo Khả hấp thu nitrate bèo Kết cân trọng lượng tươi tính tốn (Lemna minor) tính đơn vị trọng trung bình (n = 30) cho kết quả, trọng lượng tươi bèo, theo hiểu chúng lượng tươi trung bình bèo 0,827 ± tơi, đến chưa có Vì cần có 0,102 mg Như vậy, xét khả nghiên cứu tính tốn khả hấp thu hấp thu nitrate bèo dựa vào số riêng lẻ loài thủy thực vật để đánh lượng bèo thay đổi nồng độ nitrate giá hiệu xử lý dinh dưỡng trước Bảng 2, khả hấp thu nitrate đưa vào ứng dụng điều kiện cụ thể bèo nghiên cứu vào Kết nghiên cứu cho thấy tỷ lệ khoảng 24,87mg nitrate/g trọng lượng tươi hấp thu nitrate khả quan bèo tấm, bèo Goopy Murray (2003) cho biết làm sở cho việc tiến hành nghiên cứu khả hấp thu dinh dưỡng N cấp độ cao (như pilot) trước đưa thuộc họ bèo (Lemnaceae) lên vào ứng dụng thực tiễn đến 6.110 kg N/ha/ năm Tuy nhiên, thông Bảng Khả hấp thu nitrate bèo thí nghiệm Bình thí nghiệm/thể tích Khả hấp thu nitrate bèo môi trường Z8 (mg nitrate/g trọng lượng bèo tươi) ngày thí nghiệm ngày thí nghiệm 1/300 mL 9,87 33,08 2/250 mL 4,24 16,65 Trung bình 7,05 24,87 khả hấp thu nitrate bèo nghiên cứu vào khoảng 24,87 mg nitrate/g trọng lượng tươi bèo Cần có nghiên cứu sâu rộng tương lai tính tốn khả hấp thu riêng lẻ loài thủy thực vật để đánh giá hiệu xử lý dinh dưỡng trước đưa vào ứng dụng điều kiện cụ thể Lời cảm ơn Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP.HCM thông qua đề tài sinh viên nghiên cứu khoa học mã số SVCQ-2017MT&TN-49 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ Lần đầu tiên, bèo (Lemna minor L.) có nguồn gốc từ Việt Nam sử dụng để đánh giá khả hấp thu, cải thiện hàm lượng dinh dưỡng nitrate điều kiện phịng thí nghiệm Nhờ vào hấp thu bèo tấm, hàm lượng nitrate môi trường nhân tạo (Z8) giảm chậm ngày đầu thí nghiệm (từ – mg/L) tăng lên ngày sau thí nghiệm (4 – 10 mg/L) Xét theo thay đổi nồng độ nitrate thí nghiệm tỷ lệ nitrate bèo hấp thu không cao, từ 10 – 23% Tuy nhiên xét theo sinh khối, TÀI LIỆU THAM KHẢO AMERICAN PUBLIC HEALTH ASSOCIATION (APHA), 2012 Standard methods for the examination of water and wastewater Washington DC FANG, Y.Y., BABOURINA, O., RENGEL, Z., YANG, X.E., PU, P.M., 2007 Ammonium and nitrate uptake by the floating plant Landoltia punctata Annals of Botany 99 (2), 365-370 30 Chuyên san Phát triển Khoa học Công nghệ số (2), 2018 FOOD AND AGRICULTURE ORGANIZATION OF THE UNITED NATIONS (FAO), 1999 Duckweed: A tiny aquatic plant with enormous potential for agriculture and environment Roma, Italy FAO Publications KOTAI, J., 1972 Instructions for preparation of modified nutrient solution Z8 for algae Norwegian Institute for Water research, Oslo B-11/69, 1-5 LÊ HỮU THẮNG, LÊ HUY HOÀNG, 2016 Xác định hàm lượng số kim loại nặng bèo tây, rong đuôi chồn rong xương cá nguồn nước thành phố Thái Nguyên Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 59 (11), trang 28 TRẦN VĂN TỰA, NGUYỄN VĂN THỊNH, TRẦN THỊ NGÁT, NGUYỄN TRUNG KIÊN, 2010 Khả loại bỏ số yếu tố phú dưỡng môi trường nước bèo tây Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 48 (4A), 408-415 VŨ NGUYÊN, TRỊNH HOÀNG PHÚC, HỒ DIỄM CHÂU, ĐẶNG VĂN SƠN, ĐÀO THANH SƠN, 2017 Sự phát triển bèo tấm, Lemna minor L., phơi nhiễm với đồng crôm điều kiện phịng thí nghiệm Article of Science and Technology Development 3(1), 47-53 VŨ THỊ NGUYỆT, TRẦN VĂN TỰA, NGUYỄN TRUNG KIÊN, ĐẶNG ĐÌNH KIM, 2014 Nghiên cứu sử dụng bèo tây Eichhornia crassipes (Mart.) Solms để xử lý nitơ phốtpho nước thải chăn nuôi lợn sau cơng nghệ biogas Tạp chí Sinh học 37 (1), 53-59 31 ... nhiên, thông Bảng Khả hấp thu nitrate bèo thí nghiệm Bình thí nghiệm/ thể tích Khả hấp thu nitrate bèo môi trường Z8 (mg nitrate/ g trọng lượng bèo tươi) ngày thí nghiệm ngày thí nghiệm 1/300 mL... tiên, bèo (Lemna minor L.) có nguồn gốc từ Việt Nam sử dụng để đánh giá khả hấp thu, cải thiện hàm lượng dinh dưỡng nitrate điều kiện phịng thí nghiệm Nhờ vào hấp thu bèo tấm, hàm lượng nitrate. .. lượng tươi hấp thu nitrate khả quan bèo tấm, bèo Goopy Murray (2003) cho biết làm sở cho việc tiến hành nghiên cứu khả hấp thu dinh dưỡng N cấp độ cao (như pilot) trước đưa thu? ??c họ bèo (Lemnaceae)