Ứng dụng công nghệ phytoremediation để xử lý đất bị ô nhiễm kim loại nặng

Ứng dụng công nghệ phytoremediation để xử lý đất bị ô nhiễm kim loại nặng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HCM

KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

CHỦ ĐỀ: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PHYTOREMEDIATION

ĐỂ XỬ LÝ ĐẤT BỊ Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG

NHÓM

Tp HCM, tháng 08 năm 2018

BÀI TIỂU LUẬN

LỜI NÓI ĐẦU

Ô nhiễm môi trường hiện nay đang là vấn nạn ở một số nước, đặc biệt làcác nước đang phát triển trong đó có đất nước của chúng ta Ngay lúc này, cácnhà khoa học trên thế giới đang nỗ lực nghiên cứu những phương pháp khácnhau, nhằm tối ưu hóa khả năng xử lý ô nhiễm môi trường Một trong số nhữngphương pháp đó có Phytoremediation

Bài tiểu luận ngày hôm nay của chúng tôi sẽ đi tìm hiểu về công nghệPhytoremediation và cách ứng dụng công nghệ này vào thực tế Hi vọng bàiviết sẽ giúp bạn có được những kiến thức mới rất thú vị mà có thể bạn chưa thểnào nghĩ là nó có thể tồn tại Bên cạnh đó chúng tôi hi vọng sẽ ngày càng cóthêm nhiều phương thức xử lý ô nhiễm môi trường tốt hơn, tối ưu hơn nữa đểmôi trường của Trái đất – ngôi nhà chung của chúng ta ngày càng trở nên tươiđẹp hơn

Bài viết không thể tránh khỏi những sai sót, mong bạn đọc thông cảmcho chúng tôi Nếu có bất cứ ý kiến nào về chủ đề xin trao đổi qua email: Rấtmong được trao đổi về chủ đề với các bạn

Nhóm thực hiện

MỤC LỤC

A.GIỚI THIỆU 4

I Ô NHIỄM ĐẤT 4

1 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN 4

1.1. ĐẤT LÀ GÌ? 4

1.2. SỰ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG ĐẤT 4

1.3. CÁC NGUYÊN NHÂN CÂY Ô NHIỄM ĐẤT 4

2 Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG TRONG ĐẤT 5

2.1. TÁC HẠI CỦA KIM LOẠI NẶNG 5

II XỬ LÝ ĐẤT BỊ Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG BẰNG THỰC VẬT (PHYTOREMEDIATION TECHNOLOGY) 7

1.ĐỊNH NGHĨA 7

2.CƠ CHẾ 7

3.CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CƠ CHẾ HẤP THỤ .9 4.KHẢ NĂNG HẤP THỤ KIM LOẠI NẶNG CỦA MỘT SỐ LOẠI CÂY 10

5.KHẢ NĂNG HẤP THỤ KIM LOẠI NẶNG CỦA MỘT SỐ LOẠI CÂY CỤ THỂ 10

5.1. DƯƠNG XỈ PTERIS VITTATA L 10

5.2. CỎ VETIVER 14

5.3. MỘT SỐ LOẠI CÂY KHÁC 17

6.ƯU ĐIỂM VÀ HẠN CHẾ CỦA CÔNG NGHỆ PHYTOREMEDIATION 19

6.1. ƯU ĐIỂM 19

6.2. NHƯỢC ĐIỂM 20

B KẾT LUẬN 20

C TÀI LIỆU THAM KHẢO 20

tố đặc biệt quan trọng đó là con người Chính con người khi tác động vào đất đãlàm thay đổi nhiều tính chất đất và nhiều khi đã tạo ra một loại đất mới chưatừng có trong tự nhiên (ví dụ như đất trồng lúa nước…).

Đất có cấu trúc hình thái rất đặc trưng, xem xét một phẫu diện đất cóthể thấy sự phân tầng cấu trúc từ trên xuống dưới như sau:

- Tầng thảm mục và rễ cỏ được phân huỷ ở mức độ khác nhau

- Tầng mùn thường có mầu thẫm hơn, tập trung các chất hữu cơ và dinhdưỡng của đất

- Tầng rửa trôi do một phần vật chất bị rửa trôi xuống tầng dưới

- Tầng tích tụ chứa các chất hoà tan và hạt sét bị rửa trôi từ tầng trên

- Tầng đá mẹ bị biến đổi ít nhiều nhưng vẫn giữ được cấu tạo của đá

- Tầng đá gốc chưa bị phong hoá hoặc biến đổi

Đất được được tổng hợp bởi: đá mẹ, sinh vật, khí hậu, địa hình và thờigian, đó là những nhân tố quyết định tới việc hình thành đất

1.2. SỰ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG ĐẤT

Đất ô nhiễm bị gây ra bởi sự có mặt của hóa chất xenobiotic (sản phẩmcủa con người) hoặc do các sự thay đổi trong môi trường đất tự nhiên Nó đượcđặc trưng gây nên bởi các hoạt động công nghiệp, các hóa chất nông nghiệp,hoặc do vứt rác thải không đúng nơi quy định Các hóa chất phổ biến baogồm hydrocacbon dầu, hydrocacbon thơm nhiều vòng (như là naphthalene andbenzo(a)pyrene), dung môi, thuốc trừ sâu, chì, và các kim loại nặng Mức độ ônhiễm có mối tương quan với mức độ công nghiệp hóa và cường độ sử dụnghóa chất

1.3. CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY Ô NHIỄM ĐẤT

Ô nhiễm đất có thể gây ra bởi:

- Tai nạn công nghiệp

- Bãi chôn lấp và vứt bỏ rác thải bất hợp pháp

- Hoạt động nông nghiệp, chẳng hạn như sử dụng thuốc trừ sâu, thuốc diệt

cỏ và phân bón

- Khai thác mỏ và các ngành công nghiệp khác

- Dầu và nhiên liệu thải bỏ

- Chôn lấp rác thải

- Thải bỏ tro than

- Nước mặt bị ô nhiễm thấm vào đất

- Xả nước tiểu và phân tự do

- Rác thải điện tử

Các hóa chất phổ biến nhất liên quan là hydrocarbon dầu, dung môi, thuốc trừ sâu, chì, và các kim loại nặng khác

2 Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG TRONG ĐẤT

2.1. TÁC HẠI CỦA KIM LOẠI NẶNG

Kim loại nặng đã được con người sử dụng hàng ngàn năm nay Bên cạnhnhững lợi ích mà nó đem lại, kim loại nặng còn chứa nhiều tác hại ảnh hưởngđến môi trường, sự sống và sức khỏe của con người Thủ phạm chính gây ra làcác chất như chì (Pb), cadimi (Cd), asen (As), thủy ngân (Hg) và các dạng hợpchất của thủy ngân… Các kim loại này đã được nghiên cứu và đánh giá tácđộng lên cơ thể người bởi các chuyên gia, tổ chức WHO

Bên cạnh việc ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người Các kim loại nặngcòn gây tác hại lên thực vật nói chung, cây trồng, hoa màu nói riêng và đặcbiệt là trực tiếp với đất

a. Tác động lên đất

Sự ô nhiễm đất bởi kim loại nặng diễn ra ở hầu hết những nơi hoạt độngsản xuất công nghiệp trên thế giới Kim loại nặng được xem là thành phầnchính gây ra ô nhiễm đất đặc biệt là Cu, Ni, Cd, Zn and Pb Các kim loại nặngkhông ảnh hưởng trực tiếp đến các enzyme hoạt động trong đất mà thay thếcác vi sinh vật có vai trò tổng hợp enzyme Các kim loại nặng đầu độc các visinh vật trong đất bằng cách ảnh hưởng lên các quy trình chính trong hoạtđộng vi sinh, làm giảm số lượng của các vi sinh vật Nói cách khác, sự ảnhhưởng lâu dài của các kim loại nặng trong đất làm các vi sinh vật cũng như cácloại nấm bị biến đổi hoặc đột biến, ví dụ như gây ảnh hưởng lên nấmarbuscular mycorrhizal (AM) giữ vai trò quan trọng trong quá trình khôi phục hệsinh thái ô nhiễm.

Theo như các nghiên cứu gần đây, Cd gây độc hại tới các enzyme trongđất hơn Pb vì tính linh động cao và ái lực đối với keo đất của nó thấp hơn Trongkhi đó, Cu gây ức chế hoạt động của b-glucosidase, một chất quan trọng trongquá trình tổng hợp dưỡng chất của cây Pb thì lại làm giảm hoạt tính của urêtrong đất, các loại enzyme như invertase (một loại enzyme được sản xuất bởinấm men, xúc tác cho sự thủy phân saccharose thành glucose và fructose) vàcatalase (enzyme phân giải hydrogen peroxide để giải phóng khí oxy dùng cho

sự hô hấp của các sinh vật và thực vật)…

b. Tác động lên thực vật

Các loại kim loại nặng không giữ nhiều vai trò trong quá trình sinh trưởng

và phát triển của các loài thực vật Bên cạnh đó, một số khác như Co, Cu, Fe,

Mn, Mo, Ni và Zn lại là những nguyên tố góp phần cho sự sinh trưởng và traođổi chất của thực vật tuy nhiên chúng có thể đầu độc nếu vượt qua ngưỡng chophép Sự hấp thụ kim loại nặng của thực vật có thể ảnh hưởng đến các sinh vậtkhác trong chuỗi thức ăn, cụ thể là các sinh vật tiêu thụ chúng như các loàiđộng vật ăn cỏ, con người

Quá trình hấp thụ và tích trữ kim loại nặng của thực vật dựa vào một sốyếu tố như nhiệt độ, độ ẩm, sự có mặt của các chất hữu cơ, pH và các chất dinhdưỡng khác Ví dụ: Quá trình hấp thụ và tích lũy Cd, Zn, Cr và Mn ở rau chân vịttăng lên vào mùa hè, trong khi đó vào mùa đông, nó hấp thụ Cu, Ni và Pb nhiềuhơn Vì vậy ý tưởng dùng thực vật để hấp thụ bớt kim loại trong đất là có cơ sở

và điều này đang được các nhà khoa học nghiên cứu Ngoài ra, việc hấp thụ các

kim loại nặng còn phụ thuộc vào loài thực vật, các loài khác nhau thì có khảnăng hấp thụ kim loại khác nhau.

Khi thực vật hấp thụ các kim loại nặng chúng sẽ có những biến đổi nhấtđịnh bên trong hoặc có thể thấy rõ ra bên ngoài như biến đổi màu sắc và chứcnăng ở các bộ phận như lá, rễ Hấp thụ kim loại nặng gây ảnh hưởng xấu đếnquá trình quang hợp, kết quả là cây sẽ sinh trưởng, phát triển chậm, giảm sảnlượng Ví dụ: Sự tăng lên của chì (Pb) làm cho hạt giống không thể nảy mầm, cóthể gây kéo dài thời gian ủ bệnh…

II XỬ LÝ ĐẤT BỊ Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG BẰNG THỰC VẬT

2 CƠ CHẾ

Figure 1: Các cơ chế hấp thụ kim loại nặng của cây bằng công nghệ Phytoremediation

Trong một số trường hợp thực vật ở vùng nhiệt đới hoặc có điều kiện sốnggần giống vùng nhiệt đới, các chất ô nhiễm này có thể bị bài tiết ra dưới dạngdịch Giống như cơ chế giảm bớt hàm lượng muối ở cây có khả năng chịu mặn

Hay nói cách khác: Phytovolatilization (một cơ chế trong

phytoremediation) là sử dụng thực vật để làm bay hơi các chất ô nhiễm thôngqua quá trình hấp thu và chuyển hóa các chất ô nhiễm thành các chất khôngđộc hại hoặc ít độc hại hơn và được thoát ra ngoài qua lỗ khí khổng Sau khigiải phóng vào không khí, các hợp chất có thể nhanh chóng bị oxi hóa trong khíquyển bởi gốc hydroxyl, độc tố sẽ bị giảm đáng kể, (ví dụ: TCE, PCE)

Sự chuyển hóa bên trong thực vật là sự đồng nhất hóa các nhóm hợpchất riêng biệt Sự đồng hóa các chất trong cây nhờ có hệ enzyme, thực vật sửdụng hệ enzyme đồng hóa, làm giảm nồng độ của chất ô nhiễm

Phytoextraction: Hấp thụ và chuyển hóa các kim loại nặng từ rễ vào các

bộ phận của cây (chủ yếu là chồi), những bộ phận đó có thể được con người sửdụng để đốt lấy tro và có thể tái chế kim loại trong chúng

Phytostabilisation: Là phương thức được một số loài thực vật nhất địnhdùng để cố định các chất gây ô nhiễm vào khu vực đất xung quanh rễ bằngcách gom và tích trữ chúng trong các mô của rễ, hoặc kết tủa lại để ngănkhông cho chúng hòa tan và phân tán lại vào trong đất.

Rhizofiltration: Là sự hấp thụ hoặc kết tủa trên bề mặt rễ cây, hoặc tíchtrữ vào trong rễ các chất trong dung dịch xung quanh khu vực rễ cây, chủ yếuđối với vùng đất bị ngập nước Đây cũng là phương thức để làm sạch nước thải

Phytovolatilization: Là sự hấp thụ và chuyển hóa các chất ô nhiễm Thựcvật sẽ làm giảm độc tính của chúng bằng cách đồng hóa sau đó giải phóngchúng vào không khí Phytovolatilization diễn ra ở giai đoạn phát triển của cây

và một số loại cây khác có thể hấp thụ nước hòa tan các chất gây ô nhiễm

Sau khi giải phóng vào không khí, các hợp chất có thể nhanh chóng bị oxihóa trong khí quyển bởi gốc hydroxyl ⟶ giảm độc, (ví dụ: TCE, PCE)

Sự chuyển hóa bên trong thực vật là sự đồng nhất hóa các nhóm hợpchất riêng biệt

Sự đồng hóa các chất trong cây nhờ có hệ enzyme, thực vật sử dụng hệenzyme đồng hóa, làm giảm nồng độ của chất ô nhiễm

Ngoài ra các chất gây ô nhiễm còn có thể được rễ cây hấp thụ thụ độngthông qua các vi sinh vật xung quanh rễ

Figure 2: Các nhân tố ảnh hưởng đế cơ chế hấp thụ

3 CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CƠ CHẾ HẤP THỤ

Chelate:

với một nguyên tử kim loại ở hai hay nhiều điểm

Tính chất của phương tiện: tính chất của các điều kiện như pH, phân bón,nguồn photpho…

Figure 3: Khả năng hấp thụ asen, chì, thủy ngân của một số loài cây

4 KHẢ NĂNG HẤP THỤ CỦA MỘT SỐ LOẠI CÂY

5 KHẢ NĂNG HẤP THỤ KIM LOẠI NẶNG CỦA MỘT SỐ LOẠI

CÂY CỤ THỂ

Ư Ơ N G

XỈ PTERIS VITTATA L

a. Giới thiệu

Hiện nay dương xỉ, đặc biệt là loài dương xỉ Pteris vittata L, đang là đốitượng rất được quan tâm trong nghiên cứu nhằm loại bỏ kim loại nặng ra khỏi

vùng đất ô nhiễm Loài dương xỉ Pteris vittata có khả năng tích luỹ 14.500 ppm

As mà chưa có triệu chứng tổn thương Cây này sinh trưởng nhanh, có sứcchống chịu cao với As trong đất (As > 1500 ppm) và chỉ bị độc ở nồng độ22.630 ppm qua 6 tuần Theo các nhà khoa học Mỹ, Pteris vittata có thể chứatới 22g As/kg lá Họ cũng đã chứng minh rằng trong vòng 24 giờ, loài dương xỉnày giảm mức As trong nước từ 200 µg/l xuống gần 100 lần, dưới mức cho phépcủa Mỹ (10 µg/l)

Ở Việt Nam, kết quả điều tra thu thập và phân tích các mẫu thực vật tạimột số vùng mỏ đã và đang khai thác tại Thái Nguyên cho thấy, ngoài khảnăng tích lũy cao As dương xỉ Pteris vittata còn có khả năng tích lũy một số kimloại như Mn, Cu, Fe, Zn và Pb

b. Thí nghiệm

Pb2+, Zn2+ dùng trong thí nghiệm được bổ sung dưới dạng Pb(NO3)2,Zn(NO3)2.6H2O Trước khi bổ sung vào thí nghiệm, các hóa chất được pha thànhdung dịch mẹ bằng nước cất khử ion rồi tính toán để lấy ra một lượng nhất địnhtheo yêu cầu thí nghiệm và bổ sung vào đất Đất sau khi trộn kim loại sẽ được

ủ khoảng 1 tuần trước khi đưa cây vào thí nghiệm Mỗi công thức được lặp lại 3lần

Thí nghiệm chống chịu Pb và Zn được đặt ở các nồng độ 500, 1000, 2000,

3000, 4000 mg/kg đối với Pb và 300, 600, 900, 1200, 1500 mg/kg đối với Zn.Các công thức thí nghiệm được so sánh với đối chứng không bổ sung kim loạivào đất

Thí nghiệm hấp thu Pb và Zn theo thời gian với các nồng độ Pb và Zntrong đất tương ứng lần lượt là 1000 mg/kg và 300 mg/kg Thời gian thu cây:lần 1: sau 1 tháng đặt thí nghiệm, lần 2: sau 1,5 tháng, lần 3: sau 2 tháng vàlần 4: kết thúc thí nghiệm sau 2,5 tháng

Phương pháp phân tích : xác định Pb và Zn theo phương pháp quang phổhấp thụ nguyên tử AAS

c. Phân tích kết quả

* Ảnh hưởng của nồng độ Pb trong đất lên sinh trưởng và hấp thu Pb của Pteris vittata

Kết quả ở Bảng 5 1 cho thấy sự khác biệt rõ ràng về sinh khối giữa các

công thức thí nghiệm Biểu hiện ở công thức đối chứng có sinh khối đạt 4.69

g /chậu, trong khi đó ở các công thức có Pb có nồng độ Pb là 500 và 1000mg/kg, sinh khối đạt các giá trị tương ứng là 4.74 và 5.27 g / chậu Ở các nồng

độ chì này sinh trưởng của dương xỉ cao hơn đối chứng

Bảng 5 1: Sinh khối và hàm lượng Pb tích lũy trong sinh khối của từng nồng độ

trong thí nghiệm chống chịu

Công thức Sinh khối Hàm lượng Pb tích lũy (mg/kg) Thân Rễ

1000 mg/kg cho sinh trưởng tốt nhất

Xét khả năng tích lũy Pb, từ số liệu Bảng 5.1 cho ta thấy, lượng Pb tích

luỹ trong thân và rễ tăng tỉ lệ thuận với hàm lượng Pb bổ sung vào đất Nếu ởcây Đc thì lượng Pb trong thân, rễ lần lượt là 39.268 mg/kg và 170.630 mg/kg.Thì khi đất nhiễm Pb ở nồng độ 500 mg/kg các số liệu tương ứng là 67.979mg/kg trong thân và 730.519 mg/kg trong rễ Tiếp tục tăng lượng Pb bổ sungvào đất lượng Pb trong cây PV cũng tăng lên và ở nồng độ 3000 mg/kg thì Pbtrong thân và rễ là 135.714 mg/kg và 1553.571 mg/kg Tuy nhiên, xét tỉ lệ củahàm lượng Pb tích lũy trong rễ với hàm lượng Pb tích lũy trong thân cho thấy, tỉ

lệ này chênh lệch không nhiều giữa các nồng độ thí nghiệm và dao động trongkhoảng từ 9.7 ÷ 11.4 Điều này chứng tỏ sự ổn định về tương quan phân bổlượng Pb giữa rễ và thân, tương quan này của Pteris vittata không phụ thuộcvào nồng độ Pb trong đất

Như vậy có kết luận rằng, Pteris vittata có khả năng chống chịu và loại bỏ

Pb tốt nhất ở nồng độ Pb 1000 mg/kg Đây cũng là cơ sở để lựa chọn nồng độ

Pb 1000 mg/kg cho thí nghiệm hấp thu Pb theo thời gian

* Ảnh hưởng của nồng độ Zn trong đất lên đến sinh trưởng và hấp thu của Pteris vittata

Số liệu thí nghiệm về sinh khối ở Bảng 5 2 cho thấy, ảnh hưởng rõ ràng

của nồng độ Zn trong đất lên sinh trưởng và phát triển của của Pteris vittata.Thể hiện ở chỗ, khi nồng độ Zn trong đất tăng thì sinh khối giảm dần Tuynhiên, mức độ giảm sinh khối không tỉ lệ một cách tuyến tính với nồng độ Zntrong đất

Bảng 5 2 Sinh khối, hàm lượng Zn tích lũy và hiệu quả hấp thu Pb của từng

nồng độ trong thí nghiệm chống chịu

Công thức Sinh khối Hàm lượng Pb tích lũy (mg/kg) Thân Rễ

Xét khả năng tích lũy và loại bỏ Zn của Pteris vittata ở các nồng độ thínghiệm (bảng 2) cho thấy Khả năng tích lũy Zn trong thân và rễ của cây tăngkhi hàm lượng Zn trong đất tăng Tuy nhiên mức độ tăng không tỉ lệ tuyến tínhvới nồng độ Zn có trong đất Khi nồng độ Zn trong đất tăng từ 300 ÷ 1500mg/kg thì khả năng tích lũy Zn của cây chỉ tăng từ 345.46 ÷ 580.09 mg/kg đốivới thân và từ 3430.70 ÷ 5380.17 mg/kg đối với rễ Cũng giống như với thí

nghiệm chống chịu Pb, khi xét tỉ lệ tích lũy Zn giữa rễ và thân của Pteris vittatatrong các nồng độ thí nghiệm cho thấy con số này dao động không nhiều (trongkhoảng 8.5 ÷ 10.5) Điều này chứng tỏ nồng độ Zn trong đất ảnh hưởng khôngnhiều đến tương quan tỉ lệ nồng độ Zn trong các phần của Pteris vittata.

Như vậy, Pteris vittata có khả năng chịu được với nồng độ Zn trong đất đến

1500 mg/kg Tuy nhiên khả năng chống chịu và loại bỏ Zn tốt nhất là ở nồng độ

300 mg/kg Vì vậy ta lựa chọn nồng độ 300 mg/kg là nồng độ sử dụng cho thínghiệm hấp thu theo thời gian

et al (1995); Knoll (1997); Truong và Baker (1998); Chen (2000) cho thấy cỏVetiver là đối tượng thực vật có nhiều đặc tính ưu việt trong lĩnh vực này Tuynhiên, việc ứng dụng một loài thực vật xử để lý ô nhiễm cần thiết phải đánh giáđược khả năng sinh trưởng, phát triển cũng như hiệu quả hấp thu các chấttrong môi trường đất ô nhiễm

b. Thí nghiệm

Môi trường đất được chọn thí nghiệm là đất cát pha, có thành phần lý hóasau: N, P và K tổng số có nồng độ lần lượt là: 0.062%; 0.043%; 0.51%; pH 4.57;Pb: 0.25ppm Đây là loại đất chua và nghèo dinh dưỡng

Cho 70 kg đất tươi vào mỗi chậu nhựa thí nghiệm (chiều cao 20cm,đường kính miệng 27cm, đáy 20cm)

Chọn những cây cỏ có thời gian sinh trưởng như nhau, khỏe mạnh, rửasạch và cắt ngắn để lại phần thân dài 35cm và phần rễ 5cm Trồng 5 tép cỏ vàomỗi chậu và ổn định trong 30 ngày

Bổ sung Pb vào đất dưới dạng dung dịch PbCl2 để được các nồng độ Pbtrong đất tương ứng là 500, 750, 1000, 1500ppm và đối chứng không bổ sungPb