HIỆU QUẢ CỦA SỰ KẾT HỢP THỰC VẬT - VI SINH VẬT ĐẾN MỨC ĐỘ TÍCH LŨY KIM LOẠI NẶNG TRONG SINH KHỐI THỰC VẬT BẢN ĐỊA TRỒNG Ở XÃ CHỈ ĐẠO, VĂN LÂM, HƯNG YÊN Lê Như Kiểu1, Nguyễn Viết Hiệp1,
Trang 1HIỆU QUẢ CỦA SỰ KẾT HỢP THỰC VẬT - VI SINH VẬT
ĐẾN MỨC ĐỘ TÍCH LŨY KIM LOẠI NẶNG TRONG SINH KHỐI THỰC VẬT BẢN ĐỊA TRỒNG Ở XÃ CHỈ ĐẠO, VĂN LÂM, HƯNG YÊN
Lê Như Kiểu(1), Nguyễn Viết Hiệp(1),
Lê Thị Thanh Thủy(1), Nguyễn Hữu Thành(2), Phan
Quốc Hưng (2) SUMMARY
Effect of the combination of microorganisms and plants to accumulative level of heavy
metals in local plant biomass planting on Chi Dao, Van Lam, Hung Yen
Experiments were carried out to accurate assessment of the effect of the combination of 04 selected microorganism strains with 05 local plant variety that have capacity to uptake heavy metal The results show that the injection of the mix of 04 selected strains not only increased biomass of
plant (Enydra fluctuans Lour - 27,57%; Bidens pilosa - 12,96%; Helianthus annuus - 11,11%; Ludwigia hyssopofolia - 8,33% comparing with control) but also increased the value of Zn, Cu, Pb
accumulated in biomass of plants Zn accumulative level in biomass were increased in all local
plants However, Cu accumulated were only increased in Enydra fluctuans Lour, Helianthus annuus, Ludwigia hyssopofolia (16,75%, 12,30%, 11,24% respectfully) and Pb accumulated in Helianthus annuus, Ludwigia hyssopofolia, Bidens pilosa was 69,51%; 35,87%; 25,36% respectfully The results denote that should be use Helianthus annuus and Bidens pilosa L in high land zones and Ludwigia hyssopofolia and Enydra fluctuans Lour) combinated with 4 strains belong to with B subtiis; Saccharomyces cerevisiae; Glomus australe và Gibberela sp that have
against to toxicity and accumulation of heavy metal in biomass of microorganism in low land zones
so that will be removed considerable amount of heavy metal from polluted soil
Keywords: Heavy metal, accumulation, microorganisms
1 §ÆT VÊN §Ò
Sử dụng các loài vi sinh vật kết hợp với
thực vật có khả năng tích luỹ kim loại nặng
để xử lý đất bị ô nhiễm đang là một xu
hướng phổ biến được ứng dụng nhiều trên
thế giới, thu hút sự quan tâm nghiên cứu
của nhiều nhà khoa học Phương pháp này
còn giúp cho việc tăng cường sự hoạt động
cũng như sự đa dạng của các vi sinh vật đất,
giữ cho hệ sinh thái “khỏe” (Zueng, 2007)
Công nghệ sử dụng các biện pháp sinh
học để xử lý ô nhiễm kim loại nặng trong đất
và nước là công nghệ có triển vọng lớn vì nó
kết hợp được 2 đặc điểm của thực vật và vi
sinh vật là: Khả năng cho sinh khối cao và
cơ chế siêu tích tụ sẽ xử lý thành công kim
loại nặng trong môi trường Mặc dù công
nghệ này có nhược điểm là phải mất nhiều
năm mới phân hủy hoàn toàn Tuy nhiên, với chi phí xử lý thấp hơn 10 - 1.000 lần so với các phương pháp truyền thống và lại thân thiện với môi trường nên sử dụng biện pháp sinh học (kết hợp giữa thực vật và vi sinh vật) được xem là giải pháp khả thi
Để làm cơ sở cho việc lựa chọn loài thực vật bản địa, cũng như đánh giá hiệu lực của hỗn hợp 4 chủng vi sinh vật đã tuyển chọn khi kết hợp với thực vật, xây dựng các thử nghiệm đồng ruộng nhằm xác định công thức có sự tích lũy kim loại nặng lớn nhất trong sinh khối để từ đó tiến hành xây dựng mô hình ứng dụng chế phNm vi sinh và thực vật
II VËT LIÖU Vµ PH¦¥NG PH¸P NGHI£N CøU
1 Vật liệu nghiên cứu
1
Viện Thổ nhưỡng Nông hoá, 2 Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội
Trang 2- Đất thí nghiệm: Hàm lượng sét
54,54%, thuộc loại đất thịt nặng (theo thang
đánh giá phân loại của Kachinski), pHKCl =
5,21; OC% = 1,49%; N% = 0,20%; K% =
1,91%; P2O5%= 0,09%; Cu(ts) = 88,67
mg/kg đất khô; Pb(ts) = 794,36 mg/kg đất
khô; Zn(ts) = 208,87 mg/kg đất khô
- Thực vật thí nghiệm: Cây đơn buốt
(Bidens pilosa L.), cây mương đứng
(Ludwigia hyssopofolia (G Don) Exell), cây
dừa nước (Ludwidgra adscendens (L) Hara),
cây hướng dương (Helianthus annuus) và
cây ngổ dại (Enydra fluctuans Lour) Các
loại cây này được nhân giống trong nhà lưới
của Khoa Tài nguyên đất và Môi trường,
trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội
- 4 chủng vi sinh vật thuộc các loài:
B subtiis; Saccharomyces cerevisiae;
Glomus australe và Gibberela sp Các
chủng này được lên men riêng rẽ, phối trộn
vào trong than bùn Sử dụng nhiễm cho
thực vật bản địa dưới dạng chế phNm vi
sinh thử nghiệm
2 Phương pháp nghiên cứu
- Công thức thí nghiệm: Thí nghiệm
gồm 14 công thức với 4 lần nhắc lại Mỗi ô
thí nghiệm 10 - 20m2 CT01R: Đơn buốt;
CT02R: Đơn buốt + Hỗn hợp 4 chủng vi
sinh vật; CT03R: Dừa nước; CT04R: Dừa
nước + Hỗn hợp 4 chủng vi sinh vật;
CT05R: Mương đứng; CT06R: Mương đứng
+ Hỗn hợp 4 chủng vi sinh vật; CT07R:
Mương đứng + Dừa nước; CT08R: Mương
đứng + Dừa nước + Hỗn hợp 4 chủng vi sinh
vật; CT09R: N gổ dại; CT10R: N gổ dại +
Hỗn hợp 4 chủng vi sinh vật; CT11R: N gổ
dại + Mương đứng; CT12R: N gổ dại +
Mương đứng + Hỗn hợp 4 chủng vi sinh vật;
CT13R: Hướng dương; CT14R: Hướng
dương + Hỗn hợp 4 chủng vi sinh vật
- Mật độ trồng thực vật: 20 x 20cm với
đơn buốt, 30 x 30cm với hướng dương, 10
x 10cm với ngổ dại, dừa nước và 25 x 25cm
với mương đứng Hỗn hợp 4 chủng vi sinh vật được lây nhiễm cho cây dưới dạng chế phNm Lượng chế phNm sử dụng: 0,1 tấn/ha (mật độ vi sinh vật >108cfu/g)
- Chỉ tiêu theo dõi: Zn, Cu, Pb tổng số trong đất (xác định theo TCVN 6496 ISO 11047:1995); Zn, Cu, Pb tổng số trong cây bằng (phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử, công phá mẫu bằng phương pháp tro hóa ướt ở 5500C)
III KÕT QU¶ Vµ TH¶O LUËN
1 Ảnh hưởng của sự kết hợp vi sinh vật
- thực vật đến sinh trưởng nhóm thực vật bản địa trồng trên đất nông nghiệp
bị ô nhiễm
Trong quá trình thực nghiệm, đánh giá hiệu quả xử lý đất nông nghiệp bị ô nhiễm kim loại nặng bằng kết hợp thực vật với vi sinh vật thì việc lựa chọn các chủng làm tăng kích thích sinh trưởng của thực vật bản địa thường là tiêu chí lựa chọn đầu tiên (Baker, A J M, R D Reeves and A S M Hajar, 1994; Rufes L Chaney và cộng sự, 2007)
Số liệu bảng 1 cho thấy:
Ảnh hưởng của kết hợp 4 chủng vi sinh tuyển chọn đến sinh trưởng của thực vật bản địa trong điều kiện đồng ruộng sau thời gian 45 ngày kể từ khi trồng, thì một số loại thực vật bản địa có khả năng hấp thu kim loại nặng trong đất nông nghiệp bị ô nhiễm
ở thôn Đông Mai, Chỉ Đạo, Văn Lâm, Hưng Yên được ghi nhận với các mức độ phản ứng khác nhau
N gổ dại có phản ứng dương tính nhất với mức tăng 27,59%, sau đó đến đơn buốt (12,96%), hướng dương (11,11%) và mương đứng (8,33%)
Bổ sung hỗn hợp chủng vi sinh vật vẫn không gây hiệu quả tăng sinh khối cây dừa
Trang 3nước so với đối chứng (CTR04 so với CTR03) (Bảng 1)
Bảng 1 Sinh khối thu hoạch của các cây trồng thí nghiệm
(kg/ha)
6 CTR06: Mương đứng + Hỗn hợp 4 chủng vi sinh vật 9986,50
8 CTR08: Mương đứng + Dừa nước + Hỗn hợp 4 chủng vi sinh vật 11631,00
12 CTR12: Ngổ dại + Mương đứng + Hỗn hợp 4 chủng vi sinh vật 14877,45
14 CTR14: Hướng dương + Hỗn hợp 4 chủng vi sinh vật 8976,50
Với mô hình sử dụng cùng lúc 2 loài
thực vật, hỗn hợp chủng vi sinh vật thử
nghiệm tỏ ra không có hiệu quả đáng kể với
dừa nước - mương đứng, tuy nhiên với ngổ
dại - mương đứng thì cũng có biểu hiện dù
mức tăng sinh khối không cao (8,07% so
với đối chứng)
Khi có bổ sung vi sinh vật, mô hình ngổ
dại - mương đứng cho tổng sinh khối thực
vật thử nghiệm lớn nhất, đạt 14877,45
kg/ha sau đó đến mương đứng (9986,5
kg/ha), hướng dương (8976,5 kg/ha), ngổ
dại (7708,3 kg/ha), đơn buốt (5912,3 kg/ha)
và thấp nhất là dừa nước (3491,67 kg/ha)
So sánh hiệu lực kích thích sinh trưởng của
chế phNm vi sinh với loài cây mà các tác giả
nước ngoài đã công bố
(Hambuckers-Berhin, F., and J Remacle, 1990; Isao
Hasegawa, 2002) cho thấy mức tăng sinh
thực vật trồng trên các vùng đất nông
nghiệp bị ô nhiễm kim loại nặng của 4
chủng vi sinh vật phân lập được là khá ngang bằng
Trong sự tương tác thực vật - vi sinh vật, hệ thống rễ của thực vật hình thành mối quan hệ tương hỗ, cộng sinh với một
số lớn các vi sinh vật khác nhau sống quanh nó Các mối quan hệ này được coi như là các nhân tố chủ yếu xác định sự tồn tại, phát triển của các thực vật lẫn vi sinh vật sống trong đó (Nies, D H.,1992) Sự kết hợp này trong đất bị ô nhiễm kim loại nặng có thể bị ảnh hưởng từ 2 chiều (vi sinh vật lẫn chiều từ thực vật ký chủ) Trong mối quan hệ cộng sinh, tương hỗ này, thực vật cung cấp cho vi sinh vật vùng rễ những nguồn cácbon hữu cơ khác nhau giúp cho vi sinh vật tiến hành các hoạt động trao đổi chất cũng như chuyển hóa năng lượng Đến lượt mình, vi sinh vật ngoài việc cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng còn sinh ra các chất kích thích sinh
Trang 4trưởng thực vật, “làm giảm, khử tính độc
của kim loại”, giúp cho thực vật sinh
trưởng và phát triển tốt hơn (Tynecka, Z.,
A Malm, and T Skwarek, 1989) Như vậy
bổ sung thêm chế phNm vi sinh vật thử
nghiệm hoặc là giữ nguyên khả năng sinh
trưởng của 5 loài thực vật bản địa, hoặc là
kích thích chúng sinh trưởng tốt hơn
2 Ảnh hưởng của kết hợp 4 chủng
tuyển chọn đến khả năng hấp thu kim
loại nặng của thực vật bản địa trong
điều kiện thí nghiệm đồng ruộng
Hoạt động của các vi sinh vật làm tăng
quá trình chuyển hóa của các kim loại
trong đất gấp rất nhiều lần Ví dụ, quá
trình oxy hóa hóa học các chất sulfit thành
sulfat sẽ được tăng lên 10.000 lần khi có
mặt các vi khuNn Thiobacillus sp Với nấm
cộng sinh Mycorrhiza (AMF - Arbuscular
mycorhizal fungi), thì các bằng chứng gần
đây cho thấy có ít nhất 2 hợp chất được
tìm thấy thấy trong AMF đóng vai trò
chính trong quá trình chuyển hóa các kim
loại nặng là: Polyphosphate và Glomalin
(Vijayaraghavan K Yeoung Sang Yun
2008)
Kết quả nghiên cứu công bố năm 1994
của Bank và cộng sự (dẫn qua Watanabe M
E, 1997) khi tiến hành đánh giá mức độ ảnh
hưởng của chủng vi sinh vật khi kết hợp với
thực vật đến lượng và tốc độ hấp thu kim
loại nặng trong thí nghiệm nhà lưới đều ghi
nhận hiệu quả dương tính
Kết quả phân tích hàm lượng kim loại
nặng trong sinh khối thực vật ở bảng 2 cho
thấy:
Nguyên tố Đồng (Cu): Với giá trị
LSD0,05 tính được (1,21) không ghi nhận
được hiệu quả tăng cường tích lũy đồng
trong sinh khối cây dừa nước khi nhiễm chế
phNm vi sinh vật so với đối chứng Điều
này phản ánh kết quả đồng nhất giữa thí
nghiệm ngoài đồng ruộng với trong nhà
lưới (thử nghiệm trong nhà lưới trước đó
cũng cho kết quả như vậy) Với đơn buốt khi nhiễm thêm chế phNm vi sinh vật dù có biểu hiện khả năng tăng cường tích lũy Cu nhưng chưa rõ rệt Hiệu quả kích kích tăng cường tích lũy Cu khi bón thêm chế phNm chứa hỗn hợp vi sinh vật chỉ biểu hiện rõ với cây ngổ dại (CTR10 tăng so với CTR09
là 16,75%), hướng dương (12,30%), mương đứng (11,24%) Sự tương đồng về kết quả thí nghiệm giữa nhà lưới và ngoài đồng ruộng còn được biểu hiện rõ với mô hình sử dụng hỗn hợp 2 loại cây Khi bón thêm hỗn hợp chủng vi sinh vật cũng làm tăng hàm lượng đồng trong sinh khối của mô hình dừa nước - đơn buốt Mức tăng tổng lượng đồng tích lũy trong sinh khối lớn nhất ở ngổ dại (49%), hướng dương và đơn buốt đều đạt 25%, mương đứng đạt 21% Tuy nhiên nếu tính lượng đồng tích lũy trong sinh khối thì mô hình trồng ngổ dại - mương đứng bón thêm chế phNm vi sinh vật cho khả năng tích lũy cao nhất: 437,10g/ha/lần thu hoạch (vì tổng lượng kim loại nặng tích lũy trong sinh khối phụ thuộc cả vào hàm lượng kim loại nặng trong sinh khối cũng như tổng sinh khối sinh học của thực vật tham gia thí nghiệm
N guyên tố Chì (Pb): Hiệu quả tăng kích thích lượng chì được tích lũy trong sinh khối chỉ ghi nhận ở một vài loài thực vật thử nghiệm khi bón hỗn hợp chủng vi sinh vật Mức tăng lớn nhất xảy ra với cây hướng dương (CTR14 tăng 69,51% so với CTR13),
kế đó là dừa nước 35,87%), đơn buốt (25,36%) Mương đứng và ngổ dại dù có ghi nhận nhưng hiệu quả kích thích tăng hàm lượng chì trong sinh khối khi có bón chế phNm vi sinh là chưa cao (dù rằng kết quả thử nghiệm trong nhà lưới có ghi nhận hiệu quả dương tính, nguyên nhân có thể cần phải khảo sát kỹ) Khi xét về tổng lượng chì tích lũy trong sinh khối thì với nhóm cây ưa nước việc sử dụng mô hình ngổ dại - dừa nước và bổ sung thêm vi sinh vật tỏ ra hiệu quả cao hơn (tích lũy đạt 6.629,39g/ha/lần thu hoạch) còn với nhóm cây ưa cạn sử dụng hướng dương sẽ cho tổng lượng chì tích lũy
Trang 5là 2.715,92kg/ha/lần thu hoạch hoặc đơn
buốt là 1.396,19g/ha/lần thu hoạch
N guyên tố Kẽm (Zn): Với nguyên tố
này, ở tất cả các loại thực vật khảo sát, khi
bổ sung vi sinh vật vào đều làm tăng hàm
lượng kẽm trong sinh khối Mức gia tăng
hàm lượng kẽm trong sinh khối cây dừa
nước là cao nhất (55,72%), sau đó đến
hướng dương (38,71%), đơn buốt (20,72%), mương đứng (20,49%) và thấp nhất là ngổ dại (17,11%) Khi xem xét tổng lượng tích lũy kẽm trong sinh khối thì sử dụng ngổ dại
- mương đứng và bổ sung chế phNm vi sinh vật cho hiệu quả tích lũy kẽm lớn nhất (2206,33g/ha/lần thu hoạch)
Bảng 2 Khả năng tích lũy kim loại nặng trong thực vật khi kết hợp với vi sinh vật
thức
Hàm lượng kim loại nặng trong sinh khối thực vật (mg/kg chất khô)
Tổng lượng kim loại nặng tích lũy trong
cây (g/ha)
Trang 6IV KÕT LUËN
1 Chế phNm chứa hỗn hợp 4 chủng vi sinh vật phân lập thuộc các loài: B subtiis;
Saccharomyces cerevisiae; Glomus australe và Gibberela sp khi lây nhiễm chủ động cho
5 loài thực vật bản địa: Đơn buốt (Bidens pilosa L.), mương đứng (Ludwigia
hyssopofolia (G Don) Exell), dừa nước (Ludwidgra adscendens (L) Hara), hướng dương
(Helianthus annuus), ngổ dại (Enydra fluctuans Lour) trồng ở xã Chỉ Đạo, Văn Lâm,
Hưng Yên đã làm tăng sinh khối ngổ dại lên 27,59%, đơn buốt lên 12,96%, hướng dương 11,11%, mương đứng 8,33% nhưng không tăng sinh trưởng với cây dừa nước
2 Hiệu quả tăng cường tích lũy kim loại nặng: Lây nhiễm hỗn hợp 4 chủng vi sinh
vật tuyển chọn đều kích thích tích lũy Zn trong sinh khối thực vật của đơn buốt (Bidens
pilosa L.), mương đứng (Ludwigia hyssopofolia (G Don) Exell), dừa nước (Ludwidgra adscendens (L) Hara), hướng dương (Helianthus annuus) ngổ dại (Enydra fluctuans
Lour) nhưng với nguyên tố Cu thì hiệu quả tăng cường tích lũy chỉ xảy ra với cây cây ngổ dại (16,75%), hướng dương (12,30%), mương đứng (11,24%) và nguyên tố chì thì hiệu quả biểu hiện rõ rệt ở hướng dương (69,51%), kế đó là dừa nước (35,87%), đơn buốt (25,36%)
3 Về hiệu quả loại bỏ kim loại (đồng, kẽm, chì) khỏi đất: Với cây ưa nước thì kết hợp mương đứng - ngổ dại và bổ sung thêm chế phNm là cho hiệu quả cao nhất Với cây
ưa cạn nên dùng hướng dương hoặc đơn buốt có bổ sung chế phNm vi sinh vật
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 Azza A A A., et al Biosorption of some heavy metal ions using bacterial species
isolated from agriculture waste water drains in Egypt J of Applied Sci Reseach,
5(4)/2009
2 Rufes L Chaney et al Improved understanding of Hyperaccumulation yields
commercial phytoextraction and phytomoning technologies J Enviro Qual 36 (2007), pp 1429 - 1443
3 Vijayaraghavan K Yeoung Sang Yun, Bacterrial biosorbents and biosorption
Biotechnology Advances, 26 (2008), pp 266-291
4 Zhang X.H., Lin Ai-jun, Chen Bao-dong, Wang You-shan, Smith Sally E, Smith F
Andrew Effects of Glomus mosseae on the toxicity of heavy metals to Vicia faba,
Journal of Environmental Sciences, 18/2006: pp 721 - 726
5 Zueng Sang Chen, Relationship between heavy metal concentrations in soils of
Taiwan and uptake by crops National Taiwan University, Taiwan, 2007
TS Hồ Quang Đức
