Công nghệ phytoremediation: cơ chế phytovolatilization

CƠNG NGHỆ PHYTOREMEDIATION CƠ CHẾ PHYTOVOLATILIZATION 1. ĐỊNH NGHĨA Phytovolatilization: Đây được hiểu là biện pháp sử dụng thực vật để hút các chất ơ nhiễm, sau đĩ những chất ơ nhiễm này sẽ được biến đổi và chuyển vào trong thân sau đĩ lên lá và cuối cùng chúng được bài tiết ra ngồi qua lỗ khí khổng cùng với quá trình thốt hơi nước của cây. Các chất ơ nhiễm này cĩ 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 cĩ điều kiện sống gần giống vùng nhiệt đới các chất ơ nhiễm này cĩ thể bị bài tiết ra dưới dạng dịch. Giống như cơ chế giảm bớt hàm lượng muối ở cây cĩ khả năng chịu mặn. Hay nĩi cách khác: Phytovolatilization là sử dụng thực vật để làm bay hơi các chất ơ nhiễm thơng qua quá trình hấp thu và chuyển hĩa các chất ơ nhiễm thành các chất khơng độc hại hoặc ít độc hại hơn và được thốt ra ngồi qua lỗ khí khổng. Sau khi giải phóng vào khơng khí, các hợp chất có thể nhanh chóng bị oxi hóa trong khí quyển bởi gớc hydroxyl è giảm đợc, (ví dụ: TCE, PCE). Sự chuyển hóa bên trong thực vật là sự đờng nhất hóa các nhóm hợp chất riêng biệt. Sự đơng hóa các chất trong cây nhờ có hệ Enzym, thực vật sử dụng hệ Enzym đờng hóa, làm giảm nờng đợ của chất ơ nhiễm. Cơ chế Phytovolatilization 2. MƠI TRƯỜNG XỬ LÝ Phytovolatilization chủ yếu được áp dụng cho nước ngầm, ngồi ra cĩ thể được áp dụng đối với đất, trầm tích, nước bùn đặc. Do đặc điểm chính của cơ chế này là khả năng chuyển hĩa bay hơi các chất ơ nhiễm nên chủ yếu xử lý nước ngầm, cịn ở dạng nước mặt thì các chất ơ nhiễm đã bay hơi trực tiếp. 3. ƯU ĐIỂM Phytovolatilization cĩ những ưu điểm như sau: - Chất ơ nhiễm cĩ thể chuyển hĩa, biến đổi thành trạng thái ít độc hơn, (trường hợp như đối với nguyên tố thủy ngân và khí dimetyl selen). - Chất ơ nhiễm được trao đổi thốt vào mơi trương khơng khí mạnh nên đạt hiệu quả. Quá trình xử lý nhanh chĩng làm giảm sút chất ơ nhiễm ngang bằng với cơ chế phytodegradation. - Chi phí thấp. - Xử lý tại chỗ. 4. NHƯỢC ĐIỂM Phytovolatilization cĩ một số nhược điểm như sau: - Phụ thuợc vào thủy lực. - sự hấp thụ phụ thuợc vào tính kị nước, tính tan và tính phân cực của các hợp chất. + Tính kị nước: thơng thường nằm trong khoảng log kwo = 0,5 đến 3 thì chất hữu cơ dễ dàng được giữ lại và chuyển vào trong thực vật. + Các phân tử khơng phân cực có trọng lượng phân tử < 500 sẽ được hấp thụ trên bề mặt của rễ, còn những phân tử có cực sẽ được đi vào rễ và được chuyển dời đi (Bell 1992). - Các chất ơ nhiễm hoặc chuyển hĩa thành các chất nguy hiểm( như là vinyl clorua từ TCE) cĩ thể giải phĩng ra mơi trường khơng khí. Một nghiên cứu đã chỉ ra TCE cĩ thể bay hơi, nhưng những nghiên cứu khác chỉ ra rằng chúng khơng bay hơi. - Các chất ơ nhiễm chất chuyển hĩa thành các chất nguy hiểm cĩ thể tích lũy trong thực vật và sau đĩ chuyển sang bộ phận khác như là quả hoặc thân gỗ. Sự chuyển hĩa, biến đổi các chất ở mức thấp nhất được phát hiện thấy trong các mơ thực vật.( Newman et al. 1997a). - Thời gian xử lý ơ nhiễm dài. - Phụ thuộc vào mùa. - Phụ thuộc vào bộ rễ của thực vật xử lý. - Sự hấp thụ các chất ơ nhiễm phụ thuợc vào từng loại thực vật, tính chất của chất ơ nhiễm và nhiều yếu tớ vật lý, hóa học đặc trưng trong đất. - Ngày nay, việc nhận dạng và xác định rõ các dạng chuyển hóa của thực vật là rất khó khăn, do đó việc phá hủy các chất ơ nhiễm rất khó được xác nhận. 5. GIỚI HẠN NỒNG ĐỘ CỦA CHẤT Ơ NHIỄM 5.1. Chất hữu cơ: Chất hữu cơ là đới tượng chính của cơ chế này. Thơng thường các hợp chất hữu cơ nằm trong khoảng log = 0,5 đến log = 3,0 thì thực vật có khả năng chuyển hóa. Hỗn hợp dung dịch chứa Clo gồm cĩ TCE, TCA, carbon, tetrachloride ( Newman et al.1997a, 1997b; narayanan et al.1995). Trong vịng 2 năm, cây dương lai cĩ thể di chuyển > 97% của 50 ppm TCE từ mơi trường nước (Newman et al.1997b). Sử dụng loại cỏ linh lăng cĩ thể xử lý được 100-200 µg/L TCE trong nước ngầm ( Narayanan et al. 1995). Trong vịng 1 năm, khoảng 95% của 50 ppm carbon tetrachloride được di chuyển lên bởi cây bạch dương ( Newman et al. 1997b). 5.2. Chất vơ cơ Các chất ơ nhiễm vơ cơ Se ,Hg và các chất khác cĩ thể chuyển thành các chất dạng bay hơi (Pierzynski et al .1994). Se được hấp thụ và chuyển đổi tại những vùng nước ngầm cĩ nồng độ 100 to 500 µg/L, và trong đất là 40µg/L. thực vật cĩ thể sinh trưởng và phát triển ở mức ơ nhiễm Hg++ là 20ppm và xử lý bay hơi ở dạng Hg nguyên tố, với nồng độ 5-20ppm Hg++ khơng gây độc với thực vật. 6. ĐỘ DÀI CỦA RỄ Các chất ơ nhiễm phải ở trong vùng ảnh hưởng của rễ cây (trong vùng trao đổi chất của rễ), nước ngầm là mục đích trọng tâm. Để xử lý được các chất ơ nhiễm trong nước ngầm, thì nước ngầm phải cĩ dịng chảy đi vào khu vực ảnh hưởng của rễ. 7. CÁC LỒI THỰC VẬT ĐƯỢC ỨNG DỤNG TRONG CƠNG NGHỆ PHYTOVOLATILIZATION Những lồi thực vật được sử dụng trong cơng nghệ phytovolatilization gồm cĩ: Trường Đại học Washington đã tiến hành những nghiên cứu rộng rãi việc sử dụng cây bạch dương trong cơng nghệ thực vật xử lý để hịa tan các dung mơi khử trùng cĩ chứa clo. Trong những nghiên cứu này, đã tìm thấy sự biến đổi của TCE xảy ra ở bên trong thực vật (Newman el at.1997a). Lồi cỏ linh lăng (Medicago sativa) đã được những nhà nghiên cứu của Đại học Kansas State University xem xét về vai trị của chúng trong cơng nghệ phytovolatilization để chuyển hĩa hợp chất TCE. Cỏ linh lăng (Medicago sativa) Lồi Black locust đã được nghiên cứu để ứng dụng trong việc điều tiết lại lượng TCE cĩ trong nước ngầm (Newman et al. 1997b). Cây mù tạt Ấn Độ (Brassica juncea) và cây cải dầu (Brassica napus) đều được sử dụng trong cơng nghệ phytovolatilization để dịch chuyển Selen. Selenium (tương tự như Se) đã được biến đổi thành dạng khí Selenite và phát tán vào khơng khí (Adler 1996). Mù tạt Ấn Độ (Brassica juncea) Cải dầu (Brassica napus) Kenaf (Hibiscus cannabinus L. cv. Indian) và cây roi cao (Festuca arundinacea Schreb cv. Alta) đã được sử dụng để lấy đi Se nhưng chỉ ở một mức độ nhất định và ít hơn so với lồi cây cải dầu (Banuelos et al. 1997b). Một lồi cỏ dại trong họ mù tạt (Arabidopsis thaliana) đã được chuyển gen bao gồm cĩ gen (emzym) cĩ khả năng chuyển đổi những muối thủy ngân thành dạng thủy ngân kim loại và phát tán vào khơng khí (Meagher and Rugh 1996). Arabidopsis thaliana 8. ĐIỀU KIỆN MƠI TRƯỜNG Bởi vì phytovolatilization liên quan đến việc chuyển các hĩa chất gây ơ nhiễm vào bầu khí quyển, tác động của việc chuyển chất gây ơ nhiễm trên hệ sinh thái và trên sức khỏe con người cần được quan tâm. 8.1. Điều kiện đất đai: Để việc thốt hơi nước xảy ra hiệu quả, thì đất cần phải cĩ cấu trúc để cung cấp đủ nước đến cây. Các giá trị cũng khác nhau tùy thuộc vào độ pH, độ xốp của đất,… 8.2. Nước ngầm và nước mặt: Nước ngầm phải nằm trong phạm vi ảnh hưởng của rễ cây. 8.3. Điều kiện khí hậu: Các yếu tố khí hậu như nhiệt độ, lượng mưa, độ ẩm, cường độ chiếu sáng và vận tốc giĩ cĩ thể ảnh hưởng đến chỉ số thốt hơi nước. 9. CHIỀU HƯỚNG HIỆN TẠI Cơ chế phytovolatilization đã được nghiên cứu trong phịng thí nghiệm và ngồi thực địa đối với các chất TCE và các dung mơi clo hĩa khác. Một dự án đã được bắt đầu tại khu vực Carswell, Fort Worth, sử dụng cây bạch dương để xử lý TCE trong nước ngầm bị ơ nhiễm. Một số nghiên cứu cĩ ý nghĩa đáng kể để kiểm nghiệm và ứng dụng thực vật đối với sự bay hơi của Se đã được tiến hành. 10. LỜI KẾT Ứng dụng thực vật trong việc thu hồi các chất ơ nhiễm là một cơng nghệ hồn tồn 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 hố học, cơ học, lý hố học… cao hơn rất nhiều lần so với giá thành xử lý mơi trường ơ nhiễm bằng biện pháp sinh học. Do đĩ ngày càng cần cĩ nhiều nghiên cứu chuyên sâu hơn nữa để hồn thiện các cơ chế xử lý chất ơ nhiễm bằng thực vật để cĩ thể ứng dụng chúng một các rộng rãi trong thực tế nhằm giảm bớt các chi phí tốn kém và cĩ thể áp dụng trong các điều kiện của nền kinh tế chưa phát triển cao. Trong quá trình nghiên cứu về cơ chế Phytovolatilization, chúng tơi nhận thấy cơ chế này cũng tồn tại một vài nhược điểm cần cĩ nhiều nghiên cứu hơn nữa để khắc phục những nhược điểm trên nhằm mục đích xứ lý đạt hiệu quả nhất mà khơng ảnh hưởng đến mơi trường xung quanh. Ở Việt Nam, trong điều kiện kinh tế cịn chưa phát triển cao thì cĩ thể áp dụng cơng nghệ này trong xử lý ơ nhiễm đất, nguồn nước. Cần nghiên cứu và tìm ra những lồi thực vật cĩ thể ứng dụng được mà phù hợp với điều kiện đất đai và khí hậu của Việt Nam. Bên cạnh đĩ việc phát triển cơng nghệ sinh học trong lĩnh vực xử lý mơi trường cũng cần được quan tâm, việc ứng dụng kỹ thuật chuyển gen để chuyển những gen cĩ khả năng chuyển hĩa các chất ơ nhiễm vào trong những lồi thực vật sinh trưởng và phát triển tốt ở điều kiện đất đai và khí hậu Việt Nam. Tĩm lại: Những lồi thực vật được sử dụng trong cơ chế nay hầu hết là các cây thân cỏ tiêu biểu như: cây dương lai, cây trong họ mù tạt, cây cải dầu, cỏ linh lăng,… và điều đặc biệt là những cây này cỏ thể tồn tại nhiều cơ chế khác của cơng nghệ Phytoremediation, tùy vào mục tiêu xử lý để lựa chọn những lồi thực vật thích hợp. 11. TÀI LIỆU THAM KHẢO: 1. L.C. Davis and L.E. Erickson (2002). A review of the potential for phytovolatilization of the volatile contaminants ethylene dibromide, ethylene dichloride, and carbon tetrachloride. ( nguồn: 2. Meagher, R.B., and C. Rugh. 1996.Abstract: Phytoremediation of Mercury Pollution Using a Modified Bacterial Mercuric lon Reductase Gene. International Phytoremediation Conference, May 8-10, 1996, Arlington, VA. International Business Communications, Southborough, MA. Tài liệu này mơ tả quá trình phát triển của thực vật chuyển gen để làm giảm hàm lượng Hg++ thành Hg dạng nguyên tố, sau đĩ chúng được làm cho bay hơi, và bổ sung những lồi thực vật cho việc tăng quá trình chuyển Hg++ thành dạng Hg nguyên tố. 3.Newman, L.A., S.E.Strand, N.Choe, J. Duffy,G.Ekuan, M. Ruszaj, B.B. Shurtleff, J. Wilmoth, P. Heilman, and M. P. Gordon. 1997a. Uptake and Biotransformation of Trichloroethylene by Hybrid poplars. Environ. Sci. Technol. 31: 1062-1067. Tồn bộ những lồi cây được kiểm tra sự bay hơi của 50ppm TCE với những cái túi đặt xung quanh lá, sự phân tích đã chỉ ra rằng TCE được thốt ra từ những lồi cây đĩ. 4. Bađuelos, GS, HAAjwa, B. MacKey, LLWu, C. Cook, S. Akohoue, và S. Zambrzuski. 1997b. Đánh giá các lồi thực vật khác nhau được sử dụng cơng nghệ Phytoremediation trong đất cĩ nhiều Selen. J.Environ.Qual.26: 369-646 Thảo luận về việc đánh giá này cĩ lồi thực vật (cây canola, cây dâm bụt Đơng Ấn Độ, và cây roi cao) được trồng trong đất cĩ nhiễm selen trong điều kiện nhà kính. Tổng số selen trong đất đã giảm mạnh khi sử dụng mỗi lồi. Sự bay hơi selen đã đưa ra giả thuyết là nguyên nhân của việc giảm nồng độ trong đất.