Cơ chế làm sạch môi trường nước bằng thực vật

Cơ chế làm môi trường nước thực vật TS Ngô Thụy Diễm Trang Email: ntdtrang@ctu.edu.vn Seminar Khoa MT & TNTN, ĐHCT, 26/5/2014 Nội dung báo cáo Giới thiệu chế làm môi trường thực vật (phytoremediation) Ưu điểm giới hạn phytoremediation Ứng dụng phytoremediation Một số nghiên cứu sử dụng thực vật làm môi trường nước ĐBSCL Làm môi trường thực vật (phytoremediation) Phytoremediation? Thlaspi rotundifolium (L.) GAUDIN, 1829 Alyssum wulfenianum BENTH EX WILLD., 1814 Phyto (Thực vật) Remediation (Phục hồi/làm sạch)  Brooks (New Zealand) (1977): “godfather” phytoremediation  Reeves & Brooks (1983): thực vật siêu tích lũy/hấp thu (hyperaccumulation) vùng hệ sinh thái ô nhiễm quặng mỏ chì – kẽm (Bắc nước Ý)  Năm 1995, Nicks & Chambers trình diễn mô hình mang tính khả thi kinh tế California (phytomining) Các chất ô nhiễm nghiên cứu phương pháp phytoremediation • • • • • Metals (Pb, Zn, Cd, Cu, Ni, Hg), metalloids (As, Sb) Inorganic compounds (NO3- NH4+, PO43-) Radioactive chemical elements (U, Cs, Sr) Petroleum hydrocarbons (BTEX) Pesticides and herbicides (atrazine, bentazone, chlorinated and nitroaromatic compounds) • Explosives (TNT, DNT) • Chlorinated solvents (TCE, PCE) • Industrial organic wastes (PCPs, PAHs), and others Các chế phytoremediation Các hình thức/cơ chế phytoremediation Công nghệ phytoremediation bao gồm hình thức khác nhau, tùy theo tính chất hóa học tính chất chất gây ô nhiễm (nếu trơ, dễ bay chất có khả bị phân hủy bỡi thực vật phân hủy đất) tùy theo đặc tính thực vật: Phytodegradation (Phytotransformation) Phytostabilization (Phytoimmobilization) Phytovolatilization Phytoextraction (Phytoaccumulation, Phytoabsorption Phytosequestration) Phytofiltration Rhizodegradation (Phytostimulation) Các hình thức/cơ chế phytoremediation (tt) 1) Phytodegradation (phân hủy): Các chất ô nhiễm hữu bị phân hủy (chuyển hóa) bị khoáng hóa enzymes chuyên biệt tế bào thực vật: nitroreductases, dehalogenases (phân giải dung môi thuốc trừ sâu gốc Cl) laccases (phân giải anilines) Loài họ liễu (Populus sp.) họ rong xương cá (Myriophyllium spicatum) có hệ thống enzymes 2) Phytostabilization (cố định): Các chất ô nhiễm hữu vô cơ, kết hợp vào lignin thành tế bào rễ vào mùn Kim loại bị kết tủa rễ tiết dịch sau chúng bị giữ lại đất Mục tiêu chế hạn chế di chuyển khuếch tán chất gây ô nhiễm Loài chi Haumaniastrum (họ húng), Eragrostis (họ Hòa thảo), Ascolepis (họ Cói), Lay ơn Alyssum (họ Cải có hoa) ví dụ trồng cho mục đích 3) Phytovolatilization (bay hơi): Một số loài có khả hấp thu bay số kim loại /á kim Một số nguyên tố nhóm IIB, VA VIA bảng tuần hoàn (đặc biệt Hg, Se As) hấp thu rễ, chuyển đổi thành dạng không độc hại, sau thải vào khí Ví dụ: Astragalus bisulcatus (loài có hoa Họ Đậu) Stanleya pinnata (họ Cải có hoa) xử lý Se Loài Nicotiana tabacum (thuốc lá), Liriodendron tulipifera Brassica napus (cải dầu) xử lý Hg Kỹ thuật sử dụng cho hợp chất hữu Các hình thức/cơ chế phytoremediation (tt) 4) Phytoextraction (tách chiết): Rễ hấp thu chất ô nhiễm sau chuyển vị tích lũy phận bên (thân, lá) Cơ chế chủ yếu áp dụng cho việc loại bỏ kim loại (Cd, Ni, Cu, Zn, Pb) hay yếu tố khác (Se, As) hợp chất hữu Elsholtzia splendens, Alyssum bertolonii, Thlaspi caerulescens Pteris vittata biết đến Cu, Ni, Zn/Cd As hyperaccumulators 5) Phytofiltration (lọc): Thực vật hấp thu, tổng hợp và/hoặc kết tủa chất ô nhiễm, đặc biệt kim loại nặng/các yếu tố phóng xạ, từ môi trường nước thông qua hệ thống rễ quan ngập nước khác Các thực vật trồng hệ thống thủy canh, theo nước thải qua "lọc" rễ (Rhizofiltration) Những loài thực vật có diện tích tiếp xúc lớn, loài thủy sinh có khả siêu tích lũy/hấp thu chịu đựng điều kiện chất ô nhiễm cho kết xử lý tốt Loài tiềm năng: Helianthus annus (hướng dương), Brassica juncea (Cải bẹ xanh), Phragmites australis, Fontinalis antipyretica số loài Salix (liễu), Populus, Lemna phân nhánh Callitriche 6) Rhizodegradation (phân giải vùng rễ): Rễ phát triển thúc đẩy gia tăng vi sinh vật vùng rễ (chúng sử dụng dịch tiết chất chuyển hóa nguồn C lượng) Ngoài ra, tiết enzymes phân giải sinh học Việc áp dụng phytostimulation bị giới hạn chất ô nhiễm hữu Các hình thức/cơ chế phytoremediation (tt) Có kỹ thuật/hình thức khác phytoremediation (kết hợp hay biến thể hình thức trên) Bao gồm: a) Rào cản thủy lực: Một số loài lớn, đặc biệt có gốc rễ sâu (Populus sp.), hút nhiều nước ngầm qua trình bốc thoát nước Chất ô nhiễm nước chuyển hóa enzymes bốc với nước đơn giản cô lập mô thực vật b) Thảm thực vật: Các loại thảo mộc, bụi lớn, trồng bãi chôn lấp chất thải, sử dụng để hạn chế xâm nhập nước mưa, lan truyền chất ô nhiễm Rễ tăng thông khí, thúc đẩy phân hủy sinh học, bốc thoát nước Những khó khăn kỹ thuật chất thải hạn chế phát triển rễ c) Đất ngập nước kiến tạo (constructed wetlands): d) Phytodesalination: Kỹ thuật xuất sử dụng halophytes để loại bỏ muối thừa khỏi đất mặn Tiềm Suaeda maritima (Muối biển) Sesuvium portulacastrum (Hải châu) việc loại bỏ tích lũy NaCl từ đất mặn (500kgNaCl/4 tháng) (Ravindran et al 2007) Làm nước đất ngập nước kiến tạo có trồng thực vật Quá trình lý-hóa-sinh học bao gồm lắng tụ, kết tủa, hấp phụ hạt đất, hấp thu thực vật chuyển hóa vi khuẩn,… (Watson et al., 1989; Brix et al., 1993) Xử lý thành công nước thải nông nghiệp (dinh dưỡng, kim loại, As, Se, Bo, thuốc BVTV,…), công nghiệp (kim loại, Se), sinh hoạt (dinh dưỡng, kim loại), bãi rác, quặng mỏ (kim loại), nước ngầm (CHC, kim loại) …vùng ôn & nhiệt đới, quốc gia phát triển phát triển Tóm lại: Chiến lược để tăng cường khả phytomining Sử dụng loại thực vật siêu tích lũy có sinh khối cao (cân nhắc giá trị kinh tế kim loại nặng cho phytomining) Thay đổi công thức phân bón làm tăng sinh khối suất kim loại Sử dụng chelate đất để tăng hấp thu nguyên tố thực vật Lựa chọn giống cụ thể chủng hoang dã có khả hyperaccumulation Sử dụng công nghệ sinh học để đưa gen hyperaccumulation vào thực vật sinh khối cao Một số kết nghiên cứu ĐBSCL A Vai trò Bồn bồn xử lý nước thải cá Tra nuôi thâm canh Lâm Thị Mỹ Nhiên & Ngô Thụy Diễm Trang (2013) Vai trò Bồn bồn xử lý nước thải cá Tra nuôi thâm canh N: 267 g P: 68 g Tích lũy nước N: 9% P: 31% TP lúc kết thúc N: 42 g P: 10 g Cho ăn FCR= 1.27 – 1.62 Cây hấp thu N: 17 % P: 33 % Thức ăn thừa phân cá N: 173 g P: 43 g Tuần hoàn trở lại Hệ thống ĐNN TP lúc bắt đầu N: 38 g P: 3,5 g Lượng P bị loại bỏ không tính trình hấp phụ, hấp thu, kết tủa, N: 82 % P: 70 % >> Bồn bồn đóng vai trò quan trọng việc loại bỏ chất dinh dưỡng cải thiện điều kiện hệ thống xử lý theo thời gian Lâm Thị Mỹ Nhiên & Ngô Thụy Diễm Trang (2013) B Vai trò Ngãi hoa, Rau muống Xà lách xử lý nước thải nuôi cá rô phi thâm canh N: 5.7 P: 1.5 N: 0.2 Accumulated in water P: 0.1 Feeding Recycling Excreted N: 3.2 P: 0.4 >> Cây trồng giúp loại bỏ 6%N 7%P từ thức ăn thêm vào Sediment removed N: 0.04 P: 0.02 Recovered in plants N: 0.4 P: 0.1 Be harvested Unaccounted N: 45% P: 9% C Vai trò Ngãi hoa Huệ nước xử lý nước ao nuôi cá rô phi bán thâm canh VFCW HFCW Aeration pipe Inlet distribution pipe Drainage pipe Fine gravel: Ø 10–20 mm Coarse gravel: Ø 30–50 mm Stones: Ø 50–100 mm Coarse gravel: Ø 30–50 mm Inlet 0.2 m Outlet 0.4 m Outlet 0.3 m 0.1 m 1.25 m 3.70 m 0.6-0.8g/fish Pond: 64m² (40 m³) Flow rate (L/min) Area (m2) HLR (mm/day) Initial stocking: 3000 1500 750 Vertical 1.2 2.6 1.3 0.6 Horizontal 3.1 6.6 3.3 1.6 20-22g/fish 11 kg Tilapia 3.7 kg carp 22 Hàm lượng chất thân Huệ nước (Canna sp.) trồng HT ĐNN NN NĐ xử lý nước ao cá rô phi bán thâm canh Giúp loại bỏ 8,2%N & 7,9%P từ thức ăn thêm vào 23 Konnerup et al., (2011)_Aqua 313: 57-64 Chất lượng nước QCVN 38:2011 (1 mg/L) QCVN 38:2011 (0,02 mg/L) QCVN 38:2011 (5 mg/L) 24 Konnerup et al., (2011)_Aqua 313: 57-64 Sinh khối hấp thu dinh dưỡng số loài nghiên cứu Loài thực vật Ngãi hoa Rau muống Xà lách Bồn bồn Hỗn hợp ngãi hoa Huệ nước Sinh khối thân Lượng dinh dưỡng hấp thu khô (kg/ha/năm) (kg/ha/năm) 24.460 4.890 6.996 114.300 118.500 N 725 511 134 1.235 2.464 P 234 183 37 530 571 D Vai trò Bồn bồn xử lý nước thải sinh hoạt • TN, TP trồng hấp thu (%): GĐ1 (29,1 & 4,6), GĐ2 (36,9 & 7) Trương Thị Phương Thảo & Ngô Thụy Diễm Trang (2013) Vai trò Huệ nước xử lý nước nuôi tôm thẻ chân trắng (đang triển khai) Kết luận - Công nghệ xử lý chất ô nhiễm thực vật (phytoremediation) công nghệ thân thiện với môi trường, dễ thực hiện, … - Loài cây, tuổi cây, điều kiện dinh dưỡng, quần thể vsv rễ, hệ số bốc thoát nước,… yếu tố ảnh hưởng phytoremediation - Triển vọng ứng dụng công nghệ sinh học làm tối ưu khả siêu tích lũy (hyperaccumulation) thực vật - Lưu ý biện pháp giải sinh khối Chân thành cảm ơn! 29 Tài liệu tham khảo Pilon-Smits E., 2005 Phytoremediation Annu Rev Plant Biol, 56:15-39 Lâm Thị Mỹ Nhiên, Ngô Thụy DiễmTrang, 2013 Vai trò Bồn bồn hệ thống đất ngập nước kiến tạo xử lý nước thải ao nuôi cá tra thâm canh tuần hoàn kín Tạp chí Khoa học, trường Đại học Cần Thơ 29a: 31-36 Trương Thị Phương Thảo, Ngô Thụy Diễm Trang, 2013 Ảnh hưởng nồng độ đạm lên sinh trưởng Bồn bồn hệ thống đất ngập nước kiến tạo Tạp chí Khoa học, trường Đại học Cần Thơ 27b: 116-121 Trang, N.T.D., and Brix, H., 2014 Use of planted biofilters in integrated recirculating aquaculture-hydroponics systems in the Mekong Delta, Vietnam Aquaculture Research 45 (3): 460-469 Konnerrup D., N.T.D Trang, H Brix, 2011 Treatment of fishpond water by recirculating horizontal and vertical flow constructed wetlands in the tropics Aquaculture, 313: 57–64 Trang N.T.D., 2009 Plants as bioengineers: treatment of polluted waters in the tropics PhD thesis Aarhus University Denmark Reeves, R.D and Brooks, R.R., 1983 Hyperaccumulation of lead and zinc by two metallophytes from mining areas of central Europe Environmental Pollution, 31: 277-285