1.3. CÁC NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG THỰC VẬT ĐỂ HẤP THU KIM LOẠ
1.3.2. Các nghiên cứu trên thế giới
Trong những năm gần đây, người ta quan tâm rất nhiều về công nghệ sử dụng thực vật để xử lý mơi trường, trong đó có xử lý ô nhiễm kim loại nặng và các chất nguy hại khác trong đất. 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 như một cơng nghệ mang tính chất thương mại. Cơng nghệ này có ưu điểm là chi phí đầu tư thấp, dễ thực hiện, an
tồn và thân thiện với mơi trường. 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 ơ 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[6].
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 nơng 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".
Một số lồi 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 1.4 sau:
Bảng 1.6. Nồng độ kim loại nặng trong lá, chồi, cành của một số loài thực vật
Nguyên tố Loài thực vật Nồng độ kim loại nặng cực đại trong lá, chồi, cành (ppm)
Địa phương Nguồn
Zn Thlaspi calaminare 39.600 Gremany Revers, 1983
Ni Phyllanthus
serpentinus 38.100 N.Caledinia Kersten, 1979
Co Haumaniastrum
robertil 10.200 Zaire Brooks, 1977
Se Astrgalus sp >10.000 S.Dakota Rosen Field, 1964 Mn Alyciarubricanlis 11.500 N.Caledomia Brooks, 1981
Ngày nay, danh mục trên 450 lồi 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 cơng trình nghiên cứu nhằm tạo ra những lồi 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 cơng 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[19].
Nghiên cứu cho thấy, các lồi thực vật khác nhau có khả năng hấp thu kin loại
nặng 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. Lồi này sinh trưởng nhanh, có sức chống chịu cao với As trong đất (As > 1.500ppm) và chỉ bị độc ở nồng độ
2.630ppm 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 vịng 24 giờ, lồi dương xỉ này giảm mức As trong nước từ 200 µg/l xuống gần 100 lần[16].
Trong thực tế, việc tìm kiếm những lồi 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 cơng 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 lồi 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, lồi cây này có thể loại bỏ 50% tổng số Se có mặt trong đất trong một chu kỳ sinh trưởng từ 50 - 55 ngày.
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, Triết 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 q trình khai khống gây nên[23].
Một trong những mục tiêu của cơng tác hồn 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 mịn. 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 sốt xói mịn mà cịn là lồi có khả năng chống chịu cao đối với những loại đất bị ô nhiễm kim loại nặng. Nhiều nghiên cứu cho thấy, lồi 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
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, bơxit ở Trung Quốc v.v[15]
Ở một số nước, ở nội dung thiết lập thảm thực vật trong chương trình hồn thổ cịn bao gồm cả việc sử dụng phân bón. Những khu vực được xác định cải tạo để sử dụng cho mục đích nơng nghiệp thường phải có chương trình duy trì việc bổ sung phân bón. Tùy trường hợp cụ thể mà người ta sử dụng thạch cao hoặc vôi để điều chỉnh độ pH, tùy theo loại giống cây trồng, loại cây và mật độ cây, tỷ lệ sinh trưởng mà người ta sử dụng thêm các loại phân đạm, lân hoặc kali. Một số loại chất thải hữu cơ cũng được sử dụng như phân, máu, xương động vật, bùn cống rãnhchúng vừa có tác dụng như phân bón vừa có tác dụng bổ sung chất đất. Có thể sử dụng các cây cải tạo đất trồng trên nghèo kiệt để tăng lượng chất hữu cơ.
Nghiên cứu của Muhammad Aqeel Ashraf và cộng sự đã chỉ ra khả năng hấp thu thiếc của ba lồi Cyperus được thí nghiệm trong chậu với các nồng độ thiếc lần lượt là 0; 0,5; 2; 6; 25; 60 ppm. Tất cả câc thí nghiệm đều chỉ ra khả năng loại bỏ thiếc khác nhau ở các loài Syperus khác nhau và ở các nồng độ thiếc khác nhau. Thiếc tích luỹ trong thân, lá và rễ tuyến tính với nồng độ thiếc. Lồi Cyperus rotundus L. có khả năng hấp thu thiếc tốt hơn loài Cyperus alternifolius và Cyperus fastigiatus. Thiếc trong đất được hấp thu vào lá thân cây nhưng không được giữ lại trong rễ. Kết quả chỉ ra rằng lồi Syperus có khả năng vượt trội để xử lý thiếc trong đất ơ nhiễm có nồng độ thiếc cao.