Bài giảng Phytoextraction

MỞ ĐẦU Khả năng làm sạch môi trường của thực vật đã được biết từ thế kỷ XVIII bằng các thí nghiệm của Joseph Priestley, Antoine Lavoissier, Karl Scheele và Jan Ingenhousz. Tuy nhiên, mãi đến những năm 1990 phương pháp này mới được nhắc đến như một loại công nghệ mới dùng đề xử lý môi trường đất và nước bị ô nhiễm bởi các kim loại, các hợp chất hữu cơ, thuốc súng và các chất phóng xạ [7]. Công nghệ này được gọi là phytoremediation. Các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm cũng như trên thực tế đã chứng tỏ được phytoremediation là một công nghệ thân thiện với môi trường, sử dụng rộng rãi ở những nơi có nồng độ ô nhiễm thấp, có thể xử lí ô nhiễm trên diện rộng, thời gian không bắt buộc, kiểm soát được và tiết kiệm chi phí hơn những cách thức khác. Hiện nay, các nhà khoa học phát hiện ra khoảng 400 loài thực vật có khả năng sử dụng làm nguyên liệu cho công nghệ phytoremediation và kèm theo đó là 30.000 chất ô nhiễm có thể xử lý. Các nhà khoa học đã chia công nghệ này thành 6 công nghệ nhỏ: Phytoextraction, Phytodegradation, Phytostabilization, Phytovolatilization, Rhizofiltration, Rhizodegradation. Phytoextraction: Có thể dịch là hấp thụ thực vật, trong đó cơ chế hoạt động được dựa vào việc sử dụng thực vật bậc cao để hấp thụ các chất ô nhiễm từ môi trường và tích luỹ chúng trong các tế bào thân và lá cây. Phytodegradation: Hay còn gọi là phytotransformation được hiểu là quá trình hấp thụ, tích luỹ và vận chuyển các hợp chất độc có nguồn gốc hữu cơ từ đất, nước, không khí bằng thực vật. Tuy nhiên, quá trình này lại phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tính chất đất, điều kiện khí hậu, dạng chất cần xử lý, bản chất của từng cây. Bởi có những chất hữu cơ bản thân nó cũng bị phân huỷ do tác dụng của phản ứng hoá học hoặc do vi sinh vật. Khi đó những chất sau khi bị phân hủy lại đóng vai trò là nguồn cung cấp dinh dưỡng cho cây. Những chất ô nhiễm sau khi bị cây hấp thụ chúng bị biến đổi phụ thuộc vào bản chất của chất đó. Khi đó có những chất sẽ được cây giữ lại trong cấu trúc của tế bào hoặc trở thành nguyên liệu trong quá trình trao đổi chất và sản phẩm cuối cùng của nó là khí CO2 và H2O. Phytostabilization: Được hiểu là biện pháp cố định các chất ô nhiễm trong đất bằng cách hấp phụ chúng lên trên bề mặt rễ hoặc cố định lại trong vùng rễ của cây đồng thời sử dụng hệ rễ thực vật để ngăn cản sự di chuyển của các chất ô nhiễm dưới tác dụng của gió, xói mòn do nước, thấm sâu và phân tán đất. Trong biện pháp này thì chúng ta hiểu rằng cây sẽ không tích lũy chất ô nhiễm, không sử dụng chất ô nhiễm làm nguồn dinh dưỡng mà đơn thuần chỉ là cố định nó. Phytovolatilization: Đây được hiểu là biện pháp sử dụng thực vật để hút các chất ô nhiễm. Sau đó những chất ô nhiễm này sẽ được biến đổi và chuyển vào trong thân sau đó lên lá và cuối cùng chúng được bài tiết ra ngoài qua lỗ khí khổng cùng với quá trình thoát hơi nước của cây. Các chất ô nhiễm này có thể được biến đổi trước khi đi vào cây do tác dụng của enzym giúp cho cây hút chúng nhanh hơn, hoặc một số chất khi đi vào trong cây mới bị biến đổi. Trong một số trường hợp thực vật ở vùng nhiệt đới hoặc có điều kiện sống gần giống vùng nhiệt đới các chất ô nhiễm này có thể bị bài tiết ra dưới dạng dịch. Giống như cơ chế giảm bớt hàm lượng muối ở cây có khả năng chịu mặn. Rhizofiltration: Là quá trình hấp phụ các chất ô nhiễm lên trên bề mặt rễ hoặc là quá trình hấp thụ các chất ô nhiễm trong vùng rễ vào trong rễ. Những quá trình này xảy ra nhờ quá trình hoá học hoặc quá trình sinh học. Biện pháp này phụ thuộc vào nồng độ chất ô nhiễm, tính chất hoá học và lý học của chất ô nhiễm, loài thực vật … Nó đạt hiệu quả cao khi chất cần xử lý có khả năng tan tốt trong nước. Rhizodegradation: Là quá trình phân huỷ chất ô nhiễm hữu cơ trong đất thông qua quá trình hoạt động của vinh sinh vật. Ở những vùng rễ của các loài cây ứng dụng biện pháp này thường có số lượng vi sinh vật rất lớn. Ngoài ra trong quá trình phát triển, bộ rễ của cây không ngừng mở rộng tạo làm thay đổi tính chất của đất, giúp cho oxy đi vào vùng rễ, điều này cũng góp phần gián tiếp giúp cho các vi sinh vật phát triển. Có thể hiểu biện pháp này chính là việc sử dụng khéo léo mối quan hệ cộng sinh của vi sinh vật trong đất với cây. Chính vì lẽ đó mà biện pháp này chủ yếu sử dụng để xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ như PCB, thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ,... Mỗi công nghệ có ưu điểm hạn chế riêng, do đó việc lựa chọn một công nghệ thích hợp còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Loại chất ô nhiễm, môi trường, nồng độ các chất… Trong khuôn khổ bài báo cáo này chỉ trình bày công nghệ phytoextraction. NỘI DUNG 1. Khái niệm Các nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu về công nghệ phytoextraction đã đưa ra nhiều định nghĩa về công nghệ này. PHYTOEXTRACTION The uptake of contaminants by plants roots and movement of the contaminants from the roots to aboveground parts of plants. ( Các chất ô nhiễm được lấy đi bằng bộ rễ của cây và được vận chuyển lên các cơ quan trên mặt đất của cây). E Các cây chiếm các chất gây ô nhiễm và lưu lại trong sinh khối của nó. Con người thu sinh khối này khi thu hoạch và xử lí cho phù hợp. E Các chất ô nhiễm được xử lí bằng phương pháp này thì hủy đi một sinh khối nhỏ hơn so với việc đào lấp đất hay phương pháp khác. E Phương pháp này chủ yếu dùng để xử lí kim loại. Các thực vật quan trọng sử dụng trong công nghệ thực vật chiết tách có thực vật siêu hấp thụ - tức là có khả năng hấp thụ một lượng lớn kim loại. 2. Cơ chế hấp thụ KLN của thực vật 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 được trong môi trường 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 khác nhau của chúng. Thực vật có nhiều cách phản ứng khác nhau đối với sự có mặt của các ion kim loại trong môi trường. Có nhiều giả thuyết đã được đưa 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 luỹ trong các bộ phận của cây, sau đó được loại bỏ qua lá khô, rửa trôi qua biểu bì, bị đốt cháy hoặc đơn thuần là phản ứng tự nhiên của cơ thể thực vật [8]. Giả thuyết sự hình thành phức hợp: cơ chế loại bỏ các kim loại độc của các loài thực vật bằng cách hình thành một phức hợp. Phức hợp này có thể là chất hoà tan, chất không độc hoặc là phức hợp hữu cơ - kim loại được chuyển đến các bộ phận của tế bào có các hoạt động trao đổi chất thấp (thành tế bào, không bào), ở đây chúng được tích luỹ ở dạng các hợp chất hữu cơ hoặc vô cơ bền vững. Giả thuyết về sự lắng đọng: các loài thực vật tách kim loại ra khỏi đất, tích luỹ trong các bộ phận của cây, sau đó được loại bỏ qua lá khô, rữa trôi qua biểu bì hoặc bị đốt cháy. Giả thuyết hấp thụ thụ động: sự tích luỹ kim loại là một sản phẩm phụ của cơ chế thích nghi đối với điều kiện bất lợi của đất (ví dụ như cơ chế hấp thụ Ni trong loại đất serpentin). Sự tích luỹ kim loại là cơ chế chống lại các điều kiện stress vô sinh hoặc hữu sinh: hiệu lực của kim loại chống lại các loài vi khuẩn, nấm ký sinh và các loài sinh vật ăn lá đã được nghiên cứu. Cây phát triển một số cơ chế hiệu quả chống chịu cao nồng độ kim loại trong đất. Ở một số loài, sự linh hoạt này đạt được bằng cách ngăn chặn các kim loại độc hại hấp thu vào các tế bào gốc nên có ít tiềm năng cho chiết xuất kim loại. Một nhóm thứ hai của thực vật, những loài tích tụ, không ngăn chặn các kim loại nhập vào gốc. Các loài này đã tiến hóa các cơ chế cụ thể cho giải độc kim loại đã tích lũy trong tế bào. Những cơ chế cho phép chúng tích lũy với nồng độ rất cao của các kim loại. Ngoài ra, một nhóm thực vật thứ ba, với sự kiểm soát các quá trình hấp thụ kim loại và vận chuyển chúng trong cây. Hình 1: So sánh cơ chế hấp thụ kim loại của thực vật siêu hấp thụ. Cơ chế hấp thụ vào rễ và vận chuyển các kim loại các ion kim loại không thể di chuyển tự do qua màng tế bào, trong đó là những cấu trúc lipophilic. Do đó, vận chuyển ion vào trong tế bào phải được trung gian bởi các protein màng với chức năng vận tải. Sự vận chuyển này được đặc trưng bởi các thông số động lực nhất định, chẳng hạn như năng lực vận tải (Vmax) và ái lực cho các ion (Km). Vmax là tỷ lệ tối đa của các ion vận chuyển qua màng tế bào. Km là ái lực vận chuyển cho một ion cụ thể . Khi giá trị Km thấp, ái lực cao, cho thấy rằng mức độ cao của các ion được vận chuyển vào trong tế bào, ngay cả lúc nồng độ ion bên ngoài thấp. Hấp thụ kim loại lên thành các tế bào gốc, các điểm có hiệu mô sống, là một bước quan trọng lớn cho quá trình phytoextraction. Tuy nhiên, để quá trình phytoextraction xảy ra, kim loại cũng phải được vận chuyển từ gốc đến ngọn. Chuyển động của kim loại trong nhựa cây từ gốc đến ngọn, gọi là sự di chuyển, chủ yếu được kiểm soát bởi hai quá trình: áp lực gốc và sự thoát hơi nước của lá. Sau khi di chuyển đến lá, kim loại có thể được giải hấp thụ từ nhựa cây vào các tế bào lá. Hình 2: Cơ chế hấp thụ kim loại ở thực vật. Z Cơ chế hấp thụ chất hữu cơ 3. Những vấn đề cần quan tâm khi sử dụng công nghệ phytoextraction. Công nghệ phytoextraction (thực vật chiết rút – TVCR) chủ yếu được sử dụng để giải ô nhiễm cho các môi trường đất, trầm tích và bùn lầy. Nó cũng có thể xử lí ô nhiễm ở môi trường nước nhưng ít hơn. Dưới đây là một số những điều kiện môi trường cần quan tâm đến khi sử dụng công nghệ TVCR 3.1. Điều kiện đất - Điều kiện đất phải phù hợp cho thực vật phát triển. - Độ pH trong đất cần được điều chỉnh thích hợp. - Chất tạo keo cần thiết làm tăng khả năng sinh học và hấp thu kim loại của thực vật. Loại đất cũng gây ảnh hưởng đến chiều sâu của rễ, chiều dài của rễ có thể biến thiên từ 40 - 450cm ở những loài giống nhau nhưng sinh trưởng trên các loại đất khác nhau. Ví dụ như trên nền đất cát, nơi hàm lượng nước trong đất là rất thấp thì sự sinh trưởng của hệ thống rễ rất hạn chế (Danfors và cs,1998) Acer pseudoplatanus Populus spp Populus tremula Betula pendula - - - 40 -60 Đất nhiều cacbon 70 -500 120 - 140 90 - 150 100 - 150 Đất sâu, giàu sét 110 - 140 100 - 260 30 - 150 - 450 Đất nhiều cát 130 - 140 110 - - Các loại đất khác 40 - 50 - - 90 - 130 Bảng 1: Chiều dài của rễ (tính theo cm) ở một số loài giống nhau trong các loại đất khác nhau Một số bằng chứng cho thấy rằng các vi sinh vật đất có cơ chế, có khả năng thay đổi tính di động môi trường của chất gây ô nhiễm kim loại với khả năng hấp thụ ở rễ. Ví dụ, một chủng Xanthomonas maltophyla được chứng minh xúc tác làm giảm lượng Cr6+ di động để tạo ra Cr3 + , một chât ít di động và ít độc hại với môi trường, Blake et al., 1993). Các chủng khác cũng được tìm thấy để tạo ra sự chuyển đổi của các ion kim loại độc hại khác bao gồm PB2+, Hg2 +, Au3+, Te4+, Ag+…[4] 3.2. Nước ngầm và nước mặt Điều đầu tiên cần xét đến của công nghệ xử lý ô nhiễm bằng thực vật đối với nước ngầm là: - Độ sâu của mực nước. - Độ sâu của tầng ô nhiễm. Tuy nhiên với công nghệ xử lý chất ô nhiễm bằng thực vật ở nước ngầm ngoài việc bị hạn chế hay không hạn chế bởi độ sâu của mực nước thì còn tùy thuộc vào khả năng phát triển của hệ rễ của thực vật. Hình 3: Kỹ thuật trồng cây xử lý nước ngầm Hình 4: Kỹ thuật trồng cây xử lý nước ngầm 3.3. Điều kiện thời tiết khí hậu Những thực vật có khả năng siêu hấp thụ kim loại thường được tìm thấy ở một số nơi có điều kiện địa lý đặc biệt và có thể không sống được dưới một số điều kiện khác. Ví dụ như loài Thlaspi caerulescens không có khả năng chịu được hạn hán. Điều kiện khí hậu (chủ yếu là nhiệt độ và lượng mưa) gây ảnh hưởng trực tiếp đến sự sản xuất sinh khối và gián tiếp đến sự tích lũy nồng độ kim loại. Theo nghiên cứu trên loài S. viminalis trong thời gian sinh trưởng là 3 tháng trên những điều kiện đất có lượng mưa và nhiệt độ khác nhau ở Les Abattes, Dormach, Caslano ( Hammer và Keller, 2002) thì sản xuất sinh khối ở loài này đạt mức thấp nhất ở Les Abattes, nơi có lượng mưa trung bình thấp hơn và nhiệt độ cao nhất. Biểu đồ: Sự so sánh về sản xuất sinh khối của loài S. viminalis ở Les Abattes, Dormach, Caslano ( Hammer và Keller, 2002). 4. Các chất ô nhiễm và nồng độ có thể áp dụng Tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể mà các chất có thể được hấp thụ bao gồm: - Các kim loại: Ag, Cu, Co, Cd, Cr, Hg, Mo, Pb, Zn, Ni, Mn. Việc hấp thụ các kim loại khác nhau thì khác nhau. Trên thực tế, yếu tố quyết định khả năng hấp thụ kim loại là hệ số nhân ( Tỉ số của số g kim loại trên số g trọng lượng khô của rễ với số g kim loại trên số g trọng lượng khô của đất). Một ví dụ, sự hấp thụ Pb khó hơn sự hấp thụ Cd. Kim loại Khả năng hấp thụ (Theo hệ số nhân) Cr6+ 58 Cd2+ 52 Ni2+ 31 Cu2+ 7 Pb2+ 1.7 Cr3+ 0,1 Zn2+ 17 - Á kim: As, Se - Các chất phóng xạ: 90Sr, 137Cs, 239Pu, 234U - Phi kim: B - Các chất hưu cơ: Sự tích lũy các chất hữu cơ và vận chuyển sinh khối này nói chung vẫn còn chưa được nghiên cứu nhiều. Z Nồng độ chất ô nhiễm Nồng độ các chất ô nhiễm trong đất được dùng trong các nghiên cứu hay được tìm thấy trên các cánh đồng trong các cuộc điều tra, khảo sát được đưa ra dưới đây. Đây là nồng độ tổng số các kim loại, còn nồng độ di động hoặc có sẵn có hoặc không. - 1250mg/kg As (Pierzynski et al. 1994). - 9,4 mg/kg Cd (Pierzynski et al. 1994). - 11mg/kg Cd ( Pierzynski and Schwab 1992). - 13,6mg/kg Cd (Thlaspi caerulescens ) (Baker et al . 1995). - 2000 mg/kg Cd được sử dụng trong nghiên cứu sử dụng thực vật hấp thụ Cd (Azadpour and Matthews, 1996). - 110mg/kg Pb ( Pierzynski and Schwab 1992). - 625mg/kg Pb (Nanda Kumar et al. 1995). - 40mg/kg Se (Bãnuelos 1997b). - 444mg/kg Zn (Thlaspi caerulescens )(Baker et al . 1995). - 1165mg/kg Zn trong nghiên cứu về độc tính ( Pierzynski and Schwab 1992). 5. Những loài thực vật sử dụng trong công nghệ phytoextraction Đặc điểm của các loài thực vật được sử dụng trong phương pháp này là phải cho sinh khối cao, vòng đời ngắn, có thể chống chịu và có khả năng tích lũy chất ô nhiễm cao [7]. Các loài này là thực vật thân thảo hoặc thân gỗ, có khả năng tích luỹ 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 thường khác. Thực vật có nhiều cách phản ứng khác nhau ứng với mỗi chất khác nhau ở những nồng độ khác nhau. Do vậy việc lựa chọn loài thực vật nào ứng dụng trong lĩnh vực, phạm vi nào cần đảm bảo yếu tố và những điều kiện sau: P Những thực vật thường được sử dụng là Brassicaceae, Euphorbiaceae, Asteraceae, Lamiaceae hay các cây thuộc họ Scrophulariaceae (Baker 1995). Cụ thể: * Brassica juncea (cây mù tạc Ấn Độ) Brassica juncea Cây mù tạc ấn độ (Brassica juncea) là một trong những loài thực vật được công nhận là có khả năng lọc kim loại từ đất. - Cho sinh khối cao hơn 20 lần sinh khối của Thalaspi caerulescens (Sate1995). - Có thể tích luỹ kim loại như Pb, Cr(VI), Cd, Cu, Ni, Zn, Sr90, B, và Se (Nanda và Kumar 1995; Sate 1995, Raskin 1994). - Loại B. juncea phát triễn trên phạm vi rộng thì tích luỹ Pb trong quá trình phát triển, với những cây có phạm vi phát triển riêng thì tích luỹ Pb trong cành non từ 0.04 đến 3.5% và trong rễ là từ 7 đến 19% ( Nanda Kumar 1995). Các nhà nghiên cứu Thụy điển mới cho biết việc nhân giống in vitro và các biến thể somaclonal có thể dùng để nâng cao tiềm năng của các loài thực vật hấp thụ và tích lũy kim loại độc. Các nhà nghiên cứu đã tạo ra các biến thể somaclonal của cây mù tạc Ấn Độ từ các tế bào sẹo chống chịu được kim loại. - Cây mù tạc Ấn Độ( Brassica juncea) và canola ( Brassica napus) được chỉ ra là tích luỹ Se và B. Kenaf (HIbiscus canabinus L. cv. Indian) và các đồi đồng cỏ (Festuca arundinacea Schreb cv. Alta) chỉ hấp thụ Se, nhưng mức độ ít hơn canola (Banuxelos 1997). Trong các cuộc khảo sát các mẫu thực vật khác nhau, B. juncea vận chuyển đưa lên các cành non, chồi non, khả năng tích luỹ hơn 1.8% đến các chồi non, cành non (khô nặng). Khảo sát các mẫu cây thì có 0.82% đến 10.9% Pb trong rễ ( Brassica là cao nhất), còn cành non, chồi non thì ít Pb hơn. Đối với hoa hướng dương ( Helianthus annuus) và cây thuốc lá (Nicotiana tabacum), hay các cây không thuộc Brassica có hệ số khấu chiết thấp hơn. Thlaspi caerulescens Thlaspi caerulescens Có thể tích luỹ Ni và Zn (Brown 1994). Các nhà khoa học thuộc ĐH Purdue, West Lafayette, Mỹ, đã tập trung nghiên cứu và tìm ra những loại thực vật có khả năng thẩm tách và lưu giữ một số lượng rất lớn kim loại nặng trong thân, chúng được gọi là hyperaccumulators. Họ đã nghiên cứu hơn 20 loài thực vật hoang dại có họ với cây cải bắp. Dựa trên số lượng thực vật đó, họ lựa chọn ra một số loại cải xoong, có tên khoa học là Thlaspi caerulescens. Loài cải xoong này rất dễ trồng và mọc được ngay trong phòng thí nghiệm. Hơn thế nữa, chúng được xếp vào những thực vật dòng hyperaccumulators. Trên thực tế, khả năng tích luỹ của cải xoong đã được phát hiện từ rất lâu, năm 1865. Khi những người nông dân tiến hành phát quang đất đai để trồng trọt đã phát hiện ra trong thân cải xoong có chứa một lượng lớn kẽm. Kể từ đó, rất nhiều loại thực vật dòng hyperaccumulators được tìm thấy và được sử dụng để loại bỏ kim loại nặng ra khỏi đất. Tuy nhiên, việc sử dụng chúng mới dừng lại ở mức như một cách truyền bá kinh nghiệm. Hiểu sâu và có thể lai tạo được các giống thực vật này thì vẫn chưa được quan tâm đúng mức. * Alyssum wulfenianum - Có khả năng tích luỹ Ni (Reeves và Brooks 1983). * Hybrid poplar - Cây bạch dương lai được sử dụng trong nghiên cứu ở các đoạn cuối của hầm mỏ nơi thải ra các chất ô nhiễm với As và Cd (Pierzynski 1994) * Lambsquarter Cho phép tập trung một lương As cao (14 mg/kg As) hơn các loài khác (Pierzynski 1994). * Hoa hướng dương (Helianthus) Hoa hướng dương sử dụng trong mô hình westland có thể xử lí 90% Urani. [10] Các loại ngũ cốc như ngô, cây lúa miến và cây cỏ đinh lăng có thể hiệu quả hơn trong việc tích lũy và loại bỏ kim loại lớn hơn so với những thực vật siêu hấp thụ bởi tốc độ sinh trưởng nhanh và sinh khối lớn hơn. Cây lúa miến Cỏ đinh lăng Lúa miến * Thực vật siêu hấp thụ là loài có khả năng tích tụ các kim loại ở mức 100-lần lớn hơn những loài thực vật thông thường khác. Vì thế, một TVSHT sẽ tập trung hơn 10 Hg ppm; 100 ppm Cd; 1.000 ppm Co, Cr,Cu, Pb và 10.000 ppm Zn. Đến nay, trong khoảng 400 loài TVCR thì có ít nhất 45loài đã được thông báo là các hyperaccumulate kim loại. Được biết đến nhiều nhất trong các hyperaccumulator kim loại là loài Thlaspi caerulescens. Trong khi hầu hết các loài biểu hiện triệu chứng ngộ độc do tích tụ Zn của tại khoảng 100 ppm, T. caerulescens có thể tích lũy lên đến 26.000 ppm mà không hiển thị bất kỳ tổn thương nào (Brown et al, 1995b.). Loài thực vật dòng hyperaccumulators có thể mọc được trên nền đất nông nghiệp hoặc công nghiệp bị nhiễm bẩn kim loại nặng. Các nhà khoa học hy vọng rằng với nghiên cứu của họ về dòng thực vật này, có thể những vùng đất rộng lớn bấy lâu bị bỏ hoang có thể được phục hồi. Tuy nhiên, để áp dụng được thành tựu này với quy mô tương đối lớn, chắc chắn cần thêm những nghiên cứu sâu hơn nữa. Kim loại Số lượng loài có khả năng hấp thụ Ni >300 Co 26 Cu 24 Zn 18 Mn 8 Pb 5 Cd 1 Bảng: Số lượng loài có khả năng hấp thụ đối với từng kim loại Ví dụ: Khả năng tích luỹ Cr trong các bộ phận của cỏ Vetiver Cr được tìm thấy trong các bộ phận của cỏ ở các nồng độ khác nhau. Tuy nhiên, ở nồng độ 200ppm, hàm lượng Cr tích lũy trong thân, lá cao nhất sau 70 xử lý (1,25mg). Ở tất cả các nồng độ xử lý, hàm lượng Cr tích lũy Vetiver zizaniodes L. trong rễ đều cao hơn trong thân và lá. Tốc độ tích lũy Cr trong rễ tăng đều theo thời gian, trong khi tích lũy trong thân, lá tăng chậm ở 50 ngày đầu, sau đó tăng rất nhanh ở giai đoạn 20 ngày tiếp theo. Điều này chứng tỏ có sự tích lũy Cr trong rễ sau đó vận chuyển lên thân và lá. Khả năng loại bỏ Cr ra khỏi đất Hàm lượng Cr trong đất ở tất cả chậu thí nghiệm đều giảm theo thời gian. Sau 70 ngày xử lý, hàm lượng Cr còn lại trong các chậu từ 37,8 – 45,7%. Các kết quả trên cho thấy, ở nồng độ Cr 150 và 200ppm, sau 50 ngày thí nghiệm cỏ vetiver phục hồi và phát triển mạnh, khả năng tích lũy Cr trong cây cao, đồng thời hiệu quả xử lý Cr cũng rất lớn. Ghi chú: - Các số có cùng chữ cái ở cùng 1 phía không có sự sai khác đáng kể với mức ý nghĩa a=0,05 - Các chữ cái ở góc phải biểu thị sự khác nhau theo thời gian. - Các chữ cái ở góc trái biểu thị sự khác nhau theo nồng độ. - (-) không phân tích Như vậy, kết quả này cho thấy cỏ vetiver có khả năng xử lý đất ô nhiễm Cr dưới 250ppm[7]. 6. Thuận lợi và khó khăn 6.1. Thuận lợi Nguồn sinh khối thực vật sử dụng để hấp thụ các chất ô nhiễm có thể trở thành nguồn tài nguyên lớn. Ví dụ như nguồn sinh khối thực vật sau khi hấp thụ Se, một chất dinh dưỡng trong nước, có thể được vận chuyển đến những vùng bị thiếu hụt Se và sử dụng chúng làm thức ăn cho gia súc (Bãnuelos 1997a). Không gây ô nhiễm môi trường bởi vì sự hấp thụ chất ô nhiễm trong đất là tại chỗ, nên tránh được sự phá vỡ cảnh quan và bảo tồn hệ sinh thái. Tiết kiệm chi phí: + Theo Cunningham, 1996 trong vòng 30 năm thì giá trị tiêu tốn cho việc xử lí 12 mẫu Anh nơi bị ô nhiễm chì là 12 triệu $ cho việc đào bới và tẩy, 6,3 triệu $ cho việc rửa đất, 600000$cho việc rửa đất và 200000$ cho việc xử lí bằng phytoextraction. + Trong một nghiên cứu có liên quan đến việc xử lí cho lớp trầm tích dày 20 inch bị ô nhiễm Cd, Zn, và 137Cs từ cái ao chứa nước thải chất hoá học có diện tích là 1,2 mẫu Anh. Trong đó trị giá việc sử dụng phytoextraction chỉ tiêu tốn 1/3 so với việc rửa đất. + Đánh giá phytoextraction chất ô nhiễm đã được định giá từ 60000-100000$ cho việc xử lí của 1,2 mẫu Anh có lớp trầm tích dày 20 inch, so với mức nhỏ nhất là 400000$ cho việc đào bới và sắp xếp lại mảnh đất này. Nếu sử dụng các loài thực vật là cây ngũ cốc thì thu sinh khối cao, tốc độ sinh trưởng nhanh, là các loài cỏ thì có khả năng tích lũy lớn. Các loài thực vật thì có thể được điều khiển dễ dàng, khả năng phục hồi và sử dụng lại những kim loại có giá trị (theo Entry và cs, 1997). Ứng dụng thực vật trong việc thu hồi các chất ô nhiễm vô cơ là một công nghệ hoàn toàn mới mẻ, đang ở giai đoạn đầu của sự phát triển. Theo đánh giá sơ bộ, giá thành trung bình của việc tẩy độc bằng các phương pháp hoá học, cơ học, lý hoá học… cao hơn rất nhiều lần so với giá thành xử lý môi trường ô nhiễm bằng biện pháp sinh học. Theo tính toán lý thuyết, ở điều kiện Việt Nam, một hecta rừng ngập mặn mỗi năm tăng trưởng 56 tấn sinh khối và có thể hấp thụ 219 kg Nitơ, 20 kg Photpho (Jesper Clausen, 2002). Rừng ngập mặn có bộ rễ với cấu tạo đặc biệt là nơi lưu giữ các trầm tích và hấp thụ các kim loại nặng[1]. 6.2. Khó khăn và giải pháp Sử dụng TV hấp thụ gặp phải một số khó khăn như sau: Đối với việc sử dụng TVCR, chất gây ô nhiễm phải sẵn sàng để được hấp thụ bởi rễ. Khả dụng này phụ thuộc vào tính hòa tan kim loại trong dung dịch đất. Chỉ có liên kết với các kim loại tồn tại trong đất như là các ion kim loại sẵn có và phức kim loại hòa tan; hoặc được hấp thụ ở dạng các ion trao đổi. Một số kim loại như Zn và Cd, chủ yếu ở dạng trao đổi, hình thức dễ dàng cho cây hấp thụ. Một số khác chẳng hạn như Pb, chủ yếu ở dạng kết tủa trong đất, nên làm giảm đáng kể khả năng hấp thụ. Sự tích lũy các KLN nói chung là gia tăng chậm khi sinh khối nhỏ và sự phát triển kém của hệ thống rễ. Một số loài thực vật chỉ tích lũy kim loại ở nồng độ lớn như loài : Thlaspi rotundifolum chỉ sinh trưởng, phát triển ở các khu vực có hàm lượng khoáng Pb-Zn đạt 8200g/ gPb (0,82 %) và 17300g/g Zn (1,73%), hay loài Armeria maritima var. halleri với 1300g/g Pb tính theo trọng lượng khô (Reeves and Brooks 1983). Sinh khối TV phải được thu hoạch lại và vận chuyển kéo theo sự phát tán kim loại và sự phân hủy, thối rữa của lượng sinh khối đó. Một số kim loại có thể có độc tính (Nanda kumar và cs,1995). Nếu sử dụng thực vật là các loại ngũ cốc có thể gây độc cho chuỗi thức ăn. Việc loại bỏ các chất phóng xạ có thể đòi hởi thời gian lâu hơn so với các phương pháp truyền thống. Ví dụ: Việc loại bỏ 137Cs và 90 Sr có thể mất từ 5 – 20 năm để xử lí toàn bộ (theo Entry và cộng sự 1997). Những nghiên cứu về sự hấp thụ của TV thường được tiến hành với các loài thực vật sinh trưởng trong điều kiện thí nghiệm, với các chất ô nhiễm được bổ sung vào trong mỗi tình huống, vì vậy không sát với các điều kiện thực tế cũng như các quá trình diễn ra và kết quả có thể mang lại trong môi trường đất. (Nanda Kumar và cs,1995). 7. Tình hình nghiên cứu ứng dụng và triển vọng Khái niệm của việc sử dụng thực vật để làm sạch môi trường bị ô nhiễm không phải là mới. Khoảng 300 năm trước đây, hệ thống này đã được đề xuất để sử dụng trong việc xử lý nước thải (Hartman, 1975). Vào cuối của thế kỷ 19, Thlaspi caerulescens và Viola calaminaria là 2 trong số các loài TV được sử dụng để tích luỹ các kim loại trong lá (Baumann, 1885). Năm 1935, theo báo cáo của Byers với các loài trong chi Astragalus có khả năng tích lũy lên đến 0,6% Se theo sinh khối khô. Một thập kỷ sau đó, Minguzzi và Vergnano (1948) xác định được khả năng tích lũy có thể lên tới 1% trong các cành[5]. Tuy nhiên sử dụng thực vật để làm sạch môi trường bị ô nhiễm trong đó có đất bị nhiễm kim loại là một công nghệ mới được nghiên cứu trong những năm gần đây (Salt et al., 1995; Bert et al., 2000 – 01). Kỹ thuật này ngày càng phát triển nhờ vào tính hiệu quả, kinh tế và tránh được những hậu quả phụ so với sử dụng những kỹ thuật khác (Lasat, 2002). Chiến lược mới trong giải ô nhiễm đất bị nhiễm kim loại nặng theo hướng sinh học bởi cơ chế thực vật chiết tách (phytoextraction) hoặc tích lũy (phytoaccumulation) với các loài thực vật siêu hấp thụ (hyperaccumulator) đã dẫn đến phong trào quan tâm đến những loại thực vật có khả năng siêu hấp thụ (Haag-Kerner, 1999; McGrath và cs,1993; Robinson và cs,1997). Thực vật có khả năng hấp thụ và di chuyển kim loại từ đất vào những phần bên trên mặt đất của cây hoặc rễ, sau đó có thể thu hoạch dễ dàng (Garbisu và cs, 2001). Một số nhà nghiên cứu đề nghị rằng chỉ có sự hấp thu ở những phần bên trên mặt đất là quan trọng (Baker, 1981; Sahi và cs, 2002). Điều này đang được thảo luận trong khi một vài tác giả khác cho rằng rễ là bộ phận có khả năng hấp thụ cao nhất (Pichtel và cs, 2000; Baghour và cs, 2001; Piechalak và cs, 2002). Rễ có thể tăng trưởng tốt trong đất nhiễm kim loại nặng (McGrath và cs, 2001). Khi thực vật có khả năng hấp thụ vào rễ, rễ có thể làm tránh được di chuyễn chất ô nhiễm do xói mòn và thoái hóa; hoặc chúng có thể chuyển dạng hoạt động hoặc dễ biến đổi sang dạng ổn định (Xinde-Cao và cs, 2002; Krzaklewski và cs, Templeton và cs, 2003). Thực vật cũng có thể hấp thụ chất ô nhiễm từ đất và sự trao đổi chất trong cây sẽ chuyển chúng thành những hợp chất dễ bay hơi. Gần đây, Rascio (1977) đã báo cáo về khả năng tích lũy Zn cao của Thlaspi caerulescens. Ý tưởng sử dụng thực vật để chiết xuất kim loại từ đất bị ô nhiễm đã được giới thiệu lại và phát triển bởi Utsunamyia (1980) và Chaney (1983). Theo nghiên cứu của Chen Tong Bin đã phát hiện ra cây dương xỉ – loài cây đầu tiên trên thế giới được biết đến có khả năng siêu hút chất thạch tín. hàm lượng thạch tín ở trên lá của cây lên tới 8‰, vượt xa so với hàm lượng đạm, lân có trên thân cây mà cây vẫn phát triển tươi tốt. Trong những thập kỷ qua, nhiều nghiên cứu sâu rộng đã được tiến hành trên nhiều đối tượng thực vật khác nhau. Tuy nhiên, những điều này còn khá mới mẻ và chưa được ứng dụng rộng rãi[6]. Trong những năm gần đây, ở Việt Nam cũng đã có những nghiên cứu về công nghệ TVCR và tìm được các loài thực vật có khả năng tích lũy kim loại cao. Nghiên cứu của Diệp Thị Mĩ Hạnh và E. Garnier Zarlie trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG HCM và trường Đại Học Paris VII Val De Marne về khả năng hút chì của loài thơm ổi Lantana cama L. tại một số khu vực của thành phố Hồ Chí Minh; những nghiên cứu về xử lí kim loại nặng bằng thực vật và khả năng hút kim loại nặng của cỏ Vetiver của Võ Châu Tuấn và Võ Văn Minh, Đại học sư phạm, Đại học Đà Nẵng cũng mang lại nhiều kết quả tốt. Tuy nhiên, những nghiên cứu và ứng dụng ở Việt Nam còn ít và thiếu những chuyên gia đầu nghành về lĩnh vực này. * Triển vọng Mục đích của việc sử dụng TVCR là giảm nồng độ kim loại trong đất bị ô nhiễm đến mức độ quy định. Quá trình này tùy thuộc vào khả năng của thực vật được lựa chọn để phát triển và tích lũy kim loại dưới điều kiện cụ thể về khí hậu và đất đai của các hệ thống cần được xử lí.   Những tiến bộ quan trọng đã được thực hiện trong vài năm gần đây với sự hiểu biết về các quá trình tham gia vào sự hấp thụ kim loại của thực vật từ đất bị ô nhiễm, đặc biệt là về quá trình đóng góp cho sự hấp thu và STL kim loại. Tuy nhiên, nhiều kiến thức về nông hóa học của đất và vi sinh vật cũng như sinh lý thực vật phải được nghiên cứu đầy đủ hơn trước khi nó có thể trở thành một công nghệ thương mại. Đối với hóa học những nghiên cứu về các động thái của kim loại chelates trong vùng quyển rễ cần phải được kiểm tra, hoặc để tối ưu hóa việc sử dụng thêm các hợp chất phân hủy. Ngoài ra, các nhà nghiên cứu và các nhà hoạch định chính sách cũng phải nhìn vào các dạng tồn tại hóa học của kim loại trong đất mà xác định các loài thực vật cho mục tiêu xử lí. Một sự hiểu biết hoàn toàn về kim loại và cây trồng sẽ rất thiết yếu để phát triển các chiến lược về nâng cao khả năng di truyền tích lũy kim loại của thực vật. Điều này sẽ có tác động đáng kể cho công nghệ thực vật xử lí môi trường. Việc xác định và đặc tính sinh hóa của các cơ chế, khắc phục hậu quả là bước cần thiết sơ bộ để cô lập gen cây trồng có khả năng hấp thụ kim loại. Việc xác định và cô lập của các gen này có thể mở ra cơ hội sử dụng công nghệ sinh học để phục cho công nghệ sinh học làm sạch môi trường. Thường chăn nuôi và công nghệ sinh học đã được sử dụng để điều chỉnh những thiếu sót bằng cách chuyển những tính trạng mong muốn từ các loài siêu hấp thụ kim loại vào các loài không có khả năng tích lũy. Vì hầu hết các loài thực vật siêu tích lũy chậm phát triển và có sinh khối nhỏ. Các loại cây trồng chuyển gen enzyme APS hoạt động cao hơn gấp bốn lần, và tích lũy được Se nhiều hơn 3 lần hoang dã. Trong một nghiên cứu gần đây, cây cà chua đã được sửa đổi để thể hiện gen của vi khuẩn 1-aminocyclopropane-1-carboxilic acid (ACC) deaminase. Những biến đổi gen thực vật cho thấy nâng cao khả năng hấp thu kim loại ở mức độ lớn hơn (Cd, Co, Cu, Mg, Ni, Pb và Zn) (Grichko et al, 2000). Đây là một cách tiếp cận đầy hứa hẹn cho việc phát triển các loài thực vật có thể được sử dụng trong công nghệ TVCR[4]. Tiềm năng cho TVCR kim loại để sản xuất nhiên liệu sinh học. Với các loài năng suất rất cao, tiềm năng để sản xuất nhiên liệu sinh học là khoảng 100 tấn trọng lượng tươi / ha. Trong khi tiềm năng tối đa loại bỏ kim loại là 400 kg / ha / năm. sản xuất nhiên liệu sinh học chẳng hạn như mù tạc Ấn Độ (Brassica juncea) hoặc ngô (Zea mays) (Brown và cs, 1995.). Công nghệ sinh học đã thành công trong việc khai thác khả năng hấp thụ kim loại ở một số loài. Ví dụ, loài thuốc lá đã tăng khả năng hấp thụ KL bằng cách thể hiện hoạt tính metallothionein ở động vật có vú, (Lefebvre và cs, 1987; Maiti và cs, 1991.). Có thể nói ứng dụng tuyệt vời nhất của công nghệ sinh học trong phục hồi môi trường nhờ TVCR là khả năng làm bay hơi thủy ngân từ đất bị ô nhiễm Metyl Hg. thực vật biến đổi gen (Arabidopsis và thuốc lá) được thiết kế để thể hiện gen merB và Mera của vi khuẩn. Trong các loài thực vật chuyển gen, merB xúc tác cho carbon Hg liên kết với các Hg2 +, một loại thủy ngân ít di động. Sau đó, Mera chuyển đổi Hg (II) thành Hg (0) ít độc hại, nguyên tố dễ bay hơi được phát hành vào bầu khí quyển (Rugh và cs, 1996.; Heaton và cs, 1988). Mặc dù mối quan tâm quy định hạn chế việc sử dụng các thực vật chuyển gen MerA và merB, tuy nhiên nghiên cứu này minh họa cho các tiềm năng to lớn của công nghệ sinh học trong phục hồi môi trường bị ô nhiễm. Đối với một số kim loại độc hại như Pb, một nhân tố chính hạn chế tiềm năng TVCR hạn chế hòa tan và khả dụng sinh học cho hấp thụ vào rễ. Một cách để tăng khả năng hòa tan Pb là làm giảm độ pH (McBride, 1994). Ngoài ra việc sử dụng các hoá chất cụ thể, các phức keo tổng hợp, đã cho kết quả đáng kể kích thích tiềm năng tích lũy Pb trong thực vật. Ví dụ, bổ sung EDTA (ethylene-diamine-tetraacetic acid), với tốc độ 10 mmol / kg đất, tăng Pb tích lũy trong các cành ngô lên đến 1.6wt% sinh khối khô (Blaylock và cs, 1997.). Trong một nghiên cứu tiếp theo, mù tạt Ấn Độ tiếp xúc với Pb và EDTA có thể tích lũy nhiều hơn 1% Pb trong cành khô (Vassil và cs, 1998.). Một chelator tổng hợp, HEDTA (hydroxyethyl-ethylenediamine-triacetic acid) được áp dụng ở 2,0 g / kg đất bị ô nhiễm 2.500 ppm Pb, tăng Pb tích lũy trong các cành của mù tạt Ấn Độ từ 40 ppm đến 10.600 ppm (Hoàng và Cunningham, 1996). Ngoài ra các biện pháp nông học kỹ thuật để giúp cho sự sinh trưởng, phát triển của cây trồng cho mục đích tăng sự hấp thụ chất ô nhiễm như bón phân, thời gian bổ sung chelators, giảm thiểu sự lây lan của các kim loại thông qua chuỗi thức ăn, cũng đang được xem xét chi tiết hơn[6].