Nhiều loài dương xỉ có ý nghĩa về kinh tế như là nguyên liệu làm thuốc, nhiều loài khác được sử dụng làm cảnh, thức ăn,…Ngày nay, với sự tiến bộ của khoa học kĩ thuật, con người đã phá
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT KHOA KHOA HỌC QUẢN LÝ
Tiểu luận môn học
CHỈ THỊ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG
Tên đề tài
SỬ DỤNG LOÀI DƯƠNG XỈ PTERIS VITTATA
ĐỂ XỬ LÝ Ô NHIỄM ASEN TRONG ĐẤT
Bình Dương, ngày 11, tháng 09, năm 2017
Trang 2TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT KHOA KHOA HỌC QUẢN LÝ
Tiểu luận môn học
CHỈ THỊ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG
Tên đề tài
SỬ DỤNG LOÀI DƯƠNG XỈ PTERIS VITTATA
ĐỂ XỬ LÝ Ô NHIỄM ASEN TRONG ĐẤT
GVHD: ThS Bùi Thị Ngọc Bích Lớp: D14QM01
Người thực hiện: Lê Thị Bích Duyên
Bình Dương, ngày 11, tháng 09, năm 2017
Trang 3SỬ DỤNG LOÀI DƯƠNG XỈ PTERIS VITTATA
ĐỂ XỬ LÝ Ô NHIỄM ASEN TRONG ĐẤT
TÓM TẮT
Ngành dương xỉ (Polypodiophyta) là một trong những ngành thực vật đóng vai trò
quan trọng trong quá trình hình thành thảm thực vật dưới tán rừng Nhiều loài dương xỉ có
ý nghĩa về kinh tế như là nguyên liệu làm thuốc, nhiều loài khác được sử dụng làm cảnh, thức ăn,…Ngày nay, với sự tiến bộ của khoa học kĩ thuật, con người đã phát hiện được
loài dương xỉ Pteris vittata là sinh vật chỉ thị tích lũy vì chúng có khả năng hấp thụ kim loại nặng, làm giảm ô nhiễm môi trường ở các khu công nghiệp Dương xỉ Pteris vittata
có khả năng chống chịu khá tốt trong đất có hàm lượng Asen linh động tương ứng lên tới
1500 mg/kg Với nồng độ P bổ sung là 800 mg/kg, N bổ sung là từ 100 – 200 mg/kg và hàm lượng EDTA bổ sung lần lượt từ 1 – 3 và 1 – 2 mmol/kg thì hiệu quả loại bỏ Asen
của Pteris vittata là tốt nhất Ngoài khả năng siêu tích lũy Asen, dương xỉ Pteris vittata có
thể sử dụng cho xử lý Cd, Pb và Zn nếu cùng tồn tại ở hàm lượng thấp trong đất
Từ khóa: sinh vật chỉ thị; tích lũy sinh học; Pteris vittata; kim loại nặng; Ô nhiễm môi
trường; Asen
ABSTRACT
Polypodiophyta is one of the most important plants in the process of forming vegetation under forest canopy Many species of ferns are economically significant as medicinal ingredients, many other species are used as ornamental plants, food,… Today,
with the advancement of science and technology, humans have discovered that Pteris
vittata fern is a bio-accumulator organism because it has the ability to absorb heavy
metals, reducing environmental pollution in industry zones Pteris vittata fern has good
resistance in soil with flexible arsenic content up to 1500 mg/kg With the supplemental phosphorus concentration is 800 mg/kg, the nitrogen is 100 – 200 mg/kg, the EDTA
content is 1 – 3 and 1 – 2 mmol/kg that the arsenic removal by Pteris vittata is best In addition to the super-accumulation of arsenic, Pteris vittata fern can be used for treating
Cd, Pb and Zn if they coexist in low concentrations in the soil
Keywords: bio-indicator, bio-accumulation, Pteris vittata, heavy metal, environmental
pollution
Trang 41 ĐẶT VẤN ĐỀ:
Môi trường bị ô nhiễm do các hoạt động khai khoáng và tuyển quặng đã được nhiều nhà khoa học trên thế giới đặc biệt quan tâm nghiên cứu Hàm lượng Asen (As) bị ô nhiễm ở mức đáng lo ngại ở nhiều vùng khai thác khoáng sản trên thế giới và Việt Nam Nguồn gốc và sự xuất hiện các nguy hại với môi trường sống do khai thác mỏ gây rất phức tạp và kinh phí cho sự phục hồi là rất đắt Vì vậy, giải quyết vấn đề này còn gặp rất nhiều khó khăn Hiện nay, công nghệ sử dụng thực vật được đánh giá là thích hợp nhất cho xử lý ô nhiễm kim loại nặng (KLN) trong đất do giá thành thấp, vận hành đơn giản và thân thiện với môi trường Các nhà khoa học đã phát hiện ra một số nhóm thực vật có khả năng tích luỹ rất nhiều KLN trong cơ thể gọi là cây siêu tích luỹ
Trong quá trình nghiên cứu kĩ thuật xử lý ô nhiễm bằng thực vật, các nhà khoa học đã
khám phá ra rất nhiều loài thực vật có khả năng hút As từ đất Ví dụ, cỏ Agrostis
capillaris L., cỏ Agrostis tenerrima Trin., dương xỉ Pteris vittata L và cây gỗ nhỏ Sarcosphaera coronaria có khả năng tích luỹ As tương ứng là 100, 1000, 27000 và 7000
mg/kg sinh khối khô Trong các loài thực vật siêu tích lũy As, nhiều nhà khoa học đã đặc biệt chú ý đến dương xỉ bởi nhiều nghiên cứu cho thấy loại thực vật này có khả năng
chống chịu và tích lũy As cao Đặc biệt loài dương xỉ Pteris vittata đã được các tác giả
chứng minh là loài siêu tích lũy As Ngoài ra, một vài loài dương xỉ khác cũng được chú ý
là Pteris nervosa, Pteris cretica, P longifolia L., P umbrosa L., P argyraea L., P.
quadriaurita L., P ryiunkensis L., P biaurita.
2 TỔNG QUAN VỀ NGÀNH DƯƠNG XỈ:
- Đặc điểm Ngành Dương xỉ:
Đây là lớp lớn, gồm các dương xỉ trẻ và hầu hết đang sống Đa số là cây thân cỏ, có thân rễ, số ít thân gỗ hoặc thân leo Cây có thể sống trên đất, ở nước hay bị sình trên các cây gỗ lớn khác Lá lớn, ít khi nguyên, đa số bị xẻ thùy lông chim nhiều lần Lá non bao giờ cũng cuộn tròn ở đầu Túi bào tử có vách mỏng gồm một lớp tế bào và thường có vòng cơ Bào tử giống nhau (dương xỉ cạn) hay khác nhau (dương xỉ nước)
- Phân loại Ngành Dương xỉ: gồm những cây có lá lớn trong thành phần thảm thực vật ngày nay Gồm 300 chi và hơn 10.000 loài Sự sắp xếp thành các bậc phân loại của ngành đến nay vẫn chưa thống nhất Takhtajan đã chia ra như sau:
+ Lớp tiền Dương xỉ - Protopteridiopsida Gồm 3 bộ: Protopteridales, Cladoxylales và Zygopteridales
+ Lớp Dương xỉ cổ - Archacopteridopsida Gồm 1 bộ, 1 họ, 3chi Đại diên là chi Archaeopteris
2
Trang 5+ Lớp Lưỡi rắn - Ophioglossopsida Gồm 1 bộ, 1 họ, 2 chi
+ Lớp Toà Sen - Marattiopsida Gồm 2 bộ: Marattiales và Angiopterdales
+ Lớp Dương xỉ - Polypodiopsida gồm 4 bộ Osmundales, Schizaeales, Polypodiales,
Cyatheales Trong đó, Pteris vittata thuộc bộ Polypodiales.
3 SƠ LƯỢC VỀ LOÀI DƯƠNG XỈ PTERIS VITTATA:
Dương xỉ Pteris vittata là một loài thực vật có mạch trong họ Pteridaceae, thuộc bộ
Polypodiales Loài này được Carl Linnaeus miêu tả khoa học đầu tiên năm 1753
- Mô tả: Bụi cao 0,3-1,5 m Thân rễ ngắn, phủ vẩy dài 5 mm, màu hung Lá mọc thành hình hoa thị; cuống cứng, dài 5-30 cm, có rãnh, có vảy ở phần dưới do thứ diệp đáy có tai
và răng, dài đến 15 cm, rộng 8-12 mm, thứ diệp dưới nhỏ và hơi rộng hơn Nang quần ở hai bên bìa không đi đến mũi
- Phân bố: Phân bố rộng rãi ở các vùng nhiệt đới Chúng phát triển trong môi trường
ẩm ướt như các loại dương xỉ khác Cây mọc hoang rất nhiều, nhất là trên các tường nhà
ẩm, trên đất, dựa rạch, khắp nơi từ vùng thấp đến vùng cao 2.000 m Ở Việt Nam, loài này gặp ở nhiều vùng núi thấp và trung bình của gần như cả nước Còn gặp ở nhiều nước nhiệt đới, cận nhiệt đới và ôn đới của châu Phi, châu Á, châu Úc
- Công dụng: Dùng làm nguyên liệu thuốc, làm cảnh trang trí nhà cửa, Pteris vittata
còn có khả năng tích lũy kim loại nặng, đặc biệt là As Nghiên cứu mới đây cho thấy, loài
dương xỉ Pteris vittata không những có khả năng 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 các loài sống được tại các bãi thải nghiên cứu và là các loài thực vật điển hình mà một số nước trên thế giới sử dụng để xử lý ô nhiễm As
4 ỨNG DỤNG CỦA DƯƠNG XỈ PTERIS VITTATA TRONG XỬ LÝ KIM
LOẠI NẶNG:
Dương xỉ Pteris vittata là một loài thực vật chỉ thị siêu tích lũy, chúng mọc rất nhiều
vittata lưu trong lớp lông tơ trên thân cây, cây càng phát triển thì tích lũy As càng lớn.
Theo kết quả nghiên cứu của Bùi Thị Kim Anh (2011) chỉ ra rằng, dương xỉ P.vittata
có thể hấp thu và tích luỹ As trong thân của chúng tương ứng lên đến 5876,5 ± 99,6 mg/kg sinh khối khô Chúng đạt tiêu chí là những loài siêu tích luỹ As Kết quả thu được tương đồng với kết quả nghiên cứu của Ma và cs.; Wei và Chen; Chen và cs và Jirarut Wongkongkatep và cs
Trang 6Bùi Thị Kim Anh còn nghiên cứu về khả năng chống chịu As; khả năng tích lũy As theo thời gian; các yếu tố dinh dưỡng Nitơ, Photpho; pH; EDTA lên hiệu quả sinh trưởng
và tích lũy của dương xỉ P.vittata.
4.1 Khả năng chống chịu và tích luỹ As của P.vittata:
Sau 4 tháng thí nghiệm, P.vittata có khả năng chống chịu với đất có bổ sung As từ 0 đến 1500 mg/kg Kết quả về khả năng chống chịu As của P.vittata ở những nồng độ sau 4
tháng thí nghiệm cây chết cho thấy, nồng độ As càng cao thì thời gian sống của cây càng ngắn
Trong khoảng nồng độ mà cây chống chịu được, sau 4 tháng thí nghiệm P.vittata tích
lũy lượng As từ 307±14,5 đến 6042±101,1 mg/kg trong thân và rễ là từ 131± 16,5 đến 3756± 105,5 mg/kg
4.2 Khả năng tích luỹ As theo thời gian của P.vittata:
Bảng 1 Lượng As được dương xỉ tách ra khỏi đất
Thời gian
(tháng)
Pteris vittata
Sinh khối khô thân, lá
(g)
Lượng As tích lũy trong thân, lá (mg/
kg)
Lượng As tách ra khỏi đất (mg)
Kết quả thu được từ bảng 1 cho thấy từ tháng thứ 3 P.vittata đã loại bỏ được một lượng As lớn hơn rất nhiều so với tháng thứ 2 Ở tháng thứ 3 và thứ 4, cây P.vittata đã
loại bỏ được lượng As ra khỏi đất tương ứng là 9,8 và 15,1 mg
4.3 Ảnh hưởng của các yếu tố dinh dưỡng N, P đến hiệu quả sinh trưởng và tích
lũy As của P.vittata:
4
Trang 7Lượng P bổ sung
vào thí nghiệm
(mg/kg)
Pteris vittata
Sinh khối khô thân, lá (g)
Lượng As tích lũy trong thân, lá (mg/kg)
Lượng As tách ra khỏi đất (mg)
Bảng 2 Lượng As được tách ra khỏi đất nhờ dương xỉ ở các công thức bổ sung P khác nhau
Kết quả trên bảng 2 cho thấy, ở công thức thí nghiệm bổ sung 800 mg P/kg đất, cây
dương xỉ P.vittata có khả năng tăng trưởng tốt nhất (đạt 4,9±0,8 g sinh khối khô) và cũng lượng bổ sung 800 mg P/kg đất cho hiệu quả loại bỏ As ra khỏi đất của cây P.vittata là
cao nhất (đạt 7,6 mg)
Bảng 3 Lượng As được tách ra khỏi đất nhờ dương xỉ trong thí nghiệm ảnh hưởng
của N
Lượng N bổ sung
vào thí nghiệm
(mg/kg)
Pteris vittata
Sinh khối khô thân (g)
Lượng As tích lũy trong thân (mg/kg)
Lượng As tách ra khỏi đất (mg)
Kết quả thu được trên bảng 3.10 cho thấy, khả năng sinh trưởng và tích lũy As của cây chịu ảnh hưởng tích cực của hàm lượng N Hiệu quả loại bỏ As của cây dương xỉ
P.vittata cao nhất là khi bổ sung từ 100 – 200 mg N /kg đất.
Trang 84.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của pH lên sinh trưởng và tích lũy As của P Vittata:
Bảng 4 Hiệu quả loại bỏ As ra khỏi đất nhờ dương xỉ trong thí nghiệm ảnh hưởng
của pH
Chỉ
số pH
đất
Pteris vittata
Sinh khối khô thân, lá (g)
Lượng As tích lũy trong thân, lá (mg/kg)
Lượng As tách ra khỏi đất (mg)
P vittata thích hợp với điều kiện pH từ trung tính đến kiềm nên khả năng loại bỏ As ở
khoảng pH này là rất cao Ở pH 7,2 hiệu quả loại bỏ As là 13,8 mg còn pH 9,0 thì cây loại bỏ được 9,3 mg As Từ đây ta thấy đất ô nhiễm kim loại nặng có tính kiềm nên sử
dụng P.vittata.
4.5 Ảnh hưởng của EDTA lên sinh trưởng và tích luỹ As của P.vittata:
EDTA là một chất tạo phức thường được sử dụng để cô lập ion kim loại có hóa trị II
và III, tất cả các phức của ion kim loại và phi kim với EDTA đều tan tốt trong dung dịch
Các kết quả thu được là một trong những thông số quan trọng để tìm hiểu về khả năng chuyển hóa của As trong đất dưới ảnh hưởng của EDTA EDTA bổ sung từ 1-3 mmol/kg là công thức tốt nhất để làm tăng khả năng hòa tan As trong đất và lượng này cũng rất phù hợp cho cây hấp thu cao Cd, Pb và Zn
5 CÁC NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG LOÀI DƯƠNG XỈ P VITTATA LÀM SINH
VẬT TÍCH LŨY KIM LOẠI NẶNG:
5.1 Các nghiên cứu trong nước:
- Năm 2010, Trần Văn Tựa và cộng sự đã nghiên cứu khả năng chống chịu và hấp thu
Pb, Zn của dương xỉ P.vittata Qua nghiên cứu cho thấy được, P.vittata có khả năng
chống chịu Pb trong đất đến nồng độ 3000 mg/kg đất, trong đó khả năng hấp thu và tích
luỹ Pb tốt nhất ở nồng độ < 1000 mg/kg đất Đối với thí nghiệm chống chịu Zn, P.vittata
có khả năng chống chịu đến đến nồng độ 1500 mg Zn/kg đất, khả năng hấp thu và tích luỹ
Zn tốt nhất ở nồng độ 300 mg/kg Khả năng tích lũy Pb, Zn đều giảm theo thời gian, tuy nhiên hiệu quả loại bỏ Pb, Zn lại tăng do sinh khối tăng
- Năm 2011, Đặng Văn Minh và Nguyễn Duy Hải đã nghiên cứu khả năng sinh trưởng
và hấp thu kim loại nặng của cây cỏ vetiver, dương xỉ và sậy trên đất sau khai thác thiếc
6
Trang 9tại huyện Đại Từ, tỉnh Thái Nguyên Qua nghiên cứu cho thấy cả 3 loại cây nghiên cứu đều sinh trưởng tốt trên đất nghèo kiệt và bị ô nhiễm kim loại nặng do hoạt động khai thác thiếc Trong đó cỏ vetiver và cây sậy sinh trưởng tốt hơn trên loại đất này do khả năng phát triển của bộ rễ tốt hơn Hàm lượng kim loại nặng tích lũy trong các bộ phận thân lá
và rễ của cả 3 loại cây này đều cao
- Năm 2014, Nguyễn Thị Thúy đã nghiên cứu sử dụng mối quan hệ cộng sinh
giữa dương xỉ và nấm rễ cộng sinh (AMF) để xử lý ô nhiễm kim loại nặng trong đất tại thôn Đông Mai, xã Chỉ Đạo, huyện Văn Lâm, tỉnh Hưng Yên Qua nghiên cứu cho thấy khả năng xâm nhiễm của nấm rễ vào trong rễ cây dương xỉ ở các công thức có bón chế phẩm có sự khác nhau, dao động từ mức trung bình đến mạnh Nhìn chung sau 40 ngày thí nghiệm, chế phẩm nấm rễ có ảnh hưởng tích cực tới sự sinh trưởng phát triển, cũng như tác dụng kích thích sự hấp thu Pb trong các bộ phận của cây dương xỉ Với công thức bổ sung sung 80g chế phẩm Mycoroot /cây cho mức sinh khối lớn nhất đạt được là 55,98g thân lá + 40,66g rễ và hàm lượng Pb được lấy đi khỏi đất là lớn nhất 7,27 mgPb/chậu
- Năm 2010, Bùi Thị Kim Anh và cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của N, P lên khả
năng sinh trưởng và tích lũy asen của loài dương xỉ Pteris vittata L Kết quả nghiên cứu cho thấy hàm lượng As tích luỹ ở phần trên mặt đất của Pteris vittata luôn cao hơn nhiều
so với phần rễ Đây là một ưu điểm rất lớn của loài dương xỉ này khi ứng dụng vào xử lí
môi trường Khả năng sinh trưởng và tích lũy As của Pteris vittata chịu ảnh hưởng tích
cực của hàm lượng P và N cho vào thí nghiệm, khi bổ sung lượng P ≤ 400 ppm và lượng
N > 200 ppm thì hàm lượng As tích lũy trong cây có sự thay đổi so với đối chứng nhưng
không đáng kể Sự sinh trưởng và tích lũy As của cây dương xỉ P.vittata cao nhất là khi
bổ sung N ở nồng độ từ 100 ppm – 200 ppm và P bổ sung ở nồng độ 800 ppm
- Năm 2014, Đặng Văn Minh và Nguyễn Duy Hải đã nghiên cứu biện pháp xử lý sinh khối cây dương xỉ và vetiver hấp phụ kim loại nặng sau khi trồng trên đất sau khai khoáng Qua nghiên cứu cho thấy sinh khối tươi của dương xỉ và vetiver được thu gom và phơi khô, sau khi được tro hóa tiếp tục xử lý với vôi nhằm giảm hàm lượng KLN di động Kết quả tro hóa cho thấy sau khi tro hóa sinh khối của cây giảm đi đáng kể, chỉ còn 5– 6%
so với ban đầu Hàm lượng KLN tổng số trong tro trước và sau thí nghiệm không thay đổi nhiều Tuy nhiên hàm lượng KLN di động trong tro sau khi xử lý với vôi đã có sự thay đổi rõ rệt Điều này rất có ý nghĩa trong việc hạn chế tác hại của KLN trong môi trường đất
5.2 Các nghiên cứu nước ngoài:
- Năm 2002, Shu,W S và cộng sự đã nghiên cứu Sử dụng cỏ vetiver và ba loại cỏ
Trang 10thử nghiệm 1 ha đất được trồng 30 tấn hạt Pteris vittata Các nhà khoa học Trung Quốc
đã dần dần hoàn thiện kỹ thuật trồng cây dương xỉ (Pteris vittata L.) và vetiver để xử lý
các nguyên tố kim loại nặng trong đất như thạch tín, đồng, kẽm… Với kỹ thuật này, họ hy vọng có thể giải quyết về cơ bản vấn đề ô nhiễm kim loại nặng ở vùng hạ du của Trung Quốc do quá trình khai khoáng gây nên
6 KẾT LUẬN:
Các nhà khoa học đang hướng đến việc sử dụng đặc điểm tích lũy kim loại nặng của một số loài cây để cải tạo môi trường sống Cục môi trường châu Âu đã so sánh hiệu quả kinh tế của các phương pháp truyền thống xử lý kim loại nặng trong đất và phương pháp
sử dụng thực vật tại 1,4 triệu vị trí ô nhiễm Kết quả cho thấy, việc dùng cây hút độc tiết kiệm hơn 1000 lần Ngoài ra, khi thu hoạch các loài thực vật này, người ta có thể lấy được các loại kim loại quý như nicken, vàng và đây cũng là một nguồn lợi kinh tế không nhỏ
Ứng dụng loài dương xỉ Pteris vittata để xử lý As trong đất là một công nghệ xử lý
bằng thực vật rất mới và sáng tạo Đây là biện pháp đơn giản, dễ làm, rất kinh tế, hiệu quả, sử dụng cây xanh một cách tự nhiên Để sử dụng loài dương xỉ này hiệu cách hiệu quả nhất chúng ta cần tiếp tục nghiên cứu chi tiết, cụ thể quy trình công nghệ sử dụng dương xỉ để xử lý ô nhiễm As trong đất ở một số vùng khai thác khoáng sản cũng như các vùng bị nhiễm kim loại nặng của Việt Nam
8