TỔNG QUAN VỀ ĐẤT NGẬP NƯỚC VAØ THỰC VẬT ĐẤT NGẬP NƯỚC
3.2.1. Chức năng của thực vật trong mơi trường ngập nước
3.2.1.1. Giới thiệu chung
Kể từ khi xuất hiện sự sống trên trái đất, vật chất trong thiên nhiên được chuyển hĩa theo một chuỗi mắt xích chuyển hĩa mới: chuỗi chuyển hĩa vật chất trong cơ thể các sinh vật. Chuỗi chuyễn hĩa này được gọi là chuỗi thực phẩm, trong đĩ thực vật được coi như giới sinh vật quan trọng nhất tạo ra những chất hữu cơ từ những chất vơ cơ nhờ ánh sáng mặt trời. Khối lượng các chất hữu cơ được tạo nên quá trình quang hợpnày rất lớn. Nếu khơng cĩ thực vật, quá trình tạo ra chất hữu cơ coi như khơng tồn tại và như vậy hệ sinh thái sẽ mất cân bằng.
Các thực vật khơng chỉ tồn tại trên mặt đất, mà chúng cịn tồn tại cả những vùng ngập nước. Các lồi thực vật này thuộc lồi thảo mộc, thân mềm. Quá trình quang hợp của các lồi thực vật thủy sinh hồn tồn giống các thực vật trên cạn. Các chất dinh dưỡng được hấp thụ qua rễ và qua lá. Mỗi một cm2 bề mặt lá cĩ khoảng 100 lỗ khí khổng. Qua lỗ khí khổng này, ngồi sự trao đổi khí cịn cĩ sự trao đổi các chất dinh dưỡng. Do đĩ, lượng vật chất đi vào qua lỗ khí khổng để tham gia quá trình quang hợp khơng nhỏ. Ở rễ, các chất dinh dưỡng vơ cơ được chuyển qua hệ rễ của thực vật thủy sinh và đi lên lá. Lá nhận ánh sáng mặt trời để tổng hợp thành vật chất hữu cơ. Các chất hữu cơ này cùng với các chất khác xây dựng nên tế bào và tạo ra sinh khối. Thực vật chỉ tiêu thụ các chất vơ cơ hố tan. Các chất hữu cơ khơng tiêu thụ trực tiếp mà phải qua quá trình vơ cơ hĩa nhờ hoạt động của vi sinh vật. Vi sinh vật sẽ phân hủy các chất hữu cơ và chuyển chúng thành các hợp chất vơ cơ hịa tan. Lúc đĩ thực vật mới cĩ thể sử dụng chúng để tiến hành trao đổi chất. Chính vì thế, thực vật khơng thể tồn tại và phát triển trong mơi trường chỉ chứa chất hữu cơ mà khơng cĩ mặt của vi sinh vật. Quá trình vơ cơ hố bởi vi sinh vật và quá trình hấp thụ các chất vơ cơ hịa tan bởi thực vật thủy sinh tạo ra hiện tượng giảm vật chất cĩ trong nước. Nếu đĩ là nước thải thì quá trình này được gọi là quá trình tự làm sạch sinh học.
3.2.1.2. Những nhĩm thực vật thủy sinh
Một số thực vật thủy sinh cĩ những tính chất phù hợp cho việc xử lý mơi trường nước ơ nhiễm. Thực vật thủy sinh được sử dụng để xử lý nước ơ nhiễm được chia ra làm 3 nhĩm lớn sau:
a. Nhĩm thực vật thủy sinh ngập nước
Thực vật thủy sinh là những thực vật sống trong lịng nước (phát triển dưới bề mặt nước) được gọi là thực vật thủy sinh ngập nước. Đặc điểm quan trọng của các lồi thực vật thủy sinh ngập nước là chúng tiến hành quang hợp hay các quá trình trao đổi chất hồn tồn trong lịng nước.
b. Nhĩm thực vật trơi nổi
Thực vật trơi nổi phát triển rất nhiều ở các nước nằm trong vùng nhiệt đới. Các lồi thực vật này phát triển trên bề mặt nước. Đây là phần nhận ánh sáng mặt trời trực tiếp. Phần dưới nước là rễ, rễ các lồi thực vật này là rễ chùm. Chúng phát triển trong lịng mơi trường nước, nhận các chất dinh dưỡng trong nước và chuyển lên lá, thực hiện các quá trình quang hợp. Các lồi thực vật nổi trơi phát triển và sinh sản rất mạnh.
Ví dụ như: bèo lục bình, bèo tấm, rau diếp. Những lồi thực vật này nổi trên mặt nước và chúng chuyển động trên mặt nước theo chiều giĩ thổi và theo sĩng nước hay dịng nước chảy của nước. Ở những khu vực nước khơng chuyển động, các lồi thực vật này sẽ bị dồn về một phía theo chiều giĩ. Cịn ở những khu vực nước chuyển động như dịng sơng, chúng sẽ chuyển động theo sĩng nước, theo giĩ và theo dịng chảy.
Khi thực vật này chuyển động sẽ kéo theo rễ của chúng quét trong lịng nước, các chất dinh dưỡng sẽ thường xuyên tiếp xúc với rễ và được hấp thụ qua rễ. Mặt khác, rễ của các lồi thực vật này như những giá thể rất tuyệt vời để vi sinh vật bám vào đĩ, phân hủy hay tiến hành quá trình vơ cơ hĩa các chất hữu cơ cĩ trong nước thải. So với thực vật ngập nước thực vật nổi cĩ khả năng xử lý các chất ơ nhiễm rất cao.
c. Thực vật nửa ngập nước
Đây là lồi thực vật cĩ rễ bám vào đất và một phần thân ngập trong nước. Một phần thân và tồn bộ lá của chúng lại nhơ hẳn lên mặt nước để tiên hành quá trình quang hợp. Thuộc các nhĩm này là các lồi cỏ nước và các lồi lúa nước. Việc làm sạch mơi trường đối với các lồi thực vật này chủ yếu là ở phần lắng ở đáy lưu vực nước. Những vật chất lơ lửng thường ít hoặc khơng được chuyển hĩa. Các lồi thân cỏ thuộc nhĩm này bao gồm: cỏ đuơi mèo, sậy, cỏ lõi bấc.
3.2.1.3. Cơ chế xử lý ơ nhiễm nước thải của thực vật thủy sinh
Quá trình quang hợp, quá trình tổng hợp protein xảy ra trong tế bào thực vật là quá trình tạo sinh khối của thực vật. Tất cả vật chất tạo ra sinh khối thực vật được lấy ra từ các chất hoặc hợp chất vơ cơ từ mơi trường sống. Dựa vào những cơ chế này chúng ta cĩ thể sử dụng thực vật thủy sinh như tác nhân chuyển hĩa vật chất trong nước thải thành sinh khối thực vật và làm giảm ơ nhiễm trong nước thải.
a. Quá trình hơ hấp ở thực vật
Tất cả các quá trình trao đổi chất của sinh vật được tập trung trong tế bào. Quá trình hơ hấp cũng vậy, quá trình này được xem như quá trình phản ứng enzym rất đặc trưng. Các hợp chất hữu cơ cĩ trong tế bào như protein, polysaccharit, lipit, axit amin sẽ bị oxy hĩa tạo ra CO2, H2O, các loại khí khác và năng lượng. Năng lượng được tạo ra sẽ được tích lũy trong phân tử ATP. Năng lượng trong phân tử ATP sẽ được tế bào sử dụng dần trong suốt quá trình sống của thực vật. Phương trình tổng quát của quá trình hơ hấp:
C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + ATP
Đường glucose là vật chất được sử dụng trong quá trình hơ hấp thường xuyên nhất. Khi gặp oxy, chúng sẽ được chuyển thành carbondioxid và nước. Năng lượng được giải phĩng sẽ được giữ lại trong các cầu nối của phân tử ATP.
b. Sự quang hợp của thực vật
Quang hợp là một quá trình rất đặc biệt, phổ biến nhất ở tất cả các lồi thực vật và ở một số lồi vi sinh vật. Quá trình quang hợp xảy ra ở lục lạp. Sắc tố quang hợp nhận năng lượng mặt trời tiên hành oxy hĩa nước, giải phĩng oxy và khử CO2 để tạo thành chất hữu cơ mà chủ yếu là gluxit.
Quá trình quang hợp xảy ra qua 2 giai đoạn: giai đoạn sáng và giai đoạn tối.
Giai đoạn sáng: ở giai đoạn này, các phản ứng xảy ra trong màng thylakoid, kết quả của quá trình chuyển hĩa này sẽ tạo ra các hợp chất cao năng ATP và NADH.
Giai đoạn tối: Ở giai đoạn này, các phản ứng xảy ra trong stroma. Các phản ứng này cần được cung cấp năng lượng từ ATP và NADH để tống hợp ra gluxit.
b. Quá trình tổng hợp protein
Protein là một trong những thành phần quan trọng của thực vật. Protein là chuỗi polypeptit, chúng được tạo ra từ các axit amin nối với nhau bằng liên kết peptit. Các axit amin được tế bào tổng hợp ra và được cung cấp từ mơi trường bên ngồi. Thực vật chỉ đồng hĩa các hợp chất hữu cơ ở dạng vơ cơ hịa tan. Do đĩ, các axit amin cĩ trong tế bào thực vật chủ yếu do tế bào sinh tổng hợp nên.
Quá trình tổng hợp protein xảy ra liên tục ở trong tế bào. Nhờ đĩ các phản ứng sinh hĩa mới được thực hiện và nhờ đĩ, tế bào mới tiến hành phân chia và phát triển, trong đĩ những protein – enzym chiếm số lượng rất lớn và đĩng vai trị quyết định trong các phản ứng hĩa học chuyển hĩa vật chất.
3.2.1.4. Chức năng xử lý nước thải của thực vật thủy sinh
a. Khả năng chuyển hĩa chất hữu cơ trong nước thải của thực vật thủy sinh
Các lồi thực vật thủy sinh thường rất nhạy cảm với pH, chất độc, nồng độ hữu cơ cao. Do đĩ, trong nước thải chứa nhiều độ tố pH quá trình kiềm hay quá trình axít đều ảnh hưởng xấu đến sự phát triển của chúng.
Ngồi ra, sự phát triển của các lồi thực vật thủy sinh tuy nhanh hơn các lồi thực vật khác nhưng lại chậm hơn các lồi vi sinh vật. Do đĩ, nếu so sánh khả năng chuyển hĩa vật chất hĩa học cĩ trong nước thải giữa thực vật và vi sinh vật
thì thực vật thường chậm hơn rất nhiều. Vì ngồi tốc độ sinh trưởng và sinh sản của vi sinh vật ra, cịn cĩ một đặc điểm rất quan trọng khác là tốc độ chuyển hĩa vật chất trong một ngày/đêm của vi sinh vật rất cao. Chúng cĩ thể chuyển hĩa lượng vật chất gấp hàng ngàn lần khối lượng của chúng. Trong đĩ, thực vật chuyển hố lượng vật chất so với khối lượng của chúng thường khơng cao.
Tuy nhiên các lồi thực vật thủy sinh cĩ những ưu điểm rất đặc biệt mà ở vi sinh vật khơng cĩ được, đĩ là khả năng hấp thụ kim loại nặng, khả năng ổn định sinh khối trong điều kiện tự nhiên, khả năng ổn định sinh khối trong điều kiện tự nhiên, khả năng cộng sinh trong mơi trường nước và mức độ dễ dàng trong thu nhận sinh khối thực vật cũng như khả năng sử dụng sinh khối này trong nhiều mục đích khác nhau.
b. Khả năng làm giảm kim loại nặng và vi lượng trong nước thải
Các lồi thực vật thủy sinh cĩ khả năng xử lý kim loại nặng rất tốt. Kim loại nặng được tách khỏi mơi trường nước theo những hướng sau:
Thực vật nhận kim loại nặng từ mơi trường nước, đưa chúng vào sinh khối thực vật. Sinh khối thực vật được thu hoạch và đưa ra khỏi mơi trường nước. Do đĩ, kim loại nặng được chuyển từ mơi trường nước và chuyển vào sinh khối của thực vật, kết quả là nước giảm kim loại nặng.
Tham gia vào quá trình thay đổi ion, quá trình hấp thụ, lắng đọng xuống bùn đáy và chuyển thành các phức hữu cơ.
Kết tủa dạng oxyt hydroxyt, cacbonate, photphate và sulfit.
c. Thực vật thủy sinh và hiện tượng phú dưỡng hĩa
Hiện tượng phú dưỡng hĩa là hiện tượng phát triển mạnh các lồi rong, tảo và thực vật thủy sinh khi trong mơi trường nước chứa nhiều nitơ và photpho.
Khi xuất hiện hiện tượng phú dưỡng hĩa sẽ làm thay đổi rất lớn hệ sinh thái nước và ảnh hưởng xấu đến mơi trường nước. Khi đĩ nước sẽ nghèo oxy và các dưỡng khí khác, làm đảo lộn hệ sinh thái nước.
Hiện tượng phú dưỡng hĩa cĩ thể do con người gây ra (phú dưỡng nhân tạo) và cũng cĩ thể tự nhiên tự phát sinh (phú dưỡng tự nhiên)
Phú dưỡng tự nhiên cĩ thể xảy ra ngay cả trong mơi trường nước được coi là khá sạch. Trong trường hợp này, nước ở trạng thái nghèo dinh dưỡng chuyển sang trạng thái giàu dinh dưỡng, thời gian tồn tại hiện tượng này thường rất lâu. Đây là quá trình tích lũy chất dinh dưỡng trong nước. Phần lớn trầm tích hữu cơ được tạo ra do hiện tượng phú dưỡng hĩa này.
Phú dưỡng nhân tạo là hiện tượng phát triển mạnh bởi tảo, rong và thực vật thủy sinh do con người gây ra. Trong quá trình sống và hoạt động sống, con người thải vào mơi trường nước quá nhiều chất hữu cơ, chất vơ cơ. Các chất này làm tăng nhanh sự tích tụ vật chất và ở một thời điểm nào đĩ làm tăng nhanh các quá trình phát triển tảo, rong và sinh vật thủy sinh. Phú dưỡng nhân tạo thường tạo ra rất nhanh, chỉ trong khoảng một thời gian ngắn sinh khối mơi trường nước sẽ đạt tới mức tối đa. Ở mức độ tăng sinh khối này sẽ làm gia tăng hiện tượng giảm oxy hịa tan cĩ trong nước, dẫn đến hiện tượng suy giảm sinh khối và càng tăng nhanh mức độ phân giải sinh khối. Khi mơi trường nước thiếu dưỡng khí sẽ làm giảm khả năng tự làm sạch nước trong thiên nhiên. Kết quả là nước tăng mùi khĩ chịu, pH của nước giảm. Trong các nguyên nhân gây ra suy giảm oxy trong nước cĩ sự phân hủy của tảo. Do đĩ, khi trong mơi trường nước xuất hiện hiện tượng phú dưỡng hĩa là điềm báo hiệu nước ơ nhiễm nặng.
d. Khả năng chuyển hĩa một số chỉ tiêu quan trọng của mơi trường nước bởi thực vật thủy sinh
BOD5
Trong mơi trường nước, BOD5 khơng chỉ chuyển hĩa bởi vi sinh vật mà cịn chuyển hĩa bới thực vật thủy sinh.
Sự biến động BOD5 trong mơi trường nước khi thực vật thủy sinh phát triển cĩ sự dao động rất lớn. Sự giao động của BOD5 phụ thuộc vào từng loại thực vật thủy sinh và phụ thuộc vào khí hậu trong năm, tức là phụ thuộc vào thời gian mà thực vật này phát triển.
Các lồi vi sinh vật bám vào rễ và thân, mầm thực vật thủy sinh ngập trong nước đĩng vai trị quan trọng nhất trong quá trình làm thay đổi BOD5 trong mơi trường nước. Thực vật làm giảm BOD5 trực tiếp rất khĩ xảy ra.
Chất rắn
Thực vật thủy sinh cĩ thời gian tồn tại trong nước rất lâu, do đĩ các chất rắn dạng keo được chuyển hĩa nhờ vi sinh vật bám vào đĩ trong mơi trường nước. Ngồi ra, chất rắn dạng keo bị biến đổi do sự va chạm vào thực vật thủy sinh, đáy hồ, sơng và các chất rắn lơ lửng khác. Các chất rắn lơ lửng được chuyển hĩa bởi sự thối rữa yếm khí.
Chuyển hĩa nitơ
Nitơ được chuyển hĩa trong mơi trường nước do một số nguyên nhân cơ bản sau:
Thực vật nhận từ các chất chứa nitơ cĩ trong mơi trường nước để tạo ra sinh khối, sau đĩ sinh khối được lồi người, động vật sử dụng.
Bị mất theo dạng amoniac.
Vi khuẩn tham gia vào quá trình nitrit hĩa và phản ứng nitrit hĩa. Hai quá trình này xảy ra do vi sinh vật thực hiện.
Trong 3 hướng chuyển hướng nitơ, hướng nitrit hĩa và phản ứng nitrit hĩa bởi vi sinh vật đĩng vai trị lớn nhất. Quá trình phản ứng nitrit hĩa xảy ra trong điều kiện thiếu oxi. Khi đĩ nitơ được giải phĩng khỏi các hợp chất hĩa học và chuyện thành dạng khí, thốt vào khơng khí. Phản ứng chuyển hĩa thường xảy ra trong mơi trường trung tính. Phản ứng này xảy ra như sau:
6NO3 + 5CH3OH 5CO2 + 3N2 + 7H2O + 6OH-
Phản ứng trên xảy ra phụ thuộc vào:
Khả năng chuyển hĩa của vi khuẩn. Khả năng này khơng chỉ ở từng lồi vi khuẩn mà cịn phụ thuộc ở pH, nhiệt độ, nguồn cacbon cĩ trong mơi trường.
Khả hoạt động bề mặt bùn lắng trong lưu vực.
Tiềm năng nitơ được tạo ra thốt vào khơng khí và hấp thụ của thực vật. Ở những vùng nước thải mới, thực vật dễ nhận nitơ hơn nước thải tồn tại lâu trong thiên nhiên. Điều đĩ cĩ thể được hiểu là nước thải tồn tại lâu trong điều kiện tự nhiên thường chứa ít nitơ vơ cơ và trong loại nước thải này cĩ nhiều NO3,
trong khi đĩ, ở nước thải mới thải ra chứa nhiều NH4.
Chuyển hĩa Photpho
Photpho trong nước thải cĩ thể được chuyển hĩa bởi các nghuyên nhân sau:
Chuyển hĩa do VSV;
Chuyển hĩa do thực vật thủy sinh;