Rhizodegradation

1. ĐỊNH NGHĨA Rhizodegradation: Là quá trình phân huỷ chất ô nhiễm hữu cơ trong đất thông qua 2. XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG 3. THUẬN LỢI 4. KHÓ KHĂN

Danh sách sinh viên nhóm I

1 Lê Thị Phương Thảo

2 Nguyễn Hữu Đại

3 Nguyễn Thị Như Vân

4 Đàm Minh Anh

5 Trần Triệu

Ngoài ra trong quá trình phát triển, bộ rễ của cây không ngừng mở rộng làm thay đổi tính chất của đất, giúp cho oxy đi vào vùng rễ, điều này cũng góp phần gián tiếp giúp cho các vi sinh vật phát triển

Có thể hiểu biện pháp này chính là việc sử dụng khéo léo mối quan hệ cộng sinh của vi sinh vật trong đất với cây Chính vì lẽ đó, mà biện pháp này chủ yếu sử dụng để xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ như PCB, thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ,

Quá trình phân hủy các chất hữu cơ theo cơ chế Rhizodegradation

2 XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG

Rhizodegradation đã được sử dụng cho đất, trầm tích, bùn cặn, dung môi clo hóa,

thuốc trừ sâu, hydrocarbon xăng dầu, và biphenyl.

3 THUẬN LỢI

Rhizodegradation có những thuận lợi như:

- Phân hủy tại chỗ các chất ô nhiễm

- Sự di chuyển của hợp chất vào cây hay vào không khí theo các công nghệ xử lý ô nhiễm bằng thực vật khác có thể ít hơn so với công nghệ này vì quá trình phân hủy xảy ra ngay tại nguồn gây ô nhiễm

- Có thể xảy ra quá trình khoáng hóa của chất ô nhiễm

- Chi phí thiết lập và bảo trì thấp so với các phương pháp xử lý khác

4 KHÓ KHĂN

Rhizodegradation có những khó khăn như:

- Cần khoảng thời gian dài cho sự phát triển rộng vùng rễ

- Cấu trúc và độ ẩm của đất có thể giới hạn chiều dài rễ

- Vùng rễ có thể làm tăng tốc độ phân hủy ban đầu nhưng phạm vi và mức độ phân hủy cuối cùng có thể là giống nhau trong cả hai trường hợp đất thuộc vùng rễ và đất không rễ

- Sự hấp thụ của cây trồng có thể xảy ra với nhiều chất gây ô nhiễm Các nghiên cứu thí nghiệm và thực địa cần giải thích cho sự biến mất khác và cơ chế phân giải bằng thực vật (phytoremediation) có thể làm phức tạp việc giải thích sự phân giải của rễ (rhizodegradation) VD: nếu cây trồng hấp thụ, phân giải bằng thực vật

(phytoremediation) hoặc phân giải nhờ bay hơi (phytovolatilization) có thể xảy ra ngoài sự phân giải của rễ (rhizodegradation)

- Cần bón bổ sung phân cho cây do sự cạnh tranh chất dinh dưỡng của vi sinh vật

- Dịch tiết của rễ cũng kích thích sự phát triển của các vi khuẩn không phân hủy chất ô nhiễm, làm tổn hại các vi khuẩn phân hủy chất ô nhiễm

- Vi sinh vật có thể sử dụng các nguồn chất hữu cơ từ cây thay cho các chất ô nhiễm, do đó làm giảm lượng chất ô nhiễm phân hủy sinh học Trong cột trầm tích thí nghiệm, các mảnh vụn từ loài thực vật đất ngập nước mặn Spartina alterniflora làm giảm lượng dầu phân hủy sinh học Đó cũng có thể là do sự cạnh tranh về lượng oxy có hạn hay chất dinh dưỡng vi sinh vật phân hủy dầu bản địa và vi sinh vật phân hủy các chất hữu cơ thực vật.

5 NỒNG ĐỘ VÀ CÁC LOẠI CHẤT CÓ THỂ PHÂN HỦY

Những chất ô nhiễm bị phân hủy theo phương pháp này:

* TPH (total petroleum hydrocarbons)

Một vài địa điểm thực tế bị ô nhiễm dầu thô, diesel, dầu nặng, và các sản phẩm từ dầu khác được nghiên cứu xử lý bằng thực vật bằng cách kiểm tra sự biến mất của

TPH Rhizodegradation và sự hóa mùn là những cơ chế quan trọng nhất làm biến mất

TPH đối với những cây ít hấp thụ Rhizodegradation có khả năng hạ thấp mức độ TPH xuống dưới mức bình ổn nhận thấy ở phương pháp xử lý sinh học bình thường

Hàm lượng hydrocacbon dầu mỏ cao ban đầu (2000 – 40000mg/kg TPH) được nghiên cứu ở vài địa điểm thực tế Sự sinh trưởng khác nhau ở các loài thực vật khác nhau, nhưng sự có mặt của một số loài đã dẫn đến sự biến mất đáng kể TPH so với những loài khác hay trong đất không trồng thực vật

* PAHs (polycyclic aromatic hydrocacbons)

- Chrysene, benzo(a)anthracene, benzo(a)pyrene, và dibenzo(a,h)anthracene giảm đi nhiều trong đất có trồng thực vật so với đất không trồng (Aprill and Sims 1990).

- Anthracene và pyrene giảm đi nhiều trong đất có trồng thực vật so với đất không trồng (Reilley et al 1996).

- Pyrene bị khoáng hóa với tốc độ lớn hơn khi ở các hệ thống có trồng cây (Ferro et al 1994a).

- Pyrene ở mức 150 mg/kg được thí nghiệm với cỏ lúa mì mào gà(Ferro et al 1994b).

- Anthracene và pyrene ở mức 100 mg/kg được thí nghiệm với các loại cỏ và một thứ đậu (Reilley et al 1996).

- 10 mg/kg PAH (chrysene, benzo(a)anthracene, benzo(a)pyrene, dibenzo (a,h) anthracene) đã giảm đi nhiều trong đất có trồng cây (Aprill and Sims 1990).

- PAHs ở mức 1,450 đến 16,700 mg/kg (ở đất cũng bị ô nhiễm PCP) ngăn chặn mạnh mẽ sự nảy mầm và phát triển của các loại cỏ (Pivetz et al 1997).

* BTEX (Benzene, toluene, ethylbenzene, and xylenes)

- Đất ở vùng rễ cây dương có mật độ cao các vi khuẩn phân hủy benzene, toluene, và o-xylene so với vùng không có rễ cây Các dịch rễ cây có chứa các đại phân tử hữu cơ có khả năng phân hủy dễ dàng (Jordahl et al 1997).

* Thuốc trừ sâu

- Thuốc diệt cỏ atrazine, metolachlor, và trifluralin: Đất vùng rễ có sự gia tăng tốc

độ phân hủy so với vùng đất không rễ Các thí nghiệm đã được tiến hành trong sự vẵng mặt của các loài cây để làm giảm ảnh hưởng của sự hấp thụ của rễ (Anderson et al 1994).

- Thuốc diệt con trùng Parathion and diazinon organophosphate: tốc độ khoáng hóa

của các hợp chất đã đánh dấu phóng xạ cao hơn ở đất thuộc vùng rễ so với đất không thuộc vùng rễ cây Sự khoáng hóa Diazinon trong đất mà không có rễ thì không tăng lên khi thêm dịch rễ cây, nhưng mà sự khoáng hóa parathion lại tăng (Hsu and Bartha 1979).

-Thuốc diệt cỏ Propanil : có sự tăng số lượng vi khuẩn Gram âm ở vùng đất chứa

quyển rế Người ta cho rằng yếu tố phân hủy propanil tốt nhất sẽ có lợi khi do gần rễ và các dịch rễ (Hoagland et al 1994).

- Thuốc diệt cỏ 2,4-D: vi sinh vật có khả năng phân hủy 2,4-D xuất hiện liên quan

đến nâng cao về lượng trong quyển rễ của mía đường, so với vùng đất không có rễ (Sandmann and Loos 1984) Hằng số tốc độ phân hủy bằng thực vật của 2,4-D cao hơn ở các vùng đất thuộc quyển rễ (Boyle and Shann 1995).

- Thuốc diệt cỏ 2,4,5-T: Hằng số tốc độ phân hủy bằng thực vật của 2,4,5-T cao hơn

ở các vùng đất thuộc quyển rễ (Boyle and Shann 1995).

- Tăng sự phân hủy của đất thuộc vùng uyển rễ có chứa 0.3 g/g trifluralin, 0.5 g/g atrazine, và 9.6 g/g metolachlor so với vùng không có rễ (Anderson et al 1994).

- Parathion và diazinon ở mức 5 g/g khoáng hóa mạnh hơn trong đất có rễ (Hsu and Bartha 1979).

- Đất có quyển rễ có chứa 3 g/g propanil đã tăng số lượng vi khuẩn Gram âm do đó nhanh chóng biến đổi (Hoagland et al 1994).

* Dung môi clo hóa

- Sự khoáng hóa mạnh hơn TCE của đất có trồng cây (Anderson and Walton 1995).

- sự phân hủy TCE và TCA có thể tăng thêm nhờ các rễ thực vật tăng cường sự phân hủy của vùng quyển rễ (Narayanan et al 1995).

- TCE ở mức 100 và 200 g/L trong nước ngầm đã được xử lý trong một hệ thống đất - nước ngầm (Narayanan et al 1995).

- TCA ở mức 50 và 100 g/L trong nước ngầm đã được xử lý trong một hệ thống đất - nước ngầm (Narayanan et al 1995).

- PCP ở mức 400 đến 4100 mg/kg (đất có bị ô nhiễm PAHs) ngăn chăn mạnh mẽ sự

nảy mầm và phát triển của 8 loài cỏ (Pivetz et al 1997).

* PCBs (polychlorinated biphenyls)

- Những hợp chất như flavonoids and coumarins tìm thấy trong dung dịch lọc từ rễ các cây xác định kích thích sự phát triển của vi khuẩn phân huỷ PCB (Donnelly et al 1994; Gilbert and Crowley 1997).

* Surfactants

- Linear alkylbenzene sulfonate (LAS) and linear alcohol ethoxylate (LAE) có tốc độ khoáng hóa mạnh hơn khi có mặt vi sinh vật vùng rễ hơn các trầm tích không có vùng rễ (Federle and Schwab 1989).

- LAS và LAE ở mức 1 mg/L có tốc độ khoáng hóa mạnh hơn khi có mặt vi sinh vật vùng rễ hơn các trầm tích không có vùng rễ (Federle and Schwab 1989)

6 ĐỘ DÀI RỄ

Do vùng rễ chỉ mở rộng khoảng 1mm từ rễ cây và ban đầu thể tích đất trong vùng rễ chỉ là phần nhỏ của tổng thể tích đất (thể tích đất giới hạn ban đầu ảnh hưởng bởi vùng rễ) Tuy nhiên, theo thời gian rễ mới sẽ lan ra vùng đất khác, và rễ khác sẽ phân hủy,

kết quả là dịch rỉ bổ sung thêm vào vùng rễ Như vậy, phạm vi của rhizodegradation sẽ

tăng với thời gian và với sự tăng trưởng rễ bổ sung Hiệu quả của rhizodegradation có thể hơi sâu hơn vùng rễ Nếu dịch rễ là các chất có thể hòa tan trong nước, không bị hút thu quá mạnh và không nhanh chóng phân hủy, chúng có thể đi sâu thêm vào đất Nước ngầm bị ô nhiễm có thể được cải thiện nếu nó nằm trong phạm vi ảnh hưởng của rễ.

7 NHỮNG LOÀI THỰC VẬT CÓ THỂ ÁP DỤNG

Những cây sản xuất dịch rễ đã kích thích sự tăng trưởng của vi sinh vật phân hủy hoặc kích thích sự đồng đồng hóa sẽ nhiều lợi ích hơn những cây không có những dịch

rỉ trực tiếp hữu ích như vậy Số lượng, kiểu và hiệu quả của những dịch rỉ và những enzym sản xuất từ rễ thay đổi giữa các loài và thậm chí bên trong các loài phụ hay các thứ trong cùng một loài.

Sau đây là những ví dụ thực vật có khả năng rhizodegradation:

* Hồng dâu (Morus rubra L.), táo tây dại [Malus fusca (Raf.) Schneid], và dâu vàng cam [Maclura pomifera (Raf.) Schneid] sản xuất những dịch rỉ có chứa hàm lượng tương đối cao các hợp chất phenolic, ở nồng độ có khả năng kích thích tăng trưởng của vi khuẩn phân hủy PCB

* Bạc hà lục (Mentha spicata) trong dịch chiết chứa một hợp chất gây ra sự đồng đồng hóa của một loại PCB

* Cỏ linh lăng (Medicago sativa) dường như đã góp phần làm tan TCE và TCA thông qua những dịch rỉ trên vi khuẩn đất

* Cây đậu [ Lespedeza cuneata (Dumont)], Cây thông trầm hương [ Pinus taeda (L)], và cây đậu tương [ Gli-xin max ( L.) Merr., cv Davis] sự khoáng hóa TCE gia tăng so với đất không trồng cây.

* Tại một điểm thực địa bờ biển Gulf , việc sử dụng lúa mạch đen hàng năm và cỏ St Augustine sau 21 tháng đã dẫn tới sự biến mất nhiều TPH hơn với thí nghiệm sử dụng lúa miến hay miếng đất không trồng cây.

* Tại một địa điểm thực địa, mặc dù cỏ ba lá trắng đã không sống sót qua mùa đông thứ hai, nồng độ của TPH đã giảm nhiều hơn so với trồng cây cỏ đuôi trâu cao hay cỏ gà, lúa mạch đen hàng năm, hay không trồng cây.

* Sự phân giải PAH diễn ra thông qua sử dụng hỗn hợp cỏ đồng: big bluestem (Andropogon gerardi), little bluestem (Schizachyrium scoparius), cỏ Ấn Độ (Sorghastrum nutans), switchgrass (Panicum virgatum), lúa mạch đen dại Canada

(Elymus canadensis), cỏ lúa mì phương tây (Agropyron smithii), side oats grama (Bouteloua curtipendula), and blue grama (Boutelouagracilis) (Aprill and Sims 1990).

* Cây cỏ đuôi trâu (Festuca arundinacea Schreb) - một thứ cỏ “một mùa mát”(a cool-season grass) ; Sudangrass (Sorghum vulgare L.) và switchgrass (Panicum virgatum L.) là những loại có “một mùa ấm” (warm-season grasses); và cỏ linh lăng ( Medicago sativa L.), một loại đậu, đã được sử dụng để nghiên cứu sự phân giải PAH (Reilley et al 1996).

* Hycrest crested wheatgrass đã làm tăng tốc độ khoáng hóa của PCP and pyrene liên quan đến sự điều khiển phi thực vật (Ferro et al 1994a, 1994b).

* Trong đất nhiễm PAH-và PCP, một tập hợp các loại cỏ đuôi gà : tall fescue (Festuca arundinacea), red fescue (Festuca rubra) có tốc độ nảy mầm và sinh khối cao hơn so với một tập hợp gồm các loài cỏ lúa mì [western wheatgrass (Agropyron smithii) and slender wheatgrass (Agropyron trachycaulum)], hay tập hợp cỏ Ấn Độ, (Sorghastrum nutans),hay cỏ switchgrass (Panicum virgatum) (Pivetz et al 1997).

* Đất vùng rễ cây đậu thân bụi có tốc độ khoáng hóa parathion và diazion cao hơn so với đất không có rễ cây.

* Đất vùng rễ cây gạo đã tăng số lượng vi khuẩn Gram âm có khả năng biến đổi propanil nhanh chóng.

* Đất vùng rễ Kochia sp đã làm tăng sự phân giải những thuốc diệt cỏ so với các vùng đất không có rễ cây

* Vi sinh vật ở rễ cây cỏ nến (Typha latifolia) làm tăng tốc độ khoáng hóa của LAS và LAE hơn các vùng trầm tích không có rễ cây.

* Đất vùng rễ cây dương lai chứa quần thể đông đúc cao hơn đáng kể của vi khuẩn dị dưỡng, những vi khuẩn loại nitơ, pseudomonads phân hủy BTX và atrazine hơn các vùng đất không có rễ cây.

10 ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU

Các nghiên cứu thực địa quá trình rhizodegradation đã được tiến hành dưới những điều kiện khí hậu khác biệt rất lớn như phía nam ẩm ướt, phía tây khô cằn và phía bắc lạnh giá

11 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

Tình hình nghiên cứu và ứng dụng của quá trình rhizodegradation:

- Quá trình rhizodegradation ban đầu được nghiên cứu rộng rãi trong mối tương quan với quá trình phân hủy sinh học biodegration của thuốc trừ sâu trong đất nông nghiệp.

- Nhiều nghiên cứu thí nghiệm, nghiên cứu trong nhà kính và một số nghiên cứu thực địa đã được tiến hành, có thể kể một nghiên cứu thực địa tiến hành ở McCormick & Baxter Superfund Site.

- Các điểm nóng có nồng độ chất ô nhiễm cao hơn có thể được đào lên và xử lý với công nghệ khác hay san lấp đi Quá trình rhizodegradation có thể ứng dụng như bước làm sạch hay bước cuối cùng sau khi quá trình xử lý tích cực đất bằng thực vật kết

- Một phân nhóm TPH/PAH được hình thành như là một phần của RTDF Phytoremediation of Organics Action Team để khảo sát quá trình rhizodegradation Diễn đàn Petroleum Environmental Research cũng đang khảo sát quá trình

rhizodegradation về phân hủy bằng thực vật các hydrocacbon dầu mỏ.

12 CHI PHÍ HỆ THỐNG

Thông tin chi phí của quá trình rhizodegradation thì vẫn chưa đầy đủ đến thời điểm này.

13 TÀI LIỆU THAM KHẢO THÊM

Anderson, T A., and J R Coats (eds.) 1994 Bioremediation Through Rhizosphere Technology, ACS Symposium Series,Volume 563 American Chemical Society,

Washington, DC.249 pp.

Đây là tập hợp 17 bài báo nghiên cứu về rhizodegradation: giới thiệu những khái niệm liên quan đến rhizodegradation, thảo luận sự tương tác giữa vi sinh vật, thực vật, hóa học và cung cấp những ví dụ về quá trình rhizodegradation các hóa chất công nghiệp và thuốc trừ sâu

Anderson, T A., E A Guthrie, and B T Walton 1993.Bioremediation in the Rhizosphere Environ Sci Technol.27:2630-2636.

Tài liệu này nhận xét những tổng kết nghiên cứu tiến hành trên các chất ô nhiễm (thuốc trừ sâu, dung môi được khử bằng clo, các sản phẩm từ dầu mỏ, các chát hoạt động bề mặt)

Anderson, T A., and B T Walton 1995 Comparative Fate of [14c]trichloroethylene in the Root Zone of Plants from a Former Solvent Disposal Site Environ Toxicol Chem.14:2041-2047.

Trình bày các buồng trong một phòng môi trường đã sử dụng nhiều loại cây và với TCE được đánh dấu đồng vị phóng xạ Tốc độ khoáng hóa ở đất có thực vật lớn hơn đất trống

Aprill, W., and R C Sims 1990 Evaluation of the Use of Prairie Grasses for Stimulating Polycyclic Aromatic Hydrocarbon Treatment in Soil Chemosphere 20:253-265.

Tám loại cỏ đồng được khảo sát, sử dụng các buồng cấu trúc từ ống nhựa PVC đường kính 25cm Đất pha PAH ở mức 10 mg PAH/kg đất được thêm vào các buồng trước khi gieo hạt Các mẫu đất, dung dịch lọc, và mô thực vật được thu trong suốt nghiên cứu Sự biến mất của PAH nhiều hơn ở các buồng có trồng cây

Ferro, A M., R C Sims, and B Bugbee 1994a Hycrest Crested Wheatgrass Accelerates the Degradation of Pentachlorophenol in Soil J Environ Qual 23:272-279.

Một nghiên cứu trong buồng sinh trưởng sử dụng Pentachlorophenol đánh dấu đồng vị phóng xạ đã chỉ ra rằng sự khoáng hóa xảy ra nhiều hơn ở các hệ thống trồng cây hơn là các hệ không trồng cây.

Fletcher, J S., and R S Hegde 1995 Release of Phenols by Perennial Plant Roots and their Potential Importance in Bioremediation Chemosphere 31:3009-3016.

Các nghiên cứu nhà kính chỉ rõ bằng chứng hóa học và vi sinh vật cho sự xảy ra quá trình rhizodegradation Tiềm năng của phân hủy sinh học trong vùng rễ được xác định dựa trên các loài thực vật đặc biệt và dịch rễ cây.

Schnoor, J L., L A Licht, S C McCutcheon, N L Wolfe, and L H Carreira 1995a Phytoremediation of Organic and Nutrient Contaminants Environ Sci Technol 29:318A-323A.