Cơ chế làm sạch môi trường nước bằng thực vật

Cơ chế làm sạch môi trường nước bằng thực vật TS. Ngô Thụy Diễm Trang Email: ntdtrang@ctu.edu.vn Seminar Khoa MT & TNTN, ĐHCT, 26/5/2014 1. Giới thiệu cơ chế làm sạch môi trường bằng thực vật (phytoremediation) 2. Ưu điểm và giới hạn của phytoremediation 3. Ứng dụng của phytoremediation 4. Một số nghiên cứu sử dụng thực vật làm sạch môi trường nước ở ĐBSCL Nội dung báo cáo Phytoremediation? Phyto (Thực vật) Remediation (Phục hồi/làm sạch) Thlaspi rotundifolium (L.) GAUDIN, 1829 Alyssum wulfenianum BENTH. EX WILLD., 1814 1. Làm sạch môi trường bằng thực vật (phytoremediation)  Brooks (New Zealand) (1977): “godfather” của phytoremediation.  Reeves & Brooks (1983): thực vật siêu tích lũy/hấp thu (hyperaccumulation) vùng hệ sinh thái ô nhiễm quặng mỏ chì – kẽm (Bắc nước Ý).  Năm 1995, Nicks & Chambers trình diễn mô hình mang tính khả thi kinh tế ở California (phytomining). • Metals (Pb, Zn, Cd, Cu, Ni, Hg), metalloids (As, Sb) • Inorganic compounds (NO3- NH4+, PO4 3-) • Radioactive chemical elements (U, Cs, Sr) • Petroleum hydrocarbons (BTEX) • Pesticides and herbicides (atrazine, bentazone, chlorinated and nitroaromatic compounds) • Explosives (TNT, DNT) • Chlorinated solvents (TCE, PCE) • Industrial organic wastes (PCPs, PAHs), and others Các chất ô nhiễm đã được nghiên cứu bằng phương pháp phytoremediation Các cơ chế của phytoremediation Công nghệ phytoremediation bao gồm các hình thức khác nhau, tùy theo tính chất hóa học và tính chất của các chất gây ô nhiễm (nếu là trơ, dễ bay hơi hoặc chất có khả năng bị phân hủy bỡi thực vật hoặc phân hủy trong đất) và tùy theo các đặc tính thực vật: Các hình thức/cơ chế của phytoremediation 1. Phytodegradation (Phytotransformation) 2. Phytostabilization (Phytoimmobilization) 3. Phytovolatilization 4. Phytoextraction (Phytoaccumulation, Phytoabsorption hoặc Phytosequestration) 5. Phytofiltration 6. Rhizodegradation (Phytostimulation) 1) Phytodegradation (phân hủy): Các chất ô nhiễm hữu cơ bị phân hủy (chuyển hóa) hoặc bị khoáng hóa bởi các enzymes chuyên biệt trong tế bào thực vật: nitroreductases, dehalogenases (phân giải dung môi và thuốc trừ sâu gốc Cl) và laccases (phân giải anilines). Loài họ liễu (Populus sp.) và họ rong xương cá (Myriophyllium spicatum) là những cây có hệ thống enzymes này. 2) Phytostabilization (cố định): Các chất ô nhiễm hữu cơ hoặc vô cơ, được kết hợp vào lignin của thành tế bào rễ hoặc vào mùn. Kim loại bị kết tủa do rễ cây tiết dịch và sau đó chúng bị giữ lại trong đất. Mục tiêu chính của cơ chế này là hạn chế sự di chuyển và khuếch tán của chất gây ô nhiễm. Loài chi Haumaniastrum (họ húng), Eragrostis (họ Hòa thảo), Ascolepis (họ Cói), Lay ơn và Alyssum (họ Cải có hoa) là ví dụ về cây trồng cho mục đích này. 3) Phytovolatilization (bay hơi): Một số loài cây có khả năng hấp thu và bay hơi một số kim loại /á kim. Một số nguyên tố của nhóm IIB, VA và VIA của bảng tuần hoàn (đặc biệt là Hg, Se và As) được hấp thu bởi rễ, được chuyển đổi thành các dạng không độc hại, và sau đó thải vào khí quyển. Ví dụ: Astragalus bisulcatus (loài có hoa Họ Đậu) và Stanleya pinnata (họ Cải có hoa) xử lý Se. Loài Nicotiana tabacum (thuốc lá), Liriodendron tulipifera hoặc Brassica napus (cải dầu) xử lý Hg. Kỹ thuật này cũng có thể được sử dụng cho các hợp chất hữu cơ. Các hình thức/cơ chế của phytoremediation (tt) 4) Phytoextraction (tách chiết): Rễ hấp thu chất ô nhiễm sau đó chuyển vị và tích lũy trong các bộ phận bên trên (thân, lá). Cơ chế này chủ yếu được áp dụng cho việc loại bỏ kim loại (Cd, Ni, Cu, Zn, Pb) hay yếu tố khác (Se, As) và các hợp chất hữu cơ. Elsholtzia splendens, Alyssum bertolonii, Thlaspi caerulescens và Pteris vittata được biết đến như là Cu, Ni, Zn/Cd và As hyperaccumulators. 5) Phytofiltration (lọc): Thực vật hấp thu, tổng hợp và/hoặc kết tủa các chất ô nhiễm, đặc biệt là kim loại nặng/các yếu tố phóng xạ, từ môi trường nước thông qua hệ thống rễ hoặc cơ quan ngập nước khác của cây. Các thực vật được trồng trong hệ thống thủy canh, theo đó nước thải đi qua và được "lọc" bởi rễ (Rhizofiltration). Những loài thực vật có diện tích tiếp xúc lớn, loài thủy sinh có khả năng siêu tích lũy/hấp thu và chịu đựng được điều kiện chất ô nhiễm sẽ cho kết quả xử lý tốt nhất. Loài tiềm năng: Helianthus annus (hướng dương), Brassica juncea (Cải bẹ xanh), Phragmites australis, Fontinalis antipyretica và một số loài Salix (liễu), Populus, Lemna và phân nhánh Callitriche. 6) Rhizodegradation (phân giải vùng rễ): Rễ phát triển thúc đẩy sự gia tăng vi sinh vật vùng rễ (chúng sử dụng dịch tiết và các chất chuyển hóa của cây là nguồn C và năng lượng). Ngoài ra, cây có thể tiết ra các enzymes phân giải sinh học. Việc áp dụng phytostimulation bị giới hạn đối với chất ô nhiễm hữu cơ. Các hình thức/cơ chế của phytoremediation (tt) Có những kỹ thuật/hình thức khác của phytoremediation (kết hợp hay biến thể của các hình thức trên). Bao gồm: a) Rào cản thủy lực: Một số loài cây lớn, đặc biệt là những cây có gốc rễ sâu (Populus sp.), hút nhiều nước ngầm qua quá trình bốc thoát hơi nước. Chất ô nhiễm trong nước này được chuyển hóa bởi các enzymes và bốc hơi cùng với nước hoặc đơn giản là cô lập trong mô thực vật. b) Thảm thực vật: Các loại thảo mộc, cây bụi hoặc cây lớn, trồng trên các bãi chôn lấp chất thải, được sử dụng để hạn chế sự xâm nhập của nước mưa, và sự lan truyền chất ô nhiễm. Rễ tăng thông khí, thúc đẩy phân hủy sinh học, bốc thoát hơi nước. Những khó khăn của kỹ thuật này là chất thải hạn chế sự phát triển của rễ cây. c) Đất ngập nước kiến tạo (constructed wetlands): d) Phytodesalination: Kỹ thuật mới xuất hiện sử dụng halophytes để loại bỏ muối thừa ra khỏi đất mặn. Tiềm năng của Suaeda maritima (Muối biển) và Sesuvium portulacastrum (Hải châu) trong việc loại bỏ và tích lũy NaCl từ đất mặn (500kgNaCl/4 tháng) (Ravindran et al. 2007). Các hình thức/cơ chế của phytoremediation (tt) Làm sạch nước bằng đất ngập nước kiến tạo có trồng thực vật Quá trình lý-hóa-sinh học bao gồm lắng tụ, kết tủa, hấp phụ trên hạt đất, hấp thu bởi thực vật và chuyển hóa bởi vi khuẩn, (Watson et al., 1989; Brix et al., 1993) Xử lý thành công nước thải nông nghiệp (dinh dưỡng, kim loại, As, Se, Bo, thuốc BVTV,), công nghiệp (kim loại, Se), sinh hoạt (dinh dưỡng, kim loại), bãi rác, quặng mỏ (kim loại), nước ngầm (CHC, kim loại) vùng ôn & nhiệt đới, quốc gia phát triển và đang phát triển 2. Ưu điểm và giới hạn của phytoremedation Ưu điểm Giới hạn Kỹ thuật tại chỗ, thụ động Bộ rễ cạn (giới hạn độ sâu, <5 m) Sử dụng năng lượng mặt trời, chi phí thấp Vẫn đang được phát triển và do đó chưa được chấp nhận rộng rãi bởi các cơ quan hữu quan Làm giảm tác động môi trường và góp phần vào việc cải thiện cảnh quan Có rất ít kiến thức về canh tác, di truyền, sinh sản và bệnh hại của các loài cây sử dụng cho phytoremediation Chấp nhận cao của công chúng Nồng độ kim loại trong đất có thể gây độc và gây chết cây Cung cấp môi trường sống cho động vật hoang dã Nói chung, cây được chọn lọc trong xử lý kim loại Giảm phát tán bụi và các chất ô nhiễm bởi gió Xử lý chậm hơn so với các kỹ thuật lý hóa truyền thống Giảm dòng chảy bề mặt Ô nhiễm có thể lây lan qua chuỗi thức ăn nếu cây thu hoạch làm thức ăn cho động vật Giảm thẩm thấu và tính di động các chất ô nhiễm trong đất Cây có khả năng phytoremediation cao nhưng có thể không thích nghi với điều kiện khí hậu và môi trường tại các địa điểm bị ô nhiễm Thu hoạch cây hay các bộ phận của cây rất dễ dàng thực hiện với công nghệ hiện có Nếu thực vật giải phóng các hợp chất để tăng tính di động của các kim loại, chúng có thể bị ngấm vào nước ngầm Sinh khối thu hoạch có thể có giá trị kinh tế Khu vực được khử nhiễm phải đủ lớn để cho phép áp dụng kỹ thuật canh tác Quá trình thực vật dễ dàng kiểm soát hơn so với vi sinh vật Độc tính và tính hữu dụng sinh học của một số sản phẩm quá trình phân giải vẫn chưa được biết 3. Ứng dụng của phytoremedation Lựa chọn thực vật cho phytoextraction Tăng hiệu quả Phytoextraction 1. Sử dụng loại thực vật siêu tích lũy có sinh khối cao (cân nhắc giá trị kinh tế đối với kim loại nặng cho phytomining) 2. Thay đổi công thức phân bón làm tăng sinh khối và năng suất kim loại 3. Sử dụng các chelate trong đất để tăng sự hấp thu nguyên tố của thực vật 4. Lựa chọn các giống cây cụ thể và chủng hoang dã có khả năng hyperaccumulation 5. Sử dụng công nghệ sinh học để đưa các gen hyperaccumulation vào thực vật sinh khối cao Tóm lại: Chiến lược để tăng cường khả năng phytomining 4. Một số kết quả nghiên cứu ở ĐBSCL Lâm Thị Mỹ Nhiên & Ngô Thụy Diễm Trang (2013) A. Vai trò Bồn bồn trong xử lý nước thải cá Tra nuôi thâm canh Cho ăn N: 267 g P: 68 g Hệ thống ĐNN TP lúc bắt đầu N: 38 g P: 3,5 g Thức ăn thừa và phân cá N: 173 g P: 43 g Lượng P bị loại bỏ không tính được do các quá trình hấp phụ, cây hấp thu, kết tủa,.... N: 82 % P: 70 % Tuần hoàn trở lại Tích lũy trong nước N: 9% P: 31% TP lúc kết thúc N: 42 g P: 10 g Vai trò Bồn bồn trong xử lý nước thải cá Tra nuôi thâm canh Cây hấp thu N: 17 % P: 33 % FCR= 1.27 – 1.62 >> Bồn bồn đóng vai trò quan trọng trong việc loại bỏ chất dinh dưỡng và cải thiện điều kiện hệ thống xử lý theo thời gian Lâm Thị Mỹ Nhiên & Ngô Thụy Diễm Trang (2013) B. Vai trò của cây Ngãi hoa, Rau muống và Xà lách trong xử lý nước thải nuôi cá rô phi thâm canh N: 5.7 P: 1.5 Feeding N: 3.2 P: 0.4 Excreted N: 0.4 P: 0.1 N: 0.04 P: 0.02 Sediment removed Recovered in plants Be harvested Unaccounted Recycling N: 0.2 P: 0.1 Accumulated in water N: 45% P: 9% >> Cây trồng giúp loại bỏ 6%N và 7%P từ thức ăn thêm vào 22 0.2 m 0.4 m 0.1 m Outlet Outlet Inlet Fine gravel: Ø 10–20 mm Coarse gravel: Ø 30–50 mm Stones: Ø 50–100 mm Inlet distribution pipe Drainage pipe Aeration pipe VFCW HFCW 1.25 m 3.70 m Coarse gravel: Ø 30–50 mm 0.3 m HLR (mm/day) Area (m2) 3000 1500 750 Vertical 1.2 2.6 1.3 0.6 Horizontal 3.1 6.6 3.3 1.6 Flow rate (L/min) Initial stocking: 11 kg Tilapia 3.7 kg carp Pond: 64m² (40 m³) 0.6-0.8g/fish 20-22g/fish C. Vai trò của Ngãi hoa và Huệ nước trong xử lý nước ao nuôi cá rô phi bán thâm canh 23 Hàm lượng các chất trong thân cây Huệ nước (Canna sp.) trồng trên HT ĐNN NN và NĐ xử lý nước ao cá rô phi bán thâm canh Konnerup et al., (2011)_Aqua 313: 57-64 Giúp loại bỏ 8,2%N & 7,9%P từ thức ăn thêm vào 24 Chất lượng nước QCVN 38:2011 (1 mg/L) QCVN 38:2011 (0,02 mg/L) QCVN 38:2011 (5 mg/L) Konnerup et al., (2011)_Aqua 313: 57-64 Loài thực vật Sinh khối thân khô (kg/ha/năm) Lượng dinh dưỡng cây hấp thu (kg/ha/năm) N P Ngãi hoa 24.460 725 234 Rau muống 4.890 511 183 Xà lách 6.996 134 37 Bồn bồn 114.300 1.235 530 Hỗn hợp ngãi hoa và Huệ nước 118.500 2.464 571 Sinh khối và hấp thu dinh dưỡng một số loài cây nghiên cứu D. Vai trò của Bồn bồn trong xử lý nước thải sinh hoạt • TN, TP cây trồng hấp thu (%): GĐ1 (29,1 & 4,6), GĐ2 (36,9 & 7) Trương Thị Phương Thảo & Ngô Thụy Diễm Trang (2013) Vai trò cây Huệ nước trong xử lý nước nuôi tôm thẻ chân trắng (đang triển khai) - Công nghệ xử lý chất ô nhiễm bằng thực vật (phytoremediation) là công nghệ thân thiện với môi trường, dễ thực hiện, - Loài cây, tuổi cây, điều kiện dinh dưỡng, quần thể vsv ở rễ, hệ số bốc thoát hơi nước, là những yếu tố ảnh hưởng phytoremediation - Triển vọng ứng dụng công nghệ sinh học làm tối ưu khả năng siêu tích lũy (hyperaccumulation) của thực vật - Lưu ý biện pháp giải quyết sinh khối cây Kết luận 29 Chân thành cảm ơn! Tài liệu tham khảo 1. Pilon-Smits E., 2005. Phytoremediation. Annu. Rev. Plant Biol, 56:15-39. 2. Lâm Thị Mỹ Nhiên, Ngô Thụy DiễmTrang, 2013. Vai trò của Bồn bồn trong hệ thống đất ngập nước kiến tạo xử lý nước thải ao nuôi cá tra thâm canh tuần hoàn kín. Tạp chí Khoa học, trường Đại học Cần Thơ. 29a: 31-36. 3. Trương Thị Phương Thảo, Ngô Thụy Diễm Trang, 2013. Ảnh hưởng của nồng độ đạm lên sinh trưởng cây Bồn bồn trên hệ thống đất ngập nước kiến tạo. Tạp chí Khoa học, trường Đại học Cần Thơ. 27b: 116-121. 4. Trang, N.T.D., and Brix, H., 2014. Use of planted biofilters in integrated recirculating aquaculture-hydroponics systems in the Mekong Delta, Vietnam. Aquaculture Research 45 (3): 460-469. 5. Konnerrup D., N.T.D. Trang, H. Brix, 2011. Treatment of fishpond water by recirculating horizontal and vertical flow constructed wetlands in the tropics. Aquaculture, 313: 57–64. 6. Trang N.T.D., 2009. Plants as bioengineers: treatment of polluted waters in the tropics. PhD thesis. Aarhus University. Denmark. 7. Reeves, R.D. and Brooks, R.R., 1983. Hyperaccumulation of lead and zinc by two metallophytes from mining areas of central Europe. Environmental Pollution, 31: 277-285.