Sử dụng sinh vật để xử lý chất hữu cơ độc hại

Từ đó ta cóthể đưa ra được định nghĩa về ô nhiễm đất như sau: “Ô nhiễm đất là sự thay đổi các thành phần, tính chất đất không phù hợp với tiêu chuẩn, quy chuẩn môi trường, gây ảnh hưởng

PHẦN 1 TỔNG QUAN

1.1 Ô nhiễm môi trường đất

Theo WHO, ô nhiễm môi trường là sự đưa vào môi trường các chất thải nguyhại hoặc năng lượng đến mức ảnh hưởng tiêu cực đến đời sống sinh vật, sức khỏe conngười hoặc làm suy thoái chất lượng môi trường Chương trình Môi trường của LiênHợp Quốc UNEP cho rằng, ô nhiễm môi trường là sự thay đổi chất lượng môi trườngtheo chiều hướng tiêu cực đối với các mục đích sử dụng môi trường [2] Từ đó ta cóthể đưa ra được định nghĩa về ô nhiễm đất như sau:

“Ô nhiễm đất là sự thay đổi các thành phần, tính chất đất không phù hợp với tiêu chuẩn, quy chuẩn môi trường, gây ảnh hưởng xấu đến hệ sinh thái đất, con người và sinh vật, đặc biệt là chức năng sản xuất của đất.”

1.2 Nguồn gốc và dạng tồn tại ô nhiễm chất hữu cơ độc hại trong đất

1.2.1 Nguồn gốc chất hữu cơ ô nhiễm

Một trong những nguyên nhân chính gây ra tình trạng ô nhiễm đất hiện nay là

do ảnh hưởng của các chất hữu cơ Trong môi trường, có rất nhiều nguồn có thể phátthải và đưa các chất hữu cơ độc hại vào đất, dẫn đến ô nhiễm đất:

- Sản phẩm phân hủy tự nhiên tàn dư hữu cơ

Tàn dư hữu cơ gồm xác động thực vật và vsv chưa bị phân giải, vẫn giữnguyên hình thể trong đất Sau khi chết, xác các sinh vật sẽ bị phân giải hoặc chuyểnhóa thành các chất mùn đặc trưng, trong đó có chứa nhiều loại axit hữu cơ R-COOH.Trong quá trình chuyển hóa tàn dư nhiều hợp chất hữu cơ mới không có mặt trongcác nguyên liệu ban đầu sẽ được hình thành

- Ô nhiễm do các hoạt động nông nghiệp như bón phân chuồng, phân bắc, hóachất bảo vệ thực vật (thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ ) Bên cạnh đó môi trường đất còn

dễ bị ảnh hưởng từ tồn lưu các kho chứa HCBVTV được xây dựng từ thế kỉ trước

Sử dụng nhiều phân hữu cơ trong điều kiện yếm khí, quá trình khử chiếm ưuthế, sẽ tạo ra nhiều axit hữu cơ làm đất chua, đồng thời tạo ra nhiều chất độc nhưH2S, CH4, CO2

Các HCBVTV có bản chất diệt sinh học nên sẽ ít nhiều ảnh hưởng đến môitrường đất Chúng có thể xâm nhập vào môi trường đất và tồn tại một thời gian dàitrong đất với các cấu trúc sinh hóa khác nhau hoặc các dạng hợp chất liên kết, từ đólàm cho tính chất đất giảm sút, làm giảm hoạt động của vsv đất, tiêu diệt không chỉvsv có hại mà cả vsv có ích, xâm nhập vào thực vật, tích lũy ở các bộ phận cây trồng.Các kho chứa HCBVTV tồn lưu hầu hết được xây dựng từ những năm 80, nên khôngtránh khỏi việc xử lý kết cấu, nền móng lỏng lẻo, xuống cấp nghiêm trọng qua từngnăm, dẫn đến lượng hóa chất thấm dần vào môi trường đất Thêm vào đó, việc sửdụng ngày càng nhiều các chất hữu cơ bền vững gây ô nhiễm (POPs) đã làm gia tăngmức tồn lưu dư lượng hóa chất trong nông sản, thực phẩm, đất, không khí và môitrường

- Hệ quả chiến tranh, tác động của các chất độc hóa học

- Ảnh hưởng từ sự cố tràn dầu, rò rỉ hóa chất

Dầu là hợp chất hữu cơ cao phân tử có đặc tính diệt sinh vật Chỉ cần một lớpdầu dù mỏng cũng gây thiếu không khí, cắt đứt quá trình trao đổi khí trong đất, ngăncản quá trình trao đổi năng lượng mặt trời của môi trường đất Khi thấm vào đất, dầuđẩy nước ra ngoài, chiếm hết các khoảng không khí trong đất, dẫn đến giảm thiểuoxy và nước, ngoài ra dầu còn làm thay đổi kết cấu và đặc tính lý hóa của đất (giảmtính đệm của dung dịch đất, tính oxy hóa, độ dẫn điện ), các hạt keo đất trơ ra vàkhông còn khả năng hấp thu, trao đổi nữa

- Do nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp ngấm vào đất

Hệ thống thoát nước sinh hoạt tại các đô thị hiện nay đều là hệ thống chungcho cả thoát nước mưa và nước thải công nghiệp Các nguồn nước thải này cùng vớinước thải bệnh viện thường chỉ được xử lý sơ bộ rồi bị thải trực tiếp vào nguồn nướcmặt, dẫn đến ô nhiễm nguồn nước ngầm, đi sâu vào đất và gây ô nhiễm đất

1.2.2 Dạng tồn tại chất hữu cơ độc hại trong đất

Các hợp chất hữu cơ khó phân hủy, các dung môi có thể được chia thành nhómcác chất có phân tử nhỏ và nhóm các chất có phân tử lớn:

- Nhóm phân tử nhỏ: các HCBVTV, sản phẩm của quá trình sản xuất côngnghiệp như PAE, DEHP, DOP

- Nhóm phân tử lớn: gồm các hợp chất cao phân tử (polymer như PVA, PEO

có khả năng hòa tan tốt), các chất tẩy có hoạt tính bề mặt LAS, và sản phẩm của nhàmáy lọc dầu, dung môi hữu cơ độc hại có độ bền vững cao, không phân cực, có khảnăng hòa tan trong dung dịch đất

Sự hòa tan: Độ hòa tan nước của các chất gây ô nhiễm hữu cơ phụ thuộc

nhiều vào mức độ tương tác của các phân tử chất gây ô nhiễm và nước Tính hòa tancủa các chất gây ô nhiễm hữu cơ trong nước là một chức năng của các tương tác phân

tử nước – chất gây ô nhiễm và giữa các chất gây ô nhiễm với nhau [2] Một số hợpchất hữu cơ có khả năng phối trộn với nước (tính pha tạp) như các alcohol đơn giản,phenol (tan vô hạn ở 660C) ., một số không có tính pha tạp như benzen,hydrocacbon nhân thơm, dẫn xuất halogen Các chất hữu cơ với tính pha tạp sẽ dễdàng được hòa tan vào dung dịch đất, từ đó gây ô nhiễm đất

Sự bốc hơi: Sự bốc hơi (Evaporation) là sự chuyển dời từ thể rắn hoặc lỏng

nguyên chất sang thể khí, chất ô nhiễm thể tinh khiết hiện diện trong vùng hơi, từ đócác phân tử chất gây ô nhiễm chuyển vào không khí đất, có thể coi áp suất hơi củahợp chất hữu cơ như khả năng hòa tan của nó trong không khí [2]

Sự làm bay hơi: Sự làm bay hơi (Volatilization) là việc chuyển chất ô nhiễm

giữa thể nước và thể khí, là hợp phần quan trọng của việc di chuyển nhiều hợp chấthữu cơ trong vùng khí, khác với sự bốc hơi là chuyển dạng phân tử chất ô nhiễm

1.3 Ảnh hưởng của ô nhiễm chất hữu cơ độc hại đến sinh vật đất

Đất bị ô nhiễm chất hữu cơ độc hại tùy từng loại chất hữu cơ mà sẽ cónhững tác động khác nhau đến môi trường và sinh vật Nhưng nhìn chung, chúng đềugây ra nhiều tác động tiêu cực trực tiếp đến hệ sinh vật đất như ức chế, ngăn chặn các

hoạt động của vsv và kìm hãm sự phát triển của thực vật qua tác động đến hệ rễ gâychết cây,suy giảm các loài động vật đất dẫn tới làm giảm đa dạng sinh học của đất.

Nó gây ảnh hưởng gián tiếp đến sinh vật đất thông qua việc làm biến đổi tính chấtđất, suy thoái chức năng sản xuất và nuôi dưỡng sự sống của đất

Các chất hữu cơ khó phân huỷ POPs được xem là nhóm hợp chất hữu cơ độcnhất trong các loại hoá chất hữu cơ độc hại mà con người biết đến, có mức độ độctính cao tác động nghiêm trọng đến con người và môi trường POPs gồm 12 hóa chấtnguy hiểm, độc hại và phổ biến nhất là: Aldrin, Chlordane, Dieldrin, Dioxins(PCDDs), Dichloro – Diphenyl – Trochloroethane (DDT), Endrin, Furans (PCDFs),Heptachlor, Hexachlorobenzene (HBC), Mirex, Polychlorinated Biphennyls (PCBs),

Toxaphene còn gọi là Camphechelor [7] Các nguồn gốc gây ô nhiễm chất hữu cơ

độc hại hầu như đều chứa POPs Ví dụ như trong thành phần của HCBVTV có đến 9loại POPs là DDT, Toxaphene, Aldrin, Dielrin, Eldrin, Heptachlor, Mirex,Hexachlorobenzene, Chlordane Trong sản xuất công nghiệp và sự cố về dầu sẽ thảiPCBs vào môi trường,…

HCBVTV có tác động rất độc đối với cơ thể các sinh vật, tồn dư lâu dài trongđất, nước và tác động đến sinh vật một cách không phân biệt Nghĩa là chúng khôngchỉ tiêu diệt sâu bọ, côn trùng có hại mà đồng thời cũng tiêu diệt cả nhiều loài sinhvật có ích Khi sử dụng HCBVTV, có khoảng 50% rơi vào đất, chúng sẽ bị biến đổi

và phân tán theo nhiều con đường khác nhau nên chúng sẽ tích lũy không chỉ trongđất mà cả trong nước mặt và nước ngầm, thậm chí trong cả các cặn lắng và khôngkhí Ở trong đất HCBVTV tác động vào khu hệ vsv đất, giun đất và những động vậtkhác làm hoạt động cuả chúng giảm, chất hữu cơ không phân hủy, đất nghèo dinhdưỡng Sau đó chúng âm nhập và tích lũy trong chuỗi thức ăn gây hiện tượng phóng

đại sinh học [2] Vậy nên bên cạnh những tác động có lợi cho cây trồng cũng như

năng suất chất lượng sản phẩm , khi sử dụng HCBVTV không hợp lý sẽ dẫn đếnnhững tác động có hại lên tất cả các HST

Theo thành phần hóa học, HCBVTV có nguồn gốc hữu cơ được chia làm 3nhóm chính là các hợp chất cơ clo, cơ photpho và cacbamat Mỗi nhóm lại có độctính và mức độ ảnh hưởng khác nhau tới sinh vật HCBVTV cơ clo có độc tính caonhất, thời gian phân hủy dài nên đã bị cấm sử dụng, ví dụ DDT có thời gian phân hủy

là 20 năm tác động mạnh đến sự phát triển của sinh vật Các hợp chất cơ photpho vàcacbamat cũng có độc tính cao nên cũng rất nguy hiểm

Theo đối tượng tác động, HCBVTV được chia thành rất nhiều loại nhưng chủyếu được kể đến là thuốc diệt nấm, thuốc diệt cỏ, thuốc diệt côn trùng Trong đó,mức độ gây độc của thuốc diệt nấm mạnh nhất rồi đến thuốc diệt côn trùng sau cùng

Tóm lại, HCBVTV là một trong những nguyên nhân quan trọng gây ô nhiễmchất hữu cơ độc hại trong đất Nó ngăn cản quá trình hô hấp đất, giảm độ thoáng khítrong đất; làm rối loạn các enzyme đất; tăng tích lũy các độc chất vào đất gây tácđộng mạnh đến HST đất đặc biệt là các quần thể vsv và hệ rễ thực vật và sinh vậtvùng rễ dẫn đến làm suy giảm đa dạng sinh học Ngoài ra, nó còn tác động đến cácchu trình sinh địa hóa C, N, P và các phản ứng sinh hóa làm giảm năng suất, chấtlượng sản phẩm Nó di chuyển, phân tán ra các HST khác gây ô nhiễm, suy thoái môitrường

1.4 Tình hình ô nhiễm đất do chất hữu cơ độc hại ở VN

Cùng với quá trình tăng trưởng kinh tế, Việt Nam đang phải đối mặt với nhiềuthách thức lớn về suy thoái tài nguyên đất, ô nhiễm không khí, ô nhiễm nguồn nước,suy giảm diện tích rừng và đa dạng sinh học Trong đó, tình trạng ô nhiễm đất do cáchợp chất hữu cơ độc hại đang ngày càng trở nên nghiêm trọng

Ô nhiễm đất do chất thải nguy hại (CTNH) là một trong những nguyên nhângây ô nhiễm các chất hữu cơ độc hại trong đất như clo hữu cơ, photpho hữu cơ,cacbamat…, đặc biệt là POPs Ở Việt Nam, ô nhiễm đất do CTNH có thể do các khucông nghiệp, rác thải y tế, kho HCBVTV, khu tồn lưu chất độc hóa học Theo thống

kê của cục Bảo vệ Môi trường thì tổng lượng CTNH phát sinh mỗi năm tại 3 khu vựckinh tế trọng điểm khoảng 113188 tấn/năm Trong đó ở khu vực kinh tế trọng điểmmiền Bắc là 28739 tấn, khu vực KTTĐ miền Trung là 4117 tấn và miền Nam là

xử lý hóa chất bảo vệ thực vật hữu cơ theo mục đích sử dụng đất thì hiện có khoảng

200 điểm ô nhiễm tồn lưu do hóa chất bảo vệ thực vật có mức độ rủi ro cao gây ônhiễm môi trường nghiêm trọng và đặc biệt nghiêm trọng, ảnh hưởng đến môi trường

và sức khỏe cộng đồng [8] Nghệ An là tỉnh có nhiều điểm tồn lưu HCBVTV nhất

với 189 điểm bị ô nhiễm nghiêm trọng và đặc biệt nghiêm trọng (gần 80% số điểm bị

ô nhiễm trên toàn quốc) Thành phần chứa nhiều POPs độc tính cao đã bị cấm sửdụng ở nước ta Tại các điểm chịu ảnh hưởng nghiêm trọng và đặc biệt nghiêm trọngthì các chất tồn lưu chủ yếu là Lindane vượt từ 37,4 đến 3458 lần; DDT vượt từ 1,3đến 9057,8 lần; Aldrin vượt 218,9 lần; DDT vượt 98,4 lần so với QCVN 04:2008 [9].Chưa kể đến tồn dư HCBVTV trong đất do các hoạt động nông nghiệp Dư lượngHCBVTV trong một số đất ở ngoại thành Hà Nội ở mức trung bình, tuy nhiên hàmlượng DDT lại khá cao tại Nam Hồng-Đông Anh là 0,4 vượt ngưỡng cho phép 4 lần,ngoài ra còn tồn dư POPs khác là Lindane…[2]

Ở nước ta còn tồn đọng một số hóa chất có độc tính rất cao rải rác ở các địaphương như chất độc Cyanua trong các khu đào đãi vàng tự do trái phép Đặc biệt ởnhiều tỉnh miền Trung và Tây nguyên vẫn còn tồn lưu chất độc màu da cam Dioxin

từ thời chiến tranh, đến nay đã hơn 30 năm nhưng nó vẫn tồn tại ở mức tương đươngvới đất tại các nước công nghiệp phát triển nhưng vẫn ở trong ngưỡng cho phép, đặcbiệt ở vùng rừng núi gây mất rừng, xói mòn đất, giảm nghiêm trọng biomass C, N,

Tại khu vực sân bay Biên Hòa và Đà Nẵng, Phù Cát là 3 điểm nóng tập trung Dioxin,nồng độ Dioxin trong đất cao so với mức nền của thế giới.

Hiện nay, ở các vùng nông thôn miền Bắc, tập quán sử dụng phân bắc và phânchuồng tươi trong canh tác vẫn còn phổ biến Chỉ tính riêng trong nội thành Hà Nội,hằng năm lượng phân bắc thải ra khoảng 550000 nghìn tấn, trong khi đó công ty Vệsinh môi trường chỉ đảm bảo thu được 1/3, số còn lại được nông dân chuyên chở vềbón cho cây trồng, gây mất vệ sinh và gây ô nhiễm sinh học nghiêm trọng cho đất.[2]

Chất thải hữu cơ từ hoạt động chăn nuôi cũng là nguyên nhân gây ô nhiễm chấthữu cơ độc hại trong đất bao gồm chất thải rắn (phân, chất độn chuồng, thức ăn thừa,xác động vật), chất thải lỏng (nước tiểu, nước rửa chuồng,…), chất thải khí (CO2,NH3 ) Trong tổng số 23500 trang trại chăn nuôi, mới có khoảng 1700 cơ sở có hệthống xử lý chất thải Theo ước tính, có khoảng 40-50% lượng CTR chăn nuôi được

xử lý, số còn lại thải trực tiếp ra ao, hồ, kênh, rạch hoặc bón trực tiếp lên đất trồng[9]

PHẦN 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC TRONG XỬ LÝ ĐẤT Ô

NHIỄM CHẤT HỮU CƠ ĐỘC HẠI

2.1 Sự tương tác của chất hữu cơ độc hại với các yếu tố môi trường đất

2.1.1 Ảnh hưởng của các yếu tố MT đất đến quá trình chuyển hóa chất hữu cơ độc hại

Đất canh tác là nơi tập trung nhiều dư lượng HCBVTV Theo kết quả nghiêncứu thì phun thuốc cho cây trồng có tới 50% số thuốc rơi xuống đất, ngoài ra còn cómột số thuốc rải trực tiếp vào đất Khi vào trong đất một phần thuốc trong đất đượccây hấp thụ, phần còn lại thuốc được keo đất giữ lại Thuốc tồn tại trong đất dần dầnđược phân giải qua hoạt động sinh học của đất và qua các tác động của các yếu tố lý,hóa Tuy nhiên tốc độ phân giải chậm nếu thuốc tồn tại trong môi trường đất vớilượng lớn, nhất là trong đất có hoạt tính sinh học kém Những khu vực chôn lấpHCBVTV thì tốc độ phân giải còn chậm hơn nhiều Thời gian tồn tại của hóa chấttrong đất dài hay ngắn tùy thuộc vào nhiều yếu tố môi trường [1]

Quá trình phân hủy sinh học là sự bẻ gãy các hợp chất hữu cơ qua hoạt tínhsinh học Những hợp chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học như những nguồnthức ăn hoặc cơ chất cho vsv Sự dễ tiêu của các chất dinh dưỡng , sự trù phú các vsvtrong một môi trường được xác định bằng độ dễ tiêu chất dinh dưỡng, cũng như bởinhiều yếu tố hóa lý khác nhau như pH, Eh, nhiệt độ, thành hần cơ giới và độ ẩm đất,

có vai trò quan trọng trong quá trình chuyển hóa chất hữu cơ độc hại Trong đó, sự cómặt của oxy, hàm lượng chất hữu cơ, độ dễ tiêu nitơ và độ dễ tiêu sinh học là cực kỳquan trọng

Oxy rất quan trọng trong việc xác định độ lớn và tốc độ phân hủy sinh học,trong các môi trường hiếu khí hay kỵ khí:

- Khi có oxy, nhiều vsv dị dưỡng khoáng hóa nhanh các hợp chất hữu cơ.Trong quá trình phân hủy, một số cacbon bị oxy hóa hoàn toàn thành CO2 và cungcấp năng lượng cho tăng trưởng, một số cacbon được sử dụng như những vật liệu cấutrúc trong tạo thành các tế bào mới Năng lượng được sử dụng cho tăng trưởng đượctạo thành qua hàng loạt những phản ứng oxy hóa – khử (Redox) mà trong đó oxy

phân hủy sinh học hiếu khí có khả năng phân hủy các hydrocacbon béo mạch thẳng,hydrocacbon mạch vòng và hydrocacbon thơm.

- Trong những môi trường đất yếm khí, quá trình kỵ khí xảy ra khi tốc độ tiêuthụ bởi vsv lớn hơn lớn hơn tốc độ khuếch tán oxy đi qua hoặc không khí hoặc nước.Khi thiếu oxy, các hợp chất hữu cơ có thể bị khoáng hóa qua hô hấp kỵ khí mà trong

đó một chất nhận electron khác với oxy được sử dụng Hàng loạt các chất nhậnelectron thay đổi trong môi trường kể cả sắt, nitrat, mangan, sunphat, và cacbonat.Một khi không có những chất nhận electron, tăng trưởng dưới những điều kiện kỵ khí

sẽ không bao giờ hiệu quả như tăng trưởng trong điều kiện hiếu khí Nhiều trườnghợp dễ phân hủy hiếu khí như các chất béo bão hòa lại rất khó phân hủy kỵ khí Tuynhiên, trong ít nhất là một nhóm của hợp chất – những hợp chất bị halogen hóa cao –những chất thay thế halogen bị loại trừ nhanh hơn trong những điều kiện kỵ khí.Nhưng một khi sự khử halogen xảy ra, phân tử còn lại thể hiện tính đặc trưng nhiềuhơn và thường bị phân hủy nhanh hơn và linh động ở điều kiện hiếu khí so với kỵkhí

Các quần thể vsv và hàm lượng CHC trong đất: Ở các lớp đất mặt có mộtlượng lớn các vsv Số lượng vi khuẩn nhìn chung dao động từ 106 đến 109 cá thể/gđất Số lượng nấm ít hơn, dao động từ 104 đến 106 cá thể/g đất Và số lượng vsv trongđất sẽ giảm dần theo chiều sâu tầng đất, càng xuống tầng đất dưới vsv càng ít đi cả về

số lượng và thành phần loài Sự suy giảm sinh vật theo độ sâu các tầng đất này cómối quan hệ tỷ lệ thuận với hàm lượng CHC tự nhiên có trong đất Đó là quá trìnhkhoáng hóa, hình thành mùn và tích lũy CHC đất nhờ sinh vật đất Có thể hiểu rằngCHC trong đất là chìa khóa trong bảo vệ sức khỏe của đất, nó làm tăng khả năng đệmcủa đất với các nhân tố ô nhiễm độc hại như: thuốc trừ sâu, CHC độc hại và KLN

Độ dễ tiêu nitơ trong đất: Nitơ là nguyên tố đại lượng thường hạn chế hoạt tínhsinh học bởi vì nó là phần cần thiết của nhiều chất chuyển hóa nòng cốt của vsv vàtạo dựng khối lượng sinh khối trong đó có protein và axit amin Nhìn chung, vsv có

tỷ lệ C:N trung bình trong sinh khối của chúng khoảng 5:1 đến 10:1 phụ thuộc vàoloại vsv, do đó, tỷ lệ C:N của vật liệu bị phân hủy sinh học phải là 20:1 hoặc nhỏ hơn

Sự khác biệt trong tỷ lệ là do khoảng 50% cacbon bị chuyển hóa được giải phóng ra ởdạng cacbon dioxit, trong khi đó hầu như toàn bộ nitơ được chuyển hóa được chuyểntrực tiếp vào sinh khối vsv [2]

2.1.2 Cơ chế chống chịu của sinh vật đất với các chất ô nhiễm hữu cơ độc hại

Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng các quần thể vi sinh vật trong môi trường đấtluôn luôn có khả năng thích nghi đối với sự thay đổi điều kiện sống, trong đó có sựgia tăng ô nhiễm các chất hữu cơ vào đất Vi sinh vật trong đất có thể phát triển cơchế phân hủy, chuyển hóa chất hữu cơ độc hại Vi sinh vật tổng hợp ra các enzymemen phân hủy, các enzyme này vừa mang tính đặc hiệu, lại vừa có tính chuyển đổi

Vi sinh vật có thể linh họat thay đổi con đường điều khiển và trao đổi chất của chúng,cùng một lúc có thể sinh ra các lọai enzyme khác nhau để thích nghi với những môitrường khác nhau, giúp phân hủy và chuyển hóa các chất gây ô nhiễm trong môitrường [10]

Hơn nửa thế kỷ nay, chất hữu cơ tổng hợp nhân tao ồ ạt ra đời, đó là các thuốctrừ sâu, thuốc trừ cỏ, chất tẩy rửa, chất tạo dẻo,…Một trong những mục đích ban đầukhi sáng chế ra những chất đó là đòi hỏi phải có tính ổn định cao Bởi vậy khi vi sinhvật tiếp xúc với những chất đó, lúc đầu không phân hủy được là dễ hiểu Do vi sinhvật có các lọai hình trao đổi chất cực kỳ đa dạng và có năng lực biến dị mạnh, từ cácchủng biến dị có thể chọn ra đươc những chủng có khả năng phân hủy cao các chấtgây ô nhiễm độc hại, thậm chí cả những chất mà trước đây được cho là không thểphân hủy được Cho nên có thể nói, hầu hết các chất hữu cơ tồn tại trong thiên nhiênđều có thể bị vi sinh vật phân hủy

Một số vi sinh vật có khả năng phá huỷ sự phức tạp trong cấu trúc hoá học vàhoạt tính sinh học của HCBVTV Chúng có thể phân huỷ HCBVTV và dùng nó như

là nguồn cung cấp chất dinh dưỡng, cung cấp cacbon, nitơ và năng lượng để chúngxây dựng cơ thể, khi ấy nó sẽ bị phân huỷ và rốt cuộc sẽ biến mất khỏi đất

2.2 Ứng dụng PP sinh học trong xử lý đất ô nhiễm chất hữu cơ độc hại

2.2.1 Các phương pháp sinh học trong xử lý ô nhiễm chất hữu cơ độc hại

Các biện pháp vật lý và hóa học như tách chiết, rửa, xử lý nhiệt, xử lý bằng hóachất, chỉ thích hợp với những chất nguy hại có mức độ độc hại cao, tại những

“điểm nóng” như các kho HCBVTV, kho thuốc diệt cỏ tồn đọng từ ngày chiến tranh,còn đối với đất bị ô nhiễm ở diện rộng như dư lượng HCBVTV do nông dân sử dụng

trong nông nghiệp, sự cố tràn dầu, chất diệt cỏ do quân đội Mỹ rải trong chiến tranh,

… thì các biện pháp kể trên vừa ít hiệu quả, vừa tốn kém Do vậy, biện pháp hợp lý

và khả thi nhất là biện pháp sinh học [2] Trong đó hai phương pháp sinh học được sửdụng rộng rãi hiện nay là phương pháp xử lý ô nhiễm bằng vsv và phương pháp xử lý

ô nhiễm bằng thực vật

Việc loại bỏ có hiệu quả tồn dư HCBVTV là một trong các khó khăn chính mànền nông nghiệp phải đối mặt Vi sinh vật đất được biết đến như những cơ thể có khảnăng phân huỷ rất nhiều HCBVTV dùng trong nông nghiệp Trong những năm gầnđây xu hướng sử dụng vi sinh vật để phân huỷ lượng tồn dư HCBVTV một cách antoàn được chú trọng nghiên cứu Phân huỷ sinh học tồn dư HCBVTV trong đất, nước,rau quả là một trong những phương pháp loại bỏ nguồn gây ô nhiễm môi trường, bảo

vệ sức khoẻ cộng đồng và nền kinh tế [2]

Biện pháp phân huỷ HCBVTV bằng tác nhân sinh học dựa trên cơ sở sử dụngnhóm vi sinh vật có sẵn môi trường đất, các sinh vật có khả năng phá huỷ sự phức tạptrong cấu trúc hoá học và hoạt tính sinh học của HCBVTV Nhiều nghiên cứu chothấy rằng trong môi trường đất quần thể vi sinh vật trong môi trường đất luôn luôn cókhả năng thích nghi đối với sự thay đổi điều kiện sống [2] Ở trong đất, HCBVTV bịphân huỷ thành các hợp chất vô cơ nhờ các phản ứng oxy hoá, khử, thuỷ phân xảy ra

ở mọi tầng đất và tác động quang hoá xảy ra ở tầng đất mặt, hoặc bị tập đoàn vsv đấtphong phú phân hủy và được sử dụng như một nguồn cung cấp chất dinh dưỡng,cung cấp cacbon, nitơ và năng lượng để vsv xây dựng cơ thể Quá trình phân huỷ của

vi sinh vật có thể gồm một hay nhiều giai đoạn, để lại các sản phẩm trung gian vàcuối cùng dẫn tới sự khoáng hóa hoàn toàn sẩn phẩm thành CO2, H2O và một số chấtkhác Một số loài thuốc thường chỉ bị một số loài vi sinh vật phân huỷ Nhưng có một

số loài vi sinh vật có thể phân huỷ được nhiều HCBVTV trong cùng một nhóm hoặc

ở các nhóm thuốc khá xa nhau Quá trình phân hủy HCBVTV của sinh vật đất đã xảy

ra trong môi trường có hiệu xuất chuyển hoá thấp Để tăng tốc độ phân huỷHCBVTV và phù hợp với yêu cầu xử lý, người ta đã tối ưu hoá các điều kiện sinhtrưởng và phát triển của vi sinh vật như: pH, môi trường, độ ẩm, nhiệt độ, dinhdưỡng, độ thoáng khí, bổ sung vào môi trường đất chế phẩm sinh vật có khả năngphân huỷ HCBVTV [2]

Một số trở ngại có thể sử dụng vi sinh vật trong xử lý sinh học là những điềukiện môi trường tại nơi cần xử lý, như sự có mặt của các kim loại nặng độc, nồng độ

các chất ô nhiễm hữu cơ cao có thể làm cho vi sinh vật tự nhiên không phát triểnđược và làm chết vi sinh vật đưa vào, giảm đáng kể ý nghĩa đáng ý nghĩa thực tế của

2.2.2 Sử dụng thực vật trong xử lý đất ô nhiễm chất hữu cơ độc hại

Trong những năm gần đây, người ta quan tâm rất nhiều về công nghệ sử dụngthực vật để xử lý môi trường bởi nhiều lý do: diện tích đất và nước ô nhiễm ngàycàng tăng, các kiến thức khoa học về cơ chế, chức năng của sinh vật và HST, áp lựccủa cộng đồng, sự quan tâm về kinh tế, chính trị… Công nghệ sử dụng thực vật xử lý

đất ô nhiễm (Phytoremediation) ngày nay đã được ứng dụng như một công nghệ

mang tính chất thương mại, có thể áp dụng cho nhiều loại chất ô nhiễm, cung cấp cácgiải pháp xử lý đất một cách thân thiện với môi trường và bền vững Nguyên lý củaphương pháp này dựa trên các đặc tính tự nhiên của thực vật để xử lý đất ô nhiễmnhư khả năng tích lũy sinh học, phân hủy,… làm các chất ô nhiễm trở nên vô hại

2.2.2.1 Các cơ chế xử lý đất ô nhiễm của thực vật

- Chuyển dạng chất ô nhiễm (Phytotransformation hoặc Phytodegradation)

Phytotransformation là sự phân giải chất ô nhiễm nhờ các quá trình chuyển hóachất bên trong thực vật hoặc bên ngoài thực vật nhờ tác dụng của các hợp chấtenzymes do thực vật tiết ra, cơ chế chính là thực vật hấp thụ và chuyển hóa chất ô

nhiễm Ngoài ra, sự phân giải có thể xảy ra ở bên ngoài thực vật, khi đó chất ô nhiễm

sẽ giải phóng do sự chuyển hóa Sự phân giải đó do các nhóm vi sinh vật gây ra hoặc

do tác động của các vi khuẩn nốt sần ở rễ thực vật [11]

Cơ chế này được áp dụng trong trường hợp của các chất ô nhiễm hữu cơ,chẳng hạn như thuốc trừ sâu, trừ cỏ, đất giàu amoni, photphat, thuốc nổ, dung môi,hóa chất công nghiệp, và các chất xenobiotic khác

Các loài thực vật dùng cho cơ chế này là: Cây có hệ thống rễ sâu (cây dương,cây liễu, bãi cỏ (cỏ linh lăng, cỏ đuôi trâu…), cây họ đậu [2]

a Sự hấp thụ:

Đối với sự phân giải xảy ra ở bên trong thực vật, các hợp chất sẽ được thực vậtgiữ lại Một nghiên cứu cho thấy hơn 70 chất hữu cơ tiêu biểu cho các hợp chất đượcgiữ lại và được tích lũy bởi 88 loài thực vật Một dữ liệu đã chứng minh kiểm tra cácnhóm chất hóa học và các mẫu thực vật đã phát hiện liên quan đến sự hấp thu các hợpchất hữu cơ Sự hấp thu phụ thuộc tính kị nước, tính tan và tính phân cực Tính kịnước vừa phải của các hợp chất hữu cơ (log Kwo trong khoảng 0.5 đến 3.0) thì dễdàng giữ lại và chuyển vào trong thực vật Tính tan nhiều của hợp chất (sự thấm hút

bề mặt thấp) sẽ không hấp thụ bên trên bề mặt rễ hoặc chuyển vào bên trong thực vật.Các phân tử không phân cực với trọng lượng phân tử < 500 sẽ hấp thụ đến bề mặt của

rễ, trong khi các phân tử có cực sẽ đi vào rễ và được chuyển dời đi

Sự hấp thụ của Phyto-degradation trong đất

Sự hấp thụ hợp chất hữu cơ của thực vật có thể phụ thuộc từng loại thực vật,tính chất của chất ô nhiễm và nhiều yếu tố vật lý và hóa học đặc trưng khác ở trongđất

b Sự chuyển hoá:

Sự chuyển hóa bên trong thực vật đã đồng nhất hóa các nhóm hợp chất hữu cơriêng biệt, bao gồm thuốc diệt cỏ atrazine, chất khử trùng bằng clo có khả năng hòatan TCE, và thuốc nổ TNT Sự chuyển hóa các hợp chất khác ngay cả thuốc trừ sâuDDT, thuốc diệt nấm hexachlorobenzenne (HCB), PCP, chất làm mềm dẻodiethylhexylphthalate (DEHP) và PCBs trong nuôi cấy tế bào thực vật

Sự chuyển hóa chất ô nhiễm

Ưu điểm:

Có những cây có thể phát triển trong đất cằn và trong đất có môi trường độcvới vi sinh vật Như vậy, sự phân hủy bởi thực vật tiềm tàng có thể xuất hiện trongnhững đất nơi mà vi khuẩn không thể phân hủy

- Xử lý tại vùng rễ (Rhizosphere Bioremediation)

Xử lý tại vùng rễ là quá trình phân huỷ chất ô nhiễm hữu cơ trong đất thôngqua quá trình hoạt động của vinh sinh vật Ở những vùng rễ của các loài cây ứngdụng biện pháp này thường có số lượng vi sinh vật rất lớn [11] Nguyên nhân là donhững loài cây này có thể tiết ra những hợp chất hữu cơ như đường, amino acids,

acid hữu cơ, acid béo, sterols, nhân tố sinh trường, nucleotides, flavanone, enzyme vàcác hợp chất khác những hợp chất hữu cơ này sẽ trở thành nguồn dinh dưỡng cungcấp cho các vi sinh vật trong vùng rễ phát triển Ngoài ra trong quá trình phát triển,

bộ rễ của cây không ngừng mở rộng tạo làm thay đổi tính chất của đất, giúp cho oxy

đi vào vùng rễ, điều này cũng góp phần gián tiếp giúp cho các vi sinh vật phát triển

Có thể hiểu biện pháp này chính là việc sử dụng khéo léo mối quan hệ cộng sinh của

vi sinh vật trong đất với cây Một số chủng vi sinh vật có chức năng này như Pseudomonas, Mycobacterium, Flavobacterium, Acinetobacter, Arthrobacter, Bacillus và Nocardia.

Chính vì lẽ đó mà biện pháp này chủ yếu sử dụng để xử lý đất hoặc bùn lắng bị

ô nhiễm các chất hữu cơ như PCBs, HCBVTV (thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, ),BTEX, TPH, PAHs

Các loài được sử dụng cho công nghệ này là cỏ có rễ sợi (cỏ đuôi trâu, cỏ linhlăng), cây sản xuất các hợp chất phenol, cây họ đậu, bạc hà lục, thực vật thủy sinh

Quá trình phân hủy chất hữu cơ theo cơ chế Rhizodegradation

Ưu điểm:

- Phân hủy tại chỗ các chất ô nhiễm

- Sự di chuyển của hợp chất vào cây hay vào không khí theo các công nghệ xử

lý ô nhiễm bằng thực vật khác có thể ít hơn so với công nghệ này vì quá trình phânhủy xảy ra ngay tại nguồn gây ô nhiễm

- Có thể xảy ra quá trình khoáng hóa của chất ô nhiễm

- Chi phí thiết lập và bảo trì thấp so với các phương pháp xử lý khác

Nhược điểm:

- Cần khoảng thời gian dài cho sự phát triển rộng vùng rễ

- Cấu trúc và độ ẩm của đất có thể giới hạn chiều dài rễ

- Vùng rễ có thể làm tăng tốc độ phân hủy ban đầu nhưng phạm vi và mức độphân hủy cuối cùng có thể là giống nhau trong cả hai trường hợp đất thuộc vùng rễ vàđất không rễ

- Sự hấp thụ của cây trồng có thể xảy ra với nhiều chất gây ô nhiễm

- Cần bón bổ sung phân cho cây do sự cạnh tranh chất dinh dưỡng của vi sinhvật

- Dịch tiết của rễ cũng kích thích sự phát triển của các vi khuẩn không phânhủy chất ô nhiễm, làm tổn hại các vi khuẩn phân hủy chất ô nhiễm

- Vi sinh vật có thể sử dụng các nguồn chất hữu cơ từ cây thay cho các chất ônhiễm, do đó làm giảm lượng chất ô nhiễm phân hủy sinh học

- Cố định các chất ô nhiễm (Phytostabilization)

Cố định các chất ô nhiễm được hiểu là biện pháp cố định các chất ô nhiễmtrong đất bằng cách hấp thụ hay hấp phụ chúng lên trên bề mặt rễ hoặc cố định lạitrong vùng rễ của cây để làm giảm khả năng di động đồng thời sử dụng hệ rễ thực vật

để ngăn cản sự di chuyển của các chất ô nhiễm dưới tác dụng của gió, xói mòn donước, thấm sâu và phân tán đất Trong biện pháp này thì chúng ta hiểu rằng cây sẽkhông tích lũy chất ô nhiễm, không sử dụng chất ô nhiễm làm nguồn dinh dưỡng màđơn thuần chỉ là cố định nó [11]

Phương pháp này thường được áp dụng để xử lý các chất hữu cơ kỵ nước, sửdụng các loài cỏ có rễ sợi, ưa nước ngầm, cây có hệ thống rễ sâu để cố định, chốngxói mòn đất [2].

Phytostabilization xảy ra thông qua sự hoạt động của vi sinh vật và phản ứnghóa học ở vùng rễ làm thay đổi môi trường đất hoặc các chất ô nhiễm hóa học Dịchtiết từ rễ thực vật hoặc sự tạo thành cacbonic cũng có thễ làm thay đổi pH trong đất.Phytostabilization cũng có thể tác động đến sự phân hủy của hợp chất hữu cơ

Ưu điểm:

- Xử lý và cải tạo đất bị ô nhiễm

- Làm giảm tính linh động của các chất ô nhiễm mà không tạo ra các chất ônhiễm trung gian

- Chi phí thấp và đơn giản hơn so với việc khắc phục hậu quả bằng công nghệ

- Công nghệ này giúp tăng cường sự màu mỡ của đất đồng thời thúc đẩy sựsinh trưởng của hệ sv, tăng cường phục hồi hệ sinh thái đất

- Cố định hạn chế sự phát tán các chất ô nhiễm trong đất

Nhược điểm: