luận văn thạc sĩ, tiến sĩ, cao học, luận văn
1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI PHAN QUỐC HƯNG NGHIÊN CỨU XỬ LÝ ðẤT NÔNG NGHIỆP Ô NHIỄM CHÌ (Pb), ðỒNG (Cu), KẼM (Zn) BẰNG BIỆN PHÁP SINH HỌC Chuyên ngành: ðất và Dinh dưỡng cây trồng Mã số: 62 62 15 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NÔNG NGHIỆP NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. Lê Như Kiểu 2. PGS.TS Trần Văn Chính HÀ NỘI - 2011 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học nông nghiệp ……………………. i Lời cam ñoan Tôi xin cam ñoan ñây là công trình nghiên cứu của tôi. Các kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa ñược ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Mọi sự giúp ñỡ và các thông tin trích dẫn ñã ñược nêu rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày…. tháng…. năm 2011 Tác giả luận án Phan Quốc Hưng Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học nông nghiệp ……………………. ii LỜI CẢM ƠN ðể hoàn thành công trình này, tôi ñã nhận ñược sự giúp ñỡ tận tình của Bộ môn Khoa học ñất, Viện ðào tạo Sau ðại học, Khoa Tài nguyên và Môi trường, Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội; tập thể và cá nhân những nhà khoa học thuộc nhiều lĩnh vực trong và ngoài ngành. Tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và kính trọng ñến: + TS. Lê Như Kiểu, Phó Viện trưởng, Trưởng Bộ môn Vi sinh vật - Viện Thổ nhưỡng Nông hóa và PGS.TS Trần Văn Chính-Bộ môn Khoa học ñất-Khoa Tài nguyên và Môi trường-ðại học Nông nghiệp Hà Nội, những người thầy hướng dẫn hết mực nhiệt tình, làm việc với tinh thần chu ñáo trách nhiệm cao, ñã chỉ dạy giúp ñỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện và hoàn thành luận án. + PGS. TS. Nguyễn Xuân Thành-Trưởng khoa Tài nguyên và Môi trường, PGS. TS Nguyễn Hữu Thành-Trưởng Bộ môn Khoa học ñất-Khoa Tài nguyên và Môi trường-ðại học Nông nghiệp Hà Nội ñã hết lòng hướng dẫn, giúp ñỡ tôi trong quá trình thực hiện ñề tài. + Tập thể lãnh ñạo và các thầy, cô của Khoa Tài nguyên và Môi trường và Viện ðào tạo Sau ðại học thuộc Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội. Những người ñã giúp ñỡ, ñóng góp ý kiến và tạo mọi ñiều kiện thuận lợi ñể tôi hoàn thành luận án này. Xin bày tỏ lòng biết ơn vợ, các con và gia ñình, bạn bè ñã ñộng viên, hỗ trợ tôi trong suốt quá trình thực hiện nghiên cứu này. Hà Nội, ngày…. tháng…. năm 2011 Tác giả luận án Phan Quốc Hưng Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học nông nghiệp ……………………. iii MỤC LỤC Lời cam ñoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục ký hiệu và các chữ viết tắt vi Danh mục bảng vii MỞ ðẦU 1 1. Tính cấp thiết của ñề tài 1 2. Mục tiêu nghiên cứu 2 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài 2 3.1. Ý nghĩa khoa học 2 3.2. Ý nghĩa thực tiễn 2 4. ðóng góp mới của ñề tài 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4 1.1. Tổng quan về ô nhiễm ñất và ô nhiễm kim loại nặng trong ñất 4 1.1.1. Khái niệm về ô nhiễm ñất 4 1.1.2. Khái niệm về kim loại nặng 5 1.2. Tình hình ô nhiễm kim loại nặng trong ñất trên thế giới và ở Việt Nam 6 1.2.1. Tình hình ô nhiễm kim loại nặng trên thế giới 6 1.2.2. Tình hình ô nhiễm kim loại nặng ở Việt Nam 8 1.3. Các phương pháp xử lý ñất ô nhiễm kim loại nặng 16 1.3.1. Các phương pháp vật lý 16 1.3.2. Các phương pháp hoá học 17 1.3.3. Các phương pháp sinh học 18 1.4. Những nghiên cứu về mối quan hệ giữa vi sinh vật vùng rễ với thực vật trong hấp thu, chuyển hóa kim loại nặng trong ñất 33 1.5. Tình hình nghiên cứu xử lý ñất ô nhiễm kim loại nặng bằng phương pháp sinh học ở Việt Nam 38 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học nông nghiệp ……………………. iv 1.5.1. Tình hình sử dụng thực vật 38 1.5.2. Tình hình sử dụng vi sinh vật 41 1.6. Các kết quả nghiên cứu về cơ chế tác ñộng của vi sinh vật ñến sự tích luỹ kim loại nặng của thực vật 42 1.6.1. Cơ chế thay ñổi pH ñất ñể tăng sự hoà tan của kim loại nặng 43 1.6.2. Cơ chế kích thích sinh trưởng thực vật 45 CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 48 2.1. Nội dung nghiên cứu 48 2.2. Vật liệu 49 2.2.1. ðất 49 2.2.2. Thực vật 49 2.2.3. Môi trường 49 2.2.4. Chế phẩm vi sinh vật 50 2.3. Phương pháp nghiên cứu 50 2.3.1. Phân tích tính chất lý, hóa học của ñất 50 2.3.2. Phân tích hàm lượng kim loại nặng trong ñất, trong cây và ñánh giá mức ñộ ô nhiễm kim loại nặng của ñất (Cu, Pb, Zn) 51 2.3.3. Lấy mẫu phân lập và tuyển chọn các chủng vi sinh vật vùng rễ có khả năng chống chịu, chuyển hóa kim loại nặng cao và kết hợp với thực vật 51 2.3.4. ðánh giá ñặc tính sinh học của các chủng vi sinh vật 53 2.3.5. Bố trí thí nghiệm 54 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 62 3.1. Vài nét về ñịa ñiểm nghiên cứu 62 3.2. Tính chất lý, hóa học của ñất nông nghiệp thôn ðông Mai, xã Chỉ ðạo, huyện Văn Lâm, tỉnh Hưng Yên 63 3.3. Mức ñộ ô nhiễm Pb, Cu, Zn trong ñất nghiên cứu 65 3.4. Phân lập, tuyển chọn vi sinh vật có khả năng chống chịu và chuyển hóa Pb, Cu, Zn 69 3.4.1. Kết quả phân lập vi sinh vật trên ñất ô nhiễm Pb, Cu, Zn 70 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học nông nghiệp ……………………. v 3.4.2. ðánh giá khả năng chống chịu Pb, Cu, Zn của các chủng vi sinh vật phân lập ñược 74 3.5. Phân loại và ñánh giá các ñặc ñiểm sinh học các chủng vi sinh vật tuyển chọn 75 3.5.1. Phân loại các chủng vi sinh vật tuyển chọn 75 3.5.2. ðánh giá ñặc ñiểm sinh học của các chủng vi sinh vật 81 3.6. ðánh giá sự kết hợp giữa vi sinh vật với thực vật trong xử lý ñất ô nhiễm Pb, Cu, Zn 85 3.6.1. Ảnh hưởng của các chủng vi sinh vật ñến sinh trưởng và khả năng tích luỹ Pb, Cu, Zn của các cây thí nghiệm 85 3.6.2. So sánh ảnh hưởng của vi sinh vật ñến sự tích lũy Pb, Cu, Zn của cây mương ñứng với một số yếu tố khác 89 3.6.3. ðánh giá sự kết hợp của vi sinh vật với thực vật ngoài ñồng ruộng 94 3.7. ðánh giá hiệu quả xử lý ñất ô nhiễm Pb, Cu, Zn của chế phẩm vi sinh khi kết hợp với thực vật 109 3.7.1. Sinh khối cây hướng dương và mương ñứng 109 3.7.2. Khả năng tích lũy Pb, Cu, Zn của cây hướng dương và mương ñứng 111 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 115 1. KẾT LUẬN 115 2. KIẾN NGHỊ 116 TÀI LIỆU THAM KHẢO 118 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học nông nghiệp ……………………. vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Nghĩa ñầy ñủ ACC 1-Aminocyclopropane 1-Carboxylic Acid BVTV Bảo vệ thực vật CS Cộng sự IAA Indol Acetic Acid KLN Kim loại nặng PAHs Polycyclic Aromatic Hydrocacbons PCB PolyChlorinated Biphenyl PCE Perchloroethene PCP PentaChloroPhenyl PCR Polymerase Chain Reaction (phản ứng chuỗi trùng hợp) QCVN Quy chuẩn Việt Nam SPI Soil Pollution Index (chỉ số ô nhiễm ñất) USD ðồng ñô la Mỹ VSV Vi sinh vật WHO World Health Organization (Tổ chức Y tế thế giới) Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học nông nghiệp ……………………. vii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Nồng ñộ kim loại nặng trong một số mẫu ñất nông nghiệp tại tỉnh Hamadan - miền Tây Iran (mg/kg) 8 Bảng 1.2. Hàm lượng cadimi trong một số loại ñất ở Việt Nam 10 Bảng 1.3. Hàm lượng kim loại nặng trong ñất tại khu vực Công ty Pin Văn ðiển và Orion Hanel 11 Bảng 1.4. Hàm lượng chì và cadimi trong ñất và chỉ số ô nhiễm ñất (SPI) chì và cadimi trong ñất các khu vực nghiên cứu tại Làng Hích, Thái Nguyên 12 Bảng 1.5. Hàm lượng Pb và Cd tổng số trong ñất và rau muống thu từ các khu vực khác nhau 13 Bảng 1.6. Hàm lượng một số kim loại nặng dạng tổng số trong các mẫu ñất trồng hoa ở xã Tây Tựu, huyện Từ Liêm, Hà Nội (ppm) 15 Bảng 1.7. Khả năng phá hủy chất hữu cơ bằng con ñường sinh học 19 Bảng 1.8. Một số loài thực vật cho sinh khối nhanh có thể sử dụng ñể xử lý kim loại nặng trong ñất 31 Bảng 1.9. Hàm lượng Ni, Cu, Zn trong các bộ phận của cây thầu dầu 37 (Ricinus communis) 37 Bảng 1.10. Hàm lượng kim loại nặng tích lũy trong cây theo thời gian 40 Bảng 2.1. Một số tính chất lý hóa học của ñất thí nghiệm 61 Bảng 3.1. Một số tính chất vật lý, hóa học của ñất nông nghiệp thôn ðông Mai – xã Chỉ ðạo - huyện Văn Lâm - tỉnh Hưng Yên 64 Bảng 3.2. Hàm lượng kim loại nặng trong ñất nông nghiệp thôn ðông Mai, xã Chỉ ðạo, huyện Văn Lâm, tỉnh Hưng Yên 66 Bảng 3.3. Hàm lượng Pb, Cu, Zn tổng số trong ñất tại mỏ Làng Hích, xã Tân Long, huyện ðồng Hỷ, tỉnh Thái Nguyên 68 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học nông nghiệp ……………………. viii Bảng 3.4. Các chủng vi sinh vật có khả năng chống chịu kim loại nặng ñược phân lập từ ñất nông nghiệp bị ô nhiễm xã Chỉ ðạo, Văn Lâm, Hưng Yên 71 Bảng 3.5. Các chủng vi sinh vật có khả năng chống chịu kim loại nặng ñược phân lập tại ñất khu khai thác mỏ kẽm chì Làng Hích 73 Bảng 3.6. Ảnh hưởng của pH ñến sinh trưởng và phát triển của các chủng vi sinh vật 82 Bảng 3.7. Khả năng chống chịu kháng sinh của các chủng vi sinh vật tuyển chọn 82 Bảng 3.8. Ảnh hưởng của nhiệt ñộ ñến sinh trưởng và phát triển của các chủng vi sinh vật 83 Bảng 3.9. Khả năng tiết ra hoócmon Indol Axit Axêtic (IAA) của một số chủng vi khuẩn phân lập từ ñất nông nghiệp ô nhiễm Pb, Cu, Zn 84 Bảng 3.10. Sinh khối và hàm lượng Pb, Cu, Zn tổng số trong thân lá các loài cây thí nghiệm 86 Bảng 3.11. Sinh khối và hàm lượng Pb, Cu, Zn tổng số trong rễ các loài cây thí nghiệm 88 Bảng 3.12. Hàm lượng Pb, Cu, Zn trong cây mương ñứng khi xử lý các yếu tố (mg/kg chất khô) 90 Bảng 3.13. Hàm lượng Pb, Cu, Zn trong ñất trước và sau thí nghiệm 92 Bảng 3.14. Sinh khối khô của cây mương ñứng và lượng Pb, Cu, Zn do cây lấy ñi khỏi ñất 93 Bảng 3.15. Hàm lượng Pb, Cu, Zn trong cây ưa nước sau 30 ngày (mg/kg chất khô) 96 Bảng 3.16. Hàm lượng Pb, Cu, Zn trong cây ưa nước sau 60 ngày 97 Bảng 3.17. Hàm lượng Pb, Cu, Zn trong cây ưa nước sau 90 ngày 98 Bảng 3.18. Sinh khối của cây ưa nước trung bình 3 vụ 99 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận án tiến sĩ khoa học nông nghiệp ……………………. ix Bảng 3.19. Tổng lượng Pb, Cu, Zn tích lũy trong các cây thí nghiệm (kg/ha/vụ) 101 Bảng 3.20. Hàm lượng Pb, Cu, Zn trong cây ưa cạn sau 30 ngày 102 Bảng 3.21. Hàm lượng Pb, Cu, Zn trong cây ưa cạn sau 60 ngày 103 Bảng 3.22. Hàm lượng Pb, Cu, Zn trong cây ưa cạn sau 90 ngày 104 Bảng 3.23. Sinh khối của các cây ưa cạn trung bình 3 vụ 107 Bảng 3.24. Tổng lượng Pb, Cu, Zn tích lũy trong các cây thí nghiệm 108 Bảng 3.25. Sinh khối tươi và tỷ lệ chất khô của cây hướng dương sau 90 ngày 110 Bảng 3.26. Sinh khối tươi và tỷ lệ chất khô của cây mương ñứng sau 90 ngày 110 Bảng 3.27. Hàm lượng Pb, Cu, Zn trong cây hướng dương (mg/kg chất khô) 111 Bảng 3.28. Hàm lượng Pb, Cu, Zn trong cây mương ñứng (mg/kg khô) 112 Bảng 3.29. Lượng Pb, Cu, Zn trung bình tích lũy trong cây (kg/ha) 113