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:
Seminar Khoa MT & TNTN, ĐHCT, 26/5/2014


Nội dung báo cáo

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


1. Làm sạch môi trường bằng thực vật
(phytoremediation)
Phytoremediation?

Thlaspi rotundifolium
(L.) GAUDIN, 1829

Alyssum wulfenianum
BENTH. EX WILLD., 1814

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).


Các chất ô nhiễm đã được nghiên cứu
bằng phương pháp phytoremediation

•
•
•
•
•

Metals (Pb, Zn, Cd, Cu, Ni, Hg), metalloids (As, Sb)
Inorganic compounds (NO3- NH4+, PO43-)
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 cơ chế của phytoremediation


Các hình thức/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:
1.
2.
3.
4.

Phytodegradation (Phytotransformation)
Phytostabilization (Phytoimmobilization)
Phytovolatilization
Phytoextraction (Phytoaccumulation,
Phytoabsorption hoặc Phytosequestration)
5. Phytofiltration
6. Rhizodegradation (Phytostimulation)

Các hình thức/cơ chế của
phytoremediation (tt)
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).


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
Kỹ thuật tại chỗ, thụ động

Giới hạn
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
Có rất ít kiến thức về canh tác, di truyền, sinh sản và bệnh
hại của các loài cây sử dụng cho phytoremediation
Nồng độ kim loại trong đất có thể gây độc và gây chết cây

Làm giảm tác động môi trường và góp
phần vào việc cải thiện cảnh quan
Chấp nhận cao của công chúng

Cung cấp môi trường sống cho động vật Nói chung, cây được chọn lọc trong xử lý kim loại
hoang dã
Giảm phát tán bụi và các chất ô nhiễm bởi Xử lý chậm hơn so với các kỹ thuật lý hóa truyền thống
gió
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 Cây có khả năng phytoremediation cao nhưng có thể không thích
nhiễm trong đất
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 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
rất dễ dàng thực hiện với công nghệ
hiện có
Sinh khối thu hoạch có thể có giá trị kinh Khu vực được khử nhiễm phải đủ lớn để cho phép áp dụng kỹ
tế

thuật canh tác
Quá trình thực vật dễ dàng kiểm soát
Độc tính và tính hữu dụng sinh học của một số sản phẩm
hơn so với vi sinh vật
quá trình phân giải vẫn chưa được biết


3. Ứng dụng của phytoremedation


Lựa chọn thực vật cho phytoextraction


Tăng hiệu quả Phytoextraction



Tóm lại: Chiến lược để tăng cường khả
năng phytomining

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



4. Một số kết quả nghiên cứu ở ĐBSCL


A. Vai trò Bồn bồn trong xử lý nước
thải cá Tra nuôi thâm canh

Lâm Thị Mỹ Nhiên & Ngô Thụy Diễm Trang (2013)


Vai trò Bồn bồn trong xử lý nước thải cá
Tra nuôi thâm canh

N: 267 g
P: 68 g

Tích lũy trong nước
N: 9% P: 31%
TP lúc kết thúc
N: 42 g
P: 10 g

Cho ăn

FCR= 1.27 – 1.62
Cây hấp thu
N: 17 %

P: 33 %

Thức ăn thừa và
phân cá
N: 173 g
P: 43 g

Tuần hoàn
trở lại

Hệ thống ĐNN
TP lúc bắt đầu
N: 38 g
P: 3,5 g

Lượng P bị loại bỏ không tính được do các quá
trình hấp phụ, cây hấp thu, kết tủa,....
N: 82 %
P: 70 %

>> 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

N: 0.2
Accumulated in water
P: 0.1

Feeding

Recycling
Excreted

N: 3.2
P: 0.4

>> Cây trồng giúp loại bỏ
6%N và 7%P từ thức ăn thêm vào

Sediment removed
N: 0.04
P: 0.02

Recovered in plants
N: 0.4
P: 0.1

Be harvested

Unaccounted
N: 45%
P: 9%

C. Vai trò của Ngãi hoa và Huệ nước trong xử lý
nước ao nuôi cá rô phi bán thâm canh
VFCW

HFCW
Aeration pipe
Inlet distribution
pipe
Drainage
pipe

Fine gravel: Ø 10–20
mm
Coarse gravel: Ø 30–50
mm
Stones: Ø 50–100 mm

Coarse gravel: Ø 30–50 mm

Inlet

0.2 m
Outlet

0.4 m

Outlet

0.3 m

0.1 m
1.25 m

3.70 m

0.6-0.8g/fish

Pond: 64m²
(40 m³)

Flow rate (L/min)
Area (m2)

HLR (mm/day)

Initial stocking:

3000

1500

750

Vertical

1.2

2.6

1.3

0.6

Horizontal

3.1

6.6

3.3

1.6

20-22g/fish

11 kg Tilapia
3.7 kg carp

22


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

Giúp loại bỏ 8,2%N & 7,9%P từ thức ăn thêm vào
23
Konnerup et al., (2011)_Aqua 313: 57-64

Chất lượng nước
QCVN 38:2011 (1 mg/L)

QCVN 38:2011 (0,02 mg/L)

QCVN 38:2011 (5 mg/L)

24
Konnerup et al., (2011)_Aqua 313: 57-64


Sinh khối và hấp thu dinh dưỡng
một số loài cây nghiên cứu

Loài thực vật

Ngãi hoa
Rau muống
Xà lách
Bồn bồn
Hỗn hợp ngãi hoa và
Huệ nước

Sinh khối thân Lượng dinh dưỡng cây hấp thu
khô (kg/ha/năm)
(kg/ha/năm)

24.460
4.890

6.996
114.300
118.500

N
725
511
134
1.235
2.464

P
234
183
37
530
571