Thực trạng về việc sử dụng công nghệ Phytoextraction hiện nay

Khả năng làm sạch môi trường của thực vật đã được biết từ thế kỷ XVIII bằng các thí nghiệm của Joseph Priestley, Antoine Lavoissier, Karl Scheele và Jan Ingenhousz. Tuy nhiên, mãi đến những năm 1990 phương pháp này mới được nhắc đến như một loại công nghệ mới dùng đề xử lý môi trường đất và nước bị ô nhiễm bởi các kim loại, các hợp chất hữu cơ, thuốc súng và các chất phóng xạ 7. Công nghệ này được gọi là phytoremediation. Các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm cũng như trên thực tế đã chứng tỏ được phytoremediation là một công nghệ thân thiện với môi trường, sử dụng rộng rãi ở những nơi có nồng độ ô nhiễm thấp, có thể xử lí ô nhiễm trên diện rộng, thời gian không bắt buộc, kiểm soát được và tiết kiệm chi phí hơn những cách thức khác. Hiện nay, các nhà khoa học phát hiện ra khoảng 400 loài thực vật có khả năng sử dụng làm nguyên liệu cho công nghệ phytoremediation và kèm theo đó là 30.000 chất ô nhiễm có thể xử lý. Các nhà khoa học đã chia công nghệ này thành 6 công nghệ nhỏ: Phytoextraction, Phytodegradation, Phytostabilization, Phytovolatilization, Rhizofiltration, Rhizodegradation.Phytoextraction: Có thể dịch là hấp thụ thực vật, trong đó 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. Phytodegradation: Hay còn gọi là phytotransformation được hiểu là quá trình hấp thụ, tích luỹ và vận chuyển các hợp chất độc có nguồn gốc hữu cơ từ đất, nước, không khí bằng thực vật. Tuy nhiên, quá trình này lại phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tính chất đất, điều kiện khí hậu, dạng chất cần xử lý, bản chất của từng cây. Bởi có những chất hữu cơ bản thân nó cũng bị phân huỷ do tác dụng của phản ứng hoá học hoặc do vi sinh vật. Khi đó những chất sau khi bị phân hủy lại đóng vai trò là nguồn cung cấp dinh dưỡng cho cây. Những chất ô nhiễm sau khi bị cây hấp thụ chúng bị biến đổi phụ thuộc vào bản chất của chất đó. Khi đó có những chất sẽ được cây giữ lại trong cấu trúc của tế bào hoặc trở thành nguyên liệu trong quá trình trao đổi chất và sản phẩm cuối cùng của nó là khí CO2 và H2O.

TIỂU LUẬN MÔI TRƯỜNG

THỰC TRẠNG

VỀ VIỆC SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ PHYTOEXTRACTION HIỆN NAY

MỤC LỤC C L C ỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

NỘI DUNG 4

1 Khái niệm 4

PHYTOEXTRACTION 4

2 Cơ chế hấp thụ KLN của thực vật 4

Hình 1: So sánh cơ chế hấp thụ kim loại của thực vật siêu hấp thụ 6

Hình 2: Cơ chế hấp thụ kim loại ở thực vật 7

3 Những vấn đề cần quan tâm khi sử dụng công nghệ phytoextraction 8 3.1 Điều kiện đất 8

3.2 Nước ngầm và nước mặt 9

Hình 3: Kỹ thuật trồng cây xử lý nước ngầm 10

Hình 4: Kỹ thuật trồng cây xử lý nước ngầm 10

3.3 Điều kiện thời tiết khí hậu 11

4 Các chất ô nhiễm và nồng độ có thể áp dụng 11

Nồng độ chất ô nhiễm 12

Bảng: Số lượng loài có khả năng hấp thụ đối với từng kim loại 19

Ví dụ: Khả năng tích luỹ Cr trong các bộ phận của cỏ Vetiver 19

Khả năng loại bỏ Cr ra khỏi đất 20

- (-) không phân tích 20

6 Thuận lợi và khó khăn 21

6.1 Thuận lợi 21

6.2 Khó khăn v gi à gi ải pháp 22

7 Tình hình nghiên cứu ứng dụng và triển vọng 23

MỞ ĐẦU

Khả năng làm sạch môi trường của thực vật đã được biết từ thế kỷXVIII bằng các thí nghiệm của Joseph Priestley, Antoine Lavoissier, KarlScheele và Jan Ingenhousz Tuy nhiên, mãi đến những năm 1990 phươngpháp này mới được nhắc đến như một loại công nghệ mới dùng đề xử lý môitrường đất và nước bị ô nhiễm bởi các kim loại, các hợp chất hữu cơ, thuốcsúng và các chất phóng xạ [7] Công nghệ này được gọi là phytoremediation.Các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm cũng như trên thực tế đã chứng tỏđược phytoremediation là một công nghệ thân thiện với môi trường, sử dụngrộng rãi ở những nơi có nồng độ ô nhiễm thấp, có thể xử lí ô nhiễm trên diệnrộng, thời gian không bắt buộc, kiểm soát được và tiết kiệm chi phí hơnnhững cách thức khác Hiện nay, các nhà khoa học phát hiện ra khoảng 400loài thực vật có khả năng sử dụng làm nguyên liệu cho công nghệphytoremediation và kèm theo đó là 30.000 chất ô nhiễm có thể xử lý Cácnhà khoa học đã chia công nghệ này thành 6 công nghệ nhỏ:Phytoextraction, Phytodegradation, Phytostabilization, Phytovolatilization,Rhizofiltration, Rhizodegradation

Phytoextraction: Có thể dịch là hấp thụ thực vật, trong đó cơ chế hoạt

động được dựa vào việc sử dụng thực vật bậc cao để hấp thụ các chất ônhiễm từ môi trường và tích luỹ chúng trong các tế bào thân và lá cây

Phytodegradation: Hay còn gọi là phytotransformation được hiểu là

quá trình hấp thụ, tích luỹ và vận chuyển các hợp chất độc có nguồn gốc hữu

cơ từ đất, nước, không khí bằng thực vật Tuy nhiên, quá trình này lại phụthuộc vào nhiều yếu tố như tính chất đất, điều kiện khí hậu, dạng chất cần xử

lý, bản chất của từng cây Bởi có những chất hữu cơ bản thân nó cũng bịphân huỷ do tác dụng của phản ứng hoá học hoặc do vi sinh vật Khi đónhững chất sau khi bị phân hủy lại đóng vai trò là nguồn cung cấp dinhdưỡng cho cây Những chất ô nhiễm sau khi bị cây hấp thụ chúng bị biến đổiphụ thuộc vào bản chất của chất đó Khi đó có những chất sẽ được cây giữlại trong cấu trúc của tế bào hoặc trở thành nguyên liệu trong quá trình traođổi chất và sản phẩm cuối cùng của nó là khí CO2 và H2O.

Phytostabilization: Được hiểu là biện pháp cố định các chất ô nhiễm

trong đất bằng cách hấp phụ chúng lên trên bề mặt rễ hoặc cố định lại trongvùng rễ của cây đồng thời sử dụng hệ rễ thực vật để ngăn cản sự di chuyểncủa các chất ô nhiễm dưới tác dụng của gió, xói mòn do nước, thấm sâu vàphân tán đất Trong biện pháp này thì chúng ta hiểu rằng cây sẽ không tíchlũy chất ô nhiễm, không sử dụng chất ô nhiễm làm nguồn dinh dưỡng màđơn thuần chỉ là cố định nó

Phytovolatilization: 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 vàchuyển vào trong thân sau đó lên lá và cuối cùng chúng được bài tiết rangoài 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 củaenzym giúp cho cây hút chúng nhanh hơn, hoặc một số chất khi đi vào trongcây 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 bịbài tiết ra dưới dạng dịch Giống như cơ chế giảm bớt hàm lượng muối ở cây

có khả năng chịu mặn

Rhizofiltration: Là quá trình hấp phụ các chất ô nhiễm lên trên bề mặt

rễ hoặc là quá trình hấp thụ các chất ô nhiễm trong vùng rễ vào trong rễ.Những quá trình này xảy ra nhờ quá trình hoá học hoặc quá trình sinh học

Biện pháp này phụ thuộc vào nồng độ chất ô nhiễm, tính chất hoá học và lýhọc của chất ô nhiễm, loài thực vật … Nó đạt hiệu quả cao khi chất cần xử

lý có khả năng tan tốt trong nước

Rhizodegradation: Là quá trình phân huỷ chất ô nhiễm hữu cơ trong

đất thông qua quá trình hoạt động của vinh sinh vật Ở những vùng rễ củacác loài cây ứng dụng biện pháp này thường có số lượng vi sinh vật rất lớn.Ngoài ra trong quá trình phát triển, bộ rễ của cây không ngừng mở rộng tạolàm thay đổi tính chất của đất, giúp cho oxy đi vào vùng rễ, điều này cũnggóp phần gián tiếp giúp cho các vi sinh vật phát triển Có thể hiểu biện phápnày chính là việc sử dụng khéo léo mối quan hệ cộng sinh của vi sinh vậttrong đất với cây Chính vì lẽ đó mà biện pháp này chủ yếu sử dụng để xử lýcác chất ô nhiễm hữu cơ như PCB, thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ,

Mỗi công nghệ có ưu điểm hạn chế riêng, do đó việc lựa chọn mộtcông nghệ thích hợp còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Loại chất ô nhiễm,môi trường, nồng độ các chất… Trong khuôn khổ bài báo cáo này chỉ trìnhbày công nghệ phytoextraction

NỘI DUNG

1 Khái niệm

Các nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu vềcông nghệ phytoextraction đã đưa ra nhiều địnhnghĩa về công nghệ này

PHYTOEXTRACTION

 Các cây chiếm các chất gây ô nhiễm và lưu lại trong sinh khối của

nó Con người thu sinh khối này khi thu hoạch và xử lí cho phù hợp

 Các chất ô nhiễm được xử lí bằng phương pháp này thì hủy đi mộtsinh khối nhỏ hơn so với việc đào lấp đất hay phương pháp khác

 Phương pháp này chủ yếu dùng để xử lí kim loại Các thực vật quantrọng sử dụng trong công nghệ thực vật chiết tách có thực vật siêu hấp thụ -tức là có khả năng hấp thụ một lượng lớn kim loại

The uptake of contaminants by plants roots and movement of

the contaminants from the roots to aboveground parts of plants.( Các chất ô nhiễm được lấy đi bằng bộ rễ của cây và được vận chuyển lên các cơ quan trên mặt đất của cây)

2 Cơ chế hấp thụ KLN của thực vật

Hầu hết các loài thực vật rất nhạy cảm với sự có mặt của các ion kimloại, thậm chí ở nồng độ rất thấp Tuy nhiên, vẫn có một số loài thực vậtkhông chỉ có khả năng sống được trong môi trường bị ô nhiễm bởi các kimloại độc hại mà còn có khả năng hấp thụ và tích các kim loại này trong các

bộ phận khác nhau của chúng Thực vật có nhiều cách phản ứng khác nhauđối với sự có mặt của các ion kim loại trong môi trường Có nhiều giả thuyết

đã được đưa ra để giải thích cơ chế vận chuyển, hấp thụ và loại bỏ kim loạinặng trong thực vật, chẳng hạn chúng hình thành một phức hợp tách kimloại ra khỏi đất, tích luỹ trong các bộ phận của cây, sau đó được loại bỏ qua

lá khô, rửa trôi qua biểu bì, bị đốt cháy hoặc đơn thuần là phản ứng tự nhiêncủa cơ thể thực vật [8]

Giả thuyết sự hình thành phức hợp: cơ chế loại bỏ các kim loại độc

của các loài thực vật bằng cách hình thành một phức hợp Phức hợp này cóthể là chất hoà tan, chất không độc hoặc là phức hợp hữu cơ - kim loại đượcchuyển đến các bộ phận của tế bào có các hoạt động trao đổi chất thấp(thành tế bào, không bào), ở đây chúng được tích luỹ ở dạng các hợp chấthữu cơ hoặc vô cơ bền vững

Giả thuyết về sự lắng đọng: các loài thực vật tách kim loại ra khỏi

đất, tích luỹ trong các bộ phận của cây, sau đó được loại bỏ qua lá khô, rữatrôi qua biểu bì hoặc bị đốt cháy

Giả thuyết hấp thụ thụ động: sự tích luỹ kim loại là một sản phẩm

phụ của cơ chế thích nghi đối với điều kiện bất lợi của đất (ví dụ như cơ chếhấp thụ Ni trong loại đất serpentin)

Sự tích luỹ kim loại là cơ chế chống lại các điều kiện stress vô sinh

hoặc hữu sinh: hiệu lực của kim loại chống lại các loài vi khuẩn, nấm ký

sinh và các loài sinh vật ăn lá đã được nghiên cứu

Cây phát triển một số cơ chế hiệu quả chống chịu cao nồng độ kim loạitrong đất Ở một số loài, sự linh hoạt này đạt được bằng cách ngăn chặn cáckim loại độc hại hấp thu vào các tế bào gốc nên có ít tiềm năng cho chiếtxuất kim loại

Một nhóm thứ hai của thực vật, những loài tích tụ, không ngăn chặncác kim loại nhập vào gốc Các loài này đã tiến hóa các cơ chế cụ thể chogiải độc kim loại đã tích lũy trong tế bào Những cơ chế cho phép chúng tíchlũy với nồng độ rất cao của các kim loại

Ngoài ra, một nhóm thực vật thứ ba, với sự kiểm soát các quá trìnhhấp thụ kim loại và vận chuyển chúng trong cây

Hình 1: So sánh cơ chế hấp thụ kim loại của thực vật siêu hấp thụ

Cơ chế hấp thụ vào rễ và vận chuyển các kim loại các ion kim loại khôngthể di chuyển tự do qua màng tế bào, trong đó là những cấu trúc lipophilic

Do đó, vận chuyển ion vào trong tế bào phải được trung gian bởi các proteinmàng với chức năng vận tải Sự vận chuyển này được đặc trưng bởi cácthông số động lực nhất định, chẳng hạn như năng lực vận tải (Vmax) và áilực cho các ion (Km) Vmax là tỷ lệ tối đa của các ion vận chuyển qua màng

tế bào Km là ái lực vận chuyển cho một ion cụ thể Khi giá trị Km thấp, áilực cao, cho thấy rằng mức độ cao của các ion được vận chuyển vào trong tếbào, ngay cả lúc nồng độ ion bên ngoài thấp Hấp thụ kim loại lên thành các

tế bào gốc, các điểm có hiệu mô sống, là một bước quan trọng lớn cho quátrình phytoextraction Tuy nhiên, để quá trình phytoextraction xảy ra, kimloại cũng phải được vận chuyển từ gốc đến ngọn Chuyển động của kim loạitrong nhựa cây từ gốc đến ngọn, gọi là sự di chuyển, chủ yếu được kiểm soátbởi hai quá trình: áp lực gốc và sự thoát hơi nước của lá Sau khi di chuyểnđến lá, kim loại có thể được giải hấp thụ từ nhựa cây vào các tế bào lá

Hình 2: Cơ chế hấp thụ kim loại ở thực vật

 Cơ chế hấp thụ chất hữu cơ

3 Những vấn đề cần quan tâm khi sử dụng công nghệ phytoextraction.

Công nghệ phytoextraction (thực vật chiết rút – TVCR) chủ yếu được

sử dụng để giải ô nhiễm cho các môi trường đất, trầm tích và bùn lầy Nócũng có thể xử lí ô nhiễm ở môi trường nước nhưng ít hơn

Dưới đây là một số những điều kiện môi trường cần quan tâm đến khi

sử dụng công nghệ TVCR

3.1 Điều kiện đất

- Điều kiện đất phải phù hợp cho thực vật phát triển.

- Độ pH trong đất cần được điều chỉnh thích hợp

- Chất tạo keo cần thiết làm tăng khả năng sinh học và hấp thu kimloại của thực vật

Loại đất cũng gây ảnh hưởng đến chiều sâu của rễ, chiều dài của rễ cóthể biến thiên từ 40 - 450cm ở những loài giống nhau nhưng sinh trưởng trêncác loại đất khác nhau Ví dụ như trên nền đất cát, nơi hàm lượng nước trongđất là rất thấp thì sự sinh trưởng của hệ thống rễ rất hạn chế (Danfors vàcs,1998)

Acerpseudoplatanus Populus spp

Populustremula

Betulapendula

và ít độc hại với môi trường, Blake et al., 1993) Các chủng khác cũng đượctìm thấy để tạo ra sự chuyển đổi của các ion kim loại độc hại khác bao gồm

PB2+, Hg2 +, Au3+, Te4+, Ag+…[4]

3.2 Nước ngầm và nước mặt

Điều đầu tiên cần xét đến của công nghệ xử lý ô nhiễm bằng thực vậtđối với nước ngầm là:

- Độ sâu của mực nước

- Độ sâu của tầng ô nhiễm

Tuy nhiên với công nghệ xử lý chất ô nhiễm bằng thực vật ở nướcngầm ngoài việc bị hạn chế hay không hạn chế bởi độ sâu của mực nước thìcòn tùy thuộc vào khả năng phát triển của hệ rễ của thực vật

3.3 Điều kiện thời tiết khí hậu

Những thực vật có khả năng siêu hấp thụ kim loại thường được tìmthấy ở một số nơi có điều kiện địa lý đặc biệt và có thể không sống được

dưới một số điều kiện khác Ví dụ như loài Thlaspi caerulescens không có

khả năng chịu được hạn hán

Điều kiện khí hậu (chủ yếu là nhiệt độ và lượng mưa) gây ảnh hưởngtrực tiếp đến sự sản xuất sinh khối và gián tiếp đến sự tích lũy nồng độ kimloại Theo nghiên cứu trên loài S viminalis trong thời gian sinh trưởng là 3tháng trên những điều kiện đất có lượng mưa và nhiệt độ khác nhau ở LesAbattes, Dormach, Caslano ( Hammer và Keller, 2002) thì sản xuất sinhkhối ở loài này đạt mức thấp nhất ở Les Abattes, nơi có lượng mưa trungbình thấp hơn và nhiệt độ cao nhất

Biểu đồ: Sự so sánh về sản xuất sinh khối của loài S viminalis ở Les Abattes, Dormach, Caslano ( Hammer và Keller, 2002).

4 Các chất ô nhiễm và nồng độ có thể áp dụng

Tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể mà các chất có thể được hấp thụbao gồm:

- Các kim loại: Ag, Cu, Co, Cd, Cr, Hg, Mo, Pb, Zn, Ni, Mn.

Việc hấp thụ các kim loại khác nhau thì khác nhau Trên thực tế, yếu tốquyết định khả năng hấp thụ kim loại là hệ số nhân ( Tỉ số của số g kim loạitrên số g trọng lượng khô của rễ với số g kim loại trên số g trọng lượng khôcủa đất) Một ví dụ, sự hấp thụ Pb khó hơn sự hấp thụ Cd

Kim loại Khả năng hấp thụ

- 1250mg/kg As (Pierzynski et al 1994)

- 9,4 mg/kg Cd (Pierzynski et al 1994)

- 11mg/kg Cd ( Pierzynski and Schwab 1992)

- 13,6mg/kg Cd (Thlaspi caerulescens ) (Baker et al 1995)

- 2000 mg/kg Cd được sử dụng trong nghiên cứu sử dụng thực vật hấpthụ Cd (Azadpour and Matthews, 1996)

- 110mg/kg Pb ( Pierzynski and Schwab 1992)

- 625mg/kg Pb (Nanda Kumar et al 1995)

- 40mg/kg Se (Bãnuelos 1997b)

- 444mg/kg Zn (Thlaspi caerulescens )(Baker et al 1995)

- 1165mg/kg Zn trong nghiên cứu về độc tính ( Pierzynski andSchwab 1992)

5 Những loài thực vật sử dụng trong công nghệ phytoextraction

Đặc điểm của các loài thực vật được sử dụng trong phương pháp này

là phải cho sinh khối cao, vòng đời ngắn, có thể chống chịu và có khả năngtích lũy chất ô nhiễm cao [7] Các loài này là thực vật thân thảo hoặc thân

gỗ, có khả năng tích luỹ và không có biểu hiện về mặt hình thái khi nồng độkim loại trong thân cao hơn hàng trăm lần so với các loài bình thường khác

Thực vật có nhiều cách phản ứng khác nhau ứng với mỗi chất khácnhau ở những nồng độ khác nhau Do vậy việc lựa chọn loài thực vật nàoứng dụng trong lĩnh vực, phạm vi nào cần đảm bảo yếu tố và những điềukiện sau:

Brassica juncea

 Những thực vật thường được sử dụng là Brassicaceae, Euphorbiaceae,Asteraceae, Lamiaceae hay các cây thuộc họ Scrophulariaceae (Baker 1995)

Cụ thể:

* Brassica juncea (cây mù tạc Ấn Độ)

Cây mù tạc ấn độ (Brassica juncea) là một trong những loài thực vật

được công nhận là có khả năng lọc kim loại từ đất

- Cho sinh khối cao hơn 20 lần

sinh khối của Thalaspi caerulescens

(Sate1995)

- Có thể tích luỹ kim loại như Pb,

Cr(VI), Cd, Cu, Ni, Zn, Sr90, B, và Se

(Nanda và Kumar 1995; Sate 1995,

Raskin 1994)

- Loại B juncea phát triễn trên

phạm vi rộng thì tích luỹ Pb trong quá trình phát triển, với những cây có

phạm vi phát triển riêng thì tích luỹ Pb trong cành non từ 0.04 đến 3.5% vàtrong rễ là từ 7 đến 19% ( Nanda Kumar 1995)

Các nhà nghiên cứu Thụy điển mới cho biết việc nhân giống in vitro

và các biến thể somaclonal có thể dùng để nâng cao tiềm năng của các loàithực vật hấp thụ và tích lũy kim loại độc Các nhà nghiên cứu đã tạo ra cácbiến thể somaclonal của cây mù tạc Ấn Độ từ các tế bào sẹo chống chịuđược kim loại

juncea) và canola ( Brassicanapus) được chỉ ra là tíchluỹ Se và B Kenaf(HIbiscus canabinus L cv.Indian) và các đồi đồng cỏ(Festuca arundinacea Schreb

cv Alta) chỉ hấp thụ Se, nhưng mức độ ít hơn canola (Banuxelos 1997)

Trong các cuộc khảo sát các mẫu thực vật khác nhau, B juncea vậnchuyển đưa lên các cành non, chồi non, khả năng tích luỹ hơn 1.8% đến cácchồi non, cành non (khô nặng) Khảo sát các mẫu cây thì có 0.82% đến10.9% Pb trong rễ ( Brassica là cao nhất), còn cành non, chồi non thì ít Pbhơn Đối với hoa hướng dương ( Helianthus annuus) và cây thuốc lá(Nicotiana tabacum), hay các cây không thuộc Brassica có hệ số khấu chiếtthấp hơn