TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 11, SỐ 04 - 2008 NGHIÊN CỨU VÀ LỰA CHỌN MỘT SỐ THỰC VẬT CÓ KHẢ NĂNG HẤP THU CÁC KIM LOẠI NẶNG (Cr, Cu, Zn) TRONG BÙN NẠO VÉT KÊNH TÂN HĨA LỊ GỐM Đồng Thị Minh Hậu(1), Hoàng Thị Thanh Thủy (2), Đào Phú Quốc(2) (1) Chi cục Bảo vệ Môi trường khu vực Đông Nam Bộ (2) Viện Môi trường Tài nguyên, ĐHQG –HCM ĐẶT VẤN ĐỀ Nguồn nước kênh rạch Tp Hồ Chí Minh chịu ô nhiễm nghiêm trọng phần lớn chất thải từ hoạt động sinh hoạt, sản xuất công nghiệp tiểu thủ công nghiệp không xử lý đạt tiêu chuẩn mà thải trực tiếp xuống hệ thống kênh rạch [3] Thành phần đặc tính bùn lắng chủ yếu chất hữu chiếm tỷ lệ lớn từ 70-80% số KLN với nồng độ cao [2, 4] Ô nhiễm từ bùn đáy kênh rạch cao ngày gia tăng vượt tiêu chuẩn cho phép nhiều lần, đặc biệt ô nhiễm kim loại nặng chưa có biện pháp quản lý, xử lý chúng thích hợp Những phương pháp truyền thống áp dụng để xử lý KLN có hại bùn thải bao gồm trình vật lý hóa học, xử lý nhiệt (thiêu đốt), hay phương pháp chôn lấp,… Hầu hết phương pháp ứng dụng công nghệ phức tạp, tốc độ xử lý chất ô nhiễm nhanh ngược lại chúng tốn kinh phí,… Phương pháp loại bỏ KLN từ vùng bị ô nhiễm giải pháp công nghệ sinh học môi trường - sử dụng lồi thực vật có khả chống chịu tích lũy KLN giải pháp thân thiện với mơi trường, đơn giản, dễ triển khai hiệu kinh tế Trên giới việc ứng dụng thực vật để xử lý ô nhiễm KLN môi trường đạt nhiều thành tựu có ý nghĩa khoa học thực tiễn Họ thống kê có khoảng 400 lồi có khả siêu tích lũy kim loại nặng [8] Ở Việt Nam, việc nghiên cứu dùng thực vật xử lý đất bị ô nhiễm thực TS Diệp Thị Mỹ Hạnh cộng đạt nhiều kết khả quan [1] Phương pháp xử lý dùng thực vật phát triển với nhiều cách thức áp dụng khác việc làm mơi trường, phân loại thành nhiều chế Trong đó, chế tách chiết thực vật (Phytoextraction), làm ổn định thực vật (Phytostabilization) bay thực vật (Phytovolatilization) thường áp dụng để xử lý ô nhiễm KLN đất, trầm tích bùn thải [5] 2.PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Phương pháp xác định khả hấp thu KLN thực vật 2.1.1 Đối tượng nghiên cứu Mẫu bùn đáy kênh Tân Hóa – Lò Gốm (TH-LG) lấy gần cầu Hậu Giang – Quận mẫu bùn không ô nhiễm (đối chứng) lấy phường Long Trường – Quận Các giống cây: bắp (Zea mays L.), cỏ nến (Typha angustifolia L.), sậy (Phragmites vallatoria), so đũa (Sesbania grandiflora L.) cỏ voi (Pennisetum purpureum) 2.1.2 Trồng thực vật môi trường nghiên cứu lấy mẫu phân tích Mỗi lồi thực vật nghiên cứu trồng chậu, chậu chứa 5kg bùn TH-LG Tiến hành trồng thực nghiệm thời gian 12 tuần so sánh với mẫu đối chứng (ĐC) 2.1.3 Các tiêu theo dõi Giai đoạn 1: theo dõi khả sống sót thực vật mơi trường bị ô nhiễm kim loại nặng Các thông số theo dõi: chiều cao, số chồi, tỷ lệ sống/cây trồng Science & Technology Development, Vol 11, No.04 - 2008 Giai đoạn 2: xác định khả xử lý lồi thực vật sau 12 tuần Các thơng số theo dõi đầu cuối chu kỳ: đất (KLN dạng tổng), thực vật (chiều cao, trọng lượng tươi, trọng lượng khơ, KLN dạng tổng) 2.2 Phương pháp phân tích hàm lượng kim loại nặng - Mẫu thực vật: giũ đất, rửa sạch, tách riêng phần rễ thân + lá, sau cắt nhỏ, sấy khơ mẫu đến độ khô tuyệt đối, nghiền nhỏ thành bột - Mẫu bùn: rây ướt qua rây có kích thước 63µm, cỡ hạt thu sau rây phơi khô nhiệt độ phòng, nghiền cối sứ thành bột - Tổng hàm lượng: cân xác lượng mẫu khoảng 5g, đun nóng mẫu hỗn hợp 50ml axit HClđđ v HNO3đđ theo tỷ lệ 3:1 Mẫu phân tích phương pháp quang phổ hấp thu nguyên tử lửa (AAS) bước sóng hấp thu tối ưu cho nguyên tố KẾT QUẢ 3.1 Giai đoạn Sau tuần trồng trực tiếp môi trường nghiên cứu (bùn Tân Hóa – Lò Gốm), tỷ lệ sống sót bắp cỏ voi đạt 100%; cỏ nến, sậy so đũa thấp, đạt 66,7% 34,6% Bảng 1: Kết nghiên cứu tiêu sinh học Bắp 36,7 Cỏ nến 40 Sậy 20 So Đũa 12 Cỏ Voi 24,3 tuần 84,7 76,5 26 20 54,8 Tỷ lệ 2,3 1.9 1,3 1,7 2,3 tuần 100 66,7 66,7 34,6 100 Thời gian Ban đầu Tốc độ tăng trưởng (cm) Tỷ lệ sống sót (%) Cây Bắp Cây Cỏ Voi Hình Bắp Cỏ Voi sau tuần trồng môi trường TH–LG ĐC Dựa vào kết trên, chọn loài có tỷ lệ sống sót tốc độ tăng trưởng cao Cây Bắp Cây Cỏ Voi để tiến hành nghiên cứu bước tiếp theo, theo dõi hiệu xử lý KLN chúng thời gian 12 tuần 3.2 Giai đoạn Để xác định khả hấp thu kim loại nặng (Cr, Cu, Zn) Cây Bắp Cây Cỏ Voi, nhóm tác giả tiến hành trồng hai loại môi trường bùn kênh Tân Hóa – Lò Gốm TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 11, SỐ 04 - 2008 có chứa 2656 mg/kg Cr, 1551 mg/kg Cu 2463 mg/kg Zn tuần 12 tuần, đồng thời trồng hai loại môi trường bùn không ô nhiễm KLN để làm đối chứng Hình Các giai đoạn phát triển Bắp Cỏ Voi Sau tuần 12 tuần trồng mơi trường thí nghiệm, tốc độ phát triển hai tăng theo thời gian Cây Cỏ Voi có tốc độ gia tăng sinh khối trung bình chiều cao trung bình lớn Bắp hai mơi trường (hình 3) Khố i lượ n g câ y Bắ p Chiề u cao câ y Bắ p Khố i lượ n g Cỏ Voi Chiề u cao Cỏ Voi 45 Tỷ lệ tă ng trưở ng 40 35 30 25 20 15 10 tuầ n ĐC 12 tuầ n tuầ n TH-LG 12 tuầ n Hình Tỷ lệ tăng trưởng khối lượng khô chiều cao trung bình Bắp Cỏ Voi sau tuần 12 tuần Kết sau trồng thực nghiệm 12 tuần (bảng 2) cho thấy có biến động hàm lượng Cr, Cu Zn tích lũy cây, khả tích lũy kim loại khác Tổng hàm lượng Zn trung bình tích lũy Bắp Cỏ Voi môi trường TH-LG cao tổng hàm lượng Cu, Cr tích lũy từ 2,2 ÷ 4,8 lần Bảng 2: Tổng hợp hàm lượng KLN tích lũy phận theo thời gian Science & Technology Development, Vol 11, No.04 - 2008 Lồi Cu (mg/kg khơ) Môi trường ĐC Cr (mg/kg khô) Zn (mg/kg khô) tuần 12 tuần tuần 12 tuần tuần 12 tuần 37,72 49,28 57,3 73,36 115 193 429 547 461 592 1587 2037 33,73 40,82 65,06 77,36 192 238 458 572 519 703 1136 1549 Cây Bắp TH-LG ĐC Cỏ Voi TH-LG Hàm lượng Cr, Cu, Zn tích lũy phận sau 12 tuần thể hình 4, Hàm lượng KLN tích lũy phận thân, hạt, rễ (Cây Bắp) thân, rễ (Cỏ Voi) có xu hướng tăng dần theo thời gian Tất ba kim loại tích lũy nhiều rễ, đến thân hạt Trong môi trường TH-LG, Bắp tích lũy KLN rễ cao gấp 5,1 ÷ 100 lần thân, rễ Cỏ Voi cao gấp 13,9 – 130 lần thân Tỷ lệ tích lũy rễ/ thân thấp kim loại Zn cao Cr Tỷ lệ tích lũy rễ/thân Zn Bắp đạt giá trị nhỏ cho thấy hàm lượng Zn tích lũy thân Bắp cao Cỏ Voi cao Cu, Cr Nguyên nhân Zn kim loại gây độc cho thực vật, Zn vận chuyển từ rễ lên thân tích lũy thân với nồng độ cao mà không gây ảnh hưởng đến phát triển Kết đề tài tương tự kết khảo sát thực Roger D Reeves Alan J M Baker (2000), nồng độ kim loại nặng trung bình số loài thực vật Zn: 20 ÷ 400 mg/kg, Cu: 5÷25mg/kg Cr: 0,2÷5mg/kg [10] 600 Cu (mg/kg khoâ ) 500 400 THLG - tuần THLG - 12 tuần 300 ĐC - tuần 200 ĐC - 12 tu ần 100 Thaân Hạt CÂY BẮP Rễ Thân Rễ CỎ VOI Hình Hàm lượng Cu (mg/kg) tích lũy phận theo thời gian TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 11, SỐ 04 - 2008 800 700 Cr (mg/kg khoâ ) 600 THLG - tuần 500 THLG - 12 tuần 400 ĐC - tuần 300 ĐC - 12 tuần 200 100 Thân Hạt Rễ Thân CÂY BẮP Rễ CỎ VOI Hình Hàm lượng Cr (mg/kg) tích lũy phận theo thời gian 1800 1600 Zn (mg/kg khoâ ) 1400 1200 THLG - tuần 1000 THLG - 12 tuần 800 ĐC - tu ần 600 ĐC - 12 tu ần 400 200 Thân Hạt Rễ Thân CÂY BẮP Rễ CỎ VOI Hình Hàm lượng Zn (mg/kg) tích lũy phận theo thời gian Hiệu xử lý Cr, Cu Zn bùn TH-LG thể kết phân tích hàm lượng kim loại môi trường trước sau trồng Bảng 3: Tổng hợp hàm lượng KLN mơi trường thí nghiệm theo thời gian Lồi Cây Bắp Cỏ Voi Môi trường Cu (mg/kg khô) Ban đầu tuần ĐC 32,19 31,68 TH-LG 1551 1545 ĐC 32,19 TH-LG 1551 Cr (mg/kg khô) 12 tuần 31,3 Zn (mg/kg khô) Ban đầu tuần 12 tuần Ban đầu tuần 12 tuần 45,25 44,78 43,41 97,3 95,99 93,71 1518 2656 2650 2621 2463 2426 2339 31,7 27,5 45,25 44,46 35,84 97,3 94,55 68,1 1535 1450 2656 2635 2573 2463 2422 2326 Kết bảng cho thấy có biến đổi nồng độ KLN mơi trường đất theo thời gian Lượng KLN tích lũy dần vào theo thời gian làm cho nồng độ Cr, Cu, Zn môi trường đất giảm Science & Technology Development, Vol 11, No.04 - 2008 Hình biểu diễn phần trăm hàm lượng KLN loại bỏ khỏi môi trường TH-LG sau trồng thực nghiệm 12 tuần Các môi trường trồng Cỏ Voi cho kết phần trăm hàm lượng KLN (Cr, Cu, Zn) loại bỏ cao môi trường trồng Bắp Mơi trường TH-LG trồng Cỏ Voi có hiệu loại bỏ Cu khỏi bùn cao (6,5%) Phaà n trăm hàm lượ ng KLN (%â) xử lý 7,0 6,0 5,0 4,0 Cây Bắp Cỏ Voi 3,0 2,0 1,0 0,0 tuaà n 12 tuaàn tuaà n Cu 12 tuaà n tuaàn Cr 12 tuaà n Zn Hình Phần trăm hàm lượng (%) Cr, Cu, Zn loại bỏ khỏi môi trường TH-LG Mối tương quan khả hấp thu kim loại giảm hàm lượng kim loại mơi trường thể qua hệ số tích lũy sinh học Hệ số tích lũy sinh học Bioconcentration factor (BCF) kim loại hệ số tổng lượng kim loại có với lượng kim loại có mơi trường Hệ số cao hiệu xử lý kim loại lớn BCF = Haøm lượng KLN tích luỹ Hàm lượng KLN đất Hệ số tích luỹ sinh học Bắp Cỏ Voi có gia tăng theo thời gian (bảng 4) Bảng 4: Hệ số tích lũy sinh học sau tuần 12 tuần Hệ số tích lũy sinh học Loài Cây Bắp Cỏ Voi Cu (BCF-1) Cr (BCF-2) Zn (BCF-3) tuần 12 tuần tuần 12 tuần tuần 12 tuần 0,28 0,35 0,17 0,22 0,64 0,83 0,30 0,37 0,20 0,26 0,46 0,63 Dựa vào bảng cho thấy, hai giai đoạn, Cỏ Voi tích lũy Cr Cu cao Cây Bắp, ngược lại khả tích lũy Zn Cỏ Voi lại thấp Cây Bắp So sánh với kết tác giả giới công bố [6, 7, 9], hai loài Bắp Cỏ Voi tích lũy KLN rễ nhiều thân, điều tìm thấy tương tự kết nghiên cứu đề tài Ở Việt Nam, Bắp Cỏ Voi phổ biến, nhiên chưa có nghiên cứu sử dụng trực tiếp hai loài xử lý bùn nạo vét kênh rạch bị ô nhiễm KLN Với kết nghiên cứu đạt đề tài, Bắp Cỏ Voi hai thực vật có triển vọng lĩnh vực công nghệ sinh học môi trường - sử dụng thực vật (phytotechnology) để xử lý bùn đất bị ô nhiễm KLN (Cr, Cu, Zn) nước ta: giảm rủi ro cho sức khỏe người từ ô nhiễm KLN môi trường mà sản phẩm sinh sau trình xử lý đem TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 11, SỐ 04 - 2008 đến lợi ích khác Ví dụ, sinh khối sau thu hoạch sử dụng trực tiếp nguồn nhiên liệu (thân cây) sinh lượng hay dùng làm nguyên liệu (hạt bắp) ngành sản xuất ethanol sinh học, làm giảm việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch KẾT LUẬN Kết nghiên cứu đưa số kết luận sau: Ø Cây Bắp Cỏ Voi sống phát triển bình thường mơi trường bùn nạo vét kênh Tân Hóa – Lò Gốm bị nhiễm kim loại nặng (Cr, Cu, Zn) Ø Tốc độ phát triển môi trường TH-LG hai nhanh, sinh khối Cỏ Voi cao Bắp Sau tuần 12 tuần, sinh khối Cỏ Voi 74,8g 197g; tương ứng Bắp 47g 133g Ø Khả tích lũy Cr Cu Cỏ Voi cao Bắp ngược lại khả tích lũy Zn Cỏ Voi lại thấp hơn: hàm lượng Cu tích lũy Cỏ Voi sau 12 tuần 458mg/kgDW 572 mg/kgDW, tương ứng Bắp 429mg/kgDW 547mg/kgDW; hàm lượng Cr tích lũy Cỏ Voi sau 12 tuần 519mg/kgDW 703 mg/kgDW, tương ứng Bắp 461mg/kgDW 592mg/kgDW; hàm lượng Zn tích lũy Cỏ Voi sau 12 tuần 1136mg/kgDW 1549mg/kgDW, tương ứng Bắp 1587mg/kgDW 2037mg/kgDW Ø Cây Bắp Cỏ Voi khơng siêu tích luỹ, chúng tích luỹ KLN theo chế ổn định thực vật Hàm lượng KLN tích luỹ rễ cao thân nhiều lần: Bắp tích lũy rễ cao gấp 5,1 – 100 lần thân, tương ứng Cỏ Voi 13,9 – 130 lần Tỷ lệ tích lũy Zn rễ/ thân Bắp 5,1 lần - đạt giá trị nhỏ Sinh khối hai loài thu lớn, sử dụng hai lồi thực vật để xử lý bùn nạo vét đất bị ô nhiễm kim loại nặng Đây phương pháp xử lý đơn giản, thân thiện với môi trường, chi phí thấp Ngồi vận chuyển KLN độc hại từ rễ lên thân thấp nên sinh khối sau thu hoạch không gây nguy hiểm cho chuỗi thức ăn, sử dụng có ích cho mục đích khác (thức ăn cho gia súc, sản xuất lượng, ) Science & Technology Development, Vol 11, No.04 - 2008 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Diệp Thị Mỹ Hạnh, Khảo sát số lồi thực vật có khả tích lũy chì (Pb) Cadmium (Cd) từ mơi trường đất, Trường Đại học Khoa học tự nhiên Tp HCM (2003) [2] Hoàng Thị Thanh Thủy, Nghiên cứu khả ứng dụng cỏ vetiver vào xử lý trầm tích sơng rạch bị ô nhiễm Tp HCM, Viện Môi trường Tài nguyên – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh (2005) [3] Nguyễn Đình Tuấn, Chất lượng nước kênh rạch Tp Hồ Chí Minh – Hiện trạng thách thức, Báo cáo hội thảo “Phát triển bền vững thành phố xanh lưu vực sông”, 5/2005, pp - (2005) [4] Lâm Minh Triết, Nghiên cứu biện pháp bảo vệ môi trường hoạt động nạo vét, vận chuyển đổ bùn lắng Thành phố Hồ Chí Minh, Viện Mơi trường Tài ngun – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh (2000) [5] EPA, Introduction to Phytoremediation, National Rish Management Research Laboratory, EPA/600/R-99/107, pp 14-51 (2000) [6] Denaix L., Contribution of contaminated depth soil layers on the Cd, Cu, Pb and Zn uptake by maize, 8th International Conference on the Biogeochemistry of Trace Elements, Adelaide – Australia (3-7th April 2005) [7] H.P Xia, Ecological rehabilitation and phytoremediation with four grasses in oil shale mined land, Chemosphere 54, pp 345-353 (2004) [8] Majeti Narasimha Vara Prasad and Helena Maria de Oliveira Freitas, Metal hyperaccumulation in plants – Biodiversity prospecting for phytoremediation technology, Electric Journal of Biotechnology, Vol 6, No (2003) [9] M Pogrzeba, Heavy metal removal from municipal sewage sludges by phytoextraction, the 2001 International Containment & Remediation Technology Conference and Exhibition (2001) [10] Roger D Reeves and Alan J M Baker, Metals – Accumulating Plants, Phytoremediation of Toxic Metals: Using Plants to Clean Up the Environment, Edited by Ilya Raskin and Burt D Ensley, John Wiley & Sons, Inc, pp 194, (2000) ... nhiên liệu hóa thạch KẾT LUẬN Kết nghiên cứu đưa số kết luận sau: Ø Cây Bắp Cỏ Voi sống phát triển bình thường mơi trường bùn nạo vét kênh Tân Hóa – Lò Gốm bị nhiễm kim loại nặng (Cr, Cu, Zn) Ø Tốc... định khả hấp thu kim loại nặng (Cr, Cu, Zn) Cây Bắp Cây Cỏ Voi, nhóm tác giả tiến hành trồng hai loại môi trường bùn kênh Tân Hóa – Lò Gốm TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 11, SỐ 04 - 2008 có chứa... (BCF) kim loại hệ số tổng lượng kim loại có với lượng kim loại có mơi trường Hệ số cao hiệu xử lý kim loại lớn BCF = Hàm lượng KLN tích luỹ Hàm lượng KLN đất Hệ số tích luỹ sinh học Bắp Cỏ Voi có