đồ án tốt nghiệp nghiên cứu khả năng hấp thụ kim loại nặng của thực vật

Khả năng làm sạch môi trường của thực vật đã được ghi chép từ thếkỷ XVIII nhưng đến cuối thế kỷ XX, phương pháp này mới được nhắc đến như mộtcông nghệ tân tiến dùng để xử lý môi trường đ

MỤC LỤC MỤC LỤC I

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT IV

DANH MỤC CÁC HÌNH V

1.1 Tình hình ô nhiễm kim loại nặng trong đất trên thế giới và ở Việt Nam 1

1.1.1 Tình hình ô nhiễm kim loại nặng trong đất trên thế giới 1

1.1.2 Tình hình ô nhiễm kim loại nặng trong đất ở Việt Nam 3

1.1.3 Kim loại nặng và nguồn gốc phát sinh kim loại nặng trong đất 5

1.1.3.1 Kim loại nặng 5

1.1.3.2 Nguồn gốc phát sinh kim loại nặng trong môi trường đất 6

1.2 Các thực vật nghiên cứu 7

1.2.1 Dương xỉ Pteris vittata L 7

1.2.2 Cây cải xanh 8

1.2.3 Cỏ mần trầu 9

1.3 Giới thiệu chung về Asen và Chì 10

1.3.1 Asen 10

1.3.1.1 Khái quát 10

1.3.1.2 Sự phân bố và dạng tồn tại trong đất 11

1.3.1.3 Sự ảnh hưởng của Asen trong đất đối với cây trồng và sức khỏe con người 11

1.3.2 Chì 12

1.3.2.1 Khái quát 12

1.3.2.2 Sự phân bố và dạng tồn tại trong đất 13

1.3.2.3 Sự ảnh hưởng của Chì trong đất đối với cây trồng và sức khỏe con người 13

1.4 Các phương pháp xử lý kim loại nặng trong đất 14

1.4.1 Phương pháp cơ học 14

1.4.2 Phương pháp vật lý và hoá học 14

1.4.3 Phương pháp sinh học 15

1.4.3.1 Xử lý bằng vi sinh vật 15

1.4.3.2 Xử lý bằng thực vật 16

1.5 Xử lý ô nhiễm kim loại nặng trong đất bằng thực vật 17

1.5.1 Cơ chế hấp thụ kim loại nặng vào thực vật 17

1.5.2 Quá trình xâm nhập kim loại nặng vào trong cây 18

1.5.3 Tình hình nghiên cứu kim loại nặng bằng thực vật ở Việt Nam 20

1.5.4 Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp xử lý kim loại nặng trong đất bằng thực vật 22

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 25 2.1 Nghiên cứu khả năng chống chịu và tích luỹ As của loài dương xỉ Pteris vittata thu từ vùng khai thác mỏ Thái Nguyên 25

2.1.1 Cách pha dung dịch Na2HAsO4.7H2O nồng độ 30000 mg/l làm dung dịch mẹ để sử dụng khi bổ sung 26

2.1.2 Cách tính hàm lượng bổ sung vào đất 27

2.2 Nghiên cứu khả năng sinh trưởng và tích lũy Asen của Cải xanh trồng trên đất ô nhiễm As do khai thác khoáng sản 27

2.3 Nghiên cứu khả năng chống chịu và tích lũy Pb của cây cỏ mần trầu 28

2.3.1 Cách pha dung dịch Pb(NO3)2 nồng độ 50000 mg/l làm dung dịch mẹ để sử dụng khi bổ sung 29

2.3.2 Cách tính hàm lượng bổ sung vào đất 30

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 31 3.1 Nghiên cứu khả năng chống chịu và tích luỹ Asen của loài dương xỉ Pteris vittata thu từ vùng khai thác mỏ Thái Nguyên 31

3.1.1 Khả năng chống chịu Asen của Dương xỉ 31

3.1.2 Ảnh hưởng của hàm lượng Asen trong đất lên sinh trưởng của Dương xỉ 32

3.1.3 Khả năng hấp thụ Asen của Dương xỉ ở đất bổ sung Asen 33

3.2 Nghiên cứu khả năng sinh trưởng và tích lũy Asen của Cải xanh trồng trên đất ô nhiễm Asen do khai thác khoáng sản 36

3.2.1 Khả năng sinh trưởng của cây cải xanh 36

3.2.2 Khả năng hấp thụ Asen của cây cải xanh 37

3.3 Nghiên cứu khả năng sinh trưởng và tích lũy Pb của cây cỏ mần trầu 39

3.3.1 Khả năng sinh trưởng của cây cỏ mần trầu 39

3.3.2 Khả năng hấp thụ Chì của cây cỏ mần trầu 43

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 45 Kết luận 45

Kiến nghị 46

PHỤ LỤC 49

TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam

TCCP: Tiêu chuẩn cho phép

QCVN: Quy chuẩn Việt Nam

KCN: Khu công nghiệp

AAS: Phương pháp hấp thụ nguyên tử

SSK: Sau sấy khô

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 3.1 Pteris vittata sau 3 tháng được trồng ở đất bổ sung As với các nồng độ 32

Hình 3.2 Mối quan hệ giữa nồng độ Asen và thời gian sống của Pteris vittata 32

Hình 3.3 Hàm lượng As hấp thụ trong rễ và thân của Pteris vittata (L) 34

Hình 3.4 Hàm lượng As tích lũy trong thân và rễ Cải xanh 38

Hình 3.5 Cải xanh sau 42 ngày thí nghiệm 39

Hình 3.6 Tỉ lệ tăng trưởng khối lượng trong thí nghiệm chống chịu Pb 40

Hình 3.7 Cỏ mần trầu ban đầu đặt thí nghiệm 41

Hình 3.8 Cỏ Mần trầu khi kết thúc thí nghiệm chống chịu Pb 41

Hình 3.9 Mối tương quan giữa khối lượng thân, rễ và toàn bộ cây cỏ Mần trầu 42

sau thí nghiệm 42

Hình 3.10 Hàm lượng Pb trong thân và rễ cỏ Mần Trầu trong TN chống chịu 44

và hấp thụ Pb 44

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Hàm lượng kim loại nặng (mg/kg) trong một số loại đất ở khu mỏ hoang

Songcheon 1

Bảng 1.2 Hàm lượng kim loại nặng (mg/kg) trong đất của một số mỏ tại Anh 2

Bảng 1.3 Hàm lượng Cd, Pb, As trong đất Bắc Kạn và Thái Nguyên (mg/kg) 4

Bảng 1.4 Kim loại nặng trong đất nông nghiệp ở một số vùng của Việt Nam 4

Bảng 1.5 Một số loài thực vật có khả năng tích luỹ kim loại nặng cao 19

Bảng 3.1 Ảnh hưởng của hàm lượng As trong đất lên khả năng hấp thụ As của Dương xỉ 34

Bảng 3.2 Ảnh hưởng của tỉ lệ đất ô nhiễm (ĐON) Asen lên sinh trưởng của cải xanh 37

Bảng 3.3 Ảnh hưởng của hàm lượng As trong đất lên khả năng hấp thụ As của Cải xanh 37

Bảng 3.4 Khả năng sinh trưởng của cây cỏ Mần trầu ở các hàm lượng Pb 39

Bảng 3.5 Ảnh hưởng của hàm lượng Pb trong đất lên sinh khối của có Mần trầu 42

Bảng 3.6 Ảnh hưởng của hàm lượng Pb trong đất lên khả năng hấp thụ Pb của cỏ Mần trầu 43

LỜI CẢM ƠN

Trước hết em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới toàn thể Quý thầy côTrường đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên, Quý thầy cô khoa Công nghệ Hóa học &Môi trường đã dạy dỗ, truyền đạt những kiến thức quý báu cho em trong suốt bốn nămhọc và rèn luyện tại trường Em xin cảm ơn cô Hoàng Thị Loan đã nhiệt tình hướngdẫn em thực hiện đề tài tốt nghiệp này

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến tiến sĩ Bùi Thị Kim Anh, người đã tậntình chỉ bảo và giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện đề tài Đồng thời em cũngxin gửi lời cảm ơn đến các anh chị trong viện Công nghệ Môi trường - viện Hàn lâmKhoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi cho em được thực tập tạiviện, được tiếp xúc thực tế, giải đáp thắc mắc, giúp em có thêm hiểu biết về công việc

xử lý kim loại trong đất ô nhiễm trong suốt quá tình thực tập

Cuối cùng, em rất cảm ơn gia đình, bạn bè đã động viên, giúp đỡ và tạo điềukiện tốt nhất cho em học tập và nghiên cứu trong suốt thời gian qua

Với vốn kiến thức tiếp thu được trong quá trình học cũng như thực tập và thờigian tìm hiểu có hạn nên em không tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình làm đềtài Em rất mong nhận được những nhận xét, ý kiến đóng góp của quý thầy cô và cácbạn

Em xin chân thành cảm ơn!

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài

Hơn 150 năm về trước, con người đã có những tìm hiểu bước đầu về những hợpchất vô cơ và các nguồn dinh dưỡng cần thiết cho sự phát triển của cây trồng Sau đó,những nghiên cứu này chỉ tập trung vào các loài thực vật có lợi cho động vật và conngười Những nghiên cứu này bị hạn chế nhiều bởi kỹ thuật phân tích yếu kém thời đó,

ví dụ như việc nghiên cứu các nguyên tố thiết yếu như Ca, K, Mg, N và P Trong thế

kỷ thứ 20, nhờ sự phát triển vượt trội của khoa học kỹ thuật, trong đó có sự phát triểncủa các phương pháp phân tích hiện đại mà các kết quả đáng tin cậy về hàm lượng củacác nguyên tố vết thu được ngày càng nhiều Nhờ đó mà không chỉ các nguyên tố đalượng kể trên được nghiên cứu mà một loạt các nguyên tố vi lượng khác (rất cần thiếtcho sự phát triển của thực vật) như B, Cl, Cu, Fe, Mn, Mo và Zn cũng được nghiêncứu sâu

Vấn đề ô nhiễm kim loại nặng (KLN) trong đất ngày càng được quan tâm doảnh hưởng trực tiếp đến môi trường đất, nước, sức khoẻ con người và cây trồng Đất bị

ô nhiễm kim loại nặng là do con người sử dụng các loại hóa chất trong nông nghiệp vàthải vào môi trường đất các chất thải đa dạng khác Quá trình công nghiệp hóa, hiệnđại hóa cũng đồng nghĩa với việc gia tăng việc phát thải vào môi trường tự nhiên cácchất độc hại với sức khỏe con người và các hệ sinh thái khác Các hoạt động khai tháckhoáng sản bao gồm than đá, quặng chì, quặng thiếc… đã làm cho môi trường nước,môi trường đất bị ô nhiễm nghiêm trọng bởi các chất độc hại như: As, Pb, Cd, Zn… và

xu hướng ô nhiễm có chiều hướng ngày càng tăng nếu chúng ta không có biện pháp xử

lý triệt để

Để xử lý đất ô nhiễm người ta thường sử dụng các phương pháp truyền thốngnhư rửa đất, cố định các chất ô nhiễm bằng hoá học hoặc vật lý, xử lý nhiệt, trao đổiion, ôxi hoá hoặc khử các chất ô nhiễm, đào đất bị ô nhiễm để chuyển đến những nơichôn lấp thích hợp Hầu hết các phương pháp đó rất tốn kém về kinh phí, giới hạn về

kỹ thuật và hạn chế về diện tích… Gần đây, nhờ những hiểu biết về cơ chế hấp thụ,chuyển hoá, chống chịu và loại bỏ kim loại nặng của một số loài thực vật, người ta bắt

đầu chú ý đến khả năng sử dụng thực vật để xử lý môi trường như một công nghệ môitrường đặc biệt Khả năng làm sạch môi trường của thực vật đã được ghi chép từ thế

kỷ XVIII nhưng đến cuối thế kỷ XX, phương pháp này mới được nhắc đến như mộtcông nghệ tân tiến dùng để 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

Thực vật có nhiều phản ứng khác nhau đối với sự có mặt của các ion kim loạitrong môi trường Hầu hết, các loài thực vật rất nhạy cảm với sự có mặt của các ionkim loại, thậm chí ở nồng độ rất thấp Tuy nhiên, vẫn có một số loài thực vật khôngchỉ có khả năng sống được trong môi trường bị ô nhiễm bởi các kim loại độc hại màcòn có khả năng hấp thụ và tách các kim loại này trong các bộ phận khác nhau củachúng

Đất đai bị ô nhiễm ngày càng nhiều, đang đòi hỏi phải tìm ra biện pháp hiệuquả và rẻ nhất để cải tạo Biện pháp sử dụng thực vật để cải tạo đất ô nhiễm kim loạinặng đã và đang được các nhà khoa học môi trường quan tâm Tuy nhiên, do đặc tínhsinh học mà mỗi vùng khác nhau có thể sẽ có các loại thực vật khác nhau trong chứcnăng thu hút kim loại nặng Mặt khác, cần phải xác định được loại cây, nguồn và khảnăng cải tạo của nó để tiến hành các bước tiếp theo trong thí nghiệm và nhân rộng rathực tiễn

Xuất phát từ cơ sở lý luận thực tiễn trên, em chọn đề tài: “Nghiên cứu khả

năng hấp thụ Asen và Chì trong đất bằng phương pháp sử dụng thực vật’’ nhằm

đánh giá hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng trong đất, đánh giá hiệu quả sử dụng thựcvật để xử lý kim loại nặng trong môi trường đất

Mục tiêu của đề tài

- Đánh giá khả năng sinh trưởng của cây dương xỉ, cỏ mần trầu và cây cải

xanh trong các môi trường đất bị ô nhiễm kim loại nặng

- Đánh giá khả năng hấp thụ kim loại nặng Asen và Chì của cây dương xỉ, cỏmần trầu và cây cải xanh trong các môi trường đất bị ô nhiễm khác nhau

- Tạo cơ sở ứng dụng trong cải tạo đất bị ô nhiễm kim loại nặng ở các tỉnh ởViệt Nam

Nội dung nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu đề ra, những nội dung cần thực hiện như sau:

- Thu thập các thông tin về tình hình ô nhiễm KLN trong đất ở Việt Nam và

- Đánh giá khả năng sinh trưởng và sinh khối của cây dương xỉ, cải xanh và

cỏ mần trầu trong điều kiện thí nghiệm

- Đánh giá khả năng hấp thụ KLN Asen và Chì trong đất của cây dương xỉ,

cải xanh và cỏ mần trầu trong điều kiện thí nghiệm

Phương pháp nghiên cứu

Trong quá trình thực hiện đề tài có sử dụng các phương pháp sau :

- Phương pháp tổng hợp tài liệu và xử lý số liệu

- Phương pháp kế thừa

- Phương pháp ngoài thực địa

- Phương pháp quan trắc.

- Phương pháp nghiên cứu trong phòng thí nghiệm.

Ý nghĩa của đề tài

- Ý nghĩa trong học tập và nghiên cứu khoa học:

+ Nâng cao kiến thức, kỹ năng và rút ra kinh nghiệm thực tế phục vụ cho côngtác nghiên cứu sau này

+ Vận dụng và phát huy những kiến thức đó vào thực tế

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Tình hình ô nhiễm kim loại nặng trong đất trên thế giới và ở Việt Nam

1.1.1 Tình hình ô nhiễm kim loại nặng trong đất trên thế giới

Các khu vực khai thác mỏ, khoáng sản, các khu công nghiệp và các thành phốlớn là những nguồn phát thải ra một lượng lớn KLN, chúng có khả năng tồn tại trongmôi trường, vấn đề không đáng lo ngại nhiều nếu chúng không xâm nhập được vào cơthể sinh vật và hệ sinh thái Điều đáng quan tâm là KLN có tính bền vững khó phânhủy, có khả năng xâm nhập và tích lũy đến mức độ gây độc cho con người, sinh vật và

hệ sinh thái

Theo Lim và cộng sự (2004) tại vùng mỏ vàng - bạc Soncheon đã bỏ hoang ởHàn Quốc, đất và nước nhiều khu vực ở đây vẫn còn bị ô nhiễm một số loại kim loại ởmức cao [13]

Bảng 1.1 Hàm lượng kim loại nặng (mg/kg) trong một số loại đất ở khu mỏ hoang Songcheon

Nguyên tố Bãi thải quặng Đất vùng núi Đất trang trại

Ở các khu vực luyện kim, vùng khai thác Pb thì hàm lượng Pb trong đất khoảng

1500 µg/g, cao gấp 15 lần so với mức độ bình thường như khu vực xung quanh nhàmáy luyện kim ở Galena, Kansas (Mỹ), hàm lượng chì trong đất 7600 µg/g Hàmlượng Pb trong bùn cống, rãnh ở một số thành phố công nghiệp tại Anh dao động từ

120 µg/g - 3000 µg/g (Berrow và Webber, 1993), trong khi tiêu chuẩn cho phép tạiđây là không quá 1000 µg/g

Tại La Oroya – một thành phố khai mỏ của Peru gần như 100% trẻ em ở đây cóhàm lượng chì trong máu vượt mức cho phép của tất cả các loại tiêu chuẩn trên thếgiới.

Tại Norilsk (Nga) các cơ sở khai thác và chế biến kim loại đã thải ra môi trườngmột lượng lớn các KLN vượt giới hạn cho phép, khu vực này là nơi có các tổ hợpluyện kim lớn nhất thế giới với hơn 4 triệu tấn Cd, Cu, Pb, Ni, As, Se và Sn được khaithác mỗi năm

Thiên Anh, Trung Quốc là một thành phố công nghiệp, Thiên Anh chiếmkhoảng hơn một nửa sản lượng chì của Trung Quốc Thứ kim loại độc hại này ngấmvào đất trồng của Thiên Anh Qua kiểm tra, lúa mỳ trồng ở Thiên Anh chứa lượng chìcao gấp 24 lần chuẩn của Trung Quốc Trung Quốc còn là nước đứng đầu về ô nhiễmthủy ngân Theo kết quả phân tích thủy sản ở 4 hồ nước ngọt và khu vực biển phíađông tỉnh Giang Tô, có rất nhiều kim loại khác nhau trong đó thủy ngân, cadimi, crôm,kẽm và chì tồn tại trong 41% thủy sản [14]

Kabwe, Zambia khi các mỏ chì lớn được phát hiện gần Kabwe năm 1902,Zambia là một thuộc địa của Anh, và có rất ít quan tâm tới ảnh hưởng của kim loại độchại với người dân nơi đây Đáng buồn thay, tình trạng này tới nay hầu như không đượccải thiện Và cho dù công việc khai thác, chế biến chì không còn hoạt động nhưng mức

Hàm lượng trungbình trong đất ởAnh (mg/kg)

(Nguồn: Theo P.A Shelmerdine và cs., 2004)

Các nhà khoa học Viện nghiên cứu Địa lý và Tài nguyên thiên nhiên, Viện Hànlâm khoa học Bắc Kinh, Trung Quốc đã phát hiện đất ở nhiều khu vực có chứa As ởmức cao như ở vành đai vàng là 1342 mg/kg và ở vành đai thuỷ ngân là 509 mg/kg[12]

Ở Châu Á là một trong những nơi có tình trạng ô nhiễm KLN cao trên thế giới,trong đó đặc biệt là Trung Quốc với hơn 10% đất bị ô nhiễm Pb, tại Thái Lan theoViện Quốc Tế quản lý nước thì 154 ruộng lúa thuộc tỉnh Tak đã nhiễm Pb cao gấp 94lần so với tiêu chuẩn cho phép [14] Tuy vậy tại các nước phát triển vẩn phải đối mặtvới tình trạng ô nhiễm mà các ngành công nghiệp khác gây ra

1.1.2 Tình hình ô nhiễm kim loại nặng trong đất ở Việt Nam

Ở Việt Nam gắn với quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa là tình trạng ônhiễm môi trường gia tăng, đặc biệt tại các trung tâm công nghiệp, các khu vực khaithác mỏ và các thành phố lớn Sự phát thải một lượng lớn các KLN từ các khu côngnghiệp tiềm ẩn nguy cơ đe dọa đến sức khỏe của con người và hệ sinh thái xungquanh Theo đánh giá của các chuyên gia, công nghiệp khai thác mỏ đang gây ô nhiễm

và suy thoái môi trường đất ở mức độ nghiêm trọng nhất [3]

Tại TP Hồ Chí Minh, kết quả phân tích hiện trạng ô nhiễm KLN trong đất vùngtrồng lúa khu vực phía Nam thành phố cho thấy hàm lượng đồng, kẽm, chì, thủy ngân,crôm trong đất trồng lúa chịu ảnh hưởng trực tiếp của nước thải công nghiệp phía Namthành phố đều tương đương hoặc cao hơn ngưỡng cho phép (TCVN 7209:2002) đốivới đất sử dụng cho mục đích nông nghiệp [2]

Theo kết quả phân tích môi trường của Sở tài nguyên và môi trường tỉnh PhúThọ cho thấy, một số khu vực ở thành phố công nghiệp Việt Trì đã có hiện tượng ônhiễm Asen trong đất và trong nước ngầm đặc biệt là tại phường Bạch Hạc là vùng ônhiễm Asen lớn nhất của Thành phố Việt Trì

Tình trạng ô nhiễm Pb cũng gia tăng nhanh chóng trong môi trường, mức độ ônhiễm Pb nghiêm trọng nhất vẫn là các thành phố lớn, các khu dân cư, khu côngnghiệp Kết quả phân tích cho thấy hàm lượng Pb ở Sông Thị Vải vượt tiêu chuẩn cho

phép (TCCP) tới 4 - 5 lần Tại huyện Đông Anh, Hà Nội hàm lượng Pb, trong đất tạicác khu vực trồng rau đều vượt TCCP [4].

Kết quả nghiên cứu của Nguyễn Ngọc Nông (2007) cho thấy rằng hàm lượngcác nguyên tố Cd, Pb, As trong đất Bắc Kạn và Thái Nguyên ngày càng lớn đối vớivùng gần đô thị, khu công nghiệp và khu dân cư tập trung Tuy hàm lượng các nguyên

tố chưa vượt quá TCCP nhưng hàm lượng Cd, Pb, As khá cao trong vài loại đất ở vùngthành phố Thái Nguyên đang là sự cảnh báo về môi trường (Bảng 1.3)

Bảng 1.3 Hàm lượng Cd, Pb, As trong đất Bắc Kạn và Thái Nguyên (mg/kg)

(Nguồn: Nguyễn Ngọc Nông, 2007)

Tại Thành phố Đà Nẵng, với 6 khu công nghiệp và 300 doanh nghiệp đang hoạtđộng, có tốc độ phát triển công nghiệp nhanh nhưng đi kèm với nó là dấu hiệu ô nhiễmmôi trường ngày một gia tăng

Các kết luận tương tự cũng được Hồ Thị Lam Trà và Kazuhiko Egashira (2001)đưa ra khi nghiên cứu hàm lượng các KLN của nhiều loại đất khác nhau

Bảng 1.4 Kim loại nặng trong đất nông nghiệp ở một số vùng của Việt Nam

Địa điểm Đá mẹ và

mẫu chất

Cu(mg/kg)

Pb(mg/kg)

Zn(mg/kg)

Cd(mg/kg)

-(Nguồn: Hồ Thị Lam Trà và Kazuhiko Egashira, 2001)

Theo tác giả, đất phát triển trên đá vôi có hàm lượng Cu và Zn khá cao: 106mg/kg và 153 mg/kg nhưng lại thấp ở đất phát triển trên đá cát: 16 mg/kg và 32 mg/kg

Kết quả lấy mẫu kiểm tra giám sát của Viện Sức khỏe nghề nghiệp và Môitrường, Bộ Y tế vào tháng 12/2014 tại làng nghề tái chế chì Đông Mai, Văn Lâm,Hưng Yên cho thấy: Nước tại các kênh và rãnh thoát nước có hàm lượng cao hơn giớihạn cho phép 1000 lần theo QCVN 08:2008/BTNMT về chất lượng nước bề mặt.Không khí tại cộng đồng và nơi sản xuất tái chế chì đều có hàm lượng chì cao hơn tiêuchuẩn cho phép; trong đó 3/5 mẫu không đạt theo TCVN 05:2009, 2/5 mẫu không đạttiêu chuẩn theo quy định tại QĐ 3733-2002 BYT Đất tại hộ gia đình và vườn trongthôn có hàm lượng chì cao hơn giới hạn cho phép 10-16 lần theo QCVN03:2008/BTNMT về giới hạn cho phép của kim loại nặng trong đất Rau có hàm lượngchì cao hơn giá trị giới hạn cho phép 1,3 lần theo QCVN 8-2:2011/BYT đối với giớihạn ô nhiễm kim loại nặng trong thực phẩm

Ô nhiễm KLN ở Việt Nam chưa xảy ra trên diện rộng, tuy nhiên đã có hiệntượng ô nhiễm cục bộ ở một số khu vực đặc biệt là một số KCN và các làng nghề táichế kim loại

Có thể nói rằng vấn đề ô nhiễm nói chung và ô nhiễm KLN đã và đang tháchthức môi trường Việt Nam, các loại ô nhiễm thường thấy tại các đô thị Việt Nam là ônhiễm nguồn nước mặt, ô nhiễm bụi, ô nhiễm KLN và các chất độc hại như chì (Pb),thủy ngân (Hg), asen (As)

1.1.3 Kim loại nặng và nguồn gốc phát sinh kim loại nặng trong đất

1.1.3.1 Kim loại nặng

- Khái niệm về kim loại nặng

Có hai quan điểm chính về KLN:

Quan điểm phân loại theo tỉ trọng: Cho rằng KLN là các kim loại có tỉ trọng (kýhiệu d) lớn hơn 5, bao gồm: Pb (d=11,34), Cd (d=8,6), As (d=5,72), Zn (d=7,10) Trong số các nguyên tố này có một số nguyên tố cần cho dinh dưỡng cây trồng, ví dụ:

Mn, Zn Các nguyên tố này cây trồng cần với hàm lượng nhỏ, gọi là nguyên tố vilượng, nếu hàm lượng cao sẽ gây độc cho cây trồng.

Theo quan điểm độc học: KLN là các kim loại có nguy cơ gây nên các vấn đềmôi trường, bao gồm: Cu, Zn, Pb, Cd, Hg, Ni, Cr, Co, Vn, Ti, Fe, Mn, As, Se Có 4nguyên tố được quan tâm nhiều là: Pb, As, Cd và Hg Bốn nguyên tố này hiện naychưa biết được vai trò sinh thái của chúng, tuy nhiên nếu dư thừa một lượng nhỏ 4nguyên tố này thì tác hại rất lớn [10]

- Ô nhiễm môi trường đất do KLN

Có một số hợp chất KLN bị thụ động và đọng lại trong đất, song có một số hợpchất có thể hoà tan dưới tác động của nhiều yếu tố khác nhau, nhất là do độ chua củađất, của nước mưa Điều này tạo điều kiện để các KLN có thể phát tán rộng vào nguồnnước ngầm, nước mặt và gây ô nhiễm đất

Ô nhiễm đất là do con người sử dụng các loại hoá chất trong nông nghiệp vàthải vào môi trường đất các chất thải đa dạng khác Trong các chất thải này, có nhữngchất phóng xạ, đất cũng nhận những kim loại nặng từ khí quyển dưới dạng bụi như:

Pb, Hg, Cd, Mo và các chất phóng xạ Nguồn rác thải từ đô thị, việc sử dụng phânbón tươi để bón ruộng, nương rẫy cũng đã góp phần làm ô nhiễm đất [7]

- Hậu quả của ô nhiễm môi trường đất do KLN

Sự tích tụ các chất độc hại, các KLN trong đất sẽ làm tăng khả năng hấp thụ cácnguyên tố có hại trong cây trồng, vật nuôi và gián tiếp gây ảnh hưởng xấu tới sức khoẻcon người, làm thay đổi cấu trúc tế bào gây ra nhiều bệnh di truyền, bệnh về máu,bệnh ung thư [2]

1.1.3.2 Nguồn gốc phát sinh kim loại nặng trong môi trường đất

Kim loại trong đất ban đầu một phần được sinh ra từ các quá trình hoạt độngđịa hoá của khoáng vật mẹ và đi vào đất thông qua quá trình phong hoá hoá học Tuynhiên, với quá trình phong hoá hoá học thì lượng kim loại đi vào đất là không đáng kể

mà chủ yếu kim loại đi vào đất là do các hoạt động sản xuất của con người Các hoạtđộng đó bao gồm:

- Hoạt động sản xuất công nghiệp

+ Công nghiệp nhựa: Co, Cr, Cd, Hg

+ Công nghiệp dệt: Zn, Al, Ti, Sn

+ Công nghiệp sản xuất vi mạch: Cu, Ni, Cd, Zn, Sb

+ Bảo quản gỗ: Cu, Cr, As

- Hoạt động sản xuất nông nghiệp

+ Sử dụng phân bón hoá học: As, Cd, Mn, U, V và Zn trong một số phânphotphat

+ Sử dụng phân chuồng: As, Cu, As, Zn

+ Sử dụng hoá chất bảo vệ thực vật: Cu, Mn và Zn trong thuốc trừ nấm, As và

Pb trong thuốc sử dụng đối với cây ăn quả

+ Nước tưới: có thể thải ra Cd, Pb, Se

- Hoạt động khai khoáng quặng chứa kim loại

+ Đào, xới và cặn thải - nhiễm bẩn thông qua phong hoá, xói mòn do gió thải ra

As, Cd, Hg, Pb Cặn thải khuếch tán do sông - trầm tích trên đất do lũ, nạo vét sông,

+ Công nghiệp luyện kim: As, Cd, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb

+ Khói linh động: Mo, Pb cùng với Br, Cl và V

+ Đốt cháy xăng, dầu (bao gồm các trạm xăng): As, Pb, Sb, Se, U, V, Zn và Cd

- Kim loại từ rác thải

+ Bùn cặn: Cd, Cr, Cu, Hg, Mn, Mo, Ni, Pb, V, Zn

+ Rửa trôi từ đất: As, Cd, Fe, Pb

+ Phế thải: Cd, Cr, Cu, Pb, Zn

+ Đốt rác, bụi than: Cu và Pb

1.2 Các thực vật nghiên cứu

1.2.1 Dương xỉ Pteris vittata L

Cây thân cỏ, thân rễ ngắn, mọc thẳng, có lông và vảy hẹp màu nâu, cuống dài20-50 cm, màu nâu sẫm, có vảy ở gốc, thường có phấn trắng lúc non

Sinh học, sinh thái: Cây ưa ẩm và ưa bóng mát

Phân bố: Có nguồn gốc Nam Mỹ, phổ biến ở Việt Nam, còn có ở Lào,Campuchia và các nước khác

Công dụng: Có khả năng tích lũy kim loại

Các nhà khoa học Trung Quốc phát hiện ra một loài cây dương xỉ, một trongnhững họ thực vật lâu đời nhất trên thế giới và mọc rất nhiều trong tự nhiên hoang dãcũng có “sở trường ăn kim loại nặng” như đồng, thạch tín

Họ phát hiện ratrên lá của loài dương

xỉ này có tới 0,8% hàmlượng thạch tín, caohơn hàng trăm lần sovới bình thường, màcây vẫn tốt tươi

Nghiên cứu mới đây cho thấy, loài dương xỉ Pteris vittata không những có khảnăng tích lũy cao As mà còn có khả năng hấp thụ đồng thời các kim loại khác như Mn,

Cu, Fe, Zn và Pb Loài dương xỉ Pteris vittata có khả năng tích lũy cao As Đây là cácloài sống được tại các bãi thải nghiên cứu và là các loài thực vật điển hình mà một sốnước trên thế giới sử dụng để xử lý ô nhiễm As

Loài dương xỉ Pteris vittata có khả năng tích luỹ 14500 ppm As mà chưa cótriệu chứng tổn thương Loài này sinh trưởng nhanh, có sức chống chịu cao với Astrong đất (As > 1500 ppm) và chỉ bị độc ở nồng độ 22630 ppm qua 6 tuần

1.2.2 Cây cải xanh

Cải xanh là cây hai lá mầm, cuống lá hơi tròn và nhỏ, phiến lá hẹp, thân màuxanh trắng, lá xanh, rễ cọc đâm sâu và chắc

Sinh học, sinh thái: Cây trồng phổ biến ở Việt Nam

Công dụng: Làm rau ăn, có khả năng tích lũy kim loại nặng

Ngoài dùng làm rau ăn, các nhà khoa học còn lợi dụng đặc tính sinh trưởngnhanh, tạo sinh khối lớn, chu kì sinh trưởng ngắn và khả năng hấp thụ KLN để sửdụng trong việc xử lý ô nhiễm môi trường, đặc biệt là môi trường đất Cải xanh là loạisiêu hấp thụ Rễ cải có khả năng hút được các kim loại: Cd, Cr, Cu, Ni, Zn, đặc biệt là

Se và Pb và các chất phóng xạ như cesium-137, strontium-90

Với khả năng hấp thụ và chuyển hóa KLN, sự phát triển nhanh và chu kỳ sốngngắn lên hiện nay cải xanh đang được ứng dụng để xử lý những vùng đất bị ô nhiễm ở

Mỹ, Canada…

Ở Việt Nam, nghiêncứu sử dụng thực vật nóichung và cải xanh nói riêngtrong xử lý ô nhiễm môitrường nhất là môi trường đấtnhiễm KLN còn rất ít

1.2.3 Cỏ mần trầu

Cỏ mần trầu có dạng sống cỏ, mọc thành bụi cao 50-70 cm, thân đứng, màuxanh nhạt, nhẵn bóng, dài 7-11 cm, chia nhiều đốt, tiết diện bầu dục Là cây ưa ẩm, ưasáng, mọc thành đám

Sinh học, sinh thái: Mùa hoa, quả tháng 6-10 Mọc thành bụi

Phân bố: Bắc bộ và Trung bộ Việt Nam, còn có ở Trung Quốc, Thái Lan, Lào

và một số nước nhiệt đới châu Á khác

Công dụng: Làm thức ăn gia súc,

làm thuốc và có khả năng tích

lũy kim loại nặng Viện Công

nghệ Môi trường (Viện Khoa

học Công nghệ Việt Nam) cho

thấy, các vùng đất trước đây bị ô

nhiễm do từng khai thác và chế

biến quặng có thể được hồi phục

sau 2 đến 3 năm trồng cỏ mần

trầu

Cỏ Mần Trầu có khả năng chống chịu Pb cao (5000 ppm Pb)

1.3 Giới thiệu chung về Asen và Chì

1.3.1 Asen

1.3.1.1 Khái quát

Asen hay còn gọi là thạch tín, là một nguyên tố hóa học (Á kim) có ký hiệu là

As, số nguyên tử khối là 33 Asen lần đầu tiên được Albertus Magnus (người Đức) viết

về nó vào năm 1250 Khối lượng nguyên tử của nó bằng 74,92 Vị trí của nó trongbảng tuần hoàn được đề cập ở bảng bên phải Asen là một Á kim gây ngộ độc cao và

có nhiều dạng thù hình: màu vàng (phân tử phi kim) và một vài dạng màu đen và xám(Á kim), đây chỉ là số ít mà người ta có thể nhìn thấy

Asen được sử dụng làm chất màu, thuốc bảo vệ thực vật, thuốc bảo quản gỗ vàchất kích thích sinh trưởng cho gia súc, gia cầm Asen có trong nhiều loại mỏ khoángsunphit và vì vậy có thể phát tán vào không khí từ các lò luyện kim Than đá cũngchứa một lượng đáng kể Asen và quá trình đốt than đã phát tán tới 20% lượng chất này

có trong khí quyển Tàn than là nguồn Asen đáng kể thẩm thấu vào đất và nước Hiệuứng gây độc cấp tính và trường diễn của Asen đã được nhận biết và nhiều người đã bịung thư đường hô hấp do tiếp xúc lâu ngày với hơi Asen Asen tồn tại ở bốn dạng là

As3-, As, As3+ và As5+ Phần lớn các chất vô cơ chứa As độc hơn các chất hữu cơ Cáchợp chất vô cơ chứa As là arsine (AsH3), arsenite (As2O3) và arsenate (As2O5).

Tích tụ Asen trong đất là một trong các nguồn chính làm tăng nguy cơ ô nhiễmnước mặt và nước ngầm, sự hấp thu do thực vật là sự hấp thu trực tiếp hay gián tiếpđối với con người Vì vậy, làm sạch các vị trí ô nhiễm là vấn đề trở nên cấp bách

1.3.1.2 Sự phân bố và dạng tồn tại trong đất

Asen tồn tại trong đất dưới dạng hợp chất chủ yếu như Arsenat (AsO4)3- trongđiều kiện ôxy hoá Chúng bị hấp thu mạnh bởi các khoáng sét, sắt, mangan ôxit hoặchyđrôxit và các chất hữu cơ Trong các đất axit, As có nhiều ở dạng Arsenat với sắt vànhôm (FeAsO4; AlAsO4), trong khi ở các đất kiềm và đất cacbonat lại có nhiều ở dạngCa3(AsO4)2 Asen có xu hướng được tích tụ trong quá trình phong hoá, trên mặt cắt của

vỏ phong hoá và trong đất As thường tồn tại ở phần trên (0-1,5 m) do bị hấp phụ bởivật liệu hữu cơ, keo hyđrôxit sắt và sét Trong môi trường khí hậu khô các hợp chấtcủa As thường tồn tại dưới dạng ít linh động, còn trong điều kiện khí hậu ẩm ướt cáchợp chất của arsensunfua bị hoà tan và bị rửa trôi Lượng As trong đất chuyển vàonước khoảng 5-10 % tổng lượng As trong đất [8]

1.3.1.3 Sự ảnh hưởng của Asen trong đất đối với cây trồng và sức khỏe con người.

- Đối với cây trồng: Arsenic được nhiều người biết đến do tính độc của một số

hợp chất có trong nó Sự hấp thụ As của nhiều cây trồng trên đất liền không quá lớn,thậm chí ở trên đất trồng tương đối nhiều As, cây trồng thường không chứa lượng Asgây nguy hiểm As khác hẳn một số KLN bình thường vì đa số các hợp chất As hữu cơ

ít độc hơn các As vô cơ Lượng As trong các cây có thể ăn được thường rất ít Sự cómặt của As trong đất trồng trở nên chua hơn, nồng độ pH < 5 khi có sự kết hợp giữacác loại nguyên tố khác nhau như Fe, Al

Chất độc ảnh hưởng từ As làm giảm đột ngột sự chuyển động trong nước haylàm đổi màu của lá kéo theo sự chết lá cây, hạt giống thì ngừng phát triển

- Đối với con người: As là một trong những chất có độ độc rất cao Độc tính của

thạch tín phụ thuộc vào công thức hóa học của nó Trong nước ngầm thạch tín được

tìm thấy chủ yếu ở dạng Asenit (Asen III) hoặc Asenat (Asen V) Asenit có thể đượcôxy hóa và Asenat có thể quay lại Asenit khi nước ngầm thiếu ôxy Nếu không tínhđến một số hợp chất hiếm có của As thì hợp chất độc nhất của As là Asin - AsH3; sau

đó đến Asenit và Asenat trong đó Asenit có độc tính gấp 60 lần so với Asenat do nó cóphản ứng với các enzim trong quá trình chuyển hóa ở cơ thể người [5] Đến nay có thểkết luận chắc chắn về các bệnh do nhiễm Asen như: Sừng hóa da, hắc tố da và mất sắc

tố da, bệnh Bowen, bệnh đen và rụng móng chân Bệnh sừng hóa da thường xuất hiện

ở tay, chân, lòng bàn tay, gan bàn chân - phần cơ thể cọ xát nhiều hoặc tiếp xúc ánhsáng nhiều lâu ngày sẽ tạo thành các đinh cứng màu trắng gây loang rộng gây đau đớn.Bệnh hắc tố da và mất sắc tố da bị đen sạm, da bị lốm đốm trắng dẫn đến tế bào bị pháhủy và làm hỏng da Biểu hiện đầu tiên của bệnh Bowen là một phần cơ thể đỏ ửng,sau đó bị chảy nước và lở loét Bệnh đen và rụng móng chân có thể dẫn đến hoại tử,rụng dần từng đốt ngón chân Sau 15 - 20 năm kể từ khi phát hiện, người nhiễm độc

As sẽ chuyển sang ung thư và chết

1.3.2 Chì

1.3.2.1 Khái quát

Chì (Pb) thuộc nhóm IVA trong hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học.Khối lượng nguyên tử của nó là 207,2 Chì có hai trạng thái oxy hóa bền chính làPb(II) và Pb(IV) và có bốn đồng vị là 204Pb, 206Pb, 207Pb và 208Pb Trong môitrường axit nó tồn tại dưới dạng ion Pb2+ trong các hợp chất vô cơ và hữu cơ

Chì có trong tự nhiên dưới dạng khoáng Sunfua Galen, khoáng Cacbonate Cerussite và Sunfat Anglessite Trong đất có một lượng nhỏ chì, sự hoà tan của chìtrong đất tăng lên do quá trình axit hoá trong (đất chua) Chì có khả năng được tích tụtrong cây trồng trong quá trình sinh trưởng và do đó đối với cây lương thực bị nhiễmchì có thể dẫn đến sự ngộ độc do chì

-Ở điều kiện thường, chì bị oxi hóa tạo thành lớp oxit màu xám xanh bao bọctrên bề mặt bảo vệ cho chì không tiếp tục bị oxi hóa nữa

Do E0(Pb2+/ Pb) = - 0,126 (V) nên về nguyên tắc chì tan được trong HCl loãng

và H2SO4 dưới 80% nhưng thực tế chì chỉ tương tác trên bề mặt với dung dịch axit HCl

loãng và axit H2SO4 dưới 80% vì bị bao bọc bởi lớp muối khó tan (PbCl2 và PbSO4).Với dung dịch đậm đặc hơn của các axit đó thì chì có khả năng tạo phức tan.

H2[PbCl4]  PbCl2 + 2HCl

PbSO4 + H2SO4  Pb(HSO4)2

Chì tác dụng với HNO3 ở bất kì nồng độ nào

3Pb + 8HNO3  3Pb(NO3)2 + 2NO + 4H2O

1.3.2.2 Sự phân bố và dạng tồn tại trong đất

Chì là nguyên tố KLN có khả năng linh động kém, có thời gian bán huỷ trongđất từ 800 - 6000 năm Theo thống kê của nhiều tác giả hàm lượng chì trong đất trungbình từ 15 - 25 ppm Ở trong đất, Pb thường nằm ở dạng phức chất bền với các anion(CO32-, Cl-, SO32-, PO43-) Trong môi trường trung tính hoặc kiềm, Pb tạo thành PbCO3hoặc Pb3(PO4)2 ít ảnh hưởng đến cây trồng Theo một số tác giả phản ứng cacbonat hoáhoặc đất trung tính sự ô nhiễm chì được hạn chế Sự tăng độ chua có thể làm tăng độhoà tan của Pb và sự giảm độ chua thường tăng sự tích luỹ của chì do kết tủa Chì bịhấp phụ trao đổi chiếm tỉ lệ nhỏ (<5 %) hàm lượng Pb có trong đất Chì cũng có khảnăng kết hợp với các chất hữu cơ hình thành các chất dễ bay hơi như (CH3)2Pb Trongđất chì có độc tính cao, hạn chế hoạt động của các vi sinh vật và tồn tại khá bền vữngdưới dạng phức hệ với các chất hữu cơ Pb trong đất có khả năng thay thế ion K+ trongcác phức hệ hấp phụ có nguồn gốc hữu cơ hoặc khoáng sét Khả năng hấp thụ chì tăngdần theo thứ tự sau:

Montmorillonit < Axit humic < Kaolinit < Allophane < Ôxit SắtKhả năng hấp phụ Pb tăng dần đến pH mà tại đó hình thành kết tủa Pb(OH)2, sựhoà tan của Pb trong đất tăng lên do quá trình axit hoá trong đất chua

1.3.2.3 Sự ảnh hưởng của Chì trong đất đối với cây trồng và sức khỏe con người

- Đối với cây trồng: Sự dư thừa Pb cũng sẽ gây độc cho cây trồng khi hàm

lượng Pb trong đất quá cao Cây trồng có thể sinh trưởng, phát triển kém, năng suấtthấp, thậm chí cây có thể chết nếu như nồng độ trong đất quá cao

- Đới với con người: Khi ăn phải một lượng Pb từ 25- 30g, nạn nhân thoạt tiên

có thể thấy vị ngọt rồi chát, nghẹn ở cổ, nôn ra chất trắng, đau bụng dữ dội, mạch yếu,

tê chân tay, co giật và tử vong Khi cơ thể tích lũy một lượng chì đáng kể sẽ dần dầnxuất hiện các biểu hiện nhiễm độc như hơi thở hôi, sưng lợi với viền đen ở lợi, davàng, đau bụng dữ dội, táo bón, đau khớp xương, bại liệt chi trên, mạch yếu, nước tiểu

ít, thường gây sảy thai ở phụ nữ mang thai

1.4 Các phương pháp xử lý kim loại nặng trong đất

Việc xử lý đất chứa KLN hết sức phức tạp và thường không triệt để do tínhchất của đất bị thay đổi khi liên kết với KLN Có nhiều phương pháp xử lý đất như: cơhọc, vật lý, hoá học, sinh học… Tuỳ thuộc vào đặc điểm tính chất của từng loại đất màchọn phương pháp cho phù hợp như: rửa đất, bê tông hoá, đào đất bị ô nhiễm chuyểnđến nơi chôn lấp thích hợp, kết tủa hoá học, ôxy hoá khử, phản hấp phụ ở nhiệt độthấp, xử lý nhiệt, trao đổi ion, bốc hơi [3]

1.4.1 Phương pháp cơ học

Trên thực tế, phương pháp này không có khả năng loại bỏ hoàn toàn KLN Tuynhiên, nó làm hạn chế khả năng thấm ngấm của KLN vào hệ thống nước ngầm.Phương pháp chôn lấp tại chỗ được đánh giá là an toàn nhất bằng cách xây đập bê tôngchặn xung quanh Đối với khu vực gần dân cư và đất canh tác thì đất ô nhiễm phảiđược đào và vận chuyển đến nơi chôn lấp tập trung Phương pháp này có nhược điểm

là không những chi phí cao (400.000 USD/0,4 ha), cần diện tích lớn, đất không đượctái sử dụng mà nó còn gây nguy hiểm trong suốt quá trình vận chuyển

- Rửa đất: Phương pháp này được dùng phổ biến ở Đan Mạch, Đức, Hà Lan…Đất được phân loại sau đó được rửa bằng nước có thể bổ sung thêm axit hoặc bazơ.KLN được giải phóng từ bề mặt đất vào nước cùng với các hợp chất hữu cơ cao phân

tử Kỹ thuật này phù hợp để xử lý đất chứa nhiều cát và sỏi Sau xử lý vẫn còn mộtlượng KLN tồn dư trong đất.

- Xử lý nhiệt: Phương pháp này dựa vào phản ứng đốt cháy các hợp chất để tạothành CO2 và nước Đất được đào lên và đốt ở nhiệt độ cao thường từ 6000C - 17000C,KLN sẽ bị tách khỏi liên kết với đất, thu hồi KLN với tro và đem chôn Phương phápnày cũng hữu hiệu trong việc xử lý các KLN dễ bay hơi như Hg

- Cố định các chất ô nhiễm: Phương pháp này dựa vào các phản ứng ôxy hoákhử, phản ứng tạo kết tủa, phản ứng trung hoà, keo tụ hay phân huỷ các chất độc hại

Ví dụ việc sử dụng các hợp chất chelat như: bổ sung photphat vào đất bị ô nhiễm Pbphotphat sẽ liên kết với Pb để chuyển Pb thành dạng kém linh động trơ về mặt hoá họctrong đất Có thể sử dụng thuốc thử Dichloromethane để nhận biết sự kết thúc củaphản ứng hoá học Phương pháp này được dùng để xử lý đất ô nhiễm Na, Al, Znnhưng thường gây ảnh hưởng đến môi trường do lượng thuốc thử dư tồn tại trong đất

Nhìn chung các phương pháp truyền thống trên có hiệu quả xử lý cao nhưngchi phí đầu tư lớn Đất sau xử lý vẫn còn chứa một lượng kim loại nhất định và có thểảnh hưởng tới môi trường Hơn nữa phương pháp này còn tỏ ra kém hiệu quả khi nồng

độ kim loại trong đất thấp và mức độ phân tán của kim loại lớn Trong những trườnghợp này thì sử dụng biện pháp sinh học là một giải pháp tối ưu

1.4.3 Phương pháp sinh học

Xử lý đất chứa KLN bằng biện pháp sinh học đang trở thành một hướng đi đầytriển vọng Phương pháp này dựa trên nguyên tắc sử dụng một số loài vi sinh vật vàthực vật sử dụng kim loại như là thành phần vi lượng trong quá trình phát triển sinhkhối tự nhiên của chúng

từ 459 mg/kg xuống 74 mg/kg Sự hấp phụ sinh học để loại bỏ và thu hồi kim loạicũng đang trở thành một hướng đi đầy tiềm năng Kỹ thuật này sử dụng sinh khối visinh vật đã bị chết hoặc bị bất hoạt có khả năng hấp phụ kim loại lên bề mặt Các cơchế của quá trình này gồm có trao đổi ion, cố định, hấp phụ và bẫy ion vào mạng lướicấu trúc polysaccharide của vi sinh vật Do vi sinh vật có diện tích bề mặt tế bào lớn,chẳng hạn như tảo: Oscillatoria, Anabaena, Eudorina, nấm Aspergillus và vi khuẩnPseudomonas nên có thể hấp phụ một lượng lớn kim loại lên bề mặt của chúng và đạttốc độ xử lý nhanh [1]

Vi khuẩn Pseudomonas aeruginosa PU21 được cố định trong alginat canxi đểtách Pb, Cu, Cd và Hg rất có hiệu quả Một số nhóm vi sinh vật có khả năng tích luỹtốt các kim loại nặng Hiệu quả sử dụng bùn hoạt tính để xử lí kim loại nặng phụ thuộcnhiều vào chính khả năng thích ứng của các vi khuẩn đối với các kim loại này và khảnăng tạo bông của chúng Người ta cho rằng các polyme ngoại bào (bao gồm cácpolysacarit, protein, axit nucleic) đóng vai trò then chốt trong quá trình tạo bông củacác vi khuẩn hiếu khí này Nghiên cứu của Cheng và cs (1975) cho thấy các vi sinhvật trong bùn hoạt tính có khả năng loại 95-97 % Pb, 81-84 % Cu, 74-86 % Cd và 47-

59 % Ni khi nồng độ các kim loại này trong nước thải đạt 2-25 mg/L [1, 12]

1.4.3.2 Xử lý bằng thực vật

Làm sạch đất ô nhiễm là một quá trình đòi hỏi công nghệ phức tạp và vốn đầu

tư cao Hầu hết các phương pháp hoá học hoặc vật lý truyền thống nói trên đều rất tốnkém về kinh phí, giới hạn về kỹ thuật và hạn chế về diện tích Gần đây, nhờ nhữnghiểu biết về cơ chế hấp thụ, chuyển hoá, chống chịu và loại bỏ chất ô nhiễm của một

số loài thực vật, người ta đã bắt đầu chú ý đến khả năng sử dụng thực vật để xử lý môitrường như một công nghệ đặc biệt Thực ra khả năng làm sạch môi trường của thựcvật đã được biết từ thế kỷ XVIII bằng các thí nghiệm của Joseph Priestley, AntoineLavoissier, Karl Scheele và Jan Ingenhousz Tuy nhiên, mãi đến những năm 1990phương pháp này mới được nhắc đến như một loại công nghệ mới dùng đề xử lý môitrường đất và nước bị ô nhiễm 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 Giảipháp công nghệ này bao gồm một số quá trình cơ bản như sau [9]:

- Chuyển hoá chất ô nhiễm (Phyto-transformation): Áp dụng cho nước và đất

bị ô nhiễm bởi các chất thải hữu cơ giàu amoni, phosphat, thuốc trừ cỏ, perclorat Cácloại thực vật dùng cho quá trình này là cây dương, liễu, cỏ linh lăng thực hiện cố địnhcác chất ô nhiễm và biến đổi chúng trong quá trình trao đổi chất của mình

- Xử lý bằng vùng rễ (Rhizosphere remediation): Áp dụng cho đất hoặc bùn

lắng bị ô nhiễm bởi các chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học như BTEX, TPH,PAHs, PCBs và thuốc bảo vệ thực vật Các loài được dùng cho công nghệ này là cỏ có

rễ sợi (cỏ đuôi trâu), cây sản xuất các hợp chất phenol (dâu tằm, táo), thực vật thủysinh Các loài thực vật này tiết ra các chất để kích thích các vi sinh vật vùng rễ nhưnấm men, nấm, vi khuẩn phát triển và phân giải các chất ô nhiễm qua quá trình traođổi chất của chúng

- Công nghệ cố định các chất ô nhiễm (Phytostabilization): Công nghệ này

được áp dụng để xử lý đất ô nhiễm bởi KLN và các chất hữu cơ kị nước bằng cách sửdụng các loài cỏ có rễ sợi, ưa nước ngầm hấp thụ hay hấp phụ các chất ô nhiễm vào rễlàm giảm khả năng di động của chúng trong môi trường

- Công nghệ chiết suất bằng thực vật (Phytoextraction): là quá trình sử dụng

thực vật để hấp thụ các chất ô nhiễm như KLN ở đất vào trong rễ và vận chuyển chúnglên các bộ phận khác của cây Tại đó, chất ô nhiễm được tích lũy và có thể được thuhồi lại sau khi xử lý sinh khối Một số loài thực vật đã được sử dụng cho công nghệnày như cây cải xanh (Brassica juncea), hướng dương (Helianthus spp) dùng để xử lýđất ô nhiễm các KLN (Pb, Ni, Cd, Zn, Cu) ở mức nhẹ

- Công nghệ lọc bằng rễ (Rhizo-filtration): Quá trình này dựa trên khả năng hút

và giữ các chất ô nhiễm bởi hệ rễ của các thực vật thủy sinh để xử lý nước thải có chứaKLN, chất phóng xạ, hợp chất hữu cơ kị nước và chất nổ (RDX)

- Công nghệ bay hơi qua lá cây (Phyto-volatilization): Sử dụng một số loài thực

vật như cây cải xanh (Brassica juncea), một số cây ngập nước để loại bỏ As, Se, Hg,các hợp chất hữu cơ kị nước bay hơi (VOCs) khỏi đất và bùn lắng Thông qua hoạt

động sống của thực vật, các chất ô nhiễm được hấp thụ và biến đổi thành dạng hơi vàthoát ra không khí.

1.5 Xử lý ô nhiễm kim loại nặng trong đất bằng thực vật

1.5.1 Cơ chế hấp thụ kim loại nặng vào thực vật

Các nguyên tố trong dung dịch đất được chuyển từ các lỗ khí trong đất tới bềmặt rễ cây bằng hai con đường chính: sự khuếch tán và dòng chảy khối Sự khuếch tánxảy ra nhằm chống lại sự gia tăng gradien nồng độ bình thường đối với rễ cây bằngcách: hấp thụ các kim loại nặng trong dung dịch đất tại bề mặt tiếp giáp rễ cây – đất.Dòng chảy khối được tạo ra do sự di chuyển của dung dịch đất tới bề mặt rễ cây như làkết quả của quá trình thở của lá Cả hai quá trình này xảy ra không đồng đều nhưngtheo các tốc độ khác nhau tùy thuộc vào nồng độ dung dịch đất Các kim loại nặngtrong đất thường tồn tại ở trạng thái hòa tan, phân ly thành các ion mang điện tíchdương (cation) và ion mang điện tích âm (anion) Các muối kim loại hòa tan trongnước được hấp thụ cùng với dòng nước từ đất vào rễ rồi lên lá Phần lớn các kim loạinặng được hấp thụ vào cây dưới dạng ion thông qua hệ thống rễ Có hai cách hấp thuion vào rễ: hấp thụ chủ động và hấp thụ bị động

 Hấp thụ thụ động

- Các ion của kim loại nặng khuếch tán theo sự chênh lệch nồng độ

- Các độc chất này hòa tan trong nước và vào rễ theo dòng nước

- Các kim loại này hút bám trên các bề mặt keo đất và trên bề mặt rễ trao đổivới nhau khi có tiếp xúc giữa rễ và dung dịch đất, cách này được gọi là hút bám traođổi

 Hấp thụ chủ động

Phần lớn các nguyên tố kim loại được hấp thụ vào cây theo cách chủ động Tínhchủ động được thể hiện ở tính thấm chọn lọc của màng sinh chất và các KLN được vậnchuyển vào rễ ngược với quy luật khuếch tán, vì cách hấp thụ này ngược với gradiennồng độ nên cần thiết phải cung cấp năng lượng, tức là phải có sự tham gia của ATP

và của một chất trung gian, được gọi là chất mang ATP và chất mang được cung cấp

từ quá trình chuyển hóa vật chất (chủ yếu là từ quá trình hôp hấp)

1.5.2 Quá trình xâm nhập kim loại nặng vào trong cây

Quá trình xâm nhập kim loại nặng vào trong cây trải qua 4 giai đoạn sau:

- Giai đoạn 1: Kim loại nặng đi vào vùng tự do của rễ cây

Sự di chuyển của các ion kim loại không bị giới hạn tại bề mặt rễ cây Vùngmàng của tế bào có khả năng dễ dàng cho dung dịch xâm nhập, tại đây các ion dương

có thể khuếch tán tự do hoặc bị bẫy vào những tế bào mang điện âm Kim loại đượcvận chuyển vào khối hình cầu thân rễ - vùng rộng khoảng 1 - 2 mm giữa rễ và vùngđất xung quanh Cơ chế hấp thụ có thể biến đổi với các ion khác nhau, nhưng nhữngion được hấp thụ vào trong rễ bởi cùng một cơ chế sẽ cạnh tranh với nhau, ví dụ như

sự hấp thụ của Zn được hạn chế bởi Cu và H+ nhưng không bị hạn chế bởi Fe và Mn

- Giai đoạn 2: Các kim loại nặng bị hấp thụ trong tế bào có thể bị mất tính linhđộng hay tính độc trong tế bào chất, thông qua quá trình kết hợp tạo phức với các phân

tử hữu cơ hoặc bị sa lắng xuống các khu vực giàu electron

- Giai đoạn 3: Các kim loại ở trong tế bào có thể được chuyển từ tế bào nàysang tế bào khác thông qua con đường hợp sẽ đi vào mao dẫn rễ và đưa tới mầm non

Sự di chuyển của các dung dịch trong mao dẫn rễ là nguyên nhân gây ra cácdòng thở (sự di chuyển khối - dòng chảy khối) Các cation tự do có thể phản ứng vớicác nhóm mang điện âm của thành tế bào mao dẫn rễ, đây chính là lý do làm cản trở sựvận chuyển của kim loại nặng hay làm quá trình trao đổi bị chậm lại Ngoài ra, cácnhóm tạo phức với kim loại tự do như các axit hữu cơ, aminoacid trong mao dẫn rễ sẽlàm giảm mức độ linh động của kim loại nặng và cho phép chúng di chuyển vào cácmầm non

- Giai đoạn 4: Với sự góp mặt của kim loại trong cây làm biến đổi gen và làmmất tính linh động của kim loại trong rễ

Kim loại nặng tích lũy trong rễ chiếm 80 - 90% tổng lượng kim loại hấp thụ.Hầu hết các kim loại được tích lũy trong rễ cây đều ở trong không bào và được liên kếtvào các hợp chất pectin và protein của thành tế bào Ngoài ra một số loài cây có khảnăng tích lũy kim loại nặng ở phần trên của cây

Bảng 1.5 Một số loài thực vật có khả năng tích luỹ kim loại nặng cao

Tên loài

Nồng độ kim loại tíchluỹ trong thân (µg/g trọng lượng khô)

Tác giả và năm công bố

(Nguồn: Barcelos J., and Poschenrieder C., 2003)

1.5.3 Tình hình nghiên cứu kim loại nặng bằng thực vật ở Việt Nam

Kết quả nghiên cứu trong nhiều năm cho thấy, ở Việt Nam, vấn đề ô nhiễmKLN đã và đang xảy ra, nguy cơ con người phải đối mặt với loại ô nhiễm này đã rõ vàmột số loài thực vật có thể đóng vai trò tích cực trong xử lý đã được biết đến

Đối chiếu với các tài liệu đã công bố về hệ thực vật Việt Nam, trong danh sáchcác loài “siêu tích tụ” kim loại đã được công bố trên thế giới thì ở Việt Nam chỉ có thể