giáo trình công nghệ sinh học môi trường bài 7 thực vật

CÔNG NGHỆ SINH HỌC
TRONG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG
Thạc sĩ VƯU NGỌC DUNG
XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG THỰC VẬT
(PHYTOREMEDIATION)
1. GIỚI THIỆU
2. NHU CẦU DINH DƯỠNG THỰC VẬT
3. MÔ HÌNH XỬ LÝ
4. Ý NGHĨA
GIỚI THIỆU
•
Phytoremediation là kỹ thuật sinh học nhằm thực hiện xử lý ô
nhiễm đất, nước bằng cách dùng thực vật có khả năng hấp thu
hay phân hủy chất gây ô nhiễm.
•
Có thể xử lý ô nhiễm kim loại, thuốc trừ sâu, thuốc bảo vệ
thực vật, dung môi hòa tan
•
Có khả năng tái tạo đất nông nghiệp bị ô nhiễm.
Cơ chế xử lý
Chất ô nhiễm  cây:
+ Cố định
+ Chuyển hóa
+ Thải qua lá
…
NHU CẦU DINH DƯỠNG THỰC VẬT
•
Đáp ứng đủ dinh dưỡng và năng lượng ánh sáng  cây tổng
hợp các chất hữu cơ  hoạt động sinh lý, quá trình sinh
trưởng, phát triển  hoàn thành chu kỳ sống.

Dinh dưỡng
Dựa vào hàm lượng của chúng trong cây
Nguyên tố đa lượng thường có hàm lượng biến động từ 0,1 đến 1,5% khối
lượng chất khô, gồm N, P, K, Ca, S, Mg, Si…
Nguyên tố vi lượng có hàm lượng nhỏ hơn 0,1% chất khô, bao gồm các
nguyên tố: Fe, Cu, Mn, Zn, B, Mo, Na, Ni, Co…
Nguyên tố siêu vi lượng có hàm lượng vô cùng nhỏ (10-8-10-17% khối
lượng chất khô): Hg, Au, Se, Cd, Ag, Ra…
XỬ LÝ NƯỚC THẢI
•
Nước thải sinh hoạt có hàm lượng N, P, K khá cao  nguồn
phân bón thích hợp với sự phát triển của thực vật.
•
Nước thải công nghiệp có thể xử lý nếu loại bỏ các chất độc hại.
•
Sử dụng nước thải làm phân bón + xử lý theo điều kiện tự nhiên
 dùng cánh đồng tưới công cộng và cánh đồng lọc.
Nguyên tắc hoạt động :
•
Dựa trên khả năng giữ các cặn nước ở trên mặt đất, nước thấm qua đất
như qua vật liệu lọc
•
O2 trong lớp đất mặt  VSV hiếu khí phân hủy các chất ô nhiễm
•
Càng sâu, lượng oxy càng ít  oxy hóa các càng giảm
•
Cuối cùng đến độ sâu chỉ xảy ra quá trình khử nitrat.
 Cánh đồng tưới và bãi lọc thường xây dựng ở những nơi có mực nước
nguồn thấp hơn 1.5m so với mặt đất.
XỬ LÝ ĐẤT Ô NHIỄM

•
Phytodegradation: Làm giảm trực tiếp các chất ô nhiễm bằng
cách sử dụng enzyme của bản thân cây để phân hủy chất ô nhiễm.
•
Phytovolatilisation: cây có thể làm giảm chất ô nhiễm do tạo
phản ứng và sản phẩm đầu ra là các hợp chất bay hơi qua thân, lá.
•
Phytostabilization: thực vật làm biến đổi thành phần các hợp
chất mang tính độc chuyển thành hợp chất ổn định trong cơ thể
chúng.
•
Phytoextraction: chất ô nhiễm trong đất được cây trích ra và
tích tụ trong các bộ phận của cây, loại bỏ khỏi đất bằng cách thu
hoạch các cây trồng chứa chất ô nhiễm.
•
Phytostimulation: cây trồng phối hợp cùng vi sinh vật tác động
lên chất ô nhiễm, làm giảm tính độc của chất ô nhiễm.
•
Rhizofiltration: rễ cây có tác dụng như một màng lọc, giữ lại
các chất ô nhiễm trong rễ cây.
Thực vật siêu tích lũy
•
Thực vật siêu tích lũy (hyperaccumulator) được định nghĩa là
những loài có khả năng hấp thu một lượng kim loại nhiều gấp
trăm lần những loài bình thường.
•
Loài siêu tích lũy: phải hấp thu được Hg với 10ppm,100ppm
với Cd, 1000ppm đối với Cr, Cu, Pb và 10000ppm với Ni và
Zn…

Cơ chế sinh học của thực vật:
•
Khử được chất độc hại bằng phản ứng oxy hóa khử.
•
Vô hiệu hóa tác động xấu của kim loại nặng bằng cách cố định.
•
Vận chuyển được kim loại qua màng tế bào: nhờ các protein vận
chuyển (protein xuyên màng).
Một số loài thực vật có khả năng tích luỹ kim
loại nặng cao
Tên loài
Nồng độ kim loại tích luỹ trong
thân (µg/g trọng lượng khô)
Tác giả và năm công bố
Arabidopsis halleri
(Cardaminopsis halleri)
13.600 Zn Ernst, 1968
Thlaspi caerulescens
10.300 Zn Ernst, 1982
Thlaspi caerulescens
12.000 Cd Mádico et al, 1992
Thlaspi rotundifolium
8.200 Pb Reeves & Brooks, 1983
Minuartia verna
11.000 Pb Ernst, 1974
Thlaspi geosingense
12.000 Ni Reeves & Brooks, 1983
Alyssum bertholonii

13.400 Ni Brooks & Radford, 1978
Alyssum pintodasilvae
9.000 Ni Brooks & Radford, 1978
Berkheya codii
11.600 Ni Brooks, 1998
Psychotria douarrei
47.500 Ni Baker et al., 1985
Miconia lutescens
6.800 Al Bech et al., 1997
Melastoma malabathricum
10.000 Al Watanabe et al., 1998
Các giả thuyết để giải thích cơ chế và triển vọng của loại công
nghệ:
•
Giả thuyết sự hình thành phức hợp
•
Giả thuyết về sự lắng đọng
•
Giả thuyết hấp thụ thụ động
•
Sự tích luỹ kim loại là cơ chế chống lại các điều kiện stress vô
sinh hoặc hữu sinh
•
Giả thuyết sự hình thành phức hợp:
-
Cơ chế loại bỏ các kim loại độc của các loài thực vật bằng cách
hình thành phức hợp.
-
Phức hợp có thể là chất hoà tan, chất không độc hoặc là phức
hợp hữu cơ - kim loại

-
Sau đó, chuyển đến các bộ phận của tế bào có các hoạt động
trao đổi chất thấp (thành tế bào, không bào) và tích luỹ ở dạng
các hợp chất hữu cơ hoặc vô cơ bền vững.
•
Giả thuyết về sự lắng đọng: thực vật tách kim loại ra khỏi đất 
tích luỹ trong các bộ phận loại bỏ qua lá khô, rữa trôi qua biểu
bì hoặc bị đốt cháy.
•
Giả thuyết hấp thụ thụ động: sự tích luỹ kim loại là một cơ chế
thích nghi trong điều kiện bất lợi (ví dụ: hấp thụ Ni trong loại đất
serpentin).
•
Sự tích luỹ kim loại là cơ chế chống lại các điều kiện stress vô
sinh hoặc hữu sinh: hiệu lực của kim loại chống lại các loài vi
khuẩn, nấm ký sinh và các loài sinh vật ăn lá.
XỬ LÝ KHÍ THẢI
•
Quan trọng nhất ở thực vật là xử lý khí CO2…
•
Xử lý dung môi hữu cơ…
MÔ HÌNH XỬ LÝ
1. CÁNH ĐỒNG LỌC
2. CÁNH ĐỒNG TƯỚI
3. MƯƠNG LỌC
CÁNH ĐỒNG LỌC