a, Một số khái niệm
1.6.1. Trên thế giới
Năm 1998, Cục môi trường châu Âu (EEA) đánh giá hiệu quả kinh tế của các phương pháp xử lý kim loại nặng trong đất bằng phương pháp truyền thống và phương pháp sử dụng thực vật tại 1.400.000 vị trí bị ô nhiễm ở Tây Âu. Kết quả cho thấy chi phí trung bình của phương pháp truyền thống trên 1 ha đất từ 0,27 đến 1,6 triệu USD, trong khi phương pháp sử dụng thực vật chi phí thấp hơn 10 đến 1000 lần. [32]
Thực chất từ sau những năm 70 của thế kỷ XX, các nhà khoa học trên thế giới đã bắt đầu nghiên cứu việc sử dụng thực vật có khả năng hấp thụ kim loại cao (Hyperaccumulater) để xử lý những vùng đất bị ô nhiễm, đặc biệt ở những vùng khai khoáng với việc thải bỏ lượng lớn các kim loại nặng gây ô nhiễm môi trường. Những thực vật này chịu đựng được nồng độ kim loại cao hơn 10–100 lần so với các cây trồng nông nghiệp. Kim loại được tích luỹ trong các chồi, cành, lá trên mặt đất, người ta chỉ việc thu hoạch chúng. Giá trị của kim loại trong sinh khối có thể bù đắp được một phần hoặc toàn bộ giá thành của sự làm sạch nơi đó hoặc thậm chí được xem như “mỏ cây”. Đặc điểm của các loài thực vật này chỉ hút thu một hoặc một số kim loại đặc trưng, ví dụ như Agrostis capillaris hấp thu được Zn (Dueck, 1984; Kartside và Mc Neilly 1974) hút thu được Cu (Nichols và Mc Neilly 1982), hút thu được Cd, Ni, Cu, Pb, Zn (Symenoides và cộng sự, 1985). Silen vulganis (S. Cucubalus, S. Inflata) hút thu được Zn (Broker, 1963) hút thu được Cu (Schat và Ten Bookum, 1992) hút thu được Cd (Verkeij và Prast 1989). Tại nhiều quốc gia đã tiến hành sử dụng một số loài thực vật để hút thu các kim loại nặng [32]
Một số loài thực vật có khả năng hút thu và tích tụ nhiều Zn, Ni, Se, Cu, Co hoặc Mn tới trên 1% chất khô của chồi, cành được minh hoạ ở bảng sau:
Bảng 1.7: Nồng độ kim loại nặng trong lá, chồi, cành của một số loài thực vật Nguyên
tố Loài thực vật
Nồng độ KLN cực đại trong lá, chồi, cành (ppm)
Địa phƣơng Nguồn
Zn Thlaspi calaminare 39.600 Germany Revers, 1983
Cu Aeolanthus
biformifollus 13.700 Zaire Brooks, 1978
serpentinus
Co Haumaniastrum
robertil 10.200 Zaire Brooks, 1977
Se Astrgalus sp >10.000 S. Dakota Rosen Field, 1964
Mn Alycia rubricanlis 11.500 N. Caledomia Brooks, 1981
(Nguồn : [32] )
Ngày nay, danh lục trên 450 loài thực vật có khả năng hấp thu cao kim loại đã được công bố. Các họ thực vật chiếm ưu thế về số loài được xác định là “siêu hấp thụ” là
Asteraceae, Brassicaceae, Caryopyllaceae, Cyperaceae, Conouniaceae, Fabaceae, Flacuortiaceae, Lamiaceae, Poaceae, Violaceae và Euphobiaceae. Bên cạnh đó những công trình nghiên cứu nhằm tạo ra những loài thực vật vừa có khả năng tích tụ kim loại cao lại vừa cho năng suất sinh học cao để dùng trong công nghệ xử lý sinh học cũng ngày càng phát triển. Số lượng công trình nghiên cứu về thực vật có khả năng chiết rút kim loại từ đất (Phytoextraction), cố định kim loại (Phytostabilisation), hoá hơi (Phytovolatilization) hay lọc kim loại bằng bộ rễ (Rhizofiltration) để sử dụng trong xử lý môi trường ô nhiễm khá phong phú [23].
Nghiên cứu cho thấy, các loài thực vật khác nhau có khả năng hấp thu KLN khác nhau. Cây Thlaspi caerulescens sinh trưởng trong 391 ngày đã loại bỏ hơn 8mg Cd/kg đất và 200mg Zn/kg đất tương ứng với 43% Cd và 7%Zn trong đất bị ô nhiễm. Theo Diels L và cộng sự (1999), loài dương xỉ Pteris vittata L. có khả năng tích lũy 14.500 ppm As mà chưa có triệu chứng tổn thương. Loài này sinh trưởng nhanh, có sức chống chịu cao với As trong đất (As > 1.500ppm) và chỉ bị độc ở nồng độ 22.630ppm qua 6 tuần. Theo các nhà khoa học Mỹ, Pteris vittata L. có thể chứa tới 22g As/kg lá. Họ cũng đã chứng minh rằng trong vòng 24 giờ, loài dương xỉ này giảm mức As trong nước từ 200µg/l xuống gần 100 lần. [15]
Trong thực tế, việc tìm kiếm những loài cây vừa cho sinh khối lớn vừa có khả năng tích lũy kim loại nặng cao, dễ trồng, có khả năng vận chuyển nhanh các chất ô nhiễm từ đất lên thân là điều kiện rất cần thiết để phục vụ cho công nghệ xử lý ô nhiễm bằng thực vật. Một hướng nghiên cứu phục vụ cho công nghệ này đó là chuyển gen có khả năng tích tụ kim loại cao vào các loài thực vật sinh trưởng
nhanh, sinh khối lớn, như loài cải (Brassica juncea) có khả năng hút và tích tụ nồng độ kim loại cao, đặc biệt là Se. Nhiều nghiên cứu đã cho thấy, loài cây này có thể loại bỏ 50% tổng số Se có mặt trong đất trong một chu kỳ sinh trưởng từ 50 - 55 ngày. [30]
Gần đây các nhà khoa học Trung Quốc đã bắt đầu tiến hành một dự án thử nghiệm đầu tiên trên thế giới là trồng cây để thu gom As độc hại trong đất. Theo Chen Toongbin thuộc Viện khoa học địa lý và Tài nguyên thì dự án trên được thực hiện tại ba địa điểm ở tỉnh Hồ Nam, Triêt Giang và Quảng Đông. Mỗi địa điểm thử nghiệm có diện tích 1 ha được trồng 30 tấn hạt Pteris vittata L., một loại dương xỉ có thể hấp thu được 10% As từ đất trong vòng 1 năm. Các nhà khoa học Trung Quốc đã dần dần hoàn thiện kỹ thuật trồng cây dương xỉ (Pteris vittata L.) và vetiver để “hút” các nguyên tố kim loại nặng trong đất như thạch tín, đồng, kẽm… Với kỹ thuật này, họ hy vọng có thể giải quyết về cơ bản vấn đề ô nhiễm kim loại nặng ở vùng hạ du của Trung Quốc do quá trình khai khoáng gây nên (Shu W. S và cộng sự, 2002).
Một trong những mục tiêu của công tác hoàn thổ là lập lại thảm thực vật nhằm làm cho khu vực ổn định, bền vững và có thể ngăn ngừa, kiểm soát được xói mòn. Với những đặc trưng sinh lý và hình thái độc đáo, cỏ vetiver (Vetiveria zizanioides L.) được sử dụng rất hiệu quả không chỉ để kiểm soát xói mòn mà còn là loài có khả năng chống chịu cao đối với những loại đất bị ô nhiễm kim loại nặng. Nhiều nghiên cứu cho thấy, loài cỏ này có thể phát triển tốt trên nhiều loại đất khác nhau, thậm chí cả trong điều kiện môi trường đất khắc nghiệt: rất chua, kiềm, hàm lượng Mn và Al di động cao. Vì vậy, cỏ vetiver đã được sử dụng rất thành công trong phục hồi và cải tạo đất vùng mỏ như: mỏ than, vàng, bentonit, bôxit ở Australia; mỏ vàng, kim cương, platin ở Nam Phi; mỏ đồng ở Chi Lê; mỏ chì ở Thái Lan, mỏ chì, kẽm, bôxit ở Trung Quốc v.v…( Chantachon S. và cộng sự, 2003). [8]
1.6.2. Tại Việt Nam
Ở nước ta, nghiên cứu khả năng hấp thu kim loại nặng của thực vật với mục đích sử dụng trong xử lý ô nhiễm môi trường cũng đã bắt đầu được thực hiện có kết
quả tốt (Võ Văn Minh và Võ Châu Tuấn, 2005). Kết quả cho thấy, cây thơm ổi (Lantana camara) có thể chịu được hàm lượng Pb trong đất lên tới 10.000 thậm chí 20.000 ppm. Cây cải xoong (Nasturtium officinale) có khả năng làm giảm 60-80% Cr và 70-80%Ni từ nước thải mạ điện có nồng độ Cr và Ni tương ứng 58,39 mg/l và 5,77 mg/l. Nghiên cứu loại bỏ Cr và Ni trong nước ô nhiễm cũng được thử nghiệm với cây vỏ vetiver (Vetiveria zizanioides) và cây sậy (Phragmites australis) theo "phương pháp vùng rễ",kết quả thu được cũng rất khả quan.Khi hàm lượng Cr và Ni thấp, hiệu suất xử lý có thể đạt trên 70% với Ni và trên 90% với Cr6+
và Cr3+. Trồng cỏ Vetiveria zizanioides trên đất ô nhiễm Pb với hàm lượng Pb từ 1400,50 ppm đến 2530 ppm trong đất,cỏ vetiver vẫn phát triển tốt sau 90 ngày .Hàm lượng Pb tích luỹ trong rễ đạt từ 509,42 ppm đến 2311,53 ppm và có một phần nhỏ Pb được vận chuyển lên thân cỏ ( từ 2,73 ppm đến 40,24 ppm) (Truong P., (2006). [8]
Nghiên cứu mới đây cho thấy, loài dương xỉ Pteris vittata và Dennstaedtia scabra, không những có khả năng tích luỹ cao As mà còn có khả năng hấp thu đồng thời các KL khác nhau như Mn, Cu, Fe, Zn và Pb. khi trong đất bị ô nhiễm có hàm lượng As là 3528 ppm, thì hàm lượng As trong rễ và thân D.scabra tương ứng là 965,47 ppm và 2241,63 ppm (Bùi Thị Kim Anh và cộng sự, 2008).
Lê Đức, Nguyễn Xuân Huân và cs. (2005) khi nghiên cứu về khả năng chống chịu kim loại nặng của cải hoa vàng (Brassica juncea) cho thấy: Nồng độ gây ô nhiễm Pb cho đất là 1300 ppm trở lên bắt đầu có ảnh hưởng đến sinh trưởng của cải hoa vàng.
Bùi Cách Tuyến và cs. (2003) đã tiến hành thí nghiệm trồng cỏ Hương Bài (Vetiver) trên các nền đất bị ô nhiễm Cu, Zn, Pb, Cd và rút ra nhận xét: cỏ Hương Bài có khả năng hút thu các kim loại nặng nói trên. Sự tích tụ chúng trong cỏ có tương quan thuận với nồng độ các kim loại nặng ở trên trong đất.
Lương Thị Thúy Vân (Đại học Thái Nguyên), Mã Thị Diệu Ái [22] và một số nghiên cứu viên thuộc viện Công nghệ Môi trường tiến hành nghiên cứu sự sinh và khả năng tích lũy chì của cỏ vetiver (Vetiveria zizanioides L.) trồng trên đất ô nhiễm do khai thác khoáng sản cũng có kết luận rất khả quan về khả năng cải tạo
đất ô nhiễm của loài cỏ này. Sinh trưởng của cỏ tăng khi trồng trên đất có nồng độ 1055,15 ppmPb. Hàm lượng chì tích lũy trong cỏ tỷ lệ thuận với nồng độ chì trong đất và thời gian trồng
Nghiên cứu khả năng chống chịu và tích lũy As của hai loài dương xỉ thu từ vùng khai thác mỏ, Bùi Thị Kim Anh, Đặng Đình Kim và cộng sự ((2008) [1] cho thấy, trong khoảng nồng độ mà cây chống chịu được, Pteris vittata tích lũy lượng As từ 307 - 6042 ppm trong thân và rễ là 131 - 3756 ppm. Loài Pityrogramma calomelanos tích lũy được lượng As trong thân lá và trong rễ tương ứng lá 885 - 4034 ppm và 483 - 2256 ppm.