CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.3. Xử lý KLN trong đất bằng thực vật
1.3.4. Tình hình xử lý KLN bằng thực vật trên thế giới và ở Việt Nam
1.3.4.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Theo đánh giá chung, cho đến nay các nghiên cứu về thực vật chống chịu kim loại đã được hoàn thành về cơ bản đối với hệ thực vật ơn đới, cịn nhiều điều phải khám phá trong hệ thực vật nhiệt đới. Tại các nước công nghiệp phát triển như Anh, Mỹ và Úc, nhiều nghiên cứu về thực vật chống chịu kim loại đã được chú ý phát triển từ giữa thế kỉ 20. Trên cơ sở của các nghiên cứu cơ bản (điều tra, khảo sát, cơ chế hấp thu kim loại, tạo giống mới và các biện pháp nơng hố), nhiều loại cơng nghệ xử lý ô nhiễm đã được ra đời và áp dụng vào cuộc sống. Hiện nay, hướng nghiên cứu này vẫn đang được tiếp tục và phát triển ở mức cao hơn, như xây dựng cơ sở dữ liệu, bảo tồn phát triển nguồn gen và thương mại hoá [54, 55, 59]. Ma L. Q. và cộng sự (2001) đã phát hiện ra loài dương xỉ Pteris vittata L. mọc trên vùng đất ơ nhiễm As ở Florida có khả năng chống chịu nền đất có hàm lượng tới 1500 mg/kg As và cây đạt tới 2,5% tổng lượng As trong sinh khối khô (25.000
mg/kg) [89]. Shelmerdine và cộng sự, (2004) khi nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới sự tích tụ As của Pteris vittata L. đã cho thấy rằng, hàm lượng As trong đất và trong cây có quan hệ tỷ lệ thuận với nhau, trong khi hàm lượng phốt phát cao lại làm giảm khả năng hấp thu và tích lũy As vào sinh khối của cây [108].
Một đặc điểm đã được các nhà khoa học phát hiện là các lồi thực vật “siêu tích tụ” kim loại trong điều kiện bình thường có thể phát triển kém hơn các loài khác, nhưng trong điều kiện ô nhiễm kim loại chúng lại là loài “ưu thế”. Đây là phát hiện mang tính phương pháp luận quan trọng. Các nhà nghiên cứu về thực vật chống chịu kim loại đã tập trung vào khu hệ thực vật ở những vùng đất bị ơ nhiễm kim loại. Đó là các khu mỏ, các khu khai khoáng và tuyển quặng hoặc những nơi chịu ảnh hưởng lâu ngày của các hoạt động liên quan đến kim loại.
Freitas và cộng sự (2004) đã đưa ra danh sách các loài thực vật thuộc 45 họ được xem là các lồi có khả năng chống chịu và sống trên các khu đất có hàm lượng cao các kim loại độc hại ở Bồ Đào Nha [67, 68]. Những điều trên đây cho thấy, mảng nghiên cứu về cây “siêu tích tụ” kim loại đã được phát triển ở các nước có hệ thực vật ơn đới, cịn ở các nước có hệ thực vật nhiệt đới nói chung và có điều kiện tự nhiên tương đồng với Việt Nam nói riêng thì cịn rất hạn chế.
Tại các nước Châu Á, những nghiên cứu về nhóm thực vật trên có những bước đi chậm hơn và kết quả thu được còn khiêm tốn. Tuy nhiên, đây là những đối tượng nghiên cứu hiện đang được chú ý đặc biệt ở các quốc gia, như Trung Quốc, Thái Lan [57, 58, 88, 96, 119, 121, 122].
Wong M. H.(2003) trong nghiên cứu của mình đã chỉ ra các khu vực sau khai thác khoáng sản là nguồn phát tán chính các kim loại vào mơi trường đất, nước và khơng khí. Việc trồng cây tại các khu vực này là vô cùng cần thiết vừa làm rào ngăn sự phát tán của các chất ô nhiễm sang các khu vực khác lại vừa làm giảm mức độ ô nhiễm tại chỗ. Phương pháp sử dụng thực vật để cố định kim loại và chiết tách kim loại là hai kỹ thuật đang được ứng dụng rất hiệu quả đối với đất ô nhiễm [119].
Các nhà khoa học Trung Quốc cho biết P. vittata L. phân bố rộng ở Trung Quốc, có thể phát triển ở cả những vùng bị ô nhiễm kim loại và sống trên cả những bức tường khơng có đất. Tại các khu vực khai thác khống sản, Pteris vittata có thể sinh trưởng và phát triển trên những bãi thải quặng đi chứa As tới 23.000 mg/kg, có khả năng tích tụ As cao trong cây, đặc biệt trong lá cao hơn trong rễ: hàm lượng As trong lá đạt tới 5070 mg/kg (chất khơ). Cây này khơng chỉ tích tụ As cao mà cịn tăng trưởng nhanh, phân bố rộng, thích nghi với nhiều điều kiện sống. Nó là cây có
triển vọng lớn trong việc xử lý mơi trường bị ô nhiễm As (Chen và cộng sự, 2002) [58]. Khảo sát vùng đất ô nhiễm gần mỏ Asen của tỉnh Hồ Nam, Trung Quốc đã xác định khả năng hấp thụ As của dương xỉ Pteris cretica và Pteris vittata. Cả hai loài cây này có thể sử dụng trong xử lý đất bị ô nhiễm asen [117]. Các nhà khoa học phát hiện ra nhiều lồi dương xỉ có thể tích tụ các kim loại ở mức cao như loài
Pteris cretica, P. longifolia, P. vunbrosa và Pityrogramma calomelanos.
Theo đánh giá chung, mặc dù số loài thực vật siêu tích tụ trên thế giới đã được phát hiện nhiều như vậy nhưng cho đến nay những công nghệ xử lý ô nhiễm bằng thực vật được áp dụng vào thực tiễn vẫn chưa được phổ biến. Một phần lớn là do chỉ một số ít lồi bắt gặp ngồi tự nhiên đáp ứng được u cầu để phát triển cơng nghệ. Vì các lồi có khả năng tích tụ cao kim loại lại có khả năng sinh trưởng kém, cho sinh khối thấp và thời gian sinh trưởng dài. Bên cạnh đó, một phần khơng nhỏ lại là do tính đặc thù của loại cơng nghệ này, cơng cụ chính của nó là cơ thể sống.
Như vậy, từ nghiên cứu sàng lọc, phát hiện ra các loài thực vật phù hợp đến phát triển thành công nghệ xử lý ơ nhiễm là một q trình phức tạp. Trong quá trình này, nhiều vấn đề liên quan đến đời sống của thực vật và hiệu quả xử lý ô nhiễm của chúng cần được giải quyết. Hiện nay ở các nước công nghiệp phát triển Âu - Mỹ, hệ thực vật đã được khảo sát khá đầy đủ về khả năng chống chịu và hấp thu kim loại, hướng nghiên cứu này vẫn được duy trì và phát triển về cả lý luận và thực tiễn. Nhiều loại công nghệ xử lý ô nhiễm kim loại bằng thực vật đã được hình thành, phát triển và áp dụng thành công trong thực tiễn. Ở các nước Châu Á, nơi hệ thực vật vô cùng đa dạng thì những thơng tin về cây chống chịu kim loại còn rất hạn chế. Tuy nhiên, trong khoảng mười năm trở lại đây các nhà khoa học ở các nước này đã tập trung các nghiên cứu của mình vào nhóm thực vật này bởi tầm quan trọng đối với cả khoa học và thực tiễn của chúng.
1.3.4.2. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam
Ở Việt Nam khoảng hơn một thập kỷ trở lại đây các nhà khoa học đã chú trọng tìm hiểu và nghiên cứu về ơ nhiễm KLN cũng như những ảnh hưởng của chúng đến hệ sinh thái (Lê Đức và cộng sự, 2001 2005, 2009; Hồ Thị Lam Trà và cộng sự, 2003; Đặng Thị An và cộng sự, 2008) [3, 4, 8, 9, 10, 13, 44]. Nhiều cơng trình nghiên cứu tập trung vào đánh giá mức độ ô nhiễm kim loại ở các sông tiếp nhận trực tiếp hoặc chịu ảnh hưởng bởi các chất thải từ các nhà máy, xí nghiệp hay từ các khu công nghiệp và những ảnh hưởng của chúng đối với hệ cây trồng. Việc sử dụng nước sông để tưới hay bùn thải để trồng cây đã làm cho nguy cơ tích tụ KLN trong đất và cây
trồng vượt cao so với tiêu chuẩn an toàn cho. Một số tác giả đã đề cập đến khả năng sử dụng các loài thực vật để xử lý ô nhiễm kim loại trong môi trường đất và nước.
Kết quả nghiên cứu trong nhiều năm cho thấy ở Việt Nam vấn đề ô nhiễm KLN đã và đang xảy ra, nguy cơ con người phải đối mặt với loại ô nhiễm này đã rõ và một số lồi thực vật đóng vai trị tích cực trong xử lý đã được biết đến (Danh mục thực vật có khả năng xử lý Pb, Cd, As và Zn có thể bắt gặp ở Việt Nam- Phụ lục 02 kèm theo) ở trong nhiều cơng trình nghiên cứu. Điển hình như: Nghiên cứu xử lý ơ nhiễm KLN trong môi trường đất bằng cây Sậy (Phragmites australis) tại một số khu vực khai thác khoáng sản tỉnh Thái Nguyên [30, 31]; Đánh giá khả năng xử lý As trong đất của một số loài thực vật bản địa mọc xung quanh khu mỏ chì kẽm Chợ Đồn, tỉnh Bắc Kạn được thực hiện bởi nhóm nghiên cứu của Nguyễn Thị Hồng Hà, Bùi Thị Kim Anh, 2016; Nghiên cứu sử dụng cây sậy và cây cỏ linh lăng để cải tạo đất ô nhiễm bởi một số KLN tại khu vực khai thác quặng sắt xã Nậm Búng, huyện Văn Chấn, tỉnh Yên Bái (Trần Thị Thảo, 2014); Đánh giá thực trạng ô nhiễm KLN trong đất và nghiên cứu biện pháp sinh học để phục hồi đất sau khai thác thiếc tại huyện Đại Từ, tỉnh Thái Nguyên (Đặng Văn Minh và Nguyễn Duy Hải, 2011) [13, 24, 37].
Võ Văn Minh (2007) khi nghiên cứu của khả năng loại bỏ Cd khỏi đất ô nhiễm của cỏ Vetiver với các hàm lượng khác nhau (10, 20, 30, 40 mg/kg) thấy rằng 100% cỏ sống sót và sự sinh trưởng phát triển tốt, trong đó hàm lượng Cd tích luỹ trong rễ cao hơn trong thân lá. Hơn nữa hiệu quả loại bỏ Cd ra khỏi đất của cỏ Vetiver tỉ lệ thuận với thời gian xử lí và hàm lượng Cd trong đất [25].
Việc sử dụng nước sông để tưới hay bùn của sông Tô Lịch để trồng cây đã làm cho nguy cơ tích tụ các KLN trong cây trồng cao vượt các tiêu chuẩn an toàn cho phép. Một số tác giả đã đề cập đến khả năng sử dụng các lồi thực vật để xử lý ơ nhiễm kim loại trong môi trường nước và đất trong các nghiên cứu của mình. Bằng thực nghiệm, một số tác giả trong nước đã chứng minh được vai trò quan trọng của một số thực vật thuỷ sinh trong việc tích luỹ vào cơ thể của chúng các KLN khác nhau. Chẳng hạn cây bèo Tây có khả năng hấp thụ Pb, Cr, Ni, Zn và Fe trong nước thải công nghiệp. Cây cải xoong có thể xử lý được Cr và Ni từ nước thải mạ điện. Trong khi Rong đi chó và bèo Tấm lại có khả năng giảm thiểu được Fe, Cu, Pb và Zn có trong hồ Bảy Mẫu, Hà Nội.
Trong vài năm gần đây, Viện Công nghệ Mơi trường đã có một số cơng trình nghiên cứu thành công về việc loại bỏ KLN trong chất thải mỏ. Nghiên cứu khả năng chống chịu và tích lũy asen của hai lồi dương xỉ thu được từ vùng khai thác mỏ của Thái Nguyên, Bùi Thị Kim Anh (2011), Đặng Đình Kim (2007) cho thấy trong khoảng hàm lượng mà cây chống chịu được. Đối với loài Pteris vittata thì tích
lũy lượng As từ 307 – 6042 mg/kg trong thân lá và trong rễ là 131 – 3756 mg/kg. Lồi Pityrogramma calomelanos tích lũy được lượng As trong thân lá là 885-4034 mg/kg và trong rễ là 483 – 2256 mg/kg [5, 21].
Trần Thị Tuyết Thu và cộng sự (2015) đã nghiên cứu ảnh hưởng của KLN (Zn, Pb) đến cây kèo nèo ở giai đoạn cây con và chỉ ra rằng phần tích lũy trong rễ cao hơn trong phần thân lá. Ở công thức bổ sung 240 mg/kg Pb trong đất thì lượng Pb tích lũy Pb trong cây là 8,27 mg/kg [39].
Nguyễn Đức Thành (2007) và cộng sự cũng đã nghiên cứu khả năng tích lũy Zn, Pb trong đất của cỏ Vetiver sau 90 ngày thí nghiệm thì thấy rằng hệ số tích lũy sinh học (BF) và hệ số vận chuyển (TF) của cỏ Vetiver đối với Zn là rất cao, tương ứng là 0,93-1,17 và 0,77- 0,79, hàm lượng Zn tích lũy trong rễ lớn hơn rất nhiều so với thân lá. Ngược lại nghiên cứu cũng chỉ ra rằng rằng hệ số tích lũy sinh học (BF) và hệ số vận chuyển (TF) của cỏ Vetiver đối vớ Pb không cao, tương ứng 0,04-0,07 và 0,17-0,27, tuy nhiên do cỏ Vetiver có sinh khối lớn nên khả năng tích lũy Pb
trong thân lá khá nhiều vì vậy có thể dùng cỏ này để loại bỏ Pb ra khỏi đất [34]. Vai trò của nấm cộng sinh vùng rễ trong việc nâng cao tính chống chịu của thực vật ở các vùng đất nông nghiệp bị ô nhiễm kim loại được Nguyễn Thị Thúy và cộng sự [40] nghiên cứu, kết quả thấy rằng quần thể nấm cộng sinh vùng rễ đóng một vai trò quyết định giúp cho thực vật nâng cao khả năng chống chịu với một số KLN trong đất. Sự tích lũy Pb trong thân lá của cây dương xỉ khi bổ sung chế phẩm thì đã tăng 20,27 – 45,71%, trong rễ tăng 26,0 – 38,5% so với đối chứng.
1.3.5. Đặc điểm sinh thái học của cây cỏ Mần trầu và cây lu lu đực
Trên thế giới có ít nhất 450 lồi thực vật đã được biết là có khả năng hấp thụ kim loại. Đó là các lồi thực vật thân thảo hoặc thân gỗ có khả năng thích nghi một cách đặc biệt với các điều kiện mơi trường. Chúng cũng có khả năng tích lũy nồng độ kim loại trong thân cao hơn hàng trăm lần so với các lồi bình thường khác.
Ở Việt Nam, khoảng mười năm trở lại đây các nhà khoa học đã chú trọng tìm hiểu và nghiên cứu về ô nhiễm KLN và những ảnh hưởng của chúng đến động vật và thực vật [21]. Đối chiếu với các tài liệu công bố về hệ thực vật Việt Nam, trong danh sách các lồi “siêu tích tụ” đã được cơng bố trên thế giới có 27 loài trùng với danh sách 450 loài trên. Trong số này, 4 loài là thực vật thủy sinh và 23 lồi là thực vật trên cạn, trong đó có cây cỏ Mần trầu và cây Lu lu đực (phụ lục 01) [21]. Mặt khác trong quá trình điều tra, nghiên cứu kết hợp với các đề tài nhánh thuộc Viện Sinh thái và Tài nguyên sinh vật và viện cơng nghệ mơi trường, kết quả phân tích sàng lọc đã thu được 65 lồi có khả năng tích lũy KLN (Pb, Cd, As, Zn,...) phân bố
ở các vùng nghiên cứu của Thái Nguyên trong đó có 2 lồi thực vật này. Cây cỏ Mần trầu đã được Wu, C.X. Chen và cs (2005) và chương trình KC 08.04 chứng minh có khả năng siêu tích tụ Pb. Cây Lu lu đực đã được Wei, S.h.Q.X.Zhou và cs(2006) đã chứng minh có khả năng siêu tích tụ Pb và Cd.
Qua quá trình khảo sát nhận thấy cây cỏ Mần trầu và cây Lu lu đực là 2 loài thực vật được tìm thấy ở nhiều vùng của Thái Nguyên, ở các vùng trồng rau, các khu vực khai thác mỏ quặng, nơi có hàm lượng KLN cao. Chính vì vậy đề tài đã chọn hai loài thực vật này để nghiên cứu khả năng hấp thu KLN xử lý đất ô nhiễm.
Đặc điểm sinh thái của các loại thực vật được chọn:
* Cỏ Mần trầu : tên khoa học là Eleusine indica L. Gaertn., ngành ngọc lan Magnoliophyta,
lớp hành Liliopsida, phân lớp thài lài Commelinidae, bộ lúa Poales, họ lúa Poaceae, chi Eleusine Gaertn. Ở
Việt Nam, cỏ Mần trầu có nhiều tên gọi khác nhau như: Cỏ vườn trầu, thanh tâm thảo, ngưu cân thảo, cỏ màn trầu, cỏ dáng, nhả hút (Thái) hang ma
(Tày), hìa xú xan (Dao) Hình 1.1: Cỏ Mần trầu
* Đặc đểm thực vật:
Là cây thảo sống hằng năm, cao 15÷90 cm, có rễ mọc khỏe. Thân bị dài ở gốc, phân nhánh, sau mọc thẳng đứng thành bụi. Lá mọc so le, hình dải nhọn. Phiến lá nhẵn, mềm, bẹ lá có lơng. Cụm hoa là bơng xẻ ngón có 5÷7 nhánh dài mọc tỏa trịn đều ở đầu cuống chung và có 1÷2 nhánh xếp thấp hơn ở dưới, mỗi nhánh mang nhiều hoa. Quả thn dài, gần như có ba cạnh. Sinh học và sinh thái: Cây ra hoa từ tháng 3÷11. Là lồi cỏ nhiệt đới, mọc phổ biến ở nhiều nơi, thường gặp ở bờ ruộng, ven đường, bãi hoang. Sống ở môi trường đất hơi chua đến kiềm. Cây có khả năng hấp thu KLN [18].
* Cây Lu lu đực: tên khoa học là
Solanum nigrum L., thuộc chi Solanum L. là một chi lớn nhất trong họ Cà Solanaceae
Tên đồng nghĩa: S. americanum; S. photeinocarpum Nakam. & Odash.
Tên khác: Thù lù đực, Cà đen, Nụ áo,
Nút áo, Gia cầu, Thiên già nhi miêu, Cà trái
* Đặc điểm thực vật:
Thuộc loại cây cỏ hàng năm, cao 30-100 cm, nhẵn hoặc có lơng tơ. Lá đơn