Nghiên cứu khả năng hấp thụ cu, zn, pb từ đất của một số loại thực vật

Luận văn, thạc sỹ, tiến sĩ, cao học, kinh tế, nông nghiệp

bộ giáo dục và đào tạo trường đạI học nông nghiệp I

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan rằng các số liệu và kết quả trình bày trong luận văn

là trung thực và ch−a hề đ−ợc sử dụng để bảo vệ một học vị nào

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ trong việc thực hiện luận văn này đ1 đ−ợc cám ơn và thông tin trích dẫn trong luận văn đều đ1 đ−ợc chỉ

rõ nguồn gốc

Tác giả

Nguyễn Đức Thọ

Lời cảm ơn

Để hoàn thành đề tài này, ngoài sự cố gắng của bản thân, tác giả luôn nhận được sự quan tâm sâu sắc, tận tình và chu đáo của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Hữu Thành Xin gửi thầy lời biết ơn sâu sắc và kính trọng!

Xin chân thành cám ơn tập thể cán bộ của phòng JICA - Trường đại học nông nghiệp I Hà Nội, đ1 nhiệt tình giúp đỡ chúng tôi trong thời gian thực tập

và hoàn thành đề tài

Xin chân thành cảm ơn tới đồng chí trưởng thôn Đông Mai, các đồng chí l1nh đạo UBND x1 Chỉ Đạo, huyện Văn Lâm, tỉnh Hưng Yên đ1 giúp tôi trong quá trình thu thập số liệu và thực hiện thí nghiệm tại địa phương

Trong thời gian thực hiện đề tài, tác giả đ1 rất cố gắng song không thể tránh khỏi thiếu sót, rất mong được sự đóng góp quý báu của các thầy, cô giáo, cùng các bạn đồng nghiệp

Tác giả

Mục lục

Trang

2.1 Những nghiên cứu về ô nhiễm kim loại nặng trong đất 32.2 Một số phương pháp chính xử lý ô nhiễm kim loại nặng trong đất 72.3 Một số kết quả nghiên cứu khả năng hút kim loại nặng của

4.1 Kết quả điều tra đất và thực vật vùng ô nhiễm thôn Đông Mai,

4.2 Đặc điểm thực vật học của thực vật nghiên cứu 41

4.2.2 Đặc điểm thực vật học của cây Đơn Buốt 43

4.2.4 Đặc điểm thực vật học cây Rau Muống 454.3 Kết quả thí nghiệm về khả năng hút Cu, Zn, Pb của các thực

4.3.2 Thí nghiệm đồng ruộng tại vùng đất ô nhiễm thôn Đông Mai

Danh môc ch÷ viÕt t¾t

danh mục bảng

2.1 Hàm lượng kim loại nặng trong đất nông nghiệp ở một số

2.2 Hàm lượng kim loại nặng trong đất tại khu vực Công ty pin

2.3 Hàm lượng Pb trong rễ và chồi trong cây cải và một số loài

2.4 Khả năng chống chịu của vetiver với kim loại nặng 212.5 Hiệu quả xử lý nước thải của cỏ Vertiver 222.6 Một số loài cây cho sinh khối cao được ứng dụng trong xử

2.7 Các cây trồng có khả năng tích luỹ cao kim loại nặng 26

4.1 Một số tính chất hóa học của đất nghiên cứu 384.2 Hàm lượng Cu, Zn, Pb tổng số trong thân lá thực vật 40

4.3 Khả năng hấp thụ Cu, Zn, Pb của Đơn Buốt 474.4 Khả năng hấp thụ Cu, Zn, Pb của Dừa Nước 48 4.5 Khả năng hấp thụ Cu, Zn, Pb của Mương Đứng 494.6 Khả năng hấp thụ Cu, Zn, Pb của Rau Muống 504.7 Khối lượng Cu, Zn, Pb cây tích lũy và giảm đi trong đất 52

4.8 Khả năng hấp thụ Cu, Zn, Pb của Đơn Buốt 534.9 Khả năng hấp thụ Cu, Zn, Pb của Đơn Buốt 554.10 Khả năng hấp thụ Cu, Zn, Pb của Dừa Nước 564.11 Khả năng hấp thụ Cu, Zn Pb của Dừa Nước 58

4.12 Kh¶ n¨ng hót Cu, Zn, Pb cña M−¬ng §øng 594.13 Kh¶ n¨ng hÊp thô Cu, Zn, Pb cña M−¬ng §øng 604.14 Kh¶ n¨ng hÊp thô Cu, Zn, Pb cña Rau Muèng 614.15 Kh¶ n¨ng hÊp thô Cu, Zn, Pb cña Rau Muèng 62

danh mục ảnh

4.1 Nguồn chất thải chính gây ô nhiễm KLN trong đất tại thôn

Đông Mai, x1 Chỉ Đạo huyện Văn Lâm, tỉnh Hưng Yên 394.2 Điều tra thu thập mẫu tại vùng đất ô nhiễm tại thôn Đông Mai,

4.3 Cây Dừa Nước chụp tại ô thí nghiệm vùng đất ô nhiễm tại thôn

Đông Mai, x1 Chỉ Đạo, huyện Văn Lâm, tỉnh Hưng Yên 424.4 Cây Đơn Buốt chụp tại ô thí nghiệm vùng đất ô nhiễm tai

thôn Đông Mai, x1 Chỉ Đạo, huyện Văn Lâm, tỉnh Hưng Yên 434.5 Cây Mương Đứng chụp tại ô thí nghiệm vùng đất ô nhiễm tại

thôn Đông Mai, x1 Chỉ Đạo, huyện Văn Lâm, tỉnh Hưng Yên 444.6 Cây Rau Muống chụp tại ô thí nghiệm vùng đất ô nhiễm tại

thôn Đông Mai, x1 Chỉ Đạo, huyện Văn Lâm, tỉnh Hưng Yên 46

1 Mở đầu

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh của công nghiệp, tốc độ đô thị hóa diễn ra ngày càng nhanh, vấn đề ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng, nguyên nhân là do khí thải từ các nhà máy, các xe cơ giới làm ô nhiễm bầu không khí Chất thải từ các nhà máy và khu dân cư đô thị làm ô nhiễm nguồn nước, không khí Khi nước bị ô nhiễm thì đất cũng bị ô nhiễm theo

Ô nhiễm đất còn dẫn đến môi trường khác như nước ngầm, nước mặt, không khí cũng bị ô nhiễm Chất ô nhiễm có thể hoà tan, thấm xuống nước ngầm, hoặc có thể bị dòng nước di chuyển đi nơi khác tạo nên sự ô nhiễm nước trên mặt đất Gió thổi có thể chuyển chất ô nhiễm đi xa làm cho diện tích

ô nhiễm mở rộng hơn Bởi vậy, khi ô nhiễm đất cũng có thể trở thành nguồn gây ô nhiễm đối với nước và không khí

Có hai cách chính để giải quyết vấn đề ô nhiễm, đó là ngăn chặn xảy ra

ô nhiễm mới, phục hồi đất và nước đ1 bị ô nhiễm Việc phục hồi đất bị ô nhiễm nói chung, ô nhiễm kim loại nặng nói riêng có thể bằng nhiều biện pháp, trong đó biện pháp sinh học (Bioremediation) đang là một kỹ thuật đầy triển vọng Sử dụng các loài vi sinh vật và thực vật có khả năng hấp thụ kim loại nặng để xử lý phục hồi đất bị ô nhiễm đang là một xu hướng phổ biến

được ứng dụng nhiều trên thế giới, thu hút sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học, tuy nhiên vấn đề này ở Việt Nam vẫn còn rất mới

Phương pháp xử lý đất ô nhiễm kim loại nặng bằng biện pháp thực vật quan trọng nhất là việc tìm ra các loại thực vật có khả năng thích ứng cao với môi trường ô nhiễm kim loại nặng, tích lũy cao các kim loại nặng trong cây, sinh khối lớn, dễ thu hoạch

Xuất phát từ thực tế này, để góp phần tìm kiếm, xác định các loài thực vật

có khả năng tích lũy KLN đồng thời góp phần giải quyết vấn đề ô nhiễm kim loại nặng trong đất, chúng tôi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu khả năng hấp thụ

Cu, Zn, Pb từ đất của một số loại thực vật”

1.2 Mục đích, yêu cầu và ý nghĩa của đề tài

1.2.1 Mục đích của đề tài

Trên cơ sở nghiên cứu khả năng hấp thụ Cu, Zn, Pb của một số loại thực vật, đề xuất thực vật đ−ợc lựa chọn cho mục đích xử lý đất bị ô nhiễm kim loại nặng

1.2.2 Yêu cầu

- Xác định hàm l−ợng Cu, Zn, Pb cây hút đ−ợc từ đất

1.2.3 ý nghĩa của đề tài

- Đề xuất biện pháp xử lý đất bị ô nhiễm Cu, Pb, Zn bằng thực vật

2 Tổng quan tài liệu nghiên cứu

2.1 Những nghiên cứu về ô nhiễm kim loại nặng trong đất

2.1.1 Ô nhiễm kim loại nặng trên thế giới

Kim loại nặng (KLN) có sẵn trong tự nhiên, trong các khoáng chất và

đất Trong đất kim loại nặng tồn tại ở nhiều dạng khác nhau, tuy nhiên phần lớn là ở dạng tinh thể hoặc ở dạng khó hòa tan Các dạng này chủ yếu là dạng cấu thành hoặc thế chỗ các nguyên tố trong đá và khoáng chất Chúng có thể tồn tại ở dạng trao đổi, liên kết với hợp chất hữu cơ, liên kết với gốc cacbonat, với oxit sắt, oxit man gan

Nguyên nhân dẫn tới ô nhiễm các KLN trong môi trường chủ yếu là từ các hoạt động sản xuất của con người (hoạt động công nghiệp khai khoáng, nông nghiệp, phế thải sinh hoạt, rác thải) Campbell cùng các cộng sự (1983)[4] (dẫn qua Lê Đức) so sánh lượng KLN bị phát tán bởi tự nhiên và hoạt động sản xuất của con người vào không khí cho thấy tốc độ phát tán bởi con người lớn hơn các quá trình tự nhiên 15 lần đối với Cd, 100 lần đối với Pb,

13 lần đối với Cu và 21 lần đối với Zn

Công trình nghiên cứu của Kabata và Henryk (1985)[40] tại Anh, hàm lượng Cd trong lớp đất mặt xung quanh vùng khai thác mỏ Zn từ 2 – 336 mg/kg, năm 1993 có khoảng 200.000 ha đất bị ô nhiễm KLN ở Mỹ, những vùng đất gần các nhà máy chế biến kim loại, hàm lượng Cd rất lớn: 26 - 1500 mg/kg ở một số nước như: Đan Mạch, Nhật, Anh, Ailen, hàm lượng Pb cao hơn 100mg/kg, phản ánh tình trạng ô nhiễm Pb, trong khi đó lại thấp ở Alaska, chỉ khoảng 20mg/kg Pb trên lớp đất mặt Vùng Katoviso - BaLan [18] (dẫn qua

Đặng Đình Kim) có 70% diện tích đất là vùng độc hại cho sức khoẻ, KLN quyết định chính về tính độc hại này Khi phân tích cà rốt, cần tây, củ cải đường

Mnatsakanian các con sông tại đây có nồng độ Cu, Zn cao hơn 165 lần và 140 lần nồng độ cho phép

Quá trình đốt cháy nhiên liệu hoá thạch đ1 đưa vào môi trường bụi khói

có chứa nhiều KLN, theo ước tính hàm lượng Pb chứa trong nhiên liệu lên đến 0,4g/l Hàng năm, việc phát tán Pb do con người gây ra khoảng trên 450.000 tấn, 61% trong số này là do đốt cháy nhiên liệu động cơ Trong nước biển Địa Trung Hải lượng Pb là 7,2àg/l và trong trầm tích có khoảng 9 - 300àg/l Đối với các sinh vật thuỷ sinh ở Địa Trung Hải cá chứa Pb với hàm lượng thấp nhất 1,5 - 1,8àg/g khô và cao nhất là ở trai lên đến 480àg/g khô Pb còn được phát tán tự nhiên vào khí quyển do quá trình xói mòn đất và hoạt động của núi lửa với khoảng 25.000 tấn/năm [12] (dẫn qua Đinh Thị Thu Hằng)

2.1.2 Ô nhiễm kim loại nặng ở Việt Nam

Hiện nay, ở nước ta các nhà khoa học cũng đang rất quan tâm đến vấn

đề ô nhiễm KLN, đặc biệt là trong môi trường đất Những nghiên cứu bước

đầu đ1 chỉ ra rằng hàm lượng các nguyên tố KLN (Cu, Pb, Zn, Cd…) trong

đất phụ thuộc rất nhiều vào nguồn gốc đá mẹ và mẫu chất hình thành nên các loại đất đó Ngoài ra hàm lượng KLN được đưa vào môi trường bởi các hoạt

động của con người cũng chiếm tỷ lệ khá lớn, đặc biệt là từ các làng nghề truyền thống

Các nhà nghiên cứu Trần Công Tấu và Trần Công Khánh (1998)[24] khi nghiên cứu KLN dạng tổng số và di động ở tầng đất mặt 0 - 20 cm trên một số loại đất đ1 chỉ ra 7 độc tố (Co, Cr, Fe, Mn, Ni, Pb, Zn) tập trung chủ yếu ở hai loại đất: đất phù sa thuộc vùng đồng bằng sông Hồng và đồng bằng sông Cửu Long

Kết quả nghiên cứu của tác giả Lê Đức (1998)[4] đ1 chỉ ra rằng hàm lượng KLN trong các loại đất khác nhau có giá trị thành phần nguyên tố khác nhau và phụ thuộc vào nguồn gốc đá mẹ Trong đất Ferasols phát triển trên đá

vôi hàm lượng các nguyên tố Cu, Mn, Mo tương ứng đạt: 52 ± 3mg/kg,

827 ± 18mg/kg, 2,51 ± 0.09mg/kg Trên đất Ferasols có nguồn gốc từ đá Gnai thì hàm lượng Cu và Mn có xu hướng ít hơn, tương ứng hàm lượng các nguyên

tố này trong đất là 28 ± 1mg/kg và 758 ± 11mg/kg

Kết luận tương tự cũng được Hồ Thị Lam Trà và Kazuhiko Egashira (2001)[53] đưa ra khi nghiên cứu hàm lượng các nguyên tố KLN của nhiều loại đất khác nhau (bảng 2.1) Trong đá vôi có hàm lượng Cu và Zn khá cao (106mg/kg và 153 mg/kg) nhưng lại thấp ở đá cát (16mg/kg và 32mg/kg) Hàm lượng Pb ở mức trung bình trong các loại đá và đất trên, còn Cd lại có hàm lượng khá thấp

Bảng 2.1 Hàm lượng kim loại nặng trong đất nông nghiệp

ở một số vùng của Việt Nam

Kết quả nghiên cứu của Lê Văn Khoa và các cộng sự (1998)[16] ở khu vực Công ty pin Văn Điển và Công ty Orion Hanel (bảng 2.2) cho thấy: đất gần khu vực công ty pin Văn Điển có hàm l−ợng Zn cao hơn hàm l−ợng tối đa gây độc cho thực vật ở đất nông nghiệp, theo tiêu chuẩn của Anh từ 1,33 - 1,79 lần

Bảng 2.2 Hàm l−ợng kim loại nặng trong đất tại khu vực Công ty pin Văn Điển và Orion Hanel

Khi nghiên cứu đất ở làng nghề đúc nhôm, đồng tại Văn Môn - Yên Phong - Bắc Ninh, tác giả Phạm Quang Hà cùng cộng sự (2000)[8] đ1 nhận thấy hàm l−ợng KLN trong đất nông nghiệp của làng nghề này khá cao: trung bình hàm l−ợng Cd là 1 mg/kg (dao động từ 0,3 - 3,1mg/kg); Cu là 41,4 mg/kg (dao động từ 20 - 216,7 mg/kg); Pb là 39,7 mg/kg (dao động từ 20,1- 143,1 mg/kg ) và Zn là 100,3 mg/kg (dao động từ 33,7 - 887,4 mg/kg )

Các tác giả Hồ Thị Lam Trà và Kazuhiko Egashira (2000)[52] khi nghiên cứu hàm l−ợng một số KLN trong đất nông nghiệp của các huyện

Từ Liêm và Thanh Trì - Hà Nội cho thấy hàm lượng các KLN dao động trong khoảng: 0,16 - 0,36 mg/kg Cd; 40,1 - 73,2 mg/kg Cu; 3,19 - 5 mg/kg Pb; 98,2 -1 37,2 mg/kg Zn Nói chung đất nông nghiệp của hai huyện này chưa bị ô nhiễm KLN (theo TCVN 1995) trừ Cu Tại vùng đất chuyên trồng rau của Tây Tựu - Từ Liêm – Hà Nội, hàm lượng Cu đ1 cao hơn từ 20 - 30 mg/kg so với

đất khác (73,2 mg/kg )

Tác giả Hồ Thị Lam Trà và Nguyễn Hữu Thành (2003) [28] khi nghiên cứu hàm lượng Cu, Zn, Ni (tổng số và di động) trong đất nông nghiệp của huyện Văn Lâm - Hưng Yên cũng cho thấy: hàm lượng tổng số của Cu dao động từ 21,85 - 149,34 mg/kg; Zn từ 59,45 - 188,65 mg/kg và

Ni từ 27,38 -55,71 mg/kg Trong 15 mẫu đất nghiên cứu có hai mẫu bị ô nhiễm Cu, các tác giả cũng cảnh báo về nguy cơ ô nhiễm Zn, chưa tìm thấy

sự ô nhiễm và tích luỹ Ni

Các tác giả Lê Đức và Lê Văn Khoa (2001) [6] tiến hành phân tích một

số mẫu đất ở làng nghề tái chế đồng thuộc x1 Đại Đồng - Văn Lâm - Hưng Yên cho thấy: hàm lượng Cu từ 43,68 - 69,68 mg/kg ; Pb từ 147,06 – 661 mg/kg; Zn từ 23,6 - 62,3 mg/kg (thuộc loại đất có hàm lượng Zn di động cao) Tại đây trong số 9 mẫu nước phân tích Pb có 7 mẫu vượt quá giới hạn cho phép dùng cho nước sinh hoạt (0,05mg/l) từ 0,07 - 10,83ppm chiếm 77,78%; 5 mẫu vượt quá giá trị giới hạn nước dùng cho các mục đích khác (0,1mg/l), môi trường bị ô nhiễm đ1 ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất cây trồng và đặc biệt là

đến sức khoẻ của người dân trong x1

2.2 Một số phương pháp chính xử lý ô nhiễm kim loại nặng trong đất 2.2.1 Phương pháp cách ly và cố định

Kỹ thuật cách ly có mục đích để tránh sự vận chuyển các chất nhiễm bẩn từ khu vực này sang khu vực khác Các chất nhiễm bẩn được chuyển đến khu cách ly riêng, dành cho mục đích xử lý

Kỹ thuật cố định được sử dụng rộng r1i trên nhiều nước Kỹ thuật này bao gồm các phản ứng hoá học để giảm khả năng linh động của chất nhiễm bẩn Các dung dịch như: polymer, pozzolans, bitumen, bụi và xi măng được dùng để gom toàn bộ các chất nhiễm bẩn trong đất

Thuỷ tinh hoá cũng là một quá trình đóng rắn - ổn định chất nhiễm bẩn,

kỹ thuật yêu cầu sử dụng nhiệt Thuỷ tinh hoá bao gồm việc nhúng điện cực vào trong đất, điện cực này có thể mang điện và sau đó đông cứng lại Kỹ thuật xử

lý này có thể áp dụng trên diện rộng đối với các khu đất bị nhiễm bẩn As, Pb và

Cr Hỗn hợp rác thải nguy hại cũng có thể được xử lý bằng kỹ thuật này

2.2.2 Phương pháp xử lý hoá học

Cơ chế của phương pháp này là khử, cũng như ôxi hoá để loại bỏ độc tính hoặc làm giảm khả năng linh động của các kim loại Phương pháp này thường được sử dụng đối với xử lý nước thải Các phản ứng ôxi hoá làm giảm

độc tính, kết tủa hoặc hoà tan kim loại bao gồm bổ sung một số hoá chất như KMnO4, H2O2, HClO4, hoặc khử Cl Cần điều chỉnh pH về trạng thái trung tính khi pH đất có tính chua hoặc kiềm Phản ứng khử xảy ra khi bổ sung thêm một số kim loại kiềm, SO2, hoặc muối sunphat của Fe, Al Một vài trường hợp xử lý hoá học có thể được dùng để tiền xử lý trước khi đóng rắn hoặc các phương pháp xử lý khác

2.2.3 Phương pháp phân tách nhiệt

Quá trình phân tách nhiệt sử dụng lò nung nhiệt độ cao để hoá hơi các kim loại trong đất bị ô nhiễm Nhiệt độ từ 200 - 7000C được sử dụng để làm bay hơi các chất nhiễm bẩn Sau khi hoá hơi, các kim loại được tái sử dụng hoặc cố định Phương pháp này phù hợp với xử lý các khu vực ô nhiễm đất do

Hg vì Hg dễ dàng bị hoá hơi tại nhiệt độ cao Các kim loại khác như: Pb, As,

Cd, Cr có thể tiến hành tiền xử lý để giảm hoặc thay đổi tính chất hoá học trợ giúp cho việc tuyển chọn Phương pháp xử lý này thường được áp dụng đối với

các khu vực ô nhiễm có hàm lượng lớn và khả năng di động của các kim loại không cao

2.2.4 Phương pháp xử lý bằng kỹ thuật điện động

Xử lý bằng kỹ thuật điện động là kỹ thuật sử dụng một dòng điện xoay chiều có cường độ dòng điện thấp chạy qua hai cột anốt và katốt được nhúng trong đất bị nhiễm bẩn Các ion và các hạt mang điện di chuyển giữa hai điện cực Những anion di chuyển về phía điện cực dương (anốt) và các cation di chuyển về phía điện cực âm (katốt) Quy trình này có thể sử dụng tại các địa

điểm bị nhiễm bẩn hoặc vận chuyển tới nơi xử lý chuyên dụng Các ion kim loại có thể hoà tan và liên kết với các thành phần của đất như: ôxit, hyđroxit, cacbonat và được loại bỏ Các thành phần không tồn tại dưới dạng ion cũng có thể được vận chuyển theo dòng chảy Phương pháp này có hiệu quả đối với các loại đất giàu thành phần sét và khả năng thấm thấp Phương pháp này chủ yếu được áp dụng đối với các khu vực đất b1o hoà nước với tốc độ độ dòng chảy của nước ngầm thấp ở nhiều nước, phương pháp này đ1 được sử dụng để

xử lý các khu đất bị nhiễm bẩn Cu, Zn, Pb, As, Cd, Cr và Ni

2.2.6 Phương pháp xử lý tại chỗ (rửa đất)

Các dung dịch chiết rút được chảy từ từ qua đất, các chất bẩn bị hoà tan

và rửa khỏi đất Nếu khả năng thấm của đất lớn (>10-3cm/s) sẽ cho hiệu quả

xử lý cao Khả năng hoà tan các chất ô nhiễm hoặc chất ô nhiễm đó ở trạng thái hoà tan không ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý Trong phương pháp xử lý này, nước được bơm vào đất, nước đóng vai trò là chất chiết rút chất bẩn từ

đất, sau đó tiến hành xử lý nước chứa kim loại tại các nhà máy xử lý nước thải chuyên dụng hoặc tải quay vòng vào quy trình Tại Mỹ quy trình xử lý này đ1

được áp dụng và hiệu quả cao đối với xử lý Cr (IV) Mức độ xử lý Cr(IV) đạt

từ 18 - 2000mg/l [4] Tại các khu vực khác với thể tích 3.000m3 đ1 xử lý thành công khi giảm 90% hàm lượng Cd trong đất, từ 10 đến ít hơn 1mg/kg với dung dịch HCl lo1ng tại pH bằng 3

2.2.7 Phương pháp xử lý sinh học

Xử lý ô nhiễm bằng con đường sinh học là cách loại bỏ ô nhiễm thực

sự, không phải là sự di chuyển đơn giản chất ô nhiễm từ dạng này sang dạng khác vì các phần tử đó bị phân giải, do vậy các chất ô nhiễm đ1 bị phân huỷ trong quá trình xử lý So với các phương pháp xử lý ô nhiễm khác thì phương pháp này ngày càng chiếm một vị trí quan trọng ở Mỹ, kỹ thuật này phát triển mạnh nhất Một cuộc điều tra từ tháng 6/1992 đến tháng 4/1993 do cơ quan bảo vệ môi trường tiến hành cho thấy về mặt xử lý môi trường thì có đến 86% trường hợp dùng phương pháp sinh học để xử lý môi trường đất và nước ngầm Đối với nguồn ô nhiễm thì đến 62% trường hợp dùng phương pháp sinh học để xử lý các chất như: cacbua hydro dầu hoả, các sản phẩm gỗ, chất nổ

Trong đất, thực vật có nhiều cách phản ứng khác nhau đối với sự có mặt của các KLN Hầu hết chúng đều nhạy cảm với sự có mặt của các ion kim loại, thậm chí ở nồng độ rất thấp Tuy nhiên, có một số loài thực vật không

chỉ có khả năng sống được trong môi trường bị ô nhiễm KLN mà còn có khả năng hấp thụ và tích luỹ các kim loại này trong các bộ phận khác nhau của chúng Trong thực tế thì công nghệ này đòi hỏi phải đáp ứng một số điều kiện cơ bản như dễ trồng, có khả năng vận chuyển các chất ô nhiễm từ đất lên thân nhanh, chống chịu được với nồng độ các chất ô nhiễm cao và sinh khối lớn

Phương pháp này bị giới hạn về độ sâu tầng đất do khả năng vươn dài của rễ không lớn, đòi hỏi thời xử lý gian dài Hầu hết các loài thực vật có khả năng tích luỹ các KLN cao là những loài phát triển chậm và có sinh khối thấp, trong khi các thực vật cho sinh khối nhanh thường rất nhạy cảm với môi trường có nồng độ kim loại cao Các thực vật sử dụng xử lý ô nhiễm KLN phải

được tuyển chọn từ đất tự nhiên và đất bị ô nhiễm Điều kiện khí hậu và khả năng dễ tiêu của kim loại là yếu tố cần được xem xét trong khi sử dụng phương pháp này Xử lý bằng thực vật rất phù hợp với các khu vực nhiễm bẩn

có độ sâu tầng đất không lớn

2.2.7.1 Một số phân loại công nghệ xử lý môi trường bằng thực vật [38]

Ngày nay, xử lý môi trường bằng thực vật (Phytoremediation) được coi như một ngành công nghệ riêng Trên cơ sở các đặc điểm sinh lý - sinh hoá của thực vật về quá trình thấm hút vật chất và nước qua màng tế bào người ta chia công nghệ xử lý môi trường bằng thực vật thành một số loại sau:

Chiết bằng thực vật (Phytoextration), đây là công nghệ được nghiên cứu nhiều nhất hiện nay của công nghệ xử lý môi trường bằng thực vật Nó là phương pháp tốt nhất để vận chuyển các chất ô nhiễm ra khỏi đất và cách ly chúng, không phá vỡ kết cấu đất và độ phì của đất Thực vật hút, cố định các kim loại độc, các chất phóng xạ từ đất ô nhiễm vào cơ thể chúng Công nghệ này thích hợp nhất để xử lý những vùng bị ô nhiễm rộng, có nồng độ chất ô nhiễm thấp và ưu tiên cho việc xử lý ô nhiễm bề mặt Công nghệ này chủ yếu

có hai hướng chính đ1 phát triển khá phổ biến:

+ Tạo các phức để chiết rút là các phức nhân tạo làm tăng tính linh

động và sự hấp thụ của các kim loại độc

+ Duy trì sự chiết rút các kim loại phụ thuộc vào khả năng xử lý tự nhiên của thực vật, chỉ có một số thực vật phát triển mạnh là kiểm soát được

Để thực hiện được công nghệ này, các loài thực vật phải cố định được nhiều kim loại nặng vào rễ của chúng, di chuyển các KLN lên bề mặt cơ thể và tạo được lượng lớn sinh khối thực vật Các KLN có thể được thu lại

từ sinh khối thực vật bị ô nhiễm Khả năng hút kim loại nặng của các thực vật phụ thuộc vào những yếu tố như tốc độ phát triển, nguyên tố chọn lọc, khả năng kháng bệnh, khả năng chịu đựng của thực vật với vùng đất ô nhiễm KLN cao, có sinh khối lớn, phương pháp thu hoạch các bộ phận của thực vật

Sự cố định bằng thực vật (Phytostabilization), chủ yếu là để xử lý ô nhiễm đất, bùn cặn, nó phụ thuộc vào khả năng của bộ rễ để vận chuyển các chất ô nhiễm và mức độ độc hại của chúng trong đất Sử dụng thực vật làm hạn chế khả năng linh động và tính độc hại của các KLN trong đất Những loài thực vật này có thể chịu được nồng độ cao của các KLN và cố

định chúng trong đất bằng cách hút giữ bề mặt, kết tủa, làm giảm hoá trị của các kim loại Khả năng loại bỏ KLN tích luỹ trong các chồi non thấp,

do đó những phế phẩm sau khi thu hoạch có thể trở thành chất thải nguy hiểm Những loài thực vật được sử dụng chủ yếu mục đích làm giảm lượng nước thấm qua dựa vào phức hệ hấp thu của đất, nó sẽ ngăn ngừa sự xói mòn đất và sự phát tán các kim loại độc hại sang các vùng khác Hệ thống

rễ dày đặc sẽ bảo vệ đất và chống xói mòn Hạn chế lớn nhất của công nghệ này là các chất ô nhiễm vẫn tồn tại trong đất và hàm lượng thường không

thay đổi sau các quá trình quan trắc

Sự lọc bằng thực vật (Rhizofiltration), đây là công nghệ sử dụng thực vật cả sống trên cạn và sống dước nước để hấp thụ, cố định và làm kết tủa các chất ô nhiễm từ các nguồn thải có nồng độ chất ô nhiễm thấp vào bộ rễ của chúng Công nghệ này có thể xử lý một phần các chất thải công nghiệp, chất thải nông nghiệp, có thể áp dụng để xử lý Pb, Cd, Cu Ni, Zn và Cr, những KLN này chủ yếu được giữ lại trong bộ rễ của thực vật Ưu điểm chính của công nghệ này là có thể áp dụng trong cả việc xử lý ô nhiễm tại chỗ cũng như

xử lý bên ngoài vùng bị ô nhiễm

Sự bay hơi thực vật (Phytovolatilization), sử dụng các thực vật để lấy các chất ô nhiễm ra khỏi đất, biến đổi chúng sang dạng hơi và thoát hơi chúng vào khí quyển Công nghệ này có thể xử lý các chất ô nhiễm dạng vô cơ cũng như hữu cơ Các chất ô nhiễm này có thể bị mất đi qua lá thực vật và làm bay hơi vào khí quyển ở nồng độ tương đối thấp Công nghệ này chủ yếu để xử lý

Hg, ion Hg được biến đổi sang dạng Hg hơi cơ bản không độc Một nhược

điểm rất lớn đó là Hg khi thoát hơi vào khí quyển sẽ tái sinh do bị kết tủa và sau đó lại phát tán vào các hệ sinh thái

Gần đây bắt đầu phát triển công nghệ thực vật xử lý môi trường nhờ sự trợ giúp của công nghệ sinh học (trong đó cơ bản là chuyển gen đặc trưng của loại cây nào đó có khả năng xử lý độc tố đưa vào một thực vật có sinh khối lớn hơn) Như vậy, về nguyên tắc, công nghệ sinh học thực hiện nhiệm vụ trợ giúp tăng cường khả năng xử lý môi trường hiệu quả hơn

2.2.7.2 Một số cơ chế của công nghệ thực vật và xử lý môi trường

Công nghệ sử dụng thực vật làm cho các chất ô nhiễm môi trường mất tính

độc, nó còn được gọi là công nghệ xử lý xanh (Green remediation) [32], [3], [54], có ba cơ chế là:

* Thứ nhất: Cơ chế về khả năng tích luỹ cao - Hyperaccumulation và yếu

tố tích luỹ hơn ngưỡng Hyperaccumulator Cơ chế này chưa được giải thích rõ ràng nhưng một số bộ phận của thực vật hay một số loài thực vật có khả năng giữ một lượng độc tố cao hơn nhiều lần so với giá trị trung bình ở các thực vật khác

* Thứ hai: Theo Kramer một số thực vật khác có khả năng thực hiện sự chuyển vị (Translocate) một chất độc từ bộ rễ đến chồi cây với tốc độ rất cao Quá trình này được thực hiện nhờ sự tạo phức và chuyển phức chất do các tác nhân tạo phức như: malat, xitrat, histidin…

* Thứ ba: Nhiều loại thực vật có khả năng hút thu rất nhanh các chất độc tại một mức độ nồng độ nào đó khi nó xuất hiện trong dung dịch đất Hiện tượng này kèm theo sự có mặt loài ký sinh nào đó (thường là vi sinh vật, enzim), đây là chỗ khác với loại thứ nhất

Ví dụ: Cà chua có khả năng hút nhanh cả Zn cả Cd khi môi trường có tồn tại T.Caerulessens và không có Silene Vulgaris, nhưng cây cà chua lại hoàn toàn

bị tổn thương ở nồng độ Zn là 30 Micronmol (àM) Khi có Vulgaris, cây chỉ bị tổn thương ở 320 à.M Trên cơ sở cơ chế này, có thể hình thành một số hệ thống thực vật kèm theo hệ thống ký sinh khác nhau dùng trong công nghệ thực vật xử

lý môi trường có hiệu quả cao Hệ thống này định hướng theo chất độc (chủ yếu hiện nay đ1 được nghiên cứu là kim loại nặng) và được đặt tên riêng là hệ định hướng KLN [45]

+ Thu hoạch cây, tro hoá và chôn lấp

+ Thu hoạch cây, tro hoá và bê tông hoá tạo thành vật liệu cho xây dựng 2.3 Một số kết quả nghiên cứu khả năng hút kim loại nặng của thực vật 2.3.1 Một số kết quả nghiên cứu khả năng hút kim loại của thực vật trên thế giới

Năm 1998, Cục Môi trường Châu Âu (EEA) đánh giá hiệu quả kinh tế của các phương pháp xử lý KLN trong đất bằng phương pháp truyền thống và phương pháp sử dụng thực vật tại 1.400.000 vị trí ô nhiễm Tây Âu Kết quả cho thấy chi phí trung bình của phương pháp truyền thống trên 1 hecta đất từ 0,27 đến 1,6 triệu USD, phương pháp sử dụng thực vật chi phí thấp hơn từ 10

đến 1000 lần Chính vì những ưu thế của biện pháp sinh học này mà các nước trên thế giới đang xem nó là biện pháp xử lý hữu hiệu

Nhiều công trình nghiên cứu trên thế giới những năm gần đây cho thấy khả năng tích lũy các nguyên tố KLN: Mn, Cr, Cd, Cu, Ni, Pb, Hg, Se, Zn, Bo, As của một số cây như: cói dài (Cyperus alternifolius L.), sài đất (Wedelia trilobata Hitche), rau răm (Polygonum hydropiproides Michx), bèo cái (Pistia stratiotes), rong đuôi ngựa (Hippuris vulgaris L.), móng bò (Baumia rubiginosa), rong đuôi chó (Myrio phyllum brasilien Camb), mị thảo (Mimulus gattaus Fisch), bèo tây (Eichhornia crasspes), Apium nodiflorum L., Veronica cardamine uliginosa L., Typha latifolia, Juncus effusus, Scirpus cypenrinus [26] (dẫn qua Nguyễn Quốc Thông và Đặng Đình Kim)

Một số cây thực phẩm như: rau diếp, lúa mạch đen Italia, củ cải, cà chua, cây đậu Italia cũng có khả năng hấp thụ tích lũy Pb, Cd, As, Zn Cây

cà chua và đậu tích lũy các kim loại này chủ yếu trong rễ và một ít trong quả, trong khi đó, rễ cây cải lại tích lũy các KLN này ít hơn trong lá [34]

Các nhà khoa học thuộc trường đại học Purdue, West Lafayette Mỹ [22], đ1

nghiên cứu và tìm ra những loại thực vật có khả năng thấm tách và lưu giữ một số lượng rất lớn kim loại nặng trong thân cây, chúng được gọi là Hyperaccumulators

Họ đ1 nghiên cứu hơn 20 loài thực vật hoang dại có họ với cây cải bắp Trong số thực vật đó có loài là Thlaspi caerulescens rất dễ trồng và mọc được ngay trong phòng thí nghiệm Hơn thế nữa, chúng được xếp vào những thực vật dòng Hyperaccumulators, Ni, Zn và Cd là những ''món ăn ưa thích'' của chúng Trên thực tế, khả năng ''ăn kim loại nặng'' của cải xoong đ1 được phát hiện từ rất lâu Năm 1865, khi những người nông dân tiến hành phát quang đất đai để trồng trọt

đ1 phát hiện ra trong thân cải xoong có chứa một lượng lớn Zn 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 Các Nhà khoa học còn phát hiện ra một loài cây dại có tên là Alyssum bertolonii, tán và hoa màu vàng có thể hút lên và lưu giữ lại được trong thân tới 1% Ni, tức là gấp 200 lần lượng kim loại nặng có thể giết chết hầu hết các loài thực vật khác Đây chỉ là một ví dụ trong số hàng trăm thực vật có khả năng thấm tách và lưu giữ trong thân các kim loại nặng có trong đất

Naveen Bhatia [46] thuộc Trung tâm ANSATO (Australia Nuclear Science and Technology Organization) là người tìm ra chìa khoá và lời giải về cơ chế tích luỹ cao của thực vật đối với kim loại nặng Naveen Bhatia đ1 tìm ra loài cây dại có tên là Stachousia Tryonii là loại cây hoa chùm có cuống hoa liền với thân, lá hẹp mọc tự nhiên trong các thung lũng là một trong những loài thực vật chưa được biết

đến rộng r1i Nếu gia súc ăn một lượng nhỏ loại cây này có thể bị nôn mửa và chết Loài thực vật này có khả năng hấp thụ rất cao đối với Ni, Mn, Cu và Co

Naveen Bhatia cho biết có khoảng 450 loài thực vật Hyperaccumulator mỗi loại thích ứng với 1 kim loại nhất định, có loại thích ứng với 2 hoặc thậm chí là 3 kim loại; gồm các thực vật có khả năng hút: As, Bo, Cd, Cu, Pb, Mn, Ni, Se, Ti, Zn

và hơn 10% loại thực vật này đ1 được nghiên cứu

Theo Naveen các loại thực vật có khả năng hút KLN sinh trưởng rất chậm,

bằng cách tìm được các loại gen có liên quan đến khả năng hút kim loại trong các thực vật này từ đó chuyển vào các loại thực vật có tốc độ sinh trưởng nhanh hơn thì việc ứng dụng trong xử lý môi trường hiệu quả càng cao

Theo Alan J.M Baker [31] thì kết quả nghiên cứu về khả năng hấp thụ kim loại nặng của thực vật được nghiên cứu sớm nhất và công bố lần đầu tiên bởi 2 nhà khoa học Minguzzi và Vergano khi nghiên cứu về khả năng chịu đựng đối với kim loại của một số loại thực vật bản địa thân bò sống trên vùng đất ô nhiễm tại Italia năm 1948, cây này có giá trị vượt quá ngưỡng là 1.000 àg/g (0,1%) có tên là Alissum bertomnia, hàm lượng Ni trong khối lượng chất khô của lá có thể đạt tới 1,2% Ngay sau đó 317 loại thực vật khác cũng đ1 đ1 được xác định có hàm lượng chịu đựng với kim loại Ni vượt quá ngưỡng 1.000 àg/g, một số loại có khả năng tích lũy KLN đặc biệt cao tới 4,75% Sự chịu dựng với nồng độ kim loại nặng của các loài thực vật liên quan đến hàm lượng nền của các nguyên tố kim loại đối với thực vật Hàm lượng 1.000 àg/g cũng là ngưỡng để xác định giới hạn của các nguyên tố: Cu, Pb, Co, trong khi ngưỡng giới hạn của Mn, Zn được nâng lên là 10.000 àg/g bởi vì hàm lượng nền của các nguyên tố này đối với thực vật là rất cao, với Cd là 100 àg/g vì hàm lượng nền của nguyên tố này đối với thực vật là thấp Những thực vật chứa 100 àg/g Cd so với khối lượng chất khô của lá cũng

được xếp vào những loại thực vật có khả năng tích luỹ cao kim loại Cd

Các nhà khoa học Ba Lan S.W Gawronski, M Winska và S.Kurtys [37] (trường đại học nông nghiệp Warsaw) đ1 nghiên cứu trong phòng thí nghiệm để so sánh và xác định khả năng hút Pb, sức chịu đựng và phân bố Pb trong các tổ chức hữu cơ của cây Các loại thực vật được thu thập từ các loài hoang d1 tại vùng đất ô nhiễm ở Ba Lan và một số loại cây trồng khác như: cỏ chân vịt (cỏ dùng trong chăn nuôi) và cây cải xanh Kết quả nghiên cứu cho thấy cỏ chân vịt và cải xanh

đều giảm sinh trưởng ở nồng độ Pb là 15 ppm và giảm rõ nhất ở nồng độ 50 ppm

và cao hơn Cây cải xanh có biểu hiện phản ứng mạnh hơn đối với Pb và ngưỡng

chịu đựng của cỏ chân vịt cao hơn cải xanh Nhưng khả năng tích luỹ chì của cải xanh lại cao hơn hai lần đối với cỏ chân vịt ở trong rễ, các bộ phận thân lá thì cỏ lại cao hơn cải xanh Một điều thật thú vị là khả năng tích luỹ Pb ở trong các rễ cám của cỏ là rất cao (cao hơn 20 lần các bộ phận thân lá) Khả năng hút Pb của

cỏ được nâng cao khi thí nghiệm trong đất có sử dụng tác nhân chelat

Nhóm tác giả Gabriella Máthé, Gáspár, Attila Anton [36] thuộc Viện nghiên cứu khoa học đất và hóa nông nghiệp Hungari đ1 nghiên cứu với hai loại cải (Brassiaceae) hoang dại có tên khoa học là Thlaspi (R1) và Alysum (R2) được trồng trên hai loại đất khác nhau có giá trị pH trung tính và có hàm lượng kim loại nặng khác nhau Thí nghiệm với đất checnozem tự nhiên được gây ô nhiễm một hàm lượng lớn các kim loại As,

Cd, Cu, Pb

Hàm lượng các kim loại nặng trong chồi của hai loại cải tỷ lệ thuận với hàm lượng kim loại nặng trong đất Tỷ lệ và khả năng tích luỹ kim loại nặng của hai loại cải là khác nhau khi trồng trên các loại đất khác nhau Hàm lượng các kim loại As, Co, Cu, Pb trong loại R2 là cao hơn R1 khi trồng trên đất gây ô nhiễm (đất bón thêm kim loại nặng)

Kết quả nghiên cứu còn cho thấy sự khác nhau về hàm lượng KLN sẽ làm thay đổi tốc độ sinh trưởng và tích luỹ kim loại nặng của các loại cải Khối lượng khô của chồi và rễ của 2 loại cải là khác nhau trong hai loại đất Loại R1 có tốc độ sinh trưởng cao hơn R2 trong đất không ô nhiễm, nhưng tốc độ này bị giảm xuống trong đất ô nhiễm kim loại nặng Loại R2 có trọng lượng chất khô bé hơn nhưng lại tìm thấy khả năng chịu đựng với ô nhiễm kim loại nặng Sự vận chuyển khó khăn và chậm của các nguyên tố

As, Pb, Cu vào chồi khác nhau đối với 2 loại cải, trong khi đó các nguyên

tố Cd và Zn được vẫn chuyển dễ dàng và không khác nhau

Một số nghiên cứu điều tra sự tích luỹ Pb trong một số cây họ cải mới

đ1 đ−ợc công bố đó là loài cải: Brassica juncea và Brassica nigra chúng

đều có khả năng tích luỹ KLN cao [41]

Bảng 2.3 Hàm l−ợng Pb trong rễ và chồi trong cây cải

và một số loài thực vật khác [41]

Pb (mg/g khối l−ợng khô) Loài cây*

(* cây trồng phát triển 14 – 20 ngày trong đất bị nhiễm bẩn 625 microgam

Pb2+/g trọng l−ợng khô, nguồn cung cấp Pb là Pb(NO3 )2)

Các nhà khoa học gồm: Rolf Herzig, Michele Guadagnini và Heinz Muller – Schacrer [50] đang nghiên cứu các gen liên quan đến khả năng hút

và chịu đựng cao với kim loại nặng từ đó luân chuyển vào trong các lọai cây trồng có năng suất chất xanh và tốc độ sinh trưởng cao nhưng khả nặng chịu

đựng với nồng độ kim loại nặng thấp để phục vụ cho mục đích cải tạo đất ô nhiễm kim loại nặng

Để giải quyết vấn đề này, nhóm tác giả đ1 lựa chọn hai loại thuốc lá

có khả năng tích luỹ đối với Cd từ một lượng lớn các loại thuốc lá đang trồng Nhờ công nghệ nuôi cấy mô tế bào nhân bản hai cây thuốc lá trên môi trường thạch, sau đó lấy khoảng 50 mg mô của 2 cây thuốc lá này nhân bản trên môi trường có pha nồng độ các kim loại nặng Cd, Zn, Cu và tăng dần nồng độ lên Sau đó lựa chọn những cây thuốc lá còn khả năng sống sót và phát triển tốt, một trong hai loại cây thuốc lá này được trồng và nhân giống trên môi trường sạch hoặc tái sinh trong môi trường đặc biệt thành các cây con Các cây con này được nhân giống theo phương pháp nuôi cấy mô tế bào và được dùng để kiểm tra sức chịu đựng với hàm lượng kim loại nặng từ đó đem so sánh với cây bố mẹ ban đầu:

+ ở ngưỡng 30 àM Pb cây thuốc lá bắt đầu bị kìm h1m sinh trưởng và chết + Đối với Cd cây thuốc lá bắt đầu có màu hơi nâu và bị huỷ hoại ở 700àM + Đối với kẽm không bị rối loạn sinh trưởng ở ngưỡng 700àM

Theo phương pháp này các nhà khoa học đ1 tìm ra được những cây thuốc lá có khả năng tích luỹ kim loại nặng trong chồi tăng 5 - 7 lần đối với

Cu, 2 - 5 lần đối với Cd, 0,5 lần đối với Zn khi so sánh với các cây thuốc lá bố

mẹ ban đầu

Một thí nghiệm đ1 được tiến hành để so sánh khả năng chiết rút tự nhiên Zn và Cu của Thlasli caerulescens so với cây ngô (Zea mays I) kết hợp với Ethylenediaminetetracetic acid (EDTA) [42] Thí nghiệm tiến hành trên

đất bị ô nhiễm do công nghiệp tại Pháp và ô nhiễm KLN từ sản xuất nông

nghiệp tại Vương Quốc Anh do bón bùn cặn Trong ba vụ T caerulescens đ1 lấy đi hơn 8 mg/kg Cd và 200 mg/kg Zn từ đất ô nhiễm do công nghiệp, chiếm khoảng 43% và 7% lượng hai kim loại trong đất Nồng độ cao của Cu trong

đất nông nghiệp cũng được làm giảm bởi T caerulescens EDTA làm tăng khả năng dễ tan của KLN trong đất, nhưng kết quả thu được lại cho thấy nồng độ kim loại tích luỹ trong chồi ngô cũng không cao Sự chiết rút Cd và Zn bởi ngô + EDTA nhỏ hơn nhiều so với T caerulesscens trên đất ô nhiễm công nghiệp nhỏ hơn lượng Cd hoặc bằng lượng Zn trên đất ô nhiễm nông nghiệp Nghiên cứu của Mc Grath và các cộng sự (1993) [42] cho thấy trong 9 vụ thì

T caerulescens có thể làm nồng độ Zn trong đất giảm từ 440 đến 300 mg Zn/kg đất

Cỏ vetiver là thực vật hoang d1 đ1 được nghiên cứu và giới thiệu về khả năng chống chịu và hấp thụ KLN hiệu quả Cỏ có thể chịu được ở hàm lượng cao thậm chí là rất cao với một vài kim loại có tính độc mạnh đối với con người và động thực vật như: Pb, As, Cr vì vậy có thể sử dụng cỏ vào mục

đích xử lý đất, nước ô nhiễm kim loại nặng [33]

Bảng 2.4 Khả năng chống chịu của vetiver với kim loại nặng [33]

Đối với các thực vật được chọn để xử lý ô nhiễm nói chung và ô nhiễm KLN nói riêng thì rễ là một trong những bộ phận quyết định đến khả năng xử

lý Cỏ Vetiver có ưu thế là rễ phát triển rất mạnh, bộ rễ rất dài và dày, đan xen vào nhau Do đó diện tích tiếp xúc với môi trường bên ngoài (đất, nước) là rất lớn, vì thế càng làm tăng khả năng hấp thụ kim loại nặng của cỏ Hơn nữa bộ

rễ của vetiver còn có nhiều loại vi sinh vật cư trú và có thể chính vi sinh vật cũng tham gia vào quá trình xử lý KLN

ở cỏ vetiver, KLN tập chung chủ yếu trong rễ; như hàm lượng Cr trong

rễ thường gấp 2,5 ữ 3 lần trong lá và bằng một nửa so với toàn bộ cây Còn Ni,

Zn, thì hàm lượng tập chung trong rễ nhiều hơn trong thân từ 2 ữ 3 lần

Cỏ vertiver có rất nhiều loài phân bố ở các vùng sinh thái khác nhau và mỗi loại cỏ Vertiver có khả năng hút và chịu đựng đối với các kim loại nặng khác nhau

Bảng 2.5 Hiệu quả xử lý nước thải của cỏ Vertiver [33]

Nồng độ Thông số Đơn vị

Đầu vào Đầu ra

lượng Pb(NO3)2 bằng cách tưới tăng dần nồng độ chì (5, 7, 9 và 11 g/l) trong vòng 12 tuần Kết quả phân tích cho thấy có tương quan giữa lượng Pb mất đi trong đất và lượng Pb tích lũy trong rễ và chồi của cả hai loài cỏ Tuy nhiên khi ở nồng độ Pb cao (9 ữ 10g/l) khả năng chịu đựng của hai loài khác nhau Trong khi loài V nemoralis bị chết sau một tuần tăng nồng độ thì loài

V zizaniondes vẫn sống, tuy nhiên sinh trưởng có ảnh hưởng đôi chút thể hiện

ở sự giảm sút cả về sinh khối và lượng chlorophyl tổng số Điều này có nghĩa

là khả năng chịu đựng và tích luỹ chì của loài V zizaniondes tốt hơn là

V nemoralis

Công nghệ xử lý ô nhiễm bằng thực vật đòi hỏi phải đáp ứng một số

điều kiện cơ bản như: dễ trồng, có khả năng vận chuyển nhanh các chất ô nhiễm từ đất lên thân, chống chịu được với các nồng độ ô nhiễm cao và cho sinh khối lớn Nhưng hầu hết các loài thực vật có khả năng tích luỹ KLN cao

là những loài phát triển chậm và cho sinh khối nhỏ, trong khi các loài thực vật cho sinh khối lớn thường không thích nghi với môi trường có nồng độ kim loại cao Theo kỳ vọng của các nhà khoa học là có thể kết hợp cả 2 yếu tố có thể tích luỹ kim loại nặng trong thân lá và cho sinh khối cao Nhưng trong thực tế,

có rất nhiều loài đáp ứng được điều kiện thứ nhất nhưng không đáp ứng được

điều kiện thứ hai Vì vậy, các loài có khả năng tích luỹ thấp nhưng cho sinh khối cao cũng rất cần thiết [35]

Khả năng tích luỹ đặc biệt cao của thực vật bản địa sống trên vùng đất bị ô nhiễm đ1 được tìm thấy là 1 tỷ lệ rất nhỏ của muôn vàn loại thực vật có khả năng tích luỹ kim loại Gồm đa dạng các loại cây không có quan hệ họ hàng với nhau từ cây thân thảo sống hàng năm, cây bụi sống quanh năm đến cây thân gỗ, phân bố ở tất cả các lục địa trên thế giới từ vùng nhiệt đới tới vùng ôn

đới

Bảng 2.6 Một số loài cây cho sinh khối cao

đ−ợc ứng dụng trong xử lý kim loại nặng trong đất [35]

Cải dầu(Brassica napus,

Các loài thực vật hoang d1 đ−ợc biết đến với với khả năng chịu đ−ợc nồng

độ KLN trên 1.000 mg/kg đ1 đ−ợc biết đến trong đó khả năng tích lũy, Ni có

320 loài, Co có 30 loài, Cu 34 loài, Se 20 loài, Pb 14 loài và Cd là 1 loài Những loài có khả năng tích luỹ cao đ1 đ−ợc liệt kê thành bảng bởi Reeves và Baker, con số đáng kể nhất về những loài này đ−ợc công bố bởi Congo và Zaire chịu

đ−ợc ở nồng độ >10000mg/kg, đối với Zn có 11 loài, Mn có 10 loài Các tác giả Pulford và Diskinson (2005), đ1 cho biết một số loài Alnus incana, Bettula pendula, Fraxinius exelsior, Sorbur mongoeotii, Salix (liễu), Populus (cây

dương đứng) là những cây gỗ sinh trưởng trên vùng đất ô nhiễm Trong đó 2 loài có khả năng tích lũy đặc biệt cao với Zn, Cd ở trong lá Hàm lượng Cd tích lũy cao trong lá đ1 tìm thấy ở các loài salix smithiana BOKU 03 CZ001,

S purpurea BOKU 05 CZ-001 và S caperea BOKU 01 AT – 004 sinh sản vô tính và có hàm lượng Cd tổng số trong lá 300 mg/kg chất khô khi sống trên vùng đất ô nhiễm có hàm lượng Cd tổng số trong đất là 30mg/kg đất và trong chồi của loài S.viminalis 2695mgZn/kg chất khô khi sống trên vùng đất chua

có hàm lượng kẽm tổng số là 1.158 mg/kg đất [43]

Theo Isao HASEGAWA[39], có thể làm giảm tính độc của KLN nhờ các ion KLN kết hợp với axit xitric hoặc axit hữu cơ khác hoặc aminoaxit như histiđin, systeine (ví dụ: Alyssum Bertolonii làm giảm độc Ni nhờ tạo ra một cặp liên kết với histidine và giữ lại ở không bào) Tác giả còn liệt kê một số loại thực vật có khả năng tích lũy KLN cao

Nhóm tác giả cũng giới thiệu loại gen tổng hợp metanlothionin trong một

số loại cây có sinh khối lớn có thể giúp cho chúng thu hút được lượng lớn KLN Các tác giả đ1 nhận ra được phân tử di truyền của các cây trồng và sẽ sử dụng vào công nghệ thực vật xử lý môi trường (ví dụ: cây hoa hướng dương chưa chuyển gen sẽ chết khi hàm lượng Cd khoảng 5 ppm, sau khi chuyển gen loại CUP-1 (Saccharomyces cerevisiae) cây này có thể chịu đến 45ppm Cd)

Các loại thực vật thủy sinh khác như Eichhornia crassipes (cây lan dạ nước), Lemna minor (bèo tấm) và Azolla pinnata đ1 được thử nghiệm vào việc lọc, làm giảm và chiết rút chất ô nhiễm Nhiều loài thực vật dưới nước khác có khả năng hấp thu sinh học các KLN khác như Azolla filliculoides, A pinnata, Typha orientalis và Salvinia molesta, Polygonum hydropiperoides Michx có khả năng xử lý sinh học các KLN rất tốt, chúng phát triển rất nhanh và có mật độ dày Gần đây, cây dương xỉ Pteris vitatta được phát hiện có thể tích luỹ khoảng 14,500mg/kg As trước khi có triệu chứng bị độc [38]

B¶ng 2.7 C¸c c©y trång cã kh¶ n¨ng tÝch luü cao kim lo¹i nÆng [39]

nghiªn cøu

N¨m

2.3.2 Một số kết quả nghiên cứu khả năng hút kim loại nặng của thực vật tại Việt Nam

Trong các loài thực vật được chọn dùng cho công nghệ thực vật xử lý môi trường người ta thường chú trọng các thực vật hoang d1 (mọc, sống tự nhiên ở vùng đất ô nhiễm) Những loài thực vật này khi tồn tại được đ1 chứng

tỏ rằng khả năng chịu đựng với môi trường đó

ở Việt Nam, nghiên cứu thăm dò khả năng hút KLN của thực vật được nhóm tác giả Lê Đức, Trần Thị Tuyết Thu thông báo năm 2000 [5] tại x1 Chỉ

Đạo, Văn Lâm, Hưng Yên trên nền đất ô nhiễm chì (Pb) sau 20 năm làm nghề tái chế Pb đối với 2 loại cây là bèo tây và rau muống chỉ ra rằng:

Sau 60 ngày trồng rau muống hàm lượng Pb tổng số trong đất giảm trung bình là 247,68 mg tương đương với 11,2%, ở ngày thứ 40 so với ngày thứ 20 hàm lượng Pb trong đất giảm 3,9 %, giữa khoảng 60 – 40 ngày hàm lượng Pb trong đất giảm 5.1%, Hàm lượng Pb tổng số trong đất giảm nhiều nhất ở giai đoạn 40 – 60 ngày

Sau 20 ngày thả bèo tây hàm lượng Pb tổng số giảm trung bình 92,61 ppm, sau 40 ngày hàm lượng Pb tổng số giảm trung bình 267,55 ppm tương

đương với 12,26%, sau 60 ngày hàm lượng Pb tổng số giảm 16,98 %

Sự giảm hàm lượng Pb trong đất trồng rau muống hoặc bèo do sự tích luỹ Pb khá lớn trong 2 loại cây này

Sau 20 ngày trồng rau muống, 1 kg rau tươi hút thu 25,819 mg Pb, tăng 91,88 lần so với với rau trước thí nghiệm Sau 40 ngày, 1 kg rau tươi hút thu 35,779 mg Pb, tăng 127,32 lần Sau 60 ngày trồng, 1 kg rau tươi hút thu 40,429 mg Pb tăng 14 lần so với trước thí nghiệm, hàm lượng Pb trong rau tăng mạnh ở thời kỳ 20 ngày đầu

Tương tự như cây rau muống, sau 20 ngày trồng, 1 kg bèo tươi hút thu 33,28 mg Pb, tăng 55,02 lần so với bèo trước thí nghiệm Sau 40 ngày 1 kg bèo tươi hút 78,28 mg Pb tăng 128,35 lần thí nghiệm Sau 60 ngày, 1 kg bèo tươi hút 97,12 mg Pb tăng 159 lần so với trước thí nghiệm, Hàm lượng Pb trong bèo tăng từ ngày thứ 20 đến ngày thứ 40 rồi chậm hơn

Nhóm tác giả Trần Công Tấu, Đặng Thị An Đào, Đào Thị Khánh Hưng [25] đ1 tiến hành nghiên cứu thăm dò khả năng hút KLN của cây bóng nước trong vườn (Impatianns balsamina), cây cúc Marigol (Calendul officinalis), cây rau dền (Amanthus spp) Bước đầu cho thấy cây hoa cúc có khả năng hút

Cd và Zn

Tháng 12 năm 2000 tiến sỹ Diệp Thị Mỹ Hạnh và E Garnier Zarli [10] (Sở khoa học công Nghệ thành phố Hồ Chí Minh) đ1 khảo sát một số loại thực vật có khả năng tích lũy Pb và Cd từ đất, cuộc khảo sát bắt đầu từ các vùng

đất ô nhiễm do chất thải của các nhà máy, bến tàu, bến xe Kết quả phân tích một số loại thực vật cho thấy chúng có khả năng hấp thụ Pb như: loài dây leo Heterostrema villosum L., Asclepiadaceae, trứng cá Muntingia calabura, Vetiveria zizanoides Poaceae Đặc biệt loài thơm ổi Lantana camara L Verbenaceae được đánh giá là thực vật có khả năng giải ô nhiễm tốt hơn so với các loài khác do khả năng tích lũy Pb và sinh trưởng nhanh của chúng Kết quả nghiên cứu cho thấy có sự tương quan chặt chẽ giữa hàm lượng Pb trong

đất và hàm lượng Pb tích lũy trong rễ của cây (r = 0,973) Khi trồng cây Lantana trong đất đối chứng không có Pb, hàm lượng Pb trong rễ chỉ có 0,4 mg/kg; nhưng khi hàm lượng Pb trong đất tăng lên 1 x 103 mg/kg cây có thể hấp thu lượng Pb đến 0,4 x 103 mg/kg tính trên khối lượng khô, mà không bị

ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển của cây Khi trồng cây trong môi trường đất được xử lý định kỳ hai tuần một lần, mỗi lần với hàm lượng Pb là 1

x 103 mg/kg, sau 7 lần xử lý, hàm lượng Pb trong đất tích lũy lên đến 7 x 103 mg/kg, cây có thể tích lũy Pb đến 1,7 x 103 mg/kg trong rễ, mà không có sự khác biệt đáng kể về tăng trưởng so với cây trồng trong môi trường không nhiễm Pb Cây Lantana có thể tăng trưởng rất nhanh, từ trọng lượng khô ban

đầu là 7,87 g, sau 105 ngày trồng, sinh khối khô tăng lên khoảng 15 lần

Kết quả nghiên cứu về khả năng hấp thu kim loại nặng Cr và Ni từ nước thải mạ điện của cây cải xoong (Nasturtium), nhóm tác giả Nguyễn Quốc Thông, Đặng Thị Kim và các cộng sự [26] đ1 đưa ra kết luận: Cây cải xoong

có khả năng tích lũy Cr và Ni vào trong lá, thân và rễ từ môi trường nuôi trồng bằng nước thải mạ điện và hàm lượng tích lũy các kim loại này trong rễ thường cao hơn trong thân và lá Nồng độ Cr và Ni kem giảm dần trong môi trường nuôi cấy theo thời gian do được hấp thu trong rễ, lá và thân của cây cải xoong và hiệu quả làm sạch nước đạt từ 60 - 80% Hàm lượng diệp lục, protein và khả năng tăng khối lượng tươi của cây cải xoong ít bị giảm so với cây đối chứng khi ở nồng độ thấp, tuy nhiên khi ở nồng độ Cr và Ni cao đ1

ảnh hưởng đến sự phát triển của cây

Ngoài cây cải xoong nhóm tác giả trên còn nghiên cứu khả năng hấp thụ kim loại nặng Cr và Ni của bèo cái (Pistia strationtes L) cho thấy bèo cái

có khả năng sống, phát triển tốt và tăng sinh khối trong môi trường thí nghiệm

có Cr và Ni ở các nồng độ 2, 4, 6, 8 và 10 mg/l và môi trường nước thải mạ

điện có nồng độ Cr 9,5mg/l và Ni 14 mg/l Bèo cái có khả năng tích lũy và hấp thụ Cr, Ni vào trong lá, rễ của cây từ các môi trường thí nghiệm và môi trường nước thải mạ điện, khả năng làm sạch môi trường có chứa Cr và Ni từ 80 - 90% Khả năng sinh trưởng của bèo cái trong môi trường nước ô nhiễm Cr và

Ni không khác gì bèo trồng ở môi trường đối chứng [27]

Nhóm nghiên cứu gồm: Chu Thị Hà, Nguyễn Đức Thịnh (Viện Sinh thái

tài nguyên Sinh vật) và tác giả Boudou Alain (trường Đại học Bordeaux I) [7] khi nghiên cứu ô nhiễm môi trường kim loại nặng ở sông Nhuệ và sông Tô Lịch đ1 thu thập mẫu bèo tây và xác định hàm lượng Cu, Zn, Cd và Hg và chỉ ra rằng: Hàm lượng Cu trong bèo tây từ sông Nhuệ cao hơn hàm lượng Cu trong bèo tây thu thập từ các điểm khác và Cd và Hg trong bèo tây từ sông Tô Lịch cao hơn trong các mẫu bèo tây lấy từ các điểm khác Bèo tây chứa kim loại nặng theo thứ tự là rễ > thân > lá

Kết quả nghiên cứu thăm dò khả năng hút Cd từ đất có bón thêm bùn sông đ1 ô nhiễm của nhóm tác giả Hồ Thị Lam Trà, Nguyễn Đình Mạnh, Kazuhiko Egashira [52] năm 2000 cho thấy: cải bắp tích luỹ Cd tăng dần theo lượng bùn bón vào Tại tỷ lệ bón 50% bùn hàm lượng Cd trong rau gấp 9 lần tiêu chuẩn cho phép và hơn 2 lần hàm lượng Cd ở rau không bón bùn cặn, với cây cải củ, hiện tượng này không có

Thí nghiệm nghiên cứu khả năng sinh trưởng và loại bỏ Cr6+ và Ni2+khỏi môi trường nước của cỏ vetiver, tác giả Nguyễn Trung Kiên [17] chỉ ra rằng: cỏ vetier có khả năng loại bỏ Cr6+ và Ni2+ khỏi môi trường nước ô nhiễm

Cr6+ hoặc Ni2+ cũng như hỗn hợp cả hai kim loại này Khả năng loại bỏ Cr6+ và

Ni2+ của cỏ giảm dần theo thời gian Khi trong môi trường có đồng thời Cr6+

và Ni2+, động học cũng như lượng Cr6+ và Ni2+ được loại bỏ không khác nhau nhiều so với khi chỉ có từng kim loại Cr6+ và Ni2+ ức chế sinh trưởng của cỏ vetiver cả về khối lượng, chiều cao cây và độ dài rễ Cỏ vetiver đóng góp khoảng 30% đến 40% trong tổng lượng Ni2+ và Cr6+ được loại bỏ khỏi môi trường nước Có thể sử dụng cỏ vetiver để loại bỏ Cr và Ni khỏi nước ô nhiễm khi các kim loại này ở nồng độ thấp

Ngoài cỏ ver tiver, sậy (Salix) là cây hoang dại sống ở vùng đầm lầy và ngập nước có khả năng hút kim loại nặng được ứng dụng để xử lý ô nhiễm KLN

Bảng 2.8 Hiệu quả xử lý nước thải của cây sậy [14]

Nồng độ Nguyên tố

Sử dụng thực vật thuỷ sinh xử lý ô nhiễm nước hồ là một trong nhưng

dự án đó được Công ty đầu tư khai thác Hồ Tây xây dựng để xử lý ô nhiễm cho Hồ Tây Theo đó, dự án này với số tiền đầu tư trên 5 tỷ đồng sẽ trồng ở ven hồ các loại sen, súng, rau muống, rong đuôi chó… vừa có tác dụng xử lý ô nhiễm, lại vừa có thể khai thác giá trị kinh tế của các loại thực vật thuỷ sinh Ngoài ra, Viện Công nghệ môi trường cũng vừa gửi tới Công ty Hà Thuỷ, đơn

vị quản lý hồ Thành Công, Giảng Võ, Thuyền Quang – 3 hồ đang có mức độ ô nhiễm do tảo độc nặng nhất – phương án ứng dụng công nghệ xử lý ô nhiễm nước hồ bằng thực vật thuỷ sinh [11]

Kết quả nghiên cứu của Lê Văn Cát và Lê Văn Lâm (Viện hoá học, Viện khoa học và Công nghệ Việt Nam) dùng một số loài thực vật sống dưới nước (sậy nước, thủy trúc) để lọc As trong nước Sau thời gian xử lý 6 ngày, nước

đầu ra có nồng độ As thấp hơn 10àg/l (10ppb) Hiệu suất xử lý lên cao hơn 90% [29] (dẫn qua Trần Tự Trọng)

Các vật liệu sinh học có nguồn gốc từ sinh khối tảo, nấm, vi khuẩn

được sử dụng để hấp thụ và thu hồi KLN Chẳng hạn như đối với tảo, người ta thấy rằng sự hấp thụ sinh học các ion KLN nhờ tảo tốt hơn so với sự kết tủa