3. Các phương pháp xử lý ô nhiễm KLN
3.3. Các nghiên cứu về biện pháp xử lý KLN bằng thực vật sử dụng công nghệ gen
3.3.1. Các nghiên cứu trên thế giới
Việc nghiên cứu cơ chế chịu KLN ở thực vật bao gồm quá trình hấp thụ, tích lũy và vận chuyển đã đạt được nhiều tiến bộ trên thế giới, vì thế việc ứng dụng công nghệ gen đã thành công trong việc làm tăng tính chống chịu và tích lũy KLN. Để đạt được điều này, có thể tạo ra nhiều phân tử trung hòa kim loại (De la Fuente J.M.;Ramirez-Rodriguez V.;Carbera-Ponce J.L. 1997), các chất phytochelatin (Zhu
I.; Terada E.; Sunairi M.; wakita H.; Shinmachi F.; Noguchi A.; Nakajima M.;
Yazaki J. 1997) hoặc các protein tham gia vào vận chuyển kim loại (Van de Zaal B.J.; Neuteboom L.W.; Pinas J.E.; Chardonnens S.; Schat H.; Verkleij J.A.;
Hooykaas.C. 1999, Curie C.; Alonso J.M.; Le Jean M.; Rcker J.R.; Briat J.F. 2000).
Đã có nhiều nghiên cứu về gen liên quan đến hấp thụ và vận chuyển KLN như các gen (ZIP 1, ZIP 2, IRT1 (ion-regulated transporter), AtNramp, AtNramp 3 (metal transpoter gene family), liên quan đến cácphytochelatin (PC) – CAD1, GmPCS1 (phytochelatin synthase) và metallotionein (MT) – MT1, MT2. Các gen này được thông báo có liên quan đến tích lũy KLN và khá phổ biến ở thực vật. Các gen CAX 1 và CAX 2 (Cation exchanger) ở Arabidopsis cũng đã được nghiên cứu và được xác định tham gia vào vận chuyển KLN (Hirschi K.D.;Zhent R.; Cunningham K.W.
1996). Hiện nay, tại Hàn Quốc đã chuyển được nhiều gen có khả năng hấp thụ KLN tập trung vào một dòng cây Dương (Poplar) có khả năng sinh trưởng nhanh, sinh khối lớn. Dòng Dương này không có hoa và hiện đang trong quá trình thử nghiệm trong nhà kính và trên đồng ruộng (Yadav R.; Arora P.; Kumar S. 2010).
Đối với As, gen ars1 mã hóa cho enzyme arsenate reductase tham gia vào chuyển hóa As ở dạng arsenate độc hại thành arsenit không độc đã được tách từ dòng Arabidopsis đột biến. Việc chuyển gen arsC với gen khởi động rubisco từ đậu tương (SRS1p) và gen ECS với gen khởi động actin của nấm men (ACT2p) vào Arabidopsis đã tạo được cây chuyển gen kháng As hơn cây đối chứng (Dhankher O.P.; Li Y.; Rosen B.P.; Shi J.; Salt D.; Senecoff J.F.; Sashti N.A.; Meagher R.B.
2002). Một gen cho arsenate reductase khác là PvACR2 đã tách được từ cây dương xỉ Pteris vitta, đây là cây có khả năng siêu tích lũy (Ellis D.R.; Gumaelius L.;
Indriolo E.; Pickering I.J.; Bank J.A.; Salt D.E. 2006). Mới đây, một nghiên cứu của chương trình Sinh học tế bào và Phân tử thực vật tại đại học Florida, Gainesville- Mỹ khi chuyển gen PvGRX5 của cây dương xỉ Trung quốc Pteris vittata siêu tích lũy As trong lá vào hai dòng Arabidopsis. Tuy nhiên so sánh cho thấy các dòng Arabidopsis chuyển gen có khả năng chống chịu As cao hơn đáng kể so với với các dòng đối chứng trong môi trường thử nghiệm, nhưng cho thấy một nghịch lý là sự tích lũy As giảm kể cả ở mầm, rễ và toàn bộ cây. Kết quả chỉ ra rằng có thể sử dụng gen PvGRX5 của cây dương xỉ Pteris vittata trong giải pháp công nghệ sinh học
hiện đại để làm giảm lượng As ở cây trồng (Sabarrinath S.; Shan W.; Lena Q. M.;
Bala R. 2009).
Nghiên cứu về các loài thực vật tích lũy KLN cho thấy, loài dương xỉ Pteris vittata và Dennstaedtia scabra, không những có khả năng tích lũy cao As mà còn có khả năng hấp thu đồng thời các kim loại khác như Mn, Cu, Fe, Zn và Pb. Khi trong đất bị ô nhiễm có hàm lượng As là 3.528 mg/kg, thì hàm lượng As trong rễ và thân D. scabra tương ứng là 965,47 mg/kg và 2.241,63 mg/kg (Raskin I.; Smith R.D.; Salt D.E. 1997). Loài dương xỉ Pteris Vittata có khả năng tích luỹ 14.500 ppm As mà chưa có triệu chứng tổn thương. Loài này sinh trưởng nhanh, có sức chống chịu cao với As trong đất (As > 1.500 ppm) và chỉ bị độc ở nồng độ 22.630 ppm qua 6 tuần (Prasad M.N.V.; Freitas H.O. 2003). Theo các nhà khoa học Mỹ, loài Pteris Vittata có thể chứa tới 22 g As/kg lá. Họ cũng đã chứng minh rằng trong vòng 24 giờ, loài dương xỉ này giảm mức As trong nước từ 200 g/l xuống gần 100 lần, dưới mức cho phép của Mỹ (10 g/l) (Ma J. Q. ; Komar M. ; Zhang T.W .; Cai Y. ; Kenelley E.D. 2001). Một công bố mới nhất về thực vật tích lũy As là ở cây dưa chuột (Cucumis sativus) của khoa Kỹ thuật và khoa học môi trường thuộc trường đại học Ewha Woman - Hàn quốc. Khi so sánh với các cây ngô, lúa mỳ và lúa miến cho thấy khả năng tích lũy As cao hơn nhiều lần so với 3 loài còn lại (Sun H. H.; Sun A.C.; Hyeon Y; Kyung-Suk C. 2011).
Từ những công trình nêu trên cho thấy, các nhà khoa học trên thế giới đã nghiên cứu về sự tích lũy KLN ở thực vật và sử dụng chúng cho cải tạo môi trường từ những năm cuối thập niên 80. Cho đến nay, Phytoremediation đã phát triển thành một hướng cải tạo môi trường hiệu quả, an toàn và tiết kiệm. Tuy nhiên, những công trình đã nghiên cứu mới sử dụng các gen có nguồn gốc từ vi khuẩn và mới bước đầu sử dụng gen từ thực vật để đưa vào một số cây mô hình như Arabidopsis, cải dầu…
3.3.2. Các nghiên cứu ở Việt Nam
Ở Việt Nam vấn đề nghiên cứu về ô nhiễm KLN cũng đã được quan tâm. Viện Công nghệ môi trường - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, và một số cơ sở nghiên cứu của các trường đại học như Khoa Môi trường, Đại học Khoa
gia TP Hồ Chí Minh... đã bước đầu điều tra và nghiên cứu xử lý ô nhiễm KLN. Các nghiên cứu tập trung vào thống kê mức độ ô nhiễm KLN và khả năng hấp thu KLN ở một số cây như dương xỉ, bèo tây, cỏ Vetiver …(Vũ Quyết Thắng 1998, Phạm Văn Khang; Nguyễn Ngọc Minh; Nguyễn Xuân Huân 2004, Nguyễn Đình Tuấn 2005, Lâm Minh Triết ; Lê Huy Bá 2006, Diệp Thị Mỹ Hạnh 2007, Hoàng Thị Thanh Thủy ; Từ Thị Cẩm Loan ; Nguyễn Như Hà Vy 2007, Đồng Thị Minh Hậu ; Hoàng Thị Thanh Thủy ; Đào Phú Quốc 2008).
Đặng Đình Kim và các cộng sự đã tiến hành các nghiên cứu sâu hơn về khả năng chống chịu và hấp thu KLN của cây dương xỉ Pteris vittata và Pityrogramma calomelanos, cỏ Mần Trầu và Vetiver cho thấy: Dương xỉ Pteris vittata có khả năng chống chịu As đến 1.500ppm, Pb đến 5.000ppm và Cd đến 1.200ppm. Đặc biệt, khả năng tích lũy As của loài dương xỉ này là rất lớn, trong khoảng nồng độ mà cây chống chịu được, Pteris vittata tích lũy lượng As từ 307 – 6.042ppm trong thân, 131-3.756 ppm trong rễ. Còn dương xỉ Pityrogramma calomelanos có khả năng chống chịu trên đất có bổ sung As đến 900ppm, Pb đến 4.000 ppm và Cd đến 300ppm. Đây là cây dương xỉ có thể phát triển tốt trên đất ô nhiễm KLN ở Hà Thượng. Trong khoảng nồng độ mà cây chống chịu được, Pityrogramma calomelanos đã tích lũy được lượng As là 885 – 4.034ppm trong thân và 483 – 2.256ppm trong rễ. Cỏ Mần trầu có khả năng chống chịu Pb và Zn cao (5.000 ppm Pb và 1.000 ppm Zn). Kết quả thí nghiệm hấp thu Pb cho thấy, khi nồng độ Pb trong đất 5.000ppm thì trong rễ và phần trên mặt đất tương ứng có chứa 3.613,0 ppm và 268,57ppm. Trong khi đó, cỏ Vetiver có khả năng chống chịu Pb cao. Hàm lượng Pb trong đất từ 1.400,50 ppm đến 2.530,10 ppm cỏ vẫn phát triển bình thường. Khả năng tách chiết Pb trong đất ô nhiễm của cỏ từ 87% – 92,56% sau 90 ngày thí nghiệm (Đặng Đình Kim 2012).
Những nghiên cứu khả năng hấp thụ KLN của thực vật với mục đích sử dụng trong xử lý ô nhiễm môi trường đã bắt đầu được thực hiện. Kết quả cho thấy, cây thơm ổi Lantana camara có thể chịu được hàm lượng Pb trong đất lên tới 10.000 ppm thậm chí 20.000 ppm. Cây cải xoong Nasturtium officinale có khả năng làm giảm 60 - 80 % Cr và 70 - 80 % Ni từ nước thải mạ điện có nồng độ Cr và Ni tương ứng 58,396 mg/l và 5,77 mg/l. Nghiên cứu loại bỏ Cr và Ni trong nước ô nhiễm
cũng được thử nghiệm với cây cỏ Vetiver Vetiveria zizanioides và cây sậy Phragmites australistheo “phương pháp vùng rễ”, kết quả thu được cũng rất khả quan (Nguyễn Tiến Cư ; Trần Văn Tựa ; Đặng Đình Kim ; Đỗ Tuấn Anh ; Lê Thu Thủy 2007, Trần Văn Tựa ; Nguyễn Đức Thọ ; Đỗ Tuấn Anh ; Nguyễn Trung Kiên
; Đặng Đình Kim 2007).
Ở Việt Nam, tại Viện Công nghệ sinh học cũng đã có công trình nghiên cứu chuyển gen tích lũy KLN vào cây Xoan ta và đã thu được các kết quả nhất định.
Tuy nhiên có thể nhận thấy, hầu hết các nghiên cứu trong nước theo hướng cải tạo môi trường bằng thực vật chủ yếu nghiên cứu về mức độ tích lũy KLN của thực vật.
Các nghiên cứu tập trung đánh giá và sử dụng các loài cây sẵn có khả năng tích lũy KLN trong tự nhiên cho mục đích cải tạo môi trường bằng thực vật hoặc bằng phương pháp xử lý truyền thống. Trong khi đó, việc sử dụng công nghệ gen có ưu việt là có thể chuyển gen hấp thụ và tích lũy KLN vào loài cây phù hợp cho các vùng ô nhiễm khác nhau (các loài cây sống phổ biến trên vùng bị ô nhiễm mà không có khả năng hấp thụ và tích lũy). Đây là biện pháp xử lý môi trường với hiệu quả tốt, chi phí thấp, đặc biệt phù hợp với các nước đang phát triển như nước ta và đã được triển khai rộng rãi ở một số nước. Cục Môi trường châu Âu đã so sánh hiệu quả của phương pháp sử dụng thực vật cho thấy chi phí thấp hơn 1000 lần so với phương pháp truyền thống khi nghiên cứu tại 1,4 triệu điểm ô nhiễm (Barcelos J. ; Poschenrieder C. 2003).
Việc nghiên cứu phát triển một số loài thực vật hấp thụ KLN phải đáp ứng được yêu cầu là giống dễ trồng, có khả năng vận chuyển KLN từ đất lên nhanh, chịu được nồng độ ô nhiễm cao, phát triển nhanh (trong khi ở thực tế, cây tích lũy KLN thường phát triển chậm, những loài phát triển nhanh lại mẫn cảm với hàm lượng KLN cao). Một vấn đề khác là nếu dùng cây xuất xứ nơi khác với các cây nơi cải tạo đất sẽ làm ảnh hưởng đến đa dạng sinh học của các cây địa phương. Vì vậy, cách tốt nhất là tạo các cây địa phương có khả năng cải tạo đất để hạn chế nguy cơ bị ảnh hưởng. Để thực hiện được điều này, cần có các hiểu biết sâu hơn về các tương tác hóa sinh học cùng với các thay đổi của thực vật hấp thụ KLN bản địa và phát triển các công trình nghiên cứu cơ bản có thể cung cấp được các giải pháp xử
dụng Phytoremediation an toàn hơn và đặc biệt cần thiết nếu muốn phát triển rộng khắp và hiệu quả. Để góp phần giải quyết vấn đề trên, đề tài tập trung vào sử dụng gen tách được từ một số cây hoang dại sống ở các vùng ô nhiễm để chuyển vào cây thuốc lá là cây mô hình rất tốt để nghiên cứu gen hấp thụ As.