Tiềm năng ứng dụng thực vật trong xử lý môi trường bị ô nhiễm kim loại nặng

1.1 Ô nhiễm kim loại nặng ở môi trường đất: Sự ô nhiễm kim loại nặng ở đất do kim loại nặng phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm các hoạt động công nghiệp, xử lý chất thải không đ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH

KHOA TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

      

BÁO CÁO MÔN HỌC SINH THÁI HỌC

ĐỀ TÀI: TIỀM NĂNG ỨNG DỤNG THỰC VẬT TRONG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG BỊ Ô NHIỄM KIM

LOẠI NẶNG

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Đào Thanh Sơn

LỚP L01 – NHÓM 07

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 2

PHẦN GIỚI THIỆU 3

1 Lý do chọn đề tài: 3

2 Mục đích của đề tài: 3

PHẦN I: Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG LÀ GÌ ? 4

1.1 Ô nhiễm kim loại nặng ở môi trường đất: 4

1.2 Ô nhiễm kim loại nặng ở môi trường nước: 5

1.3 Ô nhiễm kim loại nặng ở môi trường khí: 5

1.4 Các kim loại nặng cụ thể và tác động của chúng: 6

PHẦN II: CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÍ KIM LOẠI NẶNG 7

2.1 Phương pháp Sinh học: 7

2.2 Phương pháp Hóa học: 7

2.3 Phương pháp Vật lý: 8

PHẦN III: KHÁI NIỆM & Ý NGHĨA VIỆC SỬ DỤNG THỰC VẬT ĐỂ XỬ LÝ KIM LOẠI NẶNG ? 8

3.1 Khái niệm: 9

3.2 Phương pháp xử lí kim loại nặng bằng thực vật 10

3.3 Các giả thuyết giải thích cơ chế của công nghệ xử lí ô nhiễm kim loại bằng thực vật 13

3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp thụ KLN của thực vật 13

3.5 Ý nghĩa: 13

PHẦN IV: TIỀM NĂNG THỰC VẬT XỬ LÝ KIM LOẠI NẶNG ? 14

4.1 Mô hình ứng dụng biện pháp sinh học xử lý ô nhiễm KLN trong đất 16

4.1.1 Mô hình với cây đậu bắp 16

4.1.2 Mô hình với cây dọc mùng 17

TÀI LIỆU THAM KHẢO 19

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập và thực nghiệm, để làm được báo cáo bộ môn nói trên, nhóm chúng em đã nhận được nhiều sự quan tâm, sự chỉu dạy của thầy cô, các anh chị và bạn

bè

Ngoài ra, chúng em còn xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Đào Thanh Sơn

là giảng viên đã hướng dẫn chúng em thực hiện được báo cáo này Nhờ sự giúp đỡ từ thầy chúng em đã thực hiện đúng quá trình và giải quyết được những sự cố xảy ra trong quá trình thực hiện báo cáo

Lời cuối cùng, chúng em xin gửi lời biết ơn đến các cá nhân và thầy đã dành thời gian chỉ dẫn cho nhóm Đây chính là nguồn động lực to lớn để chúng em hoàn thành đề tài này

Nhóm 07 – Lớp L01

PHẦN GIỚI THIỆU

1 Lý do chọn đề tài:

Những vấn nạn về môi trường sống xung quanh chúng ta luôn là chủ đề nóng mỗi khi được đề cập Một vấn đề mà con người chúng ta luôn quan tâm, theo dõi trên các phương tiện truyền thông chính là việc ô nhiễm môi trường Hiện nay, ô nhiễm môi trường đã và đang ngày càng nghiêm trọng trên Trái Đất nói chung và Việt Nam chúng ta nói riêng

Sự đẩy mạnh của công nghiệp hoá, hiện đại hoá vẫn chưa gắn liền chặt chẽ với việc xử

lý chất thải, nước thải nên ô nhiễm môi trường ở các thành phố lớn, các khu công nghiệp, khu đô thị đang ở mức báo động Trong nhiều nguyên nhân gây ra ô nhiễm môi trường,

ô nhiễm kim loại nặng cũng được xem là một mối nguy lớn cho đời sống của con người Chính vì thế, trong phạm vi nhỏ của đề tài, chúng em xin trình bày những hiểu biết về ô nhiễm kim loại nặng cũng như tiềm năng của thực vật với việc ô nhiễm kim loại trong bài báo cáo này

2 Mục đích của đề tài:

Đưa ra những khái niệm, nguồn gốc và thực trạng của ô nhiễm kim loại nặng ở 3 môi trường: đất, nước, không khí giúp mọi người hiểu hơn về mức độ đe doạ của nạn ô nhiễm kim loại nặng Đồng thời đưa ra những giải pháp giảm thiểu kim loại nặng bằng nhiều phương pháp và những thông tin, số liệu cụ thể về tiềm năng của thực vật đối với ô nhiễm kim loại nặng

PHẦN NỘI DUNG

PHẦN I: Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG LÀ GÌ ?

Ô nhiễm kim loại nặng là một vấn đề môi trường phổ biến và cấp bách, lan rộng khắp đất, nước và không khí, gây ra những rủi ro đáng kể cho sức khỏe con người và hệ sinh thái

Kim loại nặng, một nhóm các nguyên tố xuất hiện tự nhiên có đặc điểm là trọng lượng và mật độ nguyên tử cao như Chì, Thủy ngân, Cadmium và Asen Mặc dù các kim loại này đóng vai trò thiết yếu trong công nghiệp, nhưng việc đưa chúng vào môi trường

đã dẫn đến ô nhiễm lan rộng và vô số mối lo ngại về môi trường và sức khỏe

1.1 Ô nhiễm kim loại nặng ở môi trường đất:

Sự ô nhiễm kim loại nặng ở đất do kim loại nặng phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm các hoạt động công nghiệp, xử lý chất thải không đúng cách và việc sử dụng phân bón và thuốc trừ sâu có chứa các kim loại này trong nông nghiệp Các ngành công nghiệp như khai thác mỏ, luyện kim và sản xuất kim loại là những tác nhân góp phần đáng kể gây ô nhiễm đất, giải phóng kim loại nặng vào môi trường thông qua chất thải và khí thải

Một khi kim loại nặng xâm nhập vào đất, chúng thể hiện mức độ tồn tại và di chuyển khác nhau Một số kim loại, như Chì và Cadmium, có xu hướng tích tụ trong lớp đất mặt, nơi chúng có thể tồn tại trong thời gian dài Sự tồn tại dai dẳng này gây ra mối đe dọa cho thực vật vì chúng có thể hấp thụ các kim loại này qua hệ thống rễ, dẫn đến hiện tượng được gọi là tích lũy sinh học Khi thực vật hấp thụ kim loại nặng từ đất, sự ô nhiễm sẽ

mở rộng chuỗi thức ăn khi động vật ăn cỏ tiêu thụ thực vật bị ô nhiễm và động vật ăn thịt tiêu thụ động vật ăn cỏ bị ô nhiễm

Thực trạng ô nhiễm kim loại nặng trong đất ở Việt Nam:

Các nghiên cứu đã phát hiện rằng hàm lượng các kim loại như Đồng (Cu), Chì (Pb)

và Kẽm (Zn) trong các mẫu đất sử dụng nước tưới từ sông Nhuệ có hàm lượng vượt quá tiêu chuẩn cho phép theo QCVN 03:2008/BTNMT

Đất ở khu vực bãi thải mới của làng Hích, Thái Nguyên có hàm lượng Chì và Cadimi vượt quá tiêu chuẩn Tại làng nghề đúc nhôm và đồng tại Văn Môn, Yên Phong, Bắc Ninh, đất nông nghiệp của khu vực này có hàm lượng kim loại nặng khá cao, với giá trị trung bình cho Cadmium là 1 mg/kg, Đồng là 41,4 mg/kg, Chì là 39,7 mg/kg và Kẽm là 100,3 mg/kg

1.2 Ô nhiễm kim loại nặng ở môi trường nước:

Ô nhiễm kim loại nặng trong nước phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm chất thải công nghiệp, dòng chảy đô thị và sự lắng đọng trong khí quyển Các hoạt động công nghiệp như khai thác mỏ, sản xuất kim loại và mạ điện góp phần giải phóng kim loại nặng vào các vùng nước Dòng chảy đô thị chứa các chất ô nhiễm từ đường giao thông, khu công nghiệp, khu dân cư có thể vận chuyển kim loại nặng vào sông suối Ngoài

ra, sự lắng đọng trong khí quyển của các hạt vật chất chứa kim loại nặng góp phần gây ô nhiễm nước khi các hạt này lắng đọng trên bề mặt nước

Trong môi trường nước, kim loại nặng thể hiện nhiều hành vi khác nhau Một số

ngân), có độc tính cao tích lũy sinh học trong chuỗi thức ăn thủy sản Cá và các loại hải sản khác có thể tích tụ nồng độ methylmercury cao, gây rủi ro cho cả hệ sinh thái dưới nước và người tiêu dùng

Thực trạng ô nhiễm kim loại nặng trong nước:

Ô nhiễm kim loại nặng trong nước tập trung chủ yếu vào các khu công nghiệp và

khu dân cư lớn như Hà Nội, TP Hồ Chí Minh, Hải Phòng, …

Theo một nghiên cứu, ở miền bắc, khu vực sông Tô Lịch và mương Hanel có hàm lượng kim loại nặng trong trầm tích cao hơn hẳn hàm lượng nền

Cụ thể, hàm lượng đo được tại sông Tô Lịch: so với hàm lượng tiêu chuẩn

Pb cao hơn từ 13.88 – 20.05 lần

Cd cao hơn 1.7 – 4.02 lần

Hg cao hơn 3.9 – 18 lần

Đối với trầm tích mương Hanel: so với hàm lượng tiêu chuẩn

Pb cao hơn 3.3 – 10.25 lần

Hg cao hơn 1.56 – 2.24 lần

Ở miền nam, nước ở các kênh rạch Nhiêu Lộc – Thị Nghè, Cầu Bông có hàm lượng

Cd gấp 16 lần, Cr gấp 60 lần, Zn gấp 90 lần, Pb gấp 700 lần so với hàm lượng tiêu chuẩn

1.3 Ô nhiễm kim loại nặng ở môi trường khí:

Ô nhiễm kim loại nặng trong không khí chủ yếu liên quan đến khí thải công nghiệp, đốt nhiên liệu hóa thạch và các quá trình tự nhiên như cháy rừng và hoạt động núi lửa Các hạt vật chất chứa kim loại nặng có thể được thải vào khí quyển, nơi nó có thể di chuyển một quãng đường dài trước khi lắng xuống bề mặt đất và nước

Ở các khu vực thành thị, khí thải liên quan đến giao thông, đặc biệt là từ các phương tiện sử dụng xăng pha chì, trước đây đã góp phần gây ô nhiễm chì trong không khí Mặc

dù đã loại bỏ dần xăng pha chì sự tồn dư vẫn là mối lo ngại ở một số khu vực

Thực trạng ô nhiễm kim loại nặng trong không khí:

Thực hiện thí nghiệm khảo sát chất lượng không khí ở Hà Nội, dựa trên giá trị hệ

số ô nhiễm, có thể kết luận không khí ở Hà Nội: ô nhiễm V và Se nặng; ô nhiễm Cl, Cr,

As, Br, Zr, Nb, Mo, Hg ở mức vừa phải; ô nhiễm nhẹ Mg, Al, Si, K, Ca, Ti, Fe, Cu, Zn,

Ga, Rb, Sr, Mo, Ba, W, Pb

1.4 Các kim loại nặng cụ thể và tác động của chúng:

Chì: Chì là một trong những kim loại nặng được biết đến và nghiên cứu nhiều nhất

do nó được sử dụng rộng rãi trong xăng, sơn và hệ thống ống nước Phơi nhiễm chì đặc biệt có hại cho hệ thần kinh đang phát triển của trẻ em, dẫn đến các vấn đề về nhận thức

và hành vi Ngay cả mức độ phơi nhiễm chì thấp cũng có thể gây ra hậu quả lâu dài

Thủy ngân: Thủy ngân được thải ra môi trường thông qua các quá trình công nghiệp

như đốt than và khai thác vàng thủ công Khi vào môi trường, thủy ngân có thể chuyển hóa thành metyl thủy ngân, một dạng có độc tính cao tích tụ trong chuỗi thức ăn thủy sản Tiêu thụ cá nhiễm thủy ngân có thể dẫn đến các vấn đề nghiêm trọng về thần kinh và phát triển, đặc biệt là ở những nhóm dễ bị tổn thương như phụ nữ mang thai và trẻ em

Cadmium: Cadmium thường được sử dụng trong pin, chất màu và một số quy trình

công nghiệp Nó có thể làm ô nhiễm đất và nước, gây nguy hiểm cho sức khỏe con người Tiếp xúc lâu dài với cadmium có liên quan đến tổn thương thận và tăng nguy cơ mắc một

số bệnh ung thư

Asen: Asen là chất gây ô nhiễm tự nhiên trong nước ngầm và cũng có thể là kết quả

của các hoạt động khai thác mỏ và công nghiệp Tiếp xúc lâu dài với Asen sẽ gây tổn

thương da và tăng nguy cơ ung thư Ô nhiễm asen trong nước uống là mối quan tâm toàn cầu và các nỗ lực giảm thiểu tập trung vào việc cung cấp nguồn nước uống an toàn

PHẦN II: CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÍ KIM LOẠI NẶNG

2.1 Phương pháp Sinh học:

a) Phytoremediation (Phytoextraction, Phytostabilization, và Phytofiltration):

Phytoextraction: Sử dụng cây cỏ hấp thụ kim loại nặng từ môi trường qua cơ chế hấp thụ,

vận chuyển và tích tụ

Phytostabilization: Sử dụng cây để giữ chặt kim loại nặng trong đất

➔ Các loại cây ứng dụng phương pháp trên: Cải bẹ xanh, Hoa hướng dương, Cỏ linh lăng, Cây liễu ,Cây dương xỉ ,Cỏ vetiver ,Lúa

b) Bioremediation:

Sử dụng vi sinh vật như vi khuẩn và nấm để chuyển đổi kim loại nặng thành các dạng ít độc hại hơn

c) Sử dụng Sinh vật lọc:

Sử dụng sinh vật như tảo, vi khuẩn để loại bỏ kim loại nặng

✓ Lợi ích của phương pháp sinh học:

- Tạo ra môi trường sống đa dạng và tăng cường sinh quyển

- Phục hồi vùng đất bị ô nhiễm

 Hạn chế của phương pháp sinh học:

- Yêu cầu thời gian dài để thực hiện, phụ thuộc vào điều kiện môi trường

- Khả năng loại bỏ hạn chế đối với một số kim loại

2.2 Phương pháp Hóa học:

a) Kết tủa hóa học (Chemical Precipitation) và Kỹ thuật Flocculation:

Flocculation:Sử dụng các hợp chất hóa học để tạo thành kết tủa với kim loại nặng, làm cho chúng rơi xuống đáy nước và dễ dàng loại bỏ

b) Oxidation-Reduction (Redox) Reactions:

Sử dụng quy trình oxi-hoá khử để biến đổi kim loại nặng thành các dạng ít độc hại hơn

c) Ứng dụng vật liệu hấp phụ:

Sử dụng vật liệu như zeolite, hydroxyapatite, than hoạt tính, và oxit kim loại để hấp phụ

kim loại nặng từ đất, không khí

✓ Lợi ích của phương pháp hóa học:

- Độ chọn lọc cao: lựa chọn loại bỏ các kim loại nặng một cách chính xác

- Khả năng xử lý cả kim loại nặng có độ độc hại cao

 Hạn chế của phương pháp hóa học:

- Tạo chất còn độc hại hoặc tạo ra sản phẩm phụ mới, gây ô nhiễm thêm cho môi trường

- Chi phí cao

2.3 Phương pháp Vật lý:

a) Kỹ thuật Phân Tách Hạt (Particle Separation):

Loại bỏ hạt bụi và hạt nhỏ chứa kim loại nặng khỏi đất

b) Kỹ thuật Quặng lọc (Ore Filtration):

Sử dụng quặng lọc để sàng lọc và tách các kim loại nặng khỏi nước

c) Kỹ thuật màng (Membrane Technologies):

Sử dụng màng lọc để ngăn chặn và loại bỏ các ion kim loại nặng từ nước

✓ Lợi ích của phương pháp vật lí:

- Không sử dụng chất hóa học độc hại:

- Khả năng mở rộng và tích hợp với các hệ thống sẵn có

 Hạn chế của phương pháp vật lí:

- Tác động môi trường: có thể tạo ra lượng chất thải gây tác động môi trường nếu không được quản lý đúng cách

- Cần điều chỉnh theo từng loại kim loại

PHẦN III: KHÁI NIỆM & Ý NGHĨA VIỆC SỬ DỤNG THỰC VẬT ĐỂ XỬ LÝ KIM LOẠI NẶNG ?

Hiện nay, người ta quan tâm rất nhiều về công nghệ sử dụng thực vật để xử lý môi trường bởi nhiều lý do: diện tích đất bị ô nhiễm ngày càng tăng, các kiến thức khoa học

về cơ chế, chức năng của sinh vật và hệ sinh thái, áp lực của cộng đồng, sự quan tâm về kinh tế và chính trị, Năm 1998, Cục môi trường Châu Âu (EEA) đánh giá hiệu quả kinh

tế của các phương pháp xử lý kim loại nặng trong đất bằng phương pháp truyền thống và phương pháp sử dụng thực vật tại 1.400.000 vị trí bị ô nhiễm ở Tây Âu, kết quả cho thấy chi phí trung bình của phương pháp truyền thống trên 1 hecta đất từ 0,27 đến 1,6 triệu

USD, trong khi phương pháp sử dụng thực vật chi phí thấp hơn 10 đến 1000 lần

3.1 Khái niệm:

Khái niệm của việc sử dụng thực vật để xử lí kim loai nặng được goi là

phytoremediation Đây là một phương pháp tự nhiên, không cần sử dụng các chất hóa

học mạnh để xử lí các loại hình ô nhiếm đất, nước mà thay vào đó là sử dụng khả năng của một số loai thực vật để hấp thụ, chuyển hóa hoặc loại bỏ kim loại nặng khỏi môi trường Thực vật có thể giải phóng nhiều loại dịch tiết ra từ rễ, làm thay đổi độ pH của vùng rễ và tăng khả năng hòa tan kim loại nặng Kim loại được hấp thụ ở bề mặt rễ và di chuyển qua màng tế bào vào tế bào rễ Sự hấp thu kim loại nặng vào rễ xảy ra chủ yếu thông qua hai con đường, con đường apoplastic (khuếch tán thụ động) và con đường cộng hưởng (vận chuyển tích cực chống lại gradient thế điện hóa và nồng độ qua màng sinh chất)

Các loại thực vật được chọn thường có khả năng hấp thụ cao và có khả năng chứa kim loại nặng vào cơ thể của chúng, thường là các loài thực vật siêu tích lũy (Hyperaccumulator) Ở Việt Nam đã có nhiều công trình nghiên cứu khả năng xử lý kim loại nặng của các loài thực vật như sử dụng cây Sậy (Phragmites australis), cỏ Vetiver, một số loài thực vật thuỷ sinh như bèo tây, bèo cái, rau muống, bèo tấm, ngổ, sậy, Phương pháp làm giảm nồng độ kim loại trong đất bằng cách trồng các loài thực vật

có khả năng tích luỹ kim loại cao trong thân Các loài thực vật này phải kết hợp được 2 yếu tố là có thể tích luỹ kim loại trong thân và cho sinh khối cao Có rất nhiều loài đáp ứng được điều kiện thứ nhất, nhưng không đáp ứng được điều kiện thứ hai Vì vậy, các loài có khả năng tích luỹ thấp nhưng cho sinh khối cao cũng rất cần thiết Khi thu hoạch các loài thực vật này thì các chất ô nhiễm cũng được loại bỏ ra khỏi đất và các kim loại quý hiếm như Ni, Tl, Au, có thể được chiết tách ra khỏi cây

Hình 1: Sơ đồ thể hiện quá trình hấp thu, vận chuyển và cô lập kim loại nặng trong thực

vật

3.2 Phương pháp xử lí kim loại nặng bằng thực vật

Cho đến nay, việc sử dụng thực vật để xử lý các chất ô nhiễm đã được ứng dụng ở nhiều nơi và áp dụng cho nhiều loại chất ô nhiễm Việc xử lí kim loại nặng bao gồm các phương pháp cơ bản như sau:

a) Công nghệ bay hơi qua lá cây (Phyto-volatilization):

Đây được hiểu là biện pháp sử dụng thực vật để hút các chất ô nhiễm Sau đó những chất

ô nhiễm này sẽ được biến đổi và chuyển vào trong thân sau đó lên lá và cuối cùng chúng được bài tiết ra ngoài qua lỗ khí khổng cùng với quá trình thoát hơi nước của cây Các chất ô nhiễm này có thể được biến đổi trước khi đi vào cây do tác dụng của enzyme giúp cho cây hút chúng nhanh hơn, hoặc một số chất khi đi vào trong cây mới bị biến đổi Trong một số trường hợp thực vật ở vùng nhiệt đới hoặc có điều kiện sống gần giống vùng nhiệt đới các chất ô nhiễm này có thể bị bài tiết ra dưới dạng dịch Chủ yếu được áp dụng cho nước ngầm, ngoài ra có thể áp dụng đối với đất, trầm tích, nước bùn đặc

Ưu điểm

- Chất ô nhiễm có thể chuyển hóa biến đổi thành trạng thái ít độc hơn

- Chi phí thấp, xử lí tại chỗ

Nhược điểm

- Phụ thuộc vào thủy lực

- Sự hấp thụ phụ thuộc vào tính kỵ nước, tính tan và tính phân cực của các hợp chất

- Thời gian xử lí ô nhiễm dài

b) Công nghệ chiết xuất bằng thực vật (Phytoextraction):

Cơ chế hoạt động được dựa vào việc sử dụng thực vật bậc cao để hấp thụ các chất ô nhiễm

từ môi trường và tích luỹ chúng trong các tế bào thân và lá cây Sau khi cây hoặc tảo đã