Các nguyên tố trong dung dịch đất được chuyển từ các lỗ khí trong đất tới bề mặt rễ cây bằng hai con đường chính: sự khuếch tán và dịng chảy khối. Sự khuếch tán xảy ra nhằm chống lại sự gia tăng Gradian nồng độ bình thừơng đối với rễ cây bằng cách: hấp thụ các kim loại nặng trong dung dịch đất tại bề mặt tiếp giáp rễ cây – đất. Dịng chảy khối được tạo ra do sự di chuyển của dung dịch đất tới bề mặt rễ cây như là kết quả của quá trình thở của lá. Cả hai quá trình này xảy ra khơng đồng đều nhưng theo các tốc độ khác nhau tùy thuộc vào nồng độ dung dịch đất. Ngoại trừ trong trường hợp đất bị ơ nhiễm nặng thì dung dịch đất cĩ thể chứa nồng độ cao các nguyên tố độc chất. Trong những loại đất khác (ví dụ: đất bị ơ nhiễm, đất acid, đất đầm lầy), một lượng dư nồng độ KLN trong dung dịch được lan truyền theo dịng chảy khối và chúng cĩ khả năng tích lũy tại bề mặt tiếp xúc rễ cây - đất ( xem sơ đồ).
(KLN) Đất 1) khuyếch tán
Rễ cây Dung dịch 2) di chuyển khối
Quá trình xâm nhập KLN vào trong cây trải qua 4 giai đọan sau:
SVTH: Nguyễn Thị Đoan 26
• Giai đọan 1: KLN đi vào vùng tự do của rễ cây
Sự di chuyển của các ion kim loại khơng bị giới hạn tại bề mặt rễ cây. Tại vùng màng của các tế bào cĩ khả năng dễ dàng cho dung dịch xâm nhập (vùng tự do), tại đây các ion dương cĩ thể khuếch tán tự do (khu vực nước di chuyển tự do) hoặc bị bẫy vào những tế bào mang điện âm. Ion kim loại cĩ khả năng tích lũy trong khu vực tự do của rễ cây, một số bị bám dính chặt vào mặt tế bào rễ. Chúng liên kết mạnh với các nhĩm acid cacboxylic theo thứ tự Pb > Cu > Cd > Zn, sự liên kết này đĩng một vai trị quan trọng đối với sự tích lũy các KLN trong rễ cây và gia tăng lượng hấp thu liên tục của KLN trong tế bào rễ. Kim loại được vận chuyển vào khối hình cầu thân rễ - vùng rộng khoảng 1 - 2 mm giữa rễ và đất xung quanh. Mycorrhizae là nấm cộng sinh làm gia tăng một cách hiệu quả khu vực hấp thu của rễ và cĩ thể trợ giúp việc nhập lượng của các ion dinh dưỡng như orthophosphate và các nguyên tố vi lượng. Cơ chế hấp thu cĩ thể biến đổi với các ion khác nhau, nhưng những ion được hấp thu vào trong rễ bởi cùng một cơ chế sẽ cạnh tranh với nhau (ví dụ: sự hấp thu của Zn được hạn chế bởi Cu và H+ nhưng khơng bị hạn chế bởi sắt và mangan).
• Giai đoạn 2: KLN trong tế bào rễ [19]
Các KLN bị hấp thu trong tế bào, cĩ thể bị mất tính linh động hay tính độc trong tế bào chất, thơng qua q trình kết hợp tạo phức với các phân tử hữu cơ (acid vơ cơ, aminoacid, phytochelation), hoặc bị sa lắng xuống các khu vực giàu electron (electron – dense granules). Phức chất tạo bởi các phân tử hợp chất hữu cơ là cơ sở chiếm ưu thế cĩ liên quan đến các KLN trong tế bào chất (ví dụ: Cd, Co, Fe, Mn, Zn). KLN cũng cĩ thể được chuyển vào trạng thái tự do hoặc trong trạng thái phức chất, đây là dạng làm cho KLN bị sa lắng ở trong tế bào rễ (chủ yếu là liên kết với các acid hữu cơ, citric, malic).
SVTH: Nguyễn Thị Đoan 27
Đối với nhiều loại cây, sự hiện diện của các ion độc chất KLN trong các tế bào chất bao gồm sự tổng hợp prơtêin cĩ liên kết KLN, ví dụ các phytochelatin, chất đĩng vai trị quan trọng khử độc tính KLN. Những prơtêin này cĩ mặt ở trong tế bào chất và khơng bào nơi cĩ chứa các nhĩm sulphydryl và cacboxyl cĩ khả năng tạo chelat với kim loại.
• Giai đoạn 3: Sự vận chuyển KLN đến các mầm chồi [19]
Các kim loại ở trong tế bào chất cĩ thể được chuyển từ tế bào này sang tế bào khác thơng qua con đường tổng hợp sẽ đi vào mao dẫn rễ và đưa tới mầm non. Sự di chuyển của các dung dịch trong mao dẫn rễ là nguyên nhân gây ra các dịng thở (sự di chuyển khối dịng chảy khối). Các cation tự do cĩ thể phản ứng với các nhĩm mang điện âm của thành tế bào mao dẫn rễ, đây chính là lý do cản trở sự vận chuyển của KLN hay làm q trình trao đổi bị chậm lại. Ngồi ra, các nhĩm tạo phức với kim loại tự do như các acid hữu cơ, aminoacid trong mao dẫn rễ sẽ làm giảm mức linh động của KLN cho phép chúng chuyển vào các mầm non. Sự xuất hiện của các màng điện trái dấu với kim loại gĩp phần đẩy nhanh q trình đưa độc chất kim loại vào mầm non.
• Giai đoạn 4: Sự tích lũy KLN trong các bộ phận cây [19]
Với sự gĩp mặt của kim loại trong cây làm biến đổi dị hĩa các yếu tố gen và sự mất linh động của kim loại trong rễ. KLN tích lũy trong rễ chiếm 80 - 90% tổng lượng kim loại hấp thu. Hầu hết các kim loại được tích lũy trong rễ cây đều ở trong gian bào và được liên kết vào các hợp chất prơtêin của thành tế bào. Ngồi ra, một số lồi cây cĩ khả năng tích lũy ở phần phía trên của cây.
SVTH: Nguyễn Thị Đoan 28
Hình 3: Phân bố hàm lượng KLN trong các bộ phận của cây 2.2.7.2. Ảnh hưởng của KLN đến thực vật
Việc các ion kim loại đĩng vai trị quan trọng về sinh học, trái ngược với các quan niệm cổ điển cho rằng hĩa vơ cơ là hố học khơng cĩ sự sống , và sự sống sẽ khơng tồn tại nếu khơng cĩ hĩa hữu cơ và hĩa sinh. Nghiên cứu gần đây cho thấy một cách nhìn rộng hơn: khơng cĩ sự sống nào cĩ thể tồn tại và phát triển nếu khơng cĩ sự tham gia của các ion kim loại, và hĩa vơ cơ cũng cĩ vai trị như hố hữu cơ đối với sự sống.
Một nguyên tố được gọi là thiết yếu khi: nguyên tố này được xác định là hiện diện thích hợp trong tất cả các mơ sống bình thường của động vật. Triệu chứng khơ kiệt của cơ thể sinh vật được ghi nhận từ khi các nguyên tố này giảm hoặc mất đi. Khi các nguyên tố này quay trở lại trong mơ, sự thiếu hụt của các nguyên tố này trong cơ thể sẽ dẫn đến biến đổi hĩa sinh khơng hồn hảo (ở mức độ phân tử).
Một số các KLN cần thiết cho cơ thể sinh vật như: Zn trở nên độc hại khi nguồn dưỡng chất quá thừa Zn. Một KLN (cĩ tỷ lệ nhỏ hơn 0,01% khối lượng cơ
SVTH: Nguyễn Thị Đoan 29
thể) là thiết yếu, khi khơng cĩ kim loại đĩ thì sinh vật khơng thể sinh trưởng hay sống hết vịng đời của nĩ. Tuy nhiên, KLN đĩ sẽ trở nên độc hại khi nồng độ của nĩ vượt quá mức độ cần thiết của cơ thể.
Các cuộc nghiên cứu liên quan đến độc tính của các KLN, đã đi đến quan điểm chung là việc cung cấp khơng đủ các nguyên tố thiết yếu sẽ dẫn đến tình trạng thiếu hụt, việc cung cấp vừa đủ sẽ tốt nhất nhưng cung cấp quá thừa sẽ gây ra độc hại và sau cùng là chết.
Những quan điểm này được minh họa bằng biểu đồ (hình 4A ). Sự cần thiết của kim loại nặng trên đường cong từ điểm khởi đầu với hàm lượng thiếu hụt đến hàm lượng tối ưu, mơ tả bằng đường cong tuyến tính (nồng độ tăng thì tỷ lệ sinh trưởng tăng). Trong khoảng nồng độ tối ưu được mơ tả bằng đoạn nằm ngang, dù nồng độ kim loại tích tụ tiếp tục gia tăng, nhưng q trình phát triển của sinh vật vẫn diễn ra bình thường; khi tăng đến một nồng độ nào đĩ thì khả năng sinh trưởng của sinh vật lại bắt đầu giảm gọi là khoảng nồng độ gây độc, mơ tả đường cong với tốc độ lớn; đường cong kết thúc tại nồng độ cuối cùng, đĩ gọi là nồng độ gây chết.
Ngồi những kim loại nặng thiết yếu trên, một số kim loại khác chưa nhận thấy chức năng cĩ lợi của nĩ trong q trình sinh học, đều coi như khơng thiết yếu, được mơ tả bằng biểu đồ 4B. Dù sự cĩ mặt của nĩ trong cơ thể đến một nồng độ nhất định nào đĩ thì vi sinh vật vẫn cịn khả năng dung nạp được, nhưng
nồng độ này tiếp tục tăng lên thì tỷ lệ sinh trưởng của sinh vật giảm, gọi là khoảng nồng độ gây độc; biểu đồ cũng kết thúc tại một điểm đĩ là nồng độ gây chết. SVTH: Nguyễn Thị Đoan 30 T ỷ le ä s in h tr ươ ûng T ỷ le ä s in h tr ươ ûng T ỷ le ä s in h tr ươ ûng T h i e áu h u ït T h í c h h ơ ïp G a ây c h e át N o àn g đ o ä k i m l o a ïi A ) T h i e át y e áu N o àn g đ o ä k i m l o a ïi D u n g n a ïp G a ây c h e át T ỷ le ä s in h tr ươ ûng B ) K h o ân g t h i e át y e áu
Hình 4: Kim loại thiết yếu và khơng thiết yếu
a. Ảnh hưởng cĩ lợi
Các KLN được xem như là một nguyên tố vi lượng thiết yếu cho sự phát triển bình thường của cây trồng hoặc động vật. Người ta biết được 1/3 tổng số enzyme cĩ chứa kim loại hoặc được 17 kim loại khác nhau hoạt hĩa trong đĩ cũng cĩ sự tham gia của Pb.
Các KLN được sử dụng như một loại phân vi lượng để bĩn cho cây trồng ở một lượng nhỏ vừa phải thì khơng những năng suất cây trồng tăng rõ rệt mà phẩm chất các sản phẩm nơng nghiệp cũng được cải thiện, đồng thời khắc phục được nhiều loại bệnh của cây trồng và gia súc như: thối củ cải đường, nhũn củ khoai tây, nhũn xương trâu bị...
Ngồi ra, các KLN cịn là tác nhân hoạt hĩa khơng đặc thù của hàng loạt enzyme đã làm tăng hoạt tính xúc tác của mỗi thành phần đĩ lên gấp bội. Chẳng hạn hoạt tính oxyhĩa khử của các hợp chất đồng tăng gấp hàng nghìn lần thậm chí gấp hàng vạn lần đồng ở trạng thái tự do trong mọi khâu của quá trình trao đổi nitơ. Đây là nhân tố chính cho sự sinh trưởng của cây trồng.
b. Tác động cĩ hại của KLN đối với cây trồng
SVTH: Nguyễn Thị Đoan 31
Các kim loại độc hại cĩ thể tồn tại trong đất ở nhiều dạng khác nhau: hấp phụ, liên kết với các hợp chất vơ cơ, hữu cơ hoặc tạo thành các chất phức hợp. Nhiều nguyên tố KLN cĩ ý nghĩa quan trọng trong đời sống sinh vật và được biết là nguyên tố vi lượng. Nĩ cĩ tác dụng sâu sắc và nhiều mặt đối với quá trình quang hợp, điều hịa sinh trưởng. Ngồi ra, nĩ cịn ảnh hưởng đến q trình hấp thu nước, thốt hơi nước và vận chuyển nước trong cây. Nhưng khi cĩ hàm lượng quá cao thường trở nên độc hại. Khả năng độc hại của các KLN đối với sinh vật cũng khác nhau.
c. Sự tương tác ơ nhiễm KLN trong hệ thống đất – cây trồng
Hệ thống đất – cây trồng là một hệ thống mở, đối tượng chính là các yếu tố đầu vào như các chất gây ơ nhiễm, phân bĩn, thuốc trừ sâu và các tàn dư thực vật cĩ tích lũy KLN sau thu hoạch. Tồn bộ q trình chuyển hĩa của KLN trong hệ thống đất – cây trồng được minh họa trong hình 5.
Khi trong đất tích tụ các KLN (Cd, Pb) với nồng độ quá lớn (vượt quá sức chịu đựng của cây) , cây sẽ chết. Nếu mơi trường sống cĩ tích lũy độc chất dần dần từ thấp đến cao thì cây biến đổi sinh lí cơ thể để thích nghi dần với các điều kiện bất lợi gây nên.
Mơi trường đất Cây trồng
Phát tán ra ngồi ( ít)
SVTH: Nguyễn Thị Đoan 32
Mất do Cành lá Hạt bay hơi
Thân cây
Sinh khối Bề mặt tiếp xúc
Sự hấp thụ trên các
Chất hữu cơ khống Bĩ mạch
VSV Hấp thụ trong thân
Rễ
Mơi trường Tích luỹ trong rễ Sự đồng kết lắng Phức hợp vùng rễ cây
Fe, Mn, Al, oxide & với mùn Carbonat
Rửa trơi
Bùn cống rãnh, Phân bĩn, thuốc trừ sâu bệnh, chất thải rắn,
Nước thải Chất thải do ơ nhiễm khơng khí
Hình 5: Ơ nhiễm KLN vào mơi trường đất và sự tương tác giữa đất và cây trồng
d. Cơ chế gây độc của KLN trong mơi trường đất
Độc chất từ mơi trường xâm nhập vào cơ thể thực vật qua sự hấp thu của rễ khi lấy chất dinh dưỡng nuơi cây. Giai đoạn đầu cây hấp thu, trao đổi chủ động
SVTH: Nguyễn Thị Đoan 33
Dung dịch đất
đến khi cây cảm nhận ra độc chất, cĩ phản ứng bằng cách hạn chế sự hấp thu. Giai đoạn kế tiếp, chất độc xâm nhập, phá vỡ màng tế bào đi vào các cơ quan và dịng nhựa trong cây lên thân, lá – giai đoạn này cây hấp thu bị động. Cũng cĩ thể là sự hấp thu đơn thuần từ nồng độ cao trong dung dịch nuơi trồng vào cơ thể thực vật. Cơ quan quan trọng nhất hấp thu, tiếp xúc với độc tố là hệ rễ. Khi rễ phát triển và hoạt động thì khảo sát độc chất mới cĩ ý nghĩa.
Cây non được trồng trong mơi trường bất lợi sẽ kém phát triển, hạn chế khả năng sinh trưởng. Nếu mơi trường sống cĩ tính tích lũy độc chất dần dần từ thấp đến cao thì gây biến động sinh lý cơ thể để thích nghi với điều kiện thích nghi như sau:
• Rễ cây ít phát triển hoặc phát triển theo huớng khác ít chịu ảnh hưởng của độc chất.
• Tăng cường khả năng chống chịu như: tiết các axít, hĩa chất trung hịa độc chất.
• Tích lũy các độc tố ở một bộ phận riêng biệt trong cơ thể để nuơi các bộ phận khác như: tích lũy Al, Fe ở rễ cây vùng đất phèn, tích độc trong vùng mơ thân, vỏ...
• Cĩ khuynh hướng đào thải ra ngồi qua một con đường riêng biệt.
• Gây chết một số vùng phát triển ở lá, ngọn để hạn chế nhu cầu dinh dưỡng khi cây hút vào nguyên tố độc.
Chúng ta biết rằng, KLN được quan tâm nhiều ở chỗ chúng được sử dụng rộng rãi trong một số hoạt động cơng nghiệp ở hầu hết các quốc gia. Mặt khác, chúng được coi là những nguyên tố vi lượng cần thiết cho cây trồng và gia súc. Tuy nhiên, chúng cũng được coi là chất ơ nhiễm đến mơi trường sinh thái nếu chúng tồn tại ở nồng độ vượt quá mức nhu cầu sử dụng của vi sinh vật. Hiện nay
SVTH: Nguyễn Thị Đoan 34
KLN đang được quan tâm đúng mức bởi sự phát triển của khoa học và vấn đề ơ nhiễm mơi trường đất đã được coi trọng.
Các nguyên tố KLN thuộc nhĩm vi lượng khi ở nồng độ thấp, vừa phải thì cĩ tác dụng kích thích sự sinh trưởng và phát triển của thực vật. Tuy nhiên, một khi nĩ tồn tại ở mức độ thấp hơn “nhu cầu sinh lý” hoặc cao hơn “ ngưỡng chịu độc” đều cĩ sự ảnh hưởng lên sự sinh trưởng và phát triển của cây.