1.5.1. Cơ chế hấp thụ kim loại nặng vào thực vật
Các nguyên tố trong dung dịch đất được chuyển từ các lỗ khí trong đất tới bề mặt rễ cây bằng hai con đường chính: sự khuếch tán và dòng chảy khối. Sự khuếch tán xảy ra nhằm chống lại sự gia tăng gradien nồng độ bình thường đối với rễ cây bằng cách: hấp thụ các kim loại nặng trong dung dịch đất tại bề mặt tiếp giáp rễ cây – đất. Dòng chảy khối được tạo ra do sự di chuyển của dung dịch đất tới bề mặt rễ cây như là kết quả của quá trình thở của lá. Cả hai quá trình này xảy ra không đồng đều nhưng theo các tốc độ khác nhau tùy thuộc vào nồng độ dung dịch đất. Các kim loại nặng trong đất thường tồn tại ở trạng thái hòa tan, phân ly thành các ion mang điện tích dương (cation) và ion mang điện tích âm (anion). Các muối kim loại hòa tan trong nước được hấp thụ cùng với dòng nước từ đất vào rễ rồi lên lá. Phần lớn các kim loại nặng được hấp thụ vào cây dưới dạng ion thông qua hệ thống rễ. Có hai cách hấp thu ion vào rễ: hấp thụ chủ động và hấp thụ bị động.
• Hấp thụ thụ động
- Các ion của kim loại nặng khuếch tán theo sự chênh lệch nồng độ. - Các độc chất này hòa tan trong nước và vào rễ theo dòng nước.
- Các kim loại này hút bám trên các bề mặt keo đất và trên bề mặt rễ trao đổi với nhau khi có tiếp xúc giữa rễ và dung dịch đất, cách này được gọi là hút bám trao đổi.
• Hấp thụ chủ động
Phần lớn các nguyên tố kim loại được hấp thụ vào cây theo cách chủ động. Tính chủ động được thể hiện ở tính thấm chọn lọc của màng sinh chất và các KLN được vận chuyển vào rễ ngược với quy luật khuếch tán, vì cách hấp thụ này ngược với gradien nồng độ nên cần thiết phải cung cấp năng lượng, tức là phải có sự tham gia của ATP và của một chất trung gian, được gọi là chất mang. ATP và chất mang được cung cấp từ quá trình chuyển hóa vật chất (chủ yếu là từ quá trình hôp hấp).
1.5.2. Quá trình xâm nhập kim loại nặng vào trong cây
Quá trình xâm nhập kim loại nặng vào trong cây trải qua 4 giai đoạn sau: - Giai đoạn 1: Kim loại nặng đi vào vùng tự do của rễ cây
Sự di chuyển của các ion kim loại không bị giới hạn tại bề mặt rễ cây. Vùng màng của tế bào có khả năng dễ dàng cho dung dịch xâm nhập, tại đây các ion dương có thể khuếch tán tự do hoặc bị bẫy vào những tế bào mang điện âm. Kim loại được vận chuyển vào khối hình cầu thân rễ - vùng rộng khoảng 1 - 2 mm giữa rễ và vùng đất xung quanh. Cơ chế hấp thụ có thể biến đổi với các ion khác nhau, nhưng những ion được hấp thụ vào trong rễ bởi cùng một cơ chế sẽ cạnh tranh với nhau, ví dụ như sự hấp thụ của Zn được hạn chế bởi Cu và H+ nhưng không bị hạn chế bởi Fe và Mn.
- Giai đoạn 2: Các kim loại nặng bị hấp thụ trong tế bào có thể bị mất tính linh động hay tính độc trong tế bào chất, thông qua quá trình kết hợp tạo phức với các phân tử hữu cơ hoặc bị sa lắng xuống các khu vực giàu electron.
- Giai đoạn 3: Các kim loại ở trong tế bào có thể được chuyển từ tế bào này sang tế bào khác thông qua con đường hợp sẽ đi vào mao dẫn rễ và đưa tới mầm non
Sự di chuyển của các dung dịch trong mao dẫn rễ là nguyên nhân gây ra các dòng thở (sự di chuyển khối - dòng chảy khối). Các cation tự do có thể phản ứng với các nhóm mang điện âm của thành tế bào mao dẫn rễ, đây chính là lý do làm cản trở sự vận chuyển của kim loại nặng hay làm quá trình trao đổi bị chậm lại. Ngoài ra, các nhóm tạo phức với kim loại tự do như các axit hữu cơ, aminoacid trong mao dẫn rễ sẽ làm giảm mức độ linh động của kim loại nặng và cho phép chúng di chuyển vào các mầm non.
- Giai đoạn 4: Với sự góp mặt của kim loại trong cây làm biến đổi gen và làm mất tính linh động của kim loại trong rễ
Kim loại nặng tích lũy trong rễ chiếm 80 - 90% tổng lượng kim loại hấp thụ. Hầu hết các kim loại được tích lũy trong rễ cây đều ở trong không bào và được liên kết vào các hợp chất pectin và protein của thành tế bào. Ngoài ra một số loài cây có khả năng tích lũy kim loại nặng ở phần trên của cây.
Tên loài
Nồng độ kim loại tích luỹ trong thân (µg/g trọng lượng khô)
Tác giả và năm công bố Arabidopsis halleri (Cardaminopsis halleri) (TV có hoa họ Cải) 13600 Zn Ernst, 1968 Thlaspi caerulescens (TV có hoa họ Cải) 10300 Zn Ernst, 1982 Thlaspi rotundifolium (TV có hoa họ Cải)
8200 Pb Reeves & Brooks, 1983 Minuartia verna
(TV có hoa họ Cẩm chướng)
11000 Pb Ernst, 1974
Thlaspi geosingense 12000 Ni Reeves & Brooks, 1983 Alyssum bertholonii 13400 Ni Brooks & Radford, 1978 Alyssum pintodasilvae 9000 Ni Brooks & Radford, 1978
Berkheya codii 11600 Ni Brooks, 1998
Psychotria douarrei (TV có hoa họ Thiến thảo)
47500 Ni Baker et al., 1985 Miconia lutescens (TV có hoa họ Mua) 6800 Al Bech et al., 1997 Melastoma malabathricum (Mua đa hùng) 10000 Al Watanabe et al., 1998 Pteris vittata (Dương xỉ) 7526 As ChenTongBin et al, 2002
(Nguồn: Barcelos J., and Poschenrieder C., 2003)
1.5.3. Tình hình nghiên cứu kim loại nặng bằng thực vật ở Việt Nam
Kết quả nghiên cứu trong nhiều năm cho thấy, ở Việt Nam, vấn đề ô nhiễm KLN đã và đang xảy ra, nguy cơ con người phải đối mặt với loại ô nhiễm này đã rõ và một số loài thực vật có thể đóng vai trò tích cực trong xử lý đã được biết đến.
Đối chiếu với các tài liệu đã công bố về hệ thực vật Việt Nam, trong danh sách các loài “siêu tích tụ” kim loại đã được công bố trên thế giới thì ở Việt Nam chỉ có thể
bắt gặp 26 loài. Trong số này, 4 loài là thực vật thủy sinh và 22 loài là thực vật trên cạn.
Ở Việt Nam, khoảng mười năm trở lại đây các nhà khoa học đã chú trọng tìm hiểu và nghiên cứu về ô nhiễm kim loại nặng và những ảnh hưởng của chúng đến động vật và thực vật. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Lê Đức và cộng sự đã nghiên cứu khả năng hấp thụ và tích luỹ Pb của cây rau muống, bèo tây và cải.
- Đặng Thị An và cộng sự nghiên cứu thấy lượng KLN xâm nhập vào cây rau phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, trong đó phải kể đến tính chất của nền đất, bản chất hoá học của kim loại và bản chất sinh học của cây.
- Trần Công Tấu và cộng sự, 2005 đã chứng minh khả năng tích luỹ Cd và Zn của một số cây cảnh như cúc su shi, ngũ da bì.
- Nguyễn Tiến Cư và cộng sự, 2008 đã nghiên cứu thấy khả năng chống chịu và tích luỹ Pb rất cao của cây cỏ vetiver.
- Trần Văn Tựa và cộng sự, 2007 đã nghiên cứu chứng minh được khả năng xử lý ô nhiễm KLN trong đất của cải xanh và dương xỉ.
- Diệp Thị Mỹ Hạnh và cộng sự, 2005 khi nghiên cứu khả năng hấp thụ Pb của cây thơm ổi (Lantana camara L.) cho rằng đây là cây có khả năng hấp thụ và chống chịu Pb rất cao.
- Theo kết quả nghiên cứu của Võ Văn Minh (ĐH Sư Phạm Đà Nẵng) khả năng loại bỏ Cd khỏi đất ô nhiễm với các nồng độ khác nhau (10; 20; 30; 40 ppm). Kết quả cho thấy 100% cỏ sống sót và sự sinh trưởng phát triển tốt ở các nồng độ. Hàm lượng Cd tích luỹ trong rễ cao hơn trong thân lá. Hơn nữa hiệu quả loại bỏ Cd ra khỏi đất của cỏ vetiver tỉ lệ thuận với thời gian xử lí và nồng độ Cd trong đất.
Việc sử dụng nước sông để tưới hay bùn của sông Tô Lịch để trồng cây đã làm cho nguy cơ tích tụ các KLN trong cây trồng cao vượt các tiêu chuẩn an toàn cho phép (Vũ Quyết Thắng, 1998; Nguyễn Thị Hiền et al, 2001; 2003; 2004; Vũ Đình Tuấn và cs, 2004). Một số tác giả đã đề cập đến khả năng sử dụng các loài thực vật để xử lý ô
nhiễm kim loại trong môi trường nước và đất trong các nghiên cứu của mình (Nguyễn Quốc Thông và cs, 1999; 2001; 2003; Trần Công Tấu và cs, 2003; Nguyễn Tiến Cư và cs, 2007).
Bằng thực nghiệm, một số tác giả trong nước đã chứng minh được vai trò quan trọng của một số thực vật thuỷ sinh trong việc tích luỹ vào cơ thể của chúng các kim loại nặng khác nhau. Chẳng hạn cây bèo Tây có khả năng hấp thụ Pb, Cr, Ni, Zn và Fe trong nước thải công nghiệp, cây cải soong có thể xử lý được Cr và Ni từ nước thải mạ điện. Trong khi rong đuôi chó và bèo tấm lại có khả năng giảm thiểu được Fe, Cu, Pb và Zn có trong hồ Bẩy Mẫu, Hà Nội [6].
1.5.4. Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp xử lý kim loại nặng trong đất bằng thực vật
- Ưu điểm
+ Tính khả thi cao: Đối với kim loại, nồng độ của chúng trong môi trường dù ở mức ô nhiễm cũng là rất thấp nên việc tách chiết bằng các phương pháp hoá lý là phức tạp và tốn kém. Thêm vào đó sự nhiễm kim loại trong môi trường khó xác định danh giới, động chạm đến khối lượng vật chất lớn và trên phạm vi rộng chỉ có cây trồng là có thể bao quát hết.
+ Công nghệ xử lý này tiến hành ngay tại chỗ ô nhiễm, không cần thêm diện tích. Đất sau khi xử lý lại có thể dùng để canh tác với các mục đích khác nhau.
+ Thân thiện với môi trường: Cây trồng, bên cạnh vai trò lấy đi từ môi trường một lượng lớn các kim loại và cô đặc lại trong các tế bào của mình, chúng còn làm sạch bầu không khí nhờ quá trình quang hợp và hấp thu các khí độc. Bộ rễ của cây bám chặt vào đất hạn chế sự xói mòn của đất và sự lan truyền của các chất ô nhiễm. Tán cây là lá chắn bụi, che nắng, mưa hiệu quả. Môi trường xung quanh cây trồng phù hợp cho sự sinh trưởng và phát triển của nhiều loài sinh vật khác, nhất là các loại vi sinh vật.
+ Tái sử dụng sinh khối: Có thể tận thu các sản phẩm từ cây trồng sau và trong quá trình xử lý. Từ sinh khối của cây có thể tạo ra nguồn phân bón “vi lượng”, nguồn
nhiên liệu sinh học (củi đun, khí metan), tro của chúng có thể là nguồn nguyên liệu cung cấp khoáng chất.
+ Tính ưu việt so với các phương pháp hóa - lý: Các kỹ thuật lý hoá xử lý đất ô nhiễm làm giảm khả năng ứng dụng của đất vì trong quá trình xử lý bên cạnh những chất ô nhiễm chúng còn ảnh hưởng xấu tới hoạt tính sinh học của đất. Ví dụ chúng phá vỡ hệ sinh thái và làm mất đi hệ vi sinh vật cộng sinh của rễ cây như vi sinh vật cố định nitơ, nấm cộng sinh, các loại nấm và cả hệ động vật đất.
+ Giá thành công nghệ thấp: Phương pháp xử lý thông thường có giá từ 10 đến 1000 USD/m3 đất, công nghệ thực vật chỉ tốn khoảng 0,05 USD/m3 đất (Cunningham, S.D.et al.1997).
- Nhược điểm
+ Tính “đặc thù” cao của cơ thể sống: Khả năng xử lý ô nhiễm phụ thuộc vào điều kiện môi trường, vì vậy, loài sinh vật xử lý tốt cho khu vực này không có nghĩa là sẽ tốt cho khu vực khác. Khả năng xử lý kim loại của thực vật được hình thành qua một quá trình tiến hoá, cùng một loài nhưng xuất phát từ những điều kiện khác nhau thì có khả năng khác nhau. Cùng một loài, nhưng loài có nguồn gốc từ khu vực này có khả năng xử lý tốt, tại khu vực khác lại không. Để sinh trưởng và phát triển mỗi loài thực vật có nhu cầu riêng về điều kiện sinh thái, cây đang sống và phát huy tác dụng cao ở hệ sinh thái này, có khi không còn tác dụng khi đưa vào hệ sinh thái khác. Đây là nguyên nhân chính làm cho công nghệ thực vật khó phát triển nhanh và rộng.
Do vậy, để xử lý cho khu vực nào thì bước đầu người ta phải có khảo sát, đánh giá về những thông số cụ thể về môi trường nơi đó để chọn đối tượng thực vật cho phù hợp và bước sau là phải có những thử nghiệm đánh giá hiệu quả để điều chỉnh.
+ Tính không ổn định: Hiệu quả xử lý bằng thực vật không ổn định vì quá trình hấp thụ kim loại và tạo sinh khối của cây phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Như yếu tố chủ quan của thực vật, bao gồm độ tuổi, thời kì sinh trưởng của cây hay yếu tố khách quan như thời tiết, tính chất lý hoá của đất, nước... Sử dụng thực vật xử lý ô nhiễm kim loại cho cùng một khu vực, có thể vào thời gian này hiệu quả xử lý đạt rất cao, nhưng vào thời gian khác lại thấp.
+ Thời gian xử lý dài và không triệt để: Thực vật là cơ thể sống, khi gặp điều kiện bất trắc, cây có thể bị bệnh hoặc chết. Do vậy, quá trình xử lý có thể bị ngưng trệ, hoặc dừng bất cứ lúc nào. Để duy trì hoạt động sống hai quá trình đồng hoá và dị hoá luôn xảy ra. Việc hấp thụ kim loại từ môi trường vào cơ thể được diễn ra thì việc thải kim loại từ cơ thể vào môi trường cũng luôn tồn tại. Cây không thể làm sạch môi trường khỏi một kim loại nào đó một cách triệt để như cách rửa trôi hay hấp thu bằng hoá chất.
+ Quản lý và xử lý sinh khối: Nhiều loài thực vật xử lý có thể là thức ăn đối với động vật và con người, do vậy, vấn đề bảo vệ các diện tích xử lý là vô cùng cần thiết. Sinh khối được tạo ra trong quá trình xử lý là nguyên liệu chứa các kim loại ở hàm lượng cao cần phải được quản lý và thải bỏ như các chất độc hại. Điều đáng quan tâm là dạng kim loại trong cây có thể khác xa dạng kim loại ở ngoài môi trường, chúng có thể có độc tính, tính linh động sinh học cao hơn và dễ bị phân huỷ hơn. Vì vậy, việc quản lý và xử lý loại sinh khối này cần các quy trình riêng.
+ Các loài thực vật “siêu tích tụ” phát hiện ngoài tự nhiên thường là các loài cho sinh khối thấp. Để khắc phục điều này, đòi hỏi phải phát triển công nghệ sinh học để tạo ra các loài thực vật biến đổi gen theo chiều hướng vừa có khả năng siêu tích tụ, vừa tạo sinh khối lớn.
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
Sử dụng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) để xác định hàm lượng kim loại trong thực vật (Vô cơ hóa mẫu thực vật bằng dung dịch HNO3, H2SO4, H2O2).
Quy trình xử lý mẫu thực vật bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử
(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});