4. Ý nghĩa của đề tài
1.4.2. Biện pháp sinh học về cải tạo đất bị ô nhiễm kim loại nặng
Các nhà khoa học cho rằng, cơ thể thực vật hoạt động theo cơ chế hình thành phức hợp. Nghĩa là các phức hợp hình thành sẽ giúp các kim loại chuyển đến các tế bào có hoạt động trao đổi chất thấp và đƣợc tích luỹ ở dạng chất hữu cơ hoặc vô cơ bền vững. Hoặc có thể theo hƣớng các loài thực vật tách kim loại ra khỏi đất, tích luỹ trong các bộ phận của cây, sau đó đƣợc loại bỏ qua lá khô, rửa trôi qua biểu bì hoặc bị đốt cháy hoặc đơn thuần là phản ứng tự nhiên của cơ thể thực vật.
Khả năng làm sạch môi trƣờng của thực vật đã đƣợc ghi chép từ thế kỷ XVIII, nhƣng đến cuối thế kỷ XX phƣơng pháp này mới đƣợc nhắc đến nhƣ một công nghệ tiên tiến dùng để xử lý môi trƣờng và nƣớc bị ô nhiễm bởi các kim loại, các hợp chất hữu cơ, thuốc súng và các chất phóng xạ.
Phƣơng pháp thay đổi loại cây trồng có khả năng thích nghi tốt với môi trƣờng có nồng độ kim loại nặng cao và tạo ra các sản phẩm có ít khả năng tích lũy kim loại nặng cũng là một trong những chiến lƣợc quản lí và giảm thiểu sự tác động của kim loại nặng đến cây trồng [10], [19].
Các kim loại độc hại có thể tồn tại trong đất dƣới nhiều dạng khác nhau, hấp thụ, liên kết với các hợp chất hữu cơ, vô cơ hoặc tạo thành các chất phức hợp. Khả năng dễ tiêu của chúng đối với thực vật phụ thuộc lẫn nhau vào các kim loại khác. Nhìn chung các KLN có khả năng linh động lớn ở các đất chua (pH < 5,5).
Hầu hết các loài thực vật rất nhạy cảm với sự có mặt của các ion kim loại, thậm chí ở nồng độ rất thấp. Tuy nhiên vẫn có một số loài thực vật không chỉ có khả năng sống đƣợc trong môi trƣờng bị ô nhiễm bởi các kim loại độc hại mà còn có khả năng hấp thụ và tích các kim loại này trong các bộ phận của chúng.
Trong những năm gần đây, ngƣời ta quan tâm rất nhiều về công nghệ sử dụng thực vật để xử lí môi trƣờng. Tính đến nay thế giới có khoảng 440 loài thuộc 45 họ thực vật có khả năng hấp thụ kim loại nặng. Đây là các loại thực vật thân thảo hoặc thân gỗ, có khả năng tích lũy và không có biểu hiện về mặt hình thái khi nồng độ kim loại trong thân cao hơn hàng trăm lần so với các loài bình thƣờng khác [25].
Thực vật có nhiều cách phản ứng khác nhau đối với sự có mặt của các ion kim loại trong môi trƣờng. Có nhiều giả thuyết đã đƣợc đƣa ra để giải thích cơ chế vận chuyển, hấp thụ và loại bỏ kim loại nặng trong thực vật, chẳng hạn chúng hình thành một phức hợp tách kim loại ra khỏi đất, tích lũy trong các bộ phận của cây sau đó đƣợc loại bỏ qua lá khô, rửa trôi biểu bì, bị đốt cháy hoặc đơn thuần là phản ứng tự nhiên của cơ thể thực vật. Ví dụ, trên những vùng đất bị ô nhiễm chì, ngƣời ta có thể tiến hành trồng các cây có khả
năng tích lũy kim loại để tách kim loại ra khỏi vùng đất. Sau 5 hoặc 10 năm, bằng cách trồng cây luân canh các loại cây này sẽ có thể khử kim loại ra khỏi đất. Nhƣ vậy sẽ tiết kiệm chi phí xử lý và giữ đƣợc đất để sử dụng sau đó. Hoặc cơ thể thực vật hoạt động theo cơ chế hình thành phức hợp. Nghĩa là các phức hợp hình thành sẽ giúp các kim loại chuyển đến các tế bào có hoạt động trao đổi chất thấp và đƣợc tích luỹ ở dạng chất hữu cơ hoặc vô cơ bền vững.
Trong thực tế, công nghệ xử lý ô nhiễm bằng thực vật đòi hỏi phải đáp ứng một số điều kiện cơ bản nhƣ dễ trồng, có khả năng vận chuyển các chất ô nhiễm từ đất lên thân nhanh, chống chịu đƣợc với nồng độ các chất ô nhiễm cao và cho sinh khối nhanh. Tuy nhiên, hầu hết các loài thực vật có khả năng tích luỹ kim loại nặng cao là những loài phát triển chậm và cho sinh khối thấp, trong khi thực vật cho sinh khối nhanh thƣờng rất nhạy cảm với môi trƣờng có nồng độ kim loại cao.
Xử lý kim loại nặng trong đất bằng thực vật có thể thực hiện bằng nhiều phƣơng pháp khác nhau phụ thuộc vào từng cơ chế loại bỏ các kim loại nặng nhƣ:
- Phƣơng pháp làm giảm nồng độ kim loại trong đất bằng cách trồng các loài thực vật có khả năng tích luỹ kim loại cao trong thân. Các loài thực vật này phải kết hợp đƣợc hai yếu tố là có thể tích luỹ kim loại trong thân và cho sinh khối cao. Có rất nhiều loài đáp ứng điều kiện thứ nhất (Bảng 1.10), nhƣng không đáp ứng điều kiện thứ hai. Vì vậy các loài có khả năng tích luỹ ít nhƣng có sinh khối cao cũng rất cần thiết. Khi thu hoạch các loài thực vật này thì các chất ô nhiễm cũng đƣợc loại bỏ ra khỏi đất và các kim loại quý nhƣ Au, Ni, … có thể đƣợc chiết tách ra khỏi cây.
- Phƣơng pháp sử dụng thực vật để cố định kim loại trong đất hoặc bùn bởi sự hấp thụ của rễ hoặc kết tủa trong vùng rễ. Quá trình này làm giảm khả năng linh động của kim loại, ngăn chặn ô nhiễm nƣớc ngầm và làm giảm hàm lƣợng kim loại khuếch tán vào trong các chuỗi thức ăn.
Bảng 1.10. Một số loài thực vật có khả năng tích luỹ kim loại nặng cao Tên loài Tên loài
Kim loại tích luỹ trong thân (g/g khô)
Tác giả và năm công bố
Arabidopsis halleri
(Cardaminopsis halleri) 13.600 Zn Ernst, 1968 Thlaspi caerulescens 10.300 Zn Ernst, 1982
Thlaspi caerulescens 12.000 Cd Madico et al, 1992 Thlaspi rotundifolium 8.200 Pb Reeves & Brooks, 1983 Minuartia verna 11.000 Pb Ernst, 1974
Thlaspi geosingense 12.000 Ni Reeves & Brooks, 1983 Alyssum bertholonii 13.400 Ni Brooks & Radford, 1978 Alyssum pintodasilvae 9.000 Ni Brooks & Radford, 1978 Berkheya codii 11.600 Ni Brooks, 1998
Psychotria douarrei 47.500 Ni Baker et al., 1985 Miconia lutescens 6.800 Al Bech et al., 1997 Melastomamalabathricum 10.000 Al Watanabe et al., 1998
Nguồn: Barcelos J., and Poschenrieder C., 2003 [31]
Có khá nhiều loài thực vật có khả năng hấp thụ kim loại. Đây là các loài thực vật thân thảo hoặc thân gỗ, có khả năng tích luỹ kim loại trong thân cao hơn nhiều lần so với các loài bình thƣờng khác. Các loài thực vật này thích nghi một cách đặc biệt với các điều kiện môi trƣờng và khả năng tích luỹ hàm lƣợng kim loại cao có thể góp phần ngăn cản các loài sâu bọ và sự nhiễm nấm [31].
Trong những năm gần đây, ngƣời ta quan tâm rất nhiều về công nghệ sử dụng thực vật để xử lý môi trƣờng bởi nhiều lý do: Diện tích đất ô nhiễm ngày càng tăng, các kiến thức khoa học về cơ chế, chức năng của sinh vật và hệ sinh thái, áp lực của cộng đồng, sự quan tâm về kinh tế và chính trị ngày càng nhiều. Hai mƣơi năm trƣớc đây, các nghiên cứu về lĩnh vực này còn rất
ít, nhƣng ngày nay, nhiều nhà khoa học đặc biệt là ở Mỹ và châu Âu đã có rất nhiều đề tài nghiên cứu cơ bản và ứng dụng công nghệ này nhƣ một công nghệ mang tính chất thƣơng mại. Hạn chế của công nghệ này là ở chỗ không thể xem nhƣ một công nghệ xử lý tức thời và phổ biến ở mọi nơi.
Tuy nhiên, chiến lƣợc phát triển các chƣơng trình nghiên cứu cơ bản có thể cung cấp đƣợc các giải pháp xử lý đất một cách thân thiện với môi trƣờng và bền vững. Năm 1998, Cục môi trƣờng Châu Âu (EEA) đánh giá hiệu quả kinh tế của các phƣơng pháp xử lý kim loại nặng trong đất bằng phƣơng pháp truyền thống và phƣơng 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 phƣơng pháp truyền thống trên 1 hecta đất từ 0,27 đến 1,6 triệu USD, trong khi phƣơng pháp sử dụng thực vật chi phí thấp hơn 10 đến 1000 lần [31].
Bảng 1.11. Một số loài thực vật cho sinh khối nhanh có thể sử dụng để xử lý KLN trong đất
Tên loài Khả năng xử lý Tác giả và năm công bố
Salix KLN trong đất, nƣớc Greger và Landberg, 1999
Populus Ni trong đất, nƣớc và nƣớc ngầm Punshon và Adriano, 2003 Brassica napus, B. Juncea, B. Nigra Chất phóng xạ, KLN, Se trong đất Brown, 1996 và Banuelos et al, 1997
Cannabis sativa Chất phóng xạ, Cd trong đất Ostwald, 2000
Helianthus Pb, Cd trong đất EPA, 2000 và Elkatib et al.,
2001
Typha sp. Mn, Cu, Se trong nƣớc thải
mỏ khoáng sản Horne, 2000 Phragmites australis KLN trong chất thải mỏ khoáng sản Massacci et al., 2001
Glyceria fluitans KLN trong chất thải mỏ
khoáng sản
MacCabe và Otte, 2000
Lemna minor KLN trong nƣớc Zayed et al., 1998
Ngay từ cuối thế kỷ XIX, ngƣời ta đã phát hiện ra loài Cải xoong (thuộc dòng hyperaccumlators) biết “ăn” kim loại từ trong đất. Những nông dân phát ruộng đã tìm thấy từ trong thân của loại cây này một lƣợng lớn chất kẽm. Sau này ngƣời ta phát hiện ra có khoảng 20 loài cải dại thuộc họ này rất thích những kim loại nặng có tính độc cao nhƣ Ni, Zn. Hấp thụ chất độc đó, chúng không chết mà ngƣợc lại chúng phát triển rất nhanh. Điều này rất giống với một loài hoa dại có tên khoa học là Alyssum bertolonii. Loài hoa màu vàng này có khả năng hút lƣợng Ni gấp 200 lần lƣợng kim loại nặng có thể giết chết hầu hết các loài thực vật khác [25].
Một nhà khoa học của Đại học Tổng hợp Purdue (Mỹ) đã xác định và tách đƣợc các gen đƣợc xem là cho phép thực vật có khả năng tích luỹ một số lƣợng lớn kim loại trong các mô của chúng. Phát hiện này hy vọng sẽ dẫn đến các loài cây trồng mới có thể làm sạch ô nhiễm công nghiệp, các loại thực phẩm mới chống đƣợc bệnh và giảm nhẹ công lao động trong nông nghiệp.
Ở Liên Xô trƣớc đây, ngƣời ta đã có những kinh nghiệm về việc sử dụng các cây trồng, ví dụ cây hoa Hƣớng dƣơng, để xử lý đất nhiễm phóng xạ. Hiện nay vẫn chƣa có những nghiên cứu chính thức về việc sử dụng thực vật để khử độc Crom cho đất và nƣớc ngầm.
Các gen đƣợc xác định từ cây mù tạt (Thlaspi goesingense) nhỏ, là loài cây sống ở vùng núi Anpơ của Áo, có khả năng tích luỹ Niken. Cây này tƣơng tự nhƣ loại cây không có khả năng tích luỹ kim loại Arabidopsis thaliana, vẫn thƣờng đƣợc sử dụng trong nghiên cứu khoa học.
Uỷ ban Năng lƣợng hạt nhân (CEA) của Pháp hiện đang nghiên cứu các loại nấm có sợi có khả năng hấp thụ nhiều kim loại nặng nhƣ Cd, Zn, Ni, Cd, Ag, Au, và cả một số chất phóng xạ.
Lau sậy là loài cây có thể sống trong những điều kiện thời tiết khắc nghiệt và rất phù hợp với khí hậu Việt Nam. Hệ sinh vật quanh rễ loại cây này có thể phân huỷ chất hữu cơ và hấp thụ kim loại nặng trong nƣớc thải y tế [25].
Bộ sƣu tập Bắc Bộ với hàng loạt giống tre quý hiếm nhƣ tre vuông, tre vàng sọc, tre luồng của đất tổ Phú Thọ, Mạy Muồi ở Bắc Cạn, tre Ngà Thái Nguyên hay tre dây Thanh Hoá...có nhiều tính năng khá ƣu việt nhƣ hấp thụ kim loại nặng, cải tạo đất.
Theo TCVN 7209 - 2002, giới hạn cho phép của Pb trong đất theo các mục đích sử dụng khác nhau dao động từ 70 - 300 ppm. Kết quả nghiên cứu với dãy nồng độ Pb trong đất từ 500 -1500 ppm (vƣợt tiêu chuẩn cho phép rất nhiều lần), nhƣng cỏ Vetiver vẫn có khả năng sinh trƣởng, phát triển và hấp thụ Pb với hiệu quả cao. Điều này cho thấy có thể sử dụng cỏ Vetiver để phục hồi có hiệu quả các vùng đất bị ô nhiễm nặng bởi Pb [19].
Các nhà khoa học Trung Quốc phát hiện ra một loài cây dƣơng xỉ, một trong những họ thực vật lâu đời nhất trên thế giới và mọc rất nhiều trong tự nhiên hoang dã cũng có khả năng hấp thụ tốt kim loại nặng nhƣ đồng, thạch tín…Họ phát hiện ra trên lá của loài dƣơng xỉ này có tới 0,8 % hàm lƣợng thạch tín, cao hơn hàng trăm lần so với bình thƣờng mà cây vẫn tƣơi tốt.
Tháng 8/2002 nhóm nghiên cứu quốc tế của Trƣờng Đại học Texas - El Paso (Mỹ) và Mêxico đã thành công trong việc sử dụng cỏ linh lăng để tuyển vàng. Trong quá trình nghiên cứu cây cỏ linh lăng tự nhiên, các nhà khoa học đã phát hiện ra cây linh lăng có nhu cầu tách các kim loại ra khỏi môi trƣờng trồng chúng để phát triển. Tại khu vực mỏ vàng, cây này phát triển khá tốt, trong lá của chúng có chứa các vi hạt vàng với kích thƣớc nhỏ hơn 10-9
m. Tháng 11/2002 các nhà khoa học thuộc Houston - based Virdian Resources LLC đã đƣợc nhận bằng sáng bằng sáng chế do sử dụng cây Lƣu niên để tuyển tách Niken.
Một chƣơng trình nghiên cứu khoa học đang đƣợc tiến hành ở Đại học Khoa học tự nhiên TP. Hồ Chí Minh, do Diệp Mỹ Hạnh phụ trách, nhằm phát hiện một số loài thực vật sống ở Việt Nam, có khả năng tích luỹ kim loại nặng
từ môi trƣờng đất. Nghiên cứu sâu về cơ chế sinh học của khả năng hấp thụ và tích luỹ chì trong cây. Các thí nghiệm sẽ tiến hành song song ở Việt Nam (2 trƣờng đại học) và Pháp (đại học Paris).
Gần đây, các nhà khoa học Việt Nam đã phát hiện ra một loại cây dại có tên là thơm ổi thƣờng mọc hoang dại ở Việt Nam cũng có khả năng đặc biêt đó. Loài cây này có khả năng hấp thụ kim loại nặng gấp 100 lần bình thƣờng và sinh trƣởng rất nhanh. Khả năng hấp thụ kim loại nặng của thơm ổi tuy chƣa bằng các loài dây leo, nhƣng bù lại chúng lớn rất nhanh, rất dễ trồng và chăm sóc. Chúng có thể hấp thụ chì trung bình cao gấp 500 -1.000 lần, thậm chí còn lên tới 5.000 lần so với cây đối chứng mà không bị ảnh hƣởng. Chúng đƣợc xem là loài siêu hấp thụ với kim loại nặng là Pb và Cd.
Bảng 1.12. Khối lƣợng Cu, Zn, Pb cây tích lũy và giảm đi trong đất sau 90 ngày thí nghiệm Cây thí
nghiệm
Hàm lƣợng Cu, Zn, Pb (mg/chậu)
Cu Zn Pb
Đơn buốt Trong cây 4,0 16,8 6,1
Trong đất 5,4 17,4 7,9
Dừa nƣớc Trong cây 8,8 33,8 12,8
Trong đất 10,2 35,4 14,4
Mƣơng đứng Trong cây 5,8 20,3 14,2
Trong đất 6,6 21,6 15,0
Rau muống Trong cây 2,3 4,3 2,7
Trong đất 2,7 5,1 3,6
(Xác định hàm lượng Zn, Cu, Pb, tổng số trong đất theo phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử: mẫu được công phá bằng hỗn hợp axit HF,
HNO3 và HClO4 – Theo committee of Soil Standard Method for Analyses and
Khối lƣợng Cu, Zn, Pb tích lũy trong cây và hàm lƣợng Cu, Zn, Pb giảm đi trong đất sau khi trồng cây 90 ngày đƣợc trình bày ở bảng 2.12 cho thấy: Tổng lƣợng Cu, Zn, Pb giảm đi trong đất tƣơng ứng là: 5,4; 17,4; 7,9 mg/chậu đối với Đơn buốt; 10,2; 35,4 và 14,4 mg/chậu đối với Dừa nƣớc; 6,6; 21,6 và 15,0 mg/chậu đối với Mƣơng đứng và 2,7; 5,1 và 3,6 mg/chậu đối với rau muống.
Rất nhiều nghiên cứu đã khẳng định, độ chua của đất có ảnh hƣởng rất lớn đến độ linh động của KLN. Đây cũng là cơ sở của biện pháp hạn chế sự linh động của KLN bằng biện pháp kết tủa. Trong đất chua có chứa nhiều Fe, Al, Mn, chất hữu cơ thì Cd bị liên kết làm giảm tính linh động. Trong đất trung tính hoặc kiềm do bón vôi, Cd bị kết tủa dƣới dạng CdCO3, đất axit Cd trở nên ít linh động hơn. Nên biện pháp chống ô nhiễm Cd trong đất bằng cách làm tăng pH đất và CEC. Theo Zupan và cs, 1997 [43], vôi và khoáng bón cho cây trồng ở vùng đất bị ô nhiễm đã làm giảm sự hấp thụ Cd vào cây, vì vậy pH đất là một trong những yếu tố quan trọng nhất gây ảnh hƣởng đến