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 TIỂU LUẬN MÔI TRƯỜNG THỰC TRẠNG THỰC TRẠNG VỀ VIỆC SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ VỀ VIỆC SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ PHYTOEXTRACTION HIỆN NAY PHYTOEXTRACTION HIỆN NAY - 1 - MỤC LỤC M C L CỤ Ụ 2 MỞ ĐẦU 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. - 2 - 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. 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 trong vùng rễ của cây đồng thời sử dụng hệ rễ thực vật để ngăn cản sự di chuyển của các chất ô nhiễm dưới tác dụng của gió, xói mòn do nước, thấm sâu và phân tán đất. Trong biện pháp này thì chúng ta hiểu rằng cây sẽ không tích lũy chất ô nhiễm, không sử dụng chất ô nhiễm làm nguồn dinh dưỡng mà đơn 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 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 enzym giúp cho cây hút chúng nhanh hơn, hoặc một số chất khi đi vào trong - 3 - 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. 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 lý học 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 của các 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 tạo làm thay đổi tính chất của đất, giúp cho oxy đi vào vùng rễ, điều này cũng góp phần gián tiếp giúp cho các vi sinh vật phát triển. Có thể hiểu biện pháp này chính là việc sử dụng khéo léo mối quan hệ cộng sinh của vi sinh vật trong đất với cây. Chính vì lẽ đó mà biện pháp này chủ yếu sử dụng để xử lý các 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 một công 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 trình bày công nghệ phytoextraction. - 4 - NỘI DUNG 1. Khái niệm Các nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu về công nghệ phytoextraction đã đưa ra nhiều định nghĩa về công nghệ này. PHYTOEXTRACTION - 5 - 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). 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 một sinh 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 quan trọng 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. 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 kim loại, thậm chí ở nồng độ rất thấp. Tuy nhiên, vẫn có một số loài thực vật không chỉ có khả năng sống được trong môi trường bị ô nhiễm bởi các kim loại 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 nhau đối 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 loại nặng trong thực vật, chẳng hạn chúng hình thành một phức hợp tách kim loại 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 nhiên của 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 có thể là chất hoà tan, chất không độc hoặc là phức hợp hữu cơ - kim loại được chuyển 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 chất hữu cơ hoặc vô cơ bền vững. - 6 - 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, rữa trôi 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 chế hấp 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 loại trong đất. Ở một số loài, sự linh hoạt này đạt được bằng cách ngăn chặn các kim loại độc hại hấp thu vào các tế bào gốc nên có ít tiềm năng cho chiết xuất kim loại. Một nhóm thứ hai của thực vật, những loài tích tụ, không ngăn chặn các kim loại nhập vào gốc. Các loài này đã tiến hóa các cơ chế cụ thể cho giải độc kim loại đã tích lũy trong tế bào. Những cơ chế cho phép chúng tích lũy với nồng độ rất cao của các kim loại. Ngoài ra, một nhóm thực vật thứ ba, với sự kiểm soát các quá trình hấp thụ kim loại và vận chuyển chúng trong cây. - 7 - 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 không thể 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 protein màng với chức năng vận tải. Sự vận chuyển này được đặc trưng bởi các thông số động lực nhất định, chẳng hạn như năng lực vận tải (Vmax) và ái lực 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, ái lực cao, cho thấy rằng mức độ cao của các ion được vận chuyển vào trong tế bào, 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 quá trình phytoextraction. Tuy nhiên, để quá trình phytoextraction xảy ra, kim loại cũng phải được vận chuyển từ gốc đến ngọn. Chuyển động của kim loại trong nhựa cây từ gốc đến ngọn, gọi là sự di chuyển, chủ yếu được kiểm soát bởi hai quá trình: áp lực gốc và sự thoát hơi nước của lá. Sau khi di chuyển đến lá, kim loại có thể được giải hấp thụ từ nhựa cây vào các tế bào lá. - 8 - Hình 2: Cơ chế hấp thụ kim loại ở thực vật. Cơ chế hấp thụ chất hữu cơ - 9 - 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. Nó cũng 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 kim loại của thực vật. Loại đất cũng gây ảnh hưởng đến chiều sâu của rễ, chiều dài của rễ có thể biến thiên từ 40 - 450cm ở những loài giống nhau nhưng sinh trưởng trên các loại đất khác nhau. Ví dụ như trên nền đất cát, nơi hàm lượng nước trong đất là rất thấp thì sự sinh trưởng của hệ thống rễ rất hạn chế (Danfors và cs,1998) - 10 - [...]... hấp thụ kim loại Việc xác định và cô lập của các gen này có thể mở ra cơ hội sử dụng công nghệ sinh học để phục cho công nghệ sinh học làm sạch môi trường Thường - 27 - chăn nuôi và công nghệ sinh học đã được sử dụng để điều chỉnh những thiếu sót bằng cách chuyển những tính trạng mong muốn từ các loài siêu hấp thụ kim loại vào các loài không có khả năng tích lũy Vì hầu hết các loài thực vật siêu tích... mg/kg Cd được sử dụng trong nghiên cứu sử dụng thực vật hấp thụ Cd (Azadpour and Matthews, 1996) - 110mg/kg Pb ( Pierzynski and Schwab 1992) - 625mg/kg Pb (Nanda Kumar et al 1995) - 14 - - 40mg/kg Se (Bãnuelos 1997b) - 444mg/kg Zn (Thlaspi caerulescens )(Baker et al 1995) - 1165mg/kg Zn trong nghiên cứu về độc tính ( Pierzynski and Schwab 1992) 5 Những loài thực vật sử dụng trong công nghệ phytoextraction. .. tốn cho việc xử lí 12 mẫu Anh nơi bị ô nhiễm chì là 12 triệu $ cho việc đào bới và tẩy, 6,3 triệu $ cho việc rửa đất, 600000$cho việc rửa đất và 200000$ cho việc xử lí bằng phytoextraction + Trong một nghiên cứu có liên quan đến việc xử lí cho lớp trầm tích dày 20 inch bị ô nhiễm Cd, Zn, và 137 Cs từ cái ao chứa nước thải chất hoá học có diện tích là 1,2 mẫu Anh Trong đó trị giá việc sử dụng phytoextraction. .. những thực vật dòng hyperaccumulators Trên thực tế, khả năng tích luỹ của cải xoong đã được phát hiện từ rất lâu, năm 1865 Khi những người nông dân tiến hành phát quang đất đai để trồng trọt đã phát hiện ra trong thân cải xoong có chứa một lượng lớn kẽm Kể từ đó, rất nhiều loại thực vật dòng hyperaccumulators được tìm thấy và được sử dụng để loại bỏ kim loại nặng ra khỏi đất Tuy nhiên, việc sử dụng. .. chế việc sử dụng các thực vật chuyển gen MerA và merB, tuy nhiên nghiên cứu này minh họa cho các tiềm năng to lớn của công nghệ sinh học trong phục hồi môi trường bị ô nhiễm Đối với một số kim loại độc hại như Pb, một nhân tố chính hạn chế tiềm năng TVCR hạn chế hòa tan và khả dụng sinh học cho hấp thụ vào rễ Một cách để tăng khả năng hòa tan Pb là làm giảm độ pH (McBride, 1994) Ngoài ra việc sử dụng. .. cứu gần đây, cây cà chua đã được sửa đổi để thể hiện gen của vi khuẩn 1-aminocyclopropane-1carboxilic acid (ACC) deaminase Những biến đổi gen thực vật cho thấy nâng cao khả năng hấp thu kim loại ở mức độ lớn hơn (Cd, Co, Cu, Mg, Ni, Pb và Zn) (Grichko et al, 2000) Đây là một cách tiếp cận đầy hứa hẹn cho việc phát triển các loài thực vật có thể được sử dụng trong công nghệ TVCR[4] Tiềm năng cho TVCR... huống, vì vậy không sát với các điều kiện thực tế cũng như các quá trình diễn ra và kết quả có thể mang lại trong môi trường đất (Nanda Kumar và cs,1995) 7 Tình hình nghiên cứu ứng dụng và triển vọng Khái niệm của việc sử dụng thực vật để làm sạch môi trường bị ô nhiễm không phải là mới Khoảng 300 năm trước đây, hệ thống này đã được đề xuất để sử dụng trong việc xử lý nước thải (Hartman, 1975) Vào cuối... Nước ngầm và nước mặt Điều đầu tiên cần xét đến của công nghệ xử lý ô nhiễm bằng thực vật đối 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 nước ngầm ngoài việc bị hạn chế hay không hạn chế bởi độ sâu của mực nước thì còn tùy thuộc vào khả năng phát triển của hệ rễ của thực vật - 11 - Hình 3: Kỹ thuật trồng cây xử lý nước... năng của thực vật được lựa chọn để phát triển và tích lũy kim loại dưới điều kiện cụ thể về khí hậu và đất đai của các hệ thống cần được xử lí Những tiến bộ quan trọng đã được thực hiện trong vài năm gần đây với sự hiểu biết về các quá trình tham gia vào sự hấp thụ kim loại của thực vật từ đất bị ô nhiễm, đặc biệt là về quá trình đóng góp cho sự hấp thu và STL kim loại Tuy nhiên, nhiều kiến thức về nông... vào các dạng tồn tại hóa học của kim loại trong đất mà xác định các loài thực vật cho mục tiêu xử lí Một sự hiểu biết hoàn toàn về kim loại và cây trồng sẽ rất thiết yếu để phát triển các chiến lược về nâng cao khả năng di truyền tích lũy kim loại của thực vật Điều này sẽ có tác động đáng kể cho công nghệ thực vật xử lí môi trường Việc xác định và đặc tính sinh hóa của các cơ chế, khắc phục hậu quả là . MÔI TRƯỜNG TIỂU LUẬN MÔI TRƯỜNG THỰC TRẠNG THỰC TRẠNG VỀ VIỆC SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ VỀ VIỆC SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ PHYTOEXTRACTION HIỆN NAY PHYTOEXTRACTION HIỆN NAY - 1 - MỤC LỤC M C L CỤ Ụ 2 MỞ. ở thực vật. Cơ chế hấp thụ chất hữu cơ - 9 - 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. trình bày công nghệ phytoextraction. - 4 - NỘI DUNG 1. Khái niệm Các nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu về công nghệ phytoextraction đã đưa ra nhiều định nghĩa về công nghệ này. PHYTOEXTRACTION -