BỘ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ CHƯƠNG TRÌNH KHCN CẤP NHÀ NƯỚC KC08 BÁO CÁO TỔNG KẾT KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG THỰC VẬT ĐỂ CẢI TẠO ĐẤT BỊ Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG TẠI CÁC VÙNG KHAI THÁC KHOÁNG SẢN KC08.04/06-10 Cơ quan chủ trì đề tài: Viện Cơng nghệ mơi trường Chủ nhiệm đề tài: GS.TS Đặng Đình Kim Hà Nội - 2010 MỤC LỤC Chương 1.1 1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.1.4 1.2 1.3 1.4 1.4.1 1.4.2 1.4.3 1.4.3.1 1.4.3.2 1.5 1.5.1 1.5.2 1.5.2.1 1.5.2.2 1.5.3 Chương 2.1 2.2 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 Chương 3.1 3.1.1 3.1.2 MỞ ĐẦU TỔNG QUAN TÀI LIỆU Ảnh hưởng kim loại nặng đến sức khoẻ người môi trường Ảnh hưởng As đến sức khoẻ người Ảnh hưởng Pb đến sức khoẻ người Ảnh hưởng Cd đến sức khoẻ người Ảnh hưởng Zn đến sức khoẻ người Về tình hình nhiễm kim loại nặng giới Về tình hình nhiễm KLN Việt Nam Các phương pháp xử lý kim loại nặng đất Phương pháp học Phương pháp vật lý hoá học Phương pháp sinh học Xử lý vi sinh vật Xử lý thực vật Xử lý ô nhiễm kim loại nặng đất thực vật Các lồi thực vật có khả xử lý ô nhiễm Về công nghệ xử lý KLN thực vật giới Tình hình nghiên cứu giới Tình hình nghiên cứu Việt Nam Cơ hội thách thức việc sử dụng thực vật cho xử lý ô nhiễm KLN đất, nước ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Địa điểm nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu liên quan đến nội dung 1: “Điều tra khảo sát tình trạng nhiễm mơi trường đất khu hệ thực vật 04 vùng khai thác mỏ đặc trưng thuộc tỉnh Thái Nguyên” Phương pháp nghiên cứu liên quan đến nội dung 2: “Xây dựng danh lục lồi thực vật có khả xử lý đất ô nhiễm kim loại nặng” Phương pháp nghiên cứu liên quan đến nội dung 3: “Xây dựng quy trình sử dụng thực vật xử lý đất nhiễm kim loại nặng” Nhóm phương pháp liên quan tới nội dung (Xây dựng mơ hình trình diễn) Phương pháp khảo sát thực địa KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN Điều tra, khảo sát tình trạng nhiễm môi trường đất đánh giá khả chống chịu, tích luỹ kim loại nặng thực vật bốn vùng khai mỏ đặc trưng thuộc tỉnh Thái Nguyên Hàm lượng kim loại nặng đất 04 vùng mỏ nghiên cứu Hàm lượng kim loại nặng thực vật 04 vùng mỏ nghiên Trang 4 10 11 13 15 15 16 16 17 17 19 19 26 26 29 31 36 36 36 36 36 37 37 40 42 42 42 44 3.1.3 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.4.1 3.2.4.2 3.2.4.4 3.2.4.5 3.2.4.6 3.2.4.7 3.2.4.8 3.3.1 3.3.1.1 3.3.1.2 3.3.1.3 3.3.1.4 3.3.1.5 3.3.1.6 3.3.1.7 3.3.1.8 3.3.1.9 3.3.1.10 3.3.1.11 3.3.1.12 3.3.1.13 3.3.2 3.3.2.1 3.3.2.2 cứu Xác định hệ số tích luỹ sinh học kim loại nặng nghiên cứu Xây dựng Danh lục lồi thực vật có khả tích luỹ kim loại nặng Thành phần hệ thực vật khu vực nghiên cứu Các lồi thực vật có khả tích tụ kim loại nặng khu vực nghiên cứu So sánh với lồi siêu tích tụ kim loại nặng giới Mơ tả số lồi có khả siêu tích tụ kim loại nặng phân bố khu vực nghiên cứu Pityrogramma calomelanos (L.) Link, 1833 - Ráng chò chanh (Dương xỉ) Pteris vittata L - Ráng sẹo gà dải (Dương xỉ) Brassica juncea (L.) Czern 1859 - Cải bẹ xanh, Cải canh Brassica rapa L cv group Pak Choi - Cải bẹ trắng, Cải thìa, Cải Cynodon dactylon (L.) Persoon, 1805 - Cỏ gà, cỏ Chỉ trắng Eleusine indica (L.) Gaertn 1788 - Cỏ Mần trầu, cỏ Chỉ tía Vetiveria zizanioides (L.) Nash, 1903 - Hương lau, Hương bài, cỏ Vetiver Các nghiên cứu Dương xỉ Pteris vittata Nghiên cứu nhân giống loài Dương xỉ Pteris vittata từ bào tử Nghiên cứu khả chống chịu tích luỹ As lồi dương xỉ Pteris vittata thu từ vùng khai thác mỏ Thái Nguyên Nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố dinh dưỡng N, P lên sinh trưởng, hấp thu làm As Pteris vittata Nghiên cứu ảnh hưởng dạng phân bón vơ hữu lên sinh trưởng tích lũy As Pteris vittata Nghiên cứu khả tích luỹ As theo thời gian loài Pteris vittata Nghiên cứu ảnh hưởng EDTA lên sinh trưởng tích luỹ As dương xỉ Pteris vittata Nghiên cứu ảnh hưởng pH lên sinh trưởng tích lũy As Pteris vittata Nghiên cứu khả xử lý Cd, Pb Zn Pteris vittata Thí nghiệm chống chịu hấp thu Zn Thí nghiệm chống chịu hấp thu Cd Thí nghiệm hấp thu Pb, Zn theo thời gian Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng tỉ lệ đất ô nhiễm khác lên sinh trưởng tích luỹ Pb, Zn Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng phân bón lên khả sinh trưởng hấp thu Pb, Zn Pteris vittata Các nghiên cứu Dương xỉ Pityrogramma calomelanos Nghiên cứu nhân giống loài dương xỉ Pityrogramma calomelanos từ bào tử Nghiên cứu khả chống chịu tích luỹ As lồi 47 49 49 67 68 70 70 71 72 73 74 75 76 78 79 87 90 96 97 99 103 106 109 112 114 118 121 125 126 133 3.3.2.3 3.3.2.4 3.3.2.5 3.3.2.6 3.3.2.7 3.3.3 3.3.3.1 3.3.3.2 3.3.3.3 3.3.3.4 3.3.3.5 3.3.3.6 3.3.3.7 3.3.4 3.3.4.1 3.3.4.2 3.3.4.3 3.3.4.4 3.3.4.5 3.3.5 3.3.5.1 3.3.5.2 Pityrogramma calomelanos thu từ vùng khai thác mỏ Thái Nguyên Ảnh hưởng N, P lên khả sinh trưởng tích lũy As Nghiên cứu khả tích luỹ As theo thời gian loài dương xỉ Pityrogramma calomelanos Nghiên cứu ảnh hưởng EDTA lên sinh trưởng tích luỹ As dương xỉ Pityrogramma calomelanos Ảnh hưởng pH lên sinh trưởng tích lũy As Pityrogramma calomelanos Ảnh hưởng dạng phân bón vơ hữu lên sinh trưởng tích lũy As dương xỉ Pityrogramma calomelanos Các nghiên cứu cỏ Mần trầu Thí nghiệm sức chống chịu Pb cỏ mần trầu Thí nghiệm nghiên cứu khả sinh trưởng chống chịu cỏ Mần trầu với Zn Thí nghiệm ảnh hưởng hàm lượng Pb đất lên sinh trưởng hấp thu Pb cỏ M ần tr ầu Thí nghiệm ảnh hưởng hàm lượng Zn đất lên sinh trưởng hấp thu Zn cỏ Mần trầu Thí nghiệm đánh giá khả hấp thu loại bỏ Pb Zn đất cỏ Mần trầu theo thời gian Đánh giá sinh trưởng hấp thu Pb Zn cỏ Mần trầu trồng đất ô nhiễm Pb, Zn Ảnh hưởng phân bón N, P, K lên sinh trưởng hấp thu Pb, Zn Kết nghiên cứu cỏ Vetiver (Vetiveria zizanioides L.) Nghiên cứu khả hấp thụ Pb, Cd, As cỏ Vetiver trồng đất nhiễm khai thác khống sản (thí nghiệm chậu) Nghiên cứu ảnh hưởng phân bón đến sinh trưởng, phát triển khả hấp thụ kim loại nặng cỏ Vetiver trồng đất ô nhiễm Pb Nghiên cứu ảnh hưởng mật độ đến sinh trưởng, phát triển khả hấp thụ kim loại nặng cỏ Vetiver trồng đất ô nhiễm Pb Nghiên cứu ảnh hưởng thời vụ trồng đến sinh trưởng, phát triển khả hấp thụ kim loại nặng cỏ Vetiver trồng đất ô nhiễm Pb Nghiên cứu ảnh hưởng chu kỳ thu hoạch đến sinh trưởng, phát triển khả hấp thụ kim loại nặng cỏ Vetiver trồng đất ô nhiễm Các kết nghiên cứu Cải xanh (Brassica juncea) Thí nghiệm ảnh hởng hàm lợng As, Pb, Cd đến nảy mầm, sinh trởng tích luỹ KL cải Thí nghiệm ảnh hởng phân bón lên sinh trởng hấp thu 136 140 143 145 146 149 149 151 153 156 158 161 163 165 166 175 181 181 181 182 183 183 3.3.5.3 3.3.5.4 3.3.6 3.3.6.1 3.3.6.2 3.3.6.3 3.3.7 3.3.7.1 3.3.7.2 3.4 3.4.1 3.4.1.1 3.4.1.2 3.4.1.3 3.4.2 3.4.2.1 3.4.2.2 3.4.2.3 3.4.2.4 3.4.2.5 3.4.3 3.4.3.1 3.4.3.2 3.4.3.3 3.5 3.5.1 3.5.1.1 3.5.1.2 3.5.1.3 3.5.1.4 3.5.1.5 3.5.1.6 3.5.1.7 3.5.1.8 3.5.1.9 3.5.1.10 3.5.1.11 3.5.1.12 As (TN4), Pb (TN5) Cd (TN6) cải Thí nghiệm trồng Cải xanh đất ô nhiễm As khai thác khoáng sản (TN7) Thí nghiệm đánh giá sinh trởng Nghiờn cứu Nghể nước - Polygonum hydropiper) Bố trí thí nghiệm Kết nghiên cứu bàn luận Nhận xét chung Nghể nước Nghiên cứu cỏ Voi lai (Pennisetum purpureum I.) Nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ Pb lên sinh trưởng tích tụ chúng cỏ Voi lai Nghiên cứu ảnh hưởng Pb Cd cỏ Voi lai Các nghiên cứu khác Kết ứng dụng vi sinh vật để làm tăng hiệu xử lý KLN Bố trí thí nghiệm Kết thảo luận Nhận xét Động thái Cd, Pb, Zn As đất vùng khai thác mỏ Hàm lượng số dạng chì đất Hàm lượng số dạng kẽm đất Đồng hỷ Thái Nguyên Hàm lượng số dạng Cd đất Hàm lượng dạng asen đất nghiên cứu Nhận xét Nghiên cứu tách dịng mơt số gen liên quan đến khả tích luỹ kim loại nặng Một số gen mã hóa khả tích lũy KLN Nghiên cứu tách dịng mơt số gen liên quan đến khả tích luỹ phân giải kim loại nặng phân tích phân tử số có khả tích luỹ kim loại nặng Nhận xét Quy trình cơng nghệ xử lý số KLN đất mỏ Quy trình xử lý đất nhiễm As công nghệ trồng Dương xi Nhận biết môi trường đất nhiễm As Xác định thơng số mơi trường Cải tạo đất để trồng Biện pháp làm tăng hấp thu kim loại Cây giống sử dụng cho quy trình Nhân giống Trồng chăm sóc Thu hoạch Xử lý sinh khối sau thu hoạch Tính tốn giá thành thời gian cần thiết để làm Phạm vi áp dụng, giới hạn Những nghiên cứu cần thiết bổ sung 184 184 208 209 209 213 214 214 216 218 219 219 219 225 226 228 231 233 235 237 239 239 241 247 248 248 248 248 248 249 249 249 249 250 250 250 251 251 3.5.1.13 3.5.2 3.5.2.1 3.5.2.2 3.5.2.3 3.5.2.4 3.5.2.5 3.5.2.6 3.5.2.7 3.5.2.8 3.5.2.9 3.5.2.10 3.5.2.11 3.5.2.12 3.5.3 3.5.3.1 3.5.3.2 3.5.3.3 3.5.3.4 3.5.3.5 3.5.3.6 3.5.3.7 3.5.3.8 3.5.3.9 3.5.3.10 3.5.3.11 3.5.4 3.5.4.1 3.5.4.2 3.5.4.3 3.5.5 Đề xuất quy trình Quy trình xử lý đất nhiễm Pb thực vật Nhận biết môi trường đất nhiễm Pb Xác định thông số môi trường Cải tạo đất Cây lựa chọn cho xử lý Trồng chăm bón Thu hoạch Xử lý sinh khối Tính tốn giá thành thời gian cần thiết để làm Tính tốn giá thành cho năm xử lý Phạm vi áp dụng, giới hạn Những nghiên cứu cần thiết nhằm nâng cao hiệu xử lý Quy trình xử lý Quy trình xử lý đất ô nhiễm Zn Cd công nghệ sử dụng Mần trầu Nhận biết đất ô nhiễm Cd Zn Xác định thơng số mơi trường Cải tạo đất để trồng Cây giống sử dụng cho quy trình Trồng chăm sóc Thu hoạch Xử lý sinh khối sau thu hoạch Tính toán giá thành Phạm vi áp dụng, giới hạn Những nghiên cứu cần thiết bổ sung Đề xuất quy trình Xây dựng mơ hình trình diễn sử dụng thực vật để xử lý ô nhiễm Mô tả trạng địa điểm xây dựng mơ hình trình diễn Xây dựng mơ hình trình diễn sử dụng thực vật để xử lý ô nhiễm kim loại nặng Xây dựng tiêu chí cho mơ hình điểm khả chuyển giao công nghệ Phương pháp xử lý sinh khối thực vật sau qui trình KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC 252 253 253 253 253 254 254 255 255 255 256 256 257 257 258 258 258 258 258 259 259 260 261 261 262 262 263 265 268 270 272 274 278 284 MỞ ĐẦU Một vấn đề hữu tất quốc gia giới nay, gây hoạt động công nghiệp phi công nghiệp người vấn đề ô nhiễm đất Hàng ngày, chất thải chưa kiểm sốt từ q trình khai mỏ, luyện kim hay việc sử dụng bùn thải đất nông nghiệp ngun nhân gây nhiễm khu vực trước chưa bị ô nhiễm, từ gây nhiều ảnh hưởng trực tiếp gián tiếp hệ sinh thái Các chất ô nhiễm kim loại nặng (KLN), hợp chất dễ cháy, rác thải nguy hại, chất nổ hay xăng, dầu,… Trong đó, KLN chất gây nhiễm nguy hại hàng đầu chúng không dễ dàng bị sinh vật phân giải mà cần có biện pháp xử lý thích hợp cố định hay di dời vật lý Một số kim loại nặng Zn, Fe, Cu, Mn, Mo, B,….rất cần cho sinh trưởng phát triển thực vật, nguyên tố dinh dưỡng vi lượng cần thiết khơng thể thiếu q trình sinh trưởng phát triển thực vật Song nồng độ cao thấp bất lợi cho thể sinh vật Có thể nói phần lớn kim loại nặng nguyên tố có tính độc cao thể sống Ngồi ra, KLN gây nhiều biến đổi tế bào sắc tố làm rối loạn chức chúng Vì vậy, KLN làm mơi trường đất trở nên không bền vững phát triển thực vật làm giảm đa dạng sinh học Vấn đề ô nhiễm môi trường kim loại nặng độc hại vấn đề lớn nhiều nước giới Nó thu hút quan tâm nhiều quốc gia giới tác hại nguy hiểm đến sinh vật nói chung người nói riêng Những năm đầu 1970 huyện Nhật Bản, hàng loạt người bị bệnh “Itai Itai” gây đau xương, biến dạng xương dẫn đến chết ăn phải gạo chứa Cd mức 0,5-1 mg.kg-1 Ngun nhân nước sơng bị nhiễm Cd lại dùng tưới cho ruộng lúa [24] Gần hàng nghìn người tỉnh Tak (Thái Lan) có nguy bị nhiễm bệnh tích tụ cao Cd thể loãng xương, tổn hại thận Nguyên nhân đất nước vùng bị ô nhiễm Cd hoạt động khai thác Zn dẫn đến gạo có hàm lượng Cd cao từ 0,1- 44 mg/kg (tiêu chuẩn châu Âu 0,043 mg/kg), lượng Cd tỏi đậu nành cao tiêu chuẩn từ 12 đến 126 lần [58] Môi trường bị nhiễm hoạt động khai khống tuyển quặng nhiều nhà khoa học giới đặc biệt quan tâm nghiên cứu Nhiều tác giả rủi ro xảy người mức độ tích tụ kim loại độc hại sản phẩm nông nghiệp quan trọng lúa gạo [58,62,63] Tuy nhiên, Việt Nam chưa có cơng trình có số liệu hồn chỉnh mức độ nhiễm kim loại nặng vùng mỏ Kết thăm dò địa chất phát khoảng 5000 mỏ điểm quặng, khoảng 1000 mỏ tổ chức khai thác Riêng diện tích chiếm đất số mỏ khoáng sản kim loại ngừng khai thác lên tới 3749 [38] Số lượng mỏ hoạt động nước gần 900, mỏ khống sản kim loại 90 Chỉ tính riêng diện tích đất sử dụng khai thác thiếc 300ha, diện tích hoàn thổ 55,8 ha, chiếm gần 20% Tuy nhiên đất hồn thổ chất lượng chưa đáp ứng cho việc canh tác Như kết phân tích đất trồng khu vực mỏ thiếc Sơn Dương, Tuyên Quang có hàm lượng As 642mg/kg Cu 235mg/kg [15], tiêu chuẩn đặt tương ứng 12 mg/kg 50mg/kg (QCVN 03:2008/BTNMT) Trước đó, Nguyễn Văn Bình cs [40] nghiên cứu phân bố kim loại nặng As, Pb, Bi, Sn, Cu, Cd, Fe, W khu vực mỏ thiếc khai thác Sơn Dương, Tuyên Quang xác định có mặt kim loại mẫu đất, nước, bùn thải ven suối cao tiêu chuẩn cho phép nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường Nguồn gốc xuất nguy hại mỏ gây phức tạp kinh phí cho phục hồi đắt Vì vậy, giải vấn đề cịn gặp nhiều khó khăn [9] Các phương pháp công nghệ xử lý truyền thống bao gồm bê tơng hố, ổn định, rửa đất, sử dụng phản ứng xy hố - khử, phản ứng hấp phụ nhiệt độ thấp, chôn lấp, đốt, [46,51,53] Hiện nay, giới công nghệ dùng nhiều để xử lý đất bị ô nhiễm kim loại chôn lấp chỗ cách xây đập chắn xung quanh sử dụng hoá chất cố định kim loại khu vực xa dân cư đất canh tác, gần khu vực đất nhiễm phải đào vận chuyển đến nơi chôn lấp tập trung Cơng nghệ chơn lấp địi hỏi chi phí lớn bên cạnh chi phí cho vận chuyển, cịn phải xây dựng sở hạ tầng kiên cố chất ô nhiễm không bị rò rỉ phát tán sang khu vực lân cận Ngoài ra, áp dụng cơng nghệ cần có diện tích lớn điều hạn chế cách đất không tái sử dụng Tính tốn sơ cho thấy, vào năm 90 kỉ 20 tính riêng Mỹ để làm ô nhiễm chất độc hại cơng nghệ cần 400 tỷ đô la Giá thành cao xử lý ô nhiễm công nghệ truyền thống buộc nhà khoa học phải tìm cơng nghệ thay thế, cơng nghệ “xanh” tức cơng nghệ sử dụng thực vật xử lý ô nhiễm (Phytoremediation) đánh giá có hiệu ứng dụng cao giá thành thấp, vận hành đơn giản thân thiện với môi trường Hiện công nghệ sử dụng thực vật đánh giá thích hợp cho xử lý ô nhiễm KLN đất [30,44,57,] Tính tốn cho thấy việc sử dụng thực vật để làm mẫu Anh (0,4ha) đất bùn cát độ sâu 50 cm cần 60 - 100.000 USD, xử lý phương pháp truyền thống (đào hố cách li) cần 400.000 USD [44] Do phương pháp lý – hoá học để xử lý ô nhiễm đất mà giới áp dụng khó khả thi nước ta giá thành q cao Sử dụng thực vật để xử lý môi trường đất bị nhiễm vùng khai thác khống sản giải pháp hàng đầu điều kiện Việt Nam Đây hướng bền vững, lâu dài hiệu việc bảo vệ môi trường vùng đã, khai thác - chế biến quặng Đề tài cấp Nhà Nước KC08.04/06-10 “Nghiên cứu sử dụng thực vật để cải tạo đất bị ô nhiễm kim loại nặng vùng khai thác khống sản” có ý nghĩa lý luận thực tiễn rõ ràng nghiên cứu, ứng dụng công nghệ xử lý đất hiệu điều kiện Việt Nam Đề tài góp phần quan trọng vào lĩnh vực phát triển môn khoa học sử dụng thực vật để xử lý ô nhiễm (Phytoremediation) triển khai mạnh giới Trong 03 năm qua đề tài thực số nội dung sau: Điều tra, khảo sát đánh giá trạng ô nhiễm môi trường đất khu hệ thực vật 04 vùng khai thác mỏ đặc trưng thuộc tỉnh Thái Nguyên (mỏ than núi Hồng mỏ thiếc Núi Pháo thuộc huyện Đại Từ, mỏ sắt Trại Cau mỏ chì kẽm Làng Hích thuộc huyện Đồng Hỷ) Lập danh lục loài thực vật Việt Nam khu vực nghiên cứu có khả tích luỹ cao kim loại nặng (chú trọng đặc biệt tới As, Pb, Zn Cd) Xây dựng quy trình phục hồi môi trường đất nhiễm kim loại nặng As, Cd, Pb Zn Xây dựng mơ hình trình diễn sử dụng thực vật để xử lý đất bị ô nhiễm kim loại nặng Hà Thượng, Đại Từ, Thái Nguyên Tân Long, Đồng Hỷ, Thái Nguyên CHƯƠNG TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Ảnh hưởng kim loại nặng đến sức khoẻ người môi trường Hiện nay, vấn đề đáng quan tâm ô nhiễm môi trường đất Như biết, đất tài nguyên vô quý giá, tư liệu sản xuất sản phẩm trồng phục vụ đời sống loài người Đất nơi cung cấp lương thực, thực phẩm nuôi sống người, nơi định cư, nơi cung cấp nơi chứa đựng rác thải người Mặt khác, không giống môi trường nước khơng khí, đất hệ sinh thái phức tạp Chính thế, để nhận biết sớm ô nhiễm môi trường đất vấn đề đơn giản khó khăn việc khắc phục ô nhiễm môi trường đất Đây nguyên nhân làm suy giảm tài nguyên đất, khó khăn mà nơng nghiệp quốc gia nói riêng giới nói chung đối mặt Không thế, môi trường đất bị ô nhiễm gây ảnh hưởng tới môi trường nước khơng khí Tuy nhiên, giới vấn đề ô nhiễm môi trường đất chưa quan tâm nhiều [26] Việt Nam nước nơng nghiệp, nên đất canh tác nơng nghiệp có vai trò quan trọng kinh tế quốc dân Vấn đề ô nhiễm đất thử thách lớn Một vấn đề ô nhiễm cần quan tâm ô nhiễm kim loại nặng Khi đất bị nhiễm kim loại nặng, gây ảnh hưởng trực tiếp đến trồng theo chuỗi thức ăn vào thể động vật Nhiều kim loại nặng vi lượng cần thiết cho thể người Tuy nhiên có mặt chúng với hàm lượng lớn gây ô nhiễm môi trường có tác hại xấu đến sức khoẻ người sinh vật Các kim loại nặng thâm nhập vào mơi trường nhiều đường khác nhau, hoạt động người đóng vai trị quan trọng Khi thâm nhập vào mơi trường chúng gây ô nhiễm nguồn nước ô nhiễm đất trồng Điều đáng nói nhiều kim loại nặng có khả tích tụ đất, động, thực vật khó phân giải hay đào thải Điều ảnh hưởng đến sức khoẻ người sử dụng nguồn thức ăn từ động, thực vật sinh trưởng vùng bị ô nhiễm Một số kim loại nặng Zn, Fe, Cu, Mn, Mo, B, cần cho sinh trưởng phát triển thực vật, nguyên tố dinh dưỡng vi lượng cần thiết thiếu trình sinh trưởng phát triển thực vật Song nồng độ cao thấp bất lợi cho thể sinh vật Có thể nói phần lớn kim loại nặng ngun tố có tính độc cao thể sống Nhìn chung kim loại nặng phát thải vào môi trường đất qua hai đường chủ yếu sau: Xem xÐt chØ sè rÊt quan trọng tăng sinh khối cải thấy ĐC 157,44%, CT không bón phân 113,86% CT bón phân, CT 50% hữu CT 50% hữu + 50%NPK đạt khoảng 142% CT 100%NPK đạt 156,69%, CT 50%NPK đạt 154,04%, riêng CT 100% hữu + 100%NPK đạt 158,47% Rõ ràng, bón phân có ý nghĩa quan trọng việc nâng cao khả sinh trởng, tức tăng khả chống chịu KLN cải Cũng cần nói thêm rằng, phạm vi TN cha CT bón phân u việt Vì vậy, cần tiến hành thêm TN để có đợc kết rõ ràng 12 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Tỉ lệ (%) Khối lợng (mg) 10 ĐC CT1 CT2 CT3 CT4 CT5 CT6 CT7 Công Thức Khối lợng ban đầu Khối lợng kết thúc tỉ lệ Hình 3: Khối lợng cải TN3 17 ảnh 2: ảnh hởng Pb phân bón lên sinh tr−ëng cđa c¶i ë TN3 ¶nh h−ëng cđa phân bón lên hấp thu chì cải xanh Kết phân tích hấp thu Pb TN (bảng 8) có bổ sung phân bón cho thấy CT không bón phân lợng Pb hấp thu cao nhiều so với ĐC Cùng với kết từ TN1, hoàn toàn khẳng định hàm lợng Pb phận cải tỉ lệ thuận với hàm lợng Pb đất Xem xét ảnh hởng phân bón khác (loại phân bón: Hữu hay vô liều lợng bón: 50% hay 100%), cha nhận thấy ảnh hởng rõ ràng rễ, hầu hết CT bón phân có hàm lợng Pb công thức không bón phân (CT1) có CT 50% hữu cao (451,382mg/kg so với 371,083mgPb/kg CT1) Lợng Pb thân cải CT TN nhỏ CT không bón phân Tuy vậy, khác CT cha đủ lớn cần bố trí thêm TN để thấy rõ ảnh hởng phân bón hấp thu Pb Dù phân bón làm tăng sinh trởng cải (xem mục III.4.1.trang 39) Cũng cần nói thêm lợng Pb mà cải hấp thu tích luỹ phần TN thấp TN1 có lợng Pb đất (1000mg/kg) Trong TN nµy thêi gian tiÕn hµnh TN chØ cã tuần TN1 tuần tức gấp đôi Nh vậy, thời gian yếu tố ảnh hởng đến lợng Pb hấp thu cải (hình 15, 16) 18 Tỉ lệ phần trăm hàm lợng chì thân so với rễ cải công thức TN3 tơng đối dao động khoảng 5,972 -12,831 (trừ đối chứng) Tỉ lệ tơng đơng với tỉ lệ phần trăm hàm lợng chì thân so với rễ cải công thức cđa TN1 80 TØ lƯ % 60 40 20 ĐC CT1 CT2 CT3 CT4 CT5 CT6 CT7 C«ng thøc TN Hình4: Tỉ lệ % hàm lợng Pb thân so với rễ cải TN3 40 35,131 Hàm lợng ch× (mg/kg) 35 32,22932,584 30 26,955 25 27,011 22,057 24,082 20 15 10 5,011 ĐC CT1 CT2 CT3 CT4 CT5 CT6 CT7 Công thức TN Hình 5: Hàm lợng Pb thân cải TN3 19 Hàm lợng ch× (mg/kg) 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 451,382 371,083 351,025 344,201 321,091 336,096 251,173 7,688 CT1 CT2 CT3 CT4 CT5 CT6 CT7 C«ng thøc TN Hình 6: Hàm lợng Pb rễ cải TN3 * Bố trí thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng phân bón N, P, K vơ hữu lên sinh trưởng hấp thu As cải xanh Thí nghiệm 2: Nghiên cứu ảnh hởng phân bón (NPK phân hữu sinh học (HCSH)) lên khả sinh trởng hấp thu Asen rau Cải Xanh (Brassia juncea L) Rau giống sau đợc gieo vờn ơm tuần, đạt 5-6 lựa chọn nhau, trồng vào chậu theo tỷ lệ cây/chậu Các CTTN bố trí nh sau: CT1: Đất (đối chứng) CT2: Đất + As5+ (100mg/kg) CT3: §Êt + As5+ (100mg/kg) + 0,28gHC CT4: §Êt + As5+ (100mg/kg) + 0,56gHC CT5: §Êt + As5+ (100mg/kg) + 0,28gHC + 0,068gNPK CT6: §Êt + As5+ (100mg/kg) + 0,28gHC + 0,068gNPK CT7: §Êt + As5+ (100mg/kg) + 0,068gNPK 20 CT8: Đất + As5+ (100mg/kg) + 0,136gNPK Các công thức thí nghiệm đợc lặp lại lần KT QU THO LUN Nghiên cứu ảnh hởng phân bón lên sinh trởng hấp thụ Asen Cải nghiên cứu ảnh hưởng phân bón khác lên sinh trưởng hấp thụ As từ đất ô nhiễm, chúng tơi thí nghiệm với đất bổ sung 100 mg As/kg đất Cải giống hai tuần tuổi trồng làm thí nghiệm kết thúc sau tuần Số liệu thu bảng cho thấy, đất nhiễm As làm ảnh hưởng xấu lên sinh trưởng Cải Cải trống đất không ô nhiễm As có rễ dài 4,49 cm, thân 8,00 cm, tăng trưởng 5,22 g/chậu (115,08% so với ban đầu) Trong trồng đất nhiễm 100 mgAs có số tương ứng 4,00 cm, 5,69 cm, 2,66 g/chậu (70,42 %) Kết TN2 lần cho thấy thời điểm trồng rau nhiễm As vào đất ảnh hưởng khác lên sinh trưởng Cải xanh Ở công thức có bổ sung phân bón (CT2 đến CT7) cải thiện rõ rệt lên sinh trưởng Cải, số liệu dài rễ, thân, tăng trưởng khối lượng tăng CT1 nhiễm As So sánh CT phân bón khác thấy bón 50% HC 100% HC, chiều cao thân có cải thiện (5,75 cm 6,15 cm), tỉ lệ tăng trưởng lại không cải thiện (116,81 % 111,08 %) So sánh tương tự thấy 50% 100% NPK (6,65 cm; 128,89 % 8,00 cm 109,23 %) Khi bón hỗn hợp HC NPK, hiệu rõ rệt Cụ thể: - CT 50% HC+50% NPK cho tỉ lệ tăng trưởng 140,09 % - CT 100% HC+100% NPK cho tỉ lệ tăng trưởng 135,04% 21 160 140 120 100 80 60 40 20 Tỉ lệ tăng trưởng (%) Khối lượng tăng trưởng Khối lượng tăng trưởng Tỉ lệ tăng trưởng Đ/C CT1 CT2 CT3 CT4 CT5 CT6 CT7 Hình : Tỷ lệ sinh trưởng Cải TN3 II.4.2 Ảnh hưởng phân bón lên khả hấp thu As Cải Hàm lượng As (mg/kg 30 25 Hàm lượng As rễ Cải TN3 20 15 10 Hàm lượng As thân Cải TN3 Đ/C CT1 CT2 CT3 CT4 CT5 CT6 CT7 Hình : Biến động Hàm lượng As rễ thân, Cải TN3 Kết phân tích hàm lượng As Cải bảng 10 cho thấy, hàm lượng As Cải trồng đất ô nhiễm (CT7) cao hẳn ĐC Số liệu lần khẳng định khả hấp thụ As Cải So sánh CT bón phân khơng bón phân cho thấy tất CT bón phân (vô hay hữu cơ) cải thiện hấp thụ As từ đất vào Cải Nếu rễ CT bón phân (CT1) có 14,35 mgAs/kg CT bón phân, thấp 15,02 mg (CT3) cao CT5 (24,26 mg/kg) 22 cơng thức bón hỗn hợp 100 % HC+100% NPK Tuy nhiên, thấy chưa rõ ưu cơng thức bón phân Như cần có thí nghiệm để thấy rõ vấn đề Chúng nhận thấy lượng As hấp thụ TN thấp TN1 Mặc dù lượng As bổ sung giống Nguyên thời gian thí nghiệm tuần, tức 1/2 thời gian TN1 23 IV Nghiên cứu ảnh hưởng dinh dưỡng N P phân bón lên sinh trưởng, hấp thu làm kim loại nặng từ đất cỏ mần trầu Eleusine indica IV.1 ĐỐI PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu cỏ mần trầu Eleusine indica lấy từ khu vực ô nhiễm Pb, Zn xung quanh mỏ chì kẽm tỉnh Thái Nguyên Cây thu trồng chăm sóc vườn ươm để chuẩn bị cho thí nghiệm Đất sử dụng cho nghiên cứu đất vườn có hàm lượng As 39 ppm, photpho tổng số 369 ppm, nitơ tổng số 610ppm pH = 7,59 - Xác định tổng N theo phương pháp Kjendhal, xác định tổng P theo phương pháp Ascorbic-antimoantartrat - Xác định hàm lượng Asen rễ, thân đất máy quang phổ hấp thụ nguyên tử (Atomic Absorption Spectrophotometer - AAS), hãng Shimaza (Nhật Bản), seri: AA - 6000 phịng phân tích độc chất mơi trường, Viện Công nghệ môi trường, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam Bố trí thí nghiệm Mỗi cơng thức thiết lập lặp lại 03 lần bổ sung vào chậu thí nghiệm lượng 1kg đất vườn, As = 300ppm dạng Na2HAsO4.7H2O Chúng thiết lập công thức với công thức khác bổ sung lượng P dạng Na2H2PO4 theo dải nồng độ 0, 200, 400, 600, 800 ppm lượng bổ sung N dạng urea 0,6 g; bổ sung K dạng KCl 0,486 g Sau đó, trồng vào chậu thí nghiệm Chúng tơi thiết lập cơng thức với công thức khác bổ sung lượng N dạng urea (NH4)2SO4 theo dải nồng độ 0, 100, 200, 300, 400, 500 ppm lượng bổ sung P dạng NaH2PO4 1,5097 g, bổ sung K dạng KCl 0,486 g Sau trồng vào chậu thí nghiệm Mỗi ngày chậu thí nghiệm thí nghiêm chăm sóc, tưới nước thường (không chứa As) quan sát tháng Hàng ngày chúng tơi theo dõi tình trạng để đánh giá định tính khả chống chịu Sau thu hoạch mẫu rửa 24 đất nhẹ nhàng, đem sấy khô 105ºC dùng kéo phân tách rễ thân Đất để khô tự nhiên, nghiền rây đất qua rây 0,2mm IV.2 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Kết thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng P lên sinh trưởng tích lũy As mần trầu Eleusine indica Kết thúc thí nghiệm ta thu kết hấp thu As mần trầu Eleusine indica theo bảng Hình Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng dinh dưỡng lên mần trầu Biểu đồ 1: Tổng lượng As hấp thu mần trầu Eleusine indica 1200 1000 800 Tổng As(mg/kg) 600 400 200 200 400 600 800 Tổng lượng As tích lũy mần trầu Eleusine indica công thức bổ sung 800ppm P tăng tới 771,2 g tức 7,2 % so với công thức không bổ sung P 25 Theo kết bảng ta thấy, thí nghiệm bổ sung P với lượng 0, 200 400 ppm lượng As tích lũy 212; 123,92 159,16 mg/kg rễ 210; 313 395,2 mg/kg Phân tích rằng, bổ sung lượng P khơng q 400 ppm lượng As tích lũy rễ có thay đổi khơng đáng kể Cịn lượng As tích lũy 895,95 895,07; rễ 423,51 632,02 mg/kg tăng đáng kể lượng P bổ sung 600 800 ppm Sự chênh lệch cho ta biết khả tích lũy As mần trầu Eleusine indica Có chịu ảnh hưởng tích cực tổng lượng As tích lũy tăng đáng kể bổ sung lượng cao P (>400ppm) Ở nồng độ bổ sung 800ppm P, tích lũy As rễ tăng cao gấp 1,1 1,76 lần so với thí nghiệm không bổ sung P Tuy nhiên, hệ số TF nồng độ bổ sung As 600, 800ppm thấp khoảng dao động 3,06 ÷ 4,65 cho thấy hàm lượng As phần mặt đất cao gấp 3-4 lần tích lũy rễ lại có tốc độ tăng chậm so với tích lũy rễ hay nói cách khác, bố sung lượng cao P kích thích tăng lượng hấp thu As rễ chủ yếu Nhìn biểu đồ minh họa số ta thấy, độ dốc đường cong thể thay đổi tích lũy As rễ cao độ dốc đường cong thể thay đổi tích lũy As thân Cụ thể là, hàm lượng As thân công thức bổ sung 600 800ppm tăng so với công thức không bổ sung P 10,86% 16,12%, hàm lương As rễ tăng tới 40,79% 76,63% Điều chứng tỏ khả vận chuyển As từ rễ lên phần mặt đất giảm Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng N, P, K lên sinh trưởng tích luỹ As dương xỉ 26 Cải tạo đất với việc bổ sung P làm tăng lượng tích lũy As mần trầu Eleusine indica đặc biệt lượng P bổ sung >400ppm có hiệu nồng độ P bổ sung =800ppm Kết thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng N lên sinh trưởng tích lũy As mần trầu Eleusine indica Kết thúc thí nghiệm ta thu kết hấp thu As mần trầu Eleusine indica theo bảng sau: Theo bảng trên, ta thấy lượng As tích lũy thân so với công thức đối chứng không bổ sung N tăng cao công thức bổ sung 100ppm N 73,34%, lượng As tích lũy thân cao so với công thức đối chứng không bổ sung N giảm dần công thức bổ sung 200, 300 ppm 22,43% 0,96% Lượng As tích lũy thân giảm nhẹ nồng độ bổ sung 400ppm 0,99%, giảm mạnh cơng thức bs 500ppm N Lượng As tích lũy rễ tăng mạnh tất cơng thức bs 100, 200, 300, 400, 500ppm N gấp 6,67; 3,56; 2,14; 2,06;1,19 lần cao công thức bs 100ppm Biểu đồ 3: Tổng lượng As hấp thu mần trầu Eleusine indica công thức bổ sung N khác 100 200 300 400 500 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 Tổng As tích lũy(mg/kg) Tổng lượng As tích lũy mần trầu Eleusine indica công thức bổ sung 100ppm N tăng tới 1516,99 g tức 135,65 % so với công thức không 27 Quan sát bảng biểu đồ 3, theo cơng thức bs 500ppm N lượng tích lũy As rễ có tăng nhẹ tổng lượng As tích lũy tồn lại thấp hẳn so với công thức đối chứng Điều chứng tỏ nồng độ bs 500ppm khơng có khả tăng kích thích tích lũy As mần trầu Eleusine indica Cịn cơng thức bs 400ppm N lượng tích lũy As thân có giảm nhẹ tổng lượng As tích lũy tồn lại cao so với công thức đối chứng lượng As rễ tăng đáng kể (106%) Hệ số TF cơng thức dao động dải 1,8÷6,28 TF công thức đối chứng cao nhất, tức khả vận chuyển As từ rễ lên cao Ở công thức bs 100ppm, 200ppm N hệ số TF thấp lượng As thân lại tăng cao, cụ thể tổng lượng As tích lũy tăng 73,34% 22,43%, điều đồng nghĩa với khả vận chuyển As từ rễ lên phần mặt đất cao khả hấp thu tích lũy rễ tốt Cịn cơng thức bs 300,400 ppm thay đổi As thân không đáng kể lương As rễ tăng tới 114% 106%, tức bổ sung N công thức làm tăng khả tích lũy As rễ mà thơi.Chúng ta nhìn thấy khác biệt thơng qua biểu đồ đây: Biểu đồ phân bố lượng As tích lũy thân rễ mần trầu Eleusine indica công thức so với đối chứng 900 800 700 600 500 400 300 200 100 -100 Thân r? 100 200 300 400 500 IV.3 KẾT LUẬN Sau kết thúc thí nghiệm bổ sung dinh dưỡng vào môi trường trồng với đối tượng mần trầu Eleusine indica ứng dụng phương pháp sử dụng thực vật để xử lý As đất, cho thấy kết khả quan vai trị kích thích tăng khả hấp thu tách chiết As cây, cụ thể là: 28 Sự sinh trưởng tích lũy As mần trầu Eleusine indica cao bổ sung N nồng độ 100ppm (tăng 103,5 % so với công thức không bổ sung N) Sự sinh trưởng tích lũy As mần trầu Eleusine indica cao bổ sung P nồng độ 800ppm (tăng 31,81% so với công thức không bổ sung P) 29 V KẾT LUẬN Ảnh hưởng phân bón N, P K lên sinh trưởng hấp thu phần quan trọng nghiên cứu Phytoremediation Trong nội dung chúng tơi tìm nồng độ N, P, K hợp lý để sinh trưởng hấp thu Phân bón vơ hữu có tác động tích cực lên q trình hấp thu kim loại nặng Khi kết hợp phân vô hữu để trồng cây, phát triển tốt nhiều so sánh với bón tồn phân bón vơ hữu Nghiên cứu tập trung vào ảnh hưởng N, P, K lên sinh trưởng tích luỹ kim loại nặng cỏ Vetiver, cỏ mần trầu, cải xanh dương xỉ Pityrogramma calomelanos Kết nghiên cứu tiền đề tốt để ứng dụng xử lý ô nhiễm kim loại nặng thực vật TÀI LIỆU THAM KHẢO Chen Tongbin, Liao Xiao-Young, Huang Zechun, Lei Mei, Li Wen-Xue, Mo Liang-yu, An Zhi-Zhuang, Wei Chao-Yang, Xiao Xi-Yuan and Xie HuaPhytoremediation of Arsenic-Contaminated soil in China, Methods in Biotechnology 23 (2006) 391-400 Chen Tongbin, Fan Zhilian, Lei Mei, Guang Zechun & Wei Chaoyang Effect of phosphorus on arsenic accumulation in As-hyperaccumulator Pteris vittata L and its implication Chinese Science Bulletin 47 (2002) 1876-1879 Cong Tu and Lena Q Ma - Effects of Arsenic Concentrations and Forms on Arsenic Uptake by the Hyperaccumulator Ladder Brake Journal of Environmental Quality 31 (2001) 641-647 Cong Tu, Lena Q Ma and Bhaskar Bondada - Arsenic Accumulation in the Hyperaccumulator Chinese Brake and Its Utilization Potential for Phytoremediation Journal of Environmental Quality 31 (2001)1671-1675 Development US Environmental Protection Agency (EPA) - Introduction to phytoremediation (2000) Diels L, De Smet M, Hooyberghs L, Corbisier P - Heavy metals bioremediation of soil Molecular biotechnology (1999) 149-158 Francesconi K, Visoottiviseth P, Sridokchan W, Goessler W - Arsenic species in an arsenic hyperaccumulating fern, Pityrogramma calomelanos: a potential phytoremediator of arsenic-contaminated soils Sci Total Environ (2002) 27-35 30 10 11 12 13 14 15 16 Gonzaga Maria Isidoria Silva, Santos Jorge Antonio Gonzaga, Ma Lena Qiying - Arsenic phytoextraction and hyperaccumulation by fern species Scientia Agricola 63 (2006) 90-101 H.đ J P Vernet - Heavy metals in the environment Amst Elsevier (1991) Kim W.I., et al - Uptake of heavy metals by rice varieties grown on paddy soils collected near closed mine in Korea Procceding of II Internationce Conference on of Soil pollution and Remendiation (2004) 43-45 Ma LQ, Komar KM, Tu C, Zhang WH, Cai Y, Kennelley ED - A fern that hyperaccumulates arsenic – a hardy, versatile, fast-growing plant helps to remove arsenic from contaminated soils Nature 409 (2001) 579-579 Pilon-Smits EAH - Phytoremediation Annual Reviews in Plant Biology 56 (2005) 15-39 Salt D.E et al - Phytoremediation : A novel strategy for removal of toxic metals ftom environmental using plants Biotechnology 13 (1995): 468-473 Sudhakar Srivastara, Seema Mishra and R.D Tripatri - Phytoremediation of Hazardous Lead from Environment Archives of EnviroNews-Newsletter of ISEB India (2004) Wei C.T., Chen T.B - Arsenic accumulation by two brake fern growing on arsenic mine and their potential in Phytoremediation Chemosphere, 63(6) (2005) 1048-1053 World Health Organization, Geneva - Arsenic and arsenic compounds (2001) Chủ nhiệm đề tài KC08.04/06-10 Người viết báo cáo TS.NCVC Trần Văn Tựa 31 ... việc bảo vệ môi trường vùng đã, khai thác - chế biến quặng Đề tài cấp Nhà Nước KC08.04/06-10 “Nghiên cứu sử dụng thực vật để cải tạo đất bị ô nhiễm kim loại nặng vùng khai thác khống sản? ?? có ý nghĩa... Do phương pháp lý – hố học để xử lý nhiễm đất mà giới áp dụng khó khả thi nước ta giá thành cao Sử dụng thực vật để xử lý môi trường đất bị ô nhiễm vùng khai thác khoáng sản giải pháp hàng đầu... lý ô nhiễm kim loại nặng đất thực vật Các lồi thực vật có khả xử lý ô nhiễm Về công nghệ xử lý KLN thực vật giới Tình hình nghiên cứu giới Tình hình nghiên cứu Việt Nam Cơ hội thách thức việc sử