Cơ chế làm sạch môi trường nước bằng thực vật

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

Cơ chế làm sạch môi trường nước

1 Giới thiệu cơ chế làm sạch môi trường bằng

thực vật (phytoremediation)

sạch môi trường nước ở ĐBSCL

Nội dung báo cáo

Phytoremediation?

Phyto (Thực vật)

Remediation (Phục hồi/làm sạch)

 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)

• 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:

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: K ỹ 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

Thu hoạch cây hay các bộ phận của cây

rất dễ dàng thực hiện với công nghệ

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

Drainage pipe

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

Loài thực vật Sinh khối thân

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, …

số bốc thoát hơi nước,… là những yếu tố ảnh hưởng phytoremediation

siêu tích lũy (hyperaccumulation) của thực vật

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

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

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