Khái niệm của việc sử dụng thực vật để làm sạch môi trường bị ô nhiễm không phải là mới. Khoảng 300 năm trước đây, hệ thống này đã được đề xuất để sử dụng trong việc xử lý nước thải (Hartman, 1975). Vào cuối của thế kỷ 19, Thlaspi caerulescens và Viola calaminaria là 2 trong số các loài TV được sử dụng để tích luỹ các kim loại trong lá (Baumann, 1885). Năm 1935, theo báo cáo của Byers với các loài trong chi Astragalus có khả năng tích lũy lên đến 0,6% Se theo sinh khối khô. Một thập kỷ sau đó, Minguzzi và Vergnano (1948) xác định được khả năng tích lũy có thể lên tới 1% trong các cành[5].
Tuy nhiên sử dụng thực vật để làm sạch môi trường bị ô nhiễm trong đó có đất bị nhiễm kim loại là một công nghệ mới được nghiên cứu trong những năm gần đây (Salt et al., 1995; Bert et al., 2000 – 01). Kỹ thuật này ngày càng phát triển nhờ vào tính hiệu quả, kinh tế và tránh được những hậu quả phụ so với sử dụng những kỹ thuật khác (Lasat, 2002). Chiến lược mới trong giải ô nhiễm đất bị nhiễm kim loại nặng theo hướng sinh học bởi cơ chế thực vật chiết tách (phytoextraction) hoặc tích lũy (phytoaccumulation) với các loài thực vật siêu hấp thụ (hyperaccumulator) đã dẫn đến phong trào quan tâm đến những loại thực vật có khả năng siêu hấp thụ (Haag-Kerner, 1999; McGrath và cs,1993; Robinson và cs,1997). Thực vật có khả năng hấp thụ và di chuyển kim loại từ đất vào những phần bên trên mặt đất của cây
Phytoextraction Nhóm 4
nghiên cứu đề nghị rằng chỉ có sự hấp thu ở những phần bên trên mặt đất là quan trọng (Baker, 1981; Sahi và cs, 2002). Điều này đang được thảo luận trong khi một vài tác giả khác cho rằng rễ là bộ phận có khả năng hấp thụ cao nhất (Pichtel và cs, 2000; Baghour và cs, 2001; Piechalak và cs, 2002). Rễ có thể tăng trưởng tốt trong đất nhiễm kim loại nặng (McGrath và cs, 2001). Khi thực vật có khả năng hấp thụ vào rễ, rễ có thể làm tránh được di chuyễn chất ô nhiễm do xói mòn và thoái hóa; hoặc chúng có thể chuyển dạng hoạt động hoặc dễ biến đổi sang dạng ổn định (Xinde-Cao và cs, 2002; Krzaklewski và cs, Templeton và cs, 2003). Thực vật cũng có thể hấp thụ chất ô nhiễm từ đất và sự trao đổi chất trong cây sẽ chuyển chúng thành những hợp chất dễ bay hơi. Gần đây, Rascio (1977) đã báo cáo về khả năng tích lũy Zn cao của Thlaspi caerulescens. Ý tưởng sử dụng thực vật để chiết xuất kim loại từ đất bị ô nhiễm đã được giới thiệu lại và phát triển bởi Utsunamyia (1980) và Chaney (1983). Theo nghiên cứu của Chen Tong Bin đã phát hiện ra cây dương xỉ – loài cây đầu tiên trên thế giới được biết đến có khả năng siêu hút chất thạch tín. hàm lượng thạch tín ở trên lá của cây lên tới 8‰, vượt xa so với hàm lượng đạm, lân có trên thân cây mà cây vẫn phát triển tươi tốt.
Trong những thập kỷ qua, nhiều nghiên cứu sâu rộng đã được tiến hành trên nhiều đối tượng thực vật khác nhau. Tuy nhiên, những điều này còn khá mới mẻ và chưa được ứng dụng rộng rãi[6].
Trong những năm gần đây, ở Việt Nam cũng đã có những nghiên cứu về công nghệ TVCR và tìm được các loài thực vật có khả năng tích lũy kim loại cao. Nghiên cứu của Diệp Thị Mĩ Hạnh và E. Garnier Zarlie trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG HCM và trường Đại Học Paris VII Val De Marne về khả năng hút chì của loài thơm ổi Lantana cama L. tại một số khu vực của thành phố Hồ Chí Minh; những nghiên cứu về xử lí kim loại nặng
bằng thực vật và khả năng hút kim loại nặng của cỏ Vetiver của Võ Châu Tuấn và Võ Văn Minh, Đại học sư phạm, Đại học Đà Nẵng cũng mang lại nhiều kết quả tốt. Tuy nhiên, những nghiên cứu và ứng dụng ở Việt Nam còn ít và thiếu những chuyên gia đầu nghành về lĩnh vực này.
* Triển vọng
Mục đích của việc sử dụng TVCR là giảm nồng độ kim loại trong đất bị ô nhiễm đến mức độ quy định. Quá trình này tùy thuộc vào khả năng của thực vật được lựa chọn để phát triển và tích lũy kim loại dưới điều kiện cụ thể về khí hậu và đất đai của các hệ thống cần được xử lí.
Những tiến bộ quan trọng đã được thực hiện trong vài năm gần đây với sự hiểu biết về các quá trình tham gia vào sự hấp thụ kim loại của thực vật từ đất bị ô nhiễm, đặc biệt là về quá trình đóng góp cho sự hấp thu và STL kim loại. Tuy nhiên, nhiều kiến thức về nông hóa học của đất và vi sinh vật cũng như sinh lý thực vật phải được nghiên cứu đầy đủ hơn trước khi nó có thể trở thành một công nghệ thương mại.
Đối với hóa học những nghiên cứu về các động thái của kim loại chelates trong vùng quyển rễ cần phải được kiểm tra, hoặc để tối ưu hóa việc sử dụng thêm các hợp chất phân hủy. Ngoài ra, các nhà nghiên cứu và các nhà hoạch định chính sách cũng phải nhìn vào các dạng tồn tại hóa học của kim loại trong đất mà xác định các loài thực vật cho mục tiêu xử lí. Một sự hiểu biết hoàn toàn về kim loại và cây trồng sẽ rất thiết yếu để phát triển các chiến lược về nâng cao khả năng di truyền tích lũy kim loại của thực vật. Điều này sẽ có tác động đáng kể cho công nghệ thực vật xử lí môi trường.
Việc xác định và đặc tính sinh hóa của các cơ chế, khắc phục hậu quả là bước cần thiết sơ bộ để cô lập gen cây trồng có khả năng hấp thụ kim loại. Việc xác định và cô lập của các gen này có thể mở ra cơ hội sử dụng công
Phytoextraction Nhóm 4
chăn nuôi và công nghệ sinh học đã được sử dụng để điều chỉnh những thiếu sót bằng cách chuyển những tính trạng mong muốn từ các loài siêu hấp thụ kim loại vào các loài không có khả năng tích lũy. Vì hầu hết các loài thực vật siêu tích lũy chậm phát triển và có sinh khối nhỏ. Các loại cây trồng chuyển gen enzyme APS hoạt động cao hơn gấp bốn lần, và tích lũy được Se nhiều hơn 3 lần hoang dã. Trong một nghiên cứu gần đây, cây cà chua đã được sửa đổi để thể hiện gen của vi khuẩn 1-aminocyclopropane-1- carboxilic acid (ACC) deaminase. Những biến đổi gen thực vật cho thấy nâng cao khả năng hấp thu kim loại ở mức độ lớn hơn (Cd, Co, Cu, Mg, Ni, Pb và Zn) (Grichko et al, 2000). Đây là một cách tiếp cận đầy hứa hẹn cho việc phát triển các loài thực vật có thể được sử dụng trong công nghệ TVCR[4].
Tiềm năng cho TVCR kim loại để sản xuất nhiên liệu sinh học. Với các loài năng suất rất cao, tiềm năng để sản xuất nhiên liệu sinh học là khoảng 100 tấn trọng lượng tươi / ha. Trong khi tiềm năng tối đa loại bỏ kim loại là 400 kg / ha / năm. sản xuất nhiên liệu sinh học chẳng hạn như mù tạc Ấn Độ (Brassica juncea) hoặc ngô (Zea mays) (Brown và cs, 1995.). Công nghệ sinh học đã thành công trong việc khai thác khả năng hấp thụ kim loại ở một số loài. Ví dụ, loài thuốc lá đã tăng khả năng hấp thụ KL bằng cách thể hiện hoạt tính metallothionein ở động vật có vú, (Lefebvre và cs, 1987; Maiti và cs, 1991.). Có thể nói ứng dụng tuyệt vời nhất của công nghệ sinh học trong phục hồi môi trường nhờ TVCR là khả năng làm bay hơi thủy ngân từ đất bị ô nhiễm Metyl Hg. thực vật biến đổi gen (Arabidopsis và thuốc lá) được thiết kế để thể hiện gen merB và Mera của vi khuẩn. Trong các loài thực vật chuyển gen, merB xúc tác cho carbon Hg liên kết với các
Hg2 +, một loại thủy ngân ít di động. Sau đó, Mera chuyển đổi Hg (II) thành Hg (0) ít độc hại, nguyên tố dễ bay hơi được phát hành vào bầu khí quyển (Rugh và cs, 1996.; Heaton và cs, 1988). Mặc dù mối quan tâm quy định hạn chế việc sử dụng các thực vật chuyển gen MerA và merB, tuy nhiên nghiên cứu này minh họa cho các tiềm năng to lớn của công nghệ sinh học trong phục hồi môi trường bị ô nhiễm.
Đối với một số kim loại độc hại như Pb, một nhân tố chính hạn chế tiềm năng TVCR hạn chế hòa tan và khả dụng sinh học cho hấp thụ vào rễ. Một cách để tăng khả năng hòa tan Pb là làm giảm độ pH (McBride, 1994). Ngoài ra việc sử dụng các hoá chất cụ thể, các phức keo tổng hợp, đã cho kết quả đáng kể kích thích tiềm năng tích lũy Pb trong thực vật. Ví dụ, bổ sung EDTA (ethylene-diamine-tetraacetic acid), với tốc độ 10 mmol / kg đất, tăng Pb tích lũy trong các cành ngô lên đến 1.6wt% sinh khối khô (Blaylock và cs, 1997.). Trong một nghiên cứu tiếp theo, mù tạt Ấn Độ tiếp xúc với Pb và EDTA có thể tích lũy nhiều hơn 1% Pb trong cành khô (Vassil và cs, 1998.). Một chelator tổng hợp, HEDTA (hydroxyethyl-ethylenediamine-triacetic acid) được áp dụng ở 2,0 g / kg đất bị ô nhiễm 2.500 ppm Pb, tăng Pb tích lũy trong các cành của mù tạt Ấn Độ từ 40 ppm đến 10.600 ppm (Hoàng và Cunningham, 1996). Ngoài ra các biện pháp nông học kỹ thuật để giúp cho sự sinh trưởng, phát triển của cây trồng cho mục đích tăng sự hấp thụ chất ô nhiễm như bón phân, thời gian bổ sung chelators, giảm thiểu sự lây lan của các kim loại thông qua chuỗi thức ăn, cũng đang được xem xét chi tiết hơn[6].