Bài giảng 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: ntdtrang@ctu.edu.vn 
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? 
 Phyto Remediation 
Thlaspi rotundifolium (Thực vật) (Phục hồi/làm sạch) 
 (L.) GAUDIN, 1829 
 . 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). 
Alyssum wulfenianum 
BENTH. EX WILLD., 1814 
 Các chất ô nhiễm đã được nghiên cứu 
 bằng phương pháp phytoremediation 
• Metals (Pb, Zn, Cd, Cu, Ni, Hg), metalloids (As, Sb) 
 3- 4+ 3-
• Inorganic compounds (NO NH , PO4 ) 
• 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. Phytodegradation (Phytotransformation) 
 2. Phytostabilization (Phytoimmobilization) 
 3. Phytovolatilization 
 4. 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 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 Có rất ít kiến thức về canh tác, di truyền, sinh sản và bệnh 
phần vào việc cải thiện cảnh quan 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 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 
rất dễ dàng thực hiện với công nghệ của các kim loại, chúng có thể bị ngấm vào nước ngầm 
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 
 Tích lũy trong nước 
 N: 267 g N: 9% P: 31% 
 P: 68 g 
 TP lúc kết thúc 
 Cho ăn N: 42 g 
 P: 10 g 
 Tuần hoàn 
 FCR= 1.27 – 1.62 
 trở lại 
 Cây hấp thu 
 N: 17 % 
 Thức ăn thừa và P: 33 % 
 phân cá 
 N: 173 g Hệ thống ĐNN 
 P: 43 g 
 TP lúc bắt đầu Lượng P bị loại bỏ không tính được do các quá 
 N: 38 g trình hấp phụ, cây hấp thu, kết tủa,.... 
 P: 3,5 g 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 
 N: 0.2 
 P: 1.5 Accumulated in water 
 P: 0.1 
 Feeding 
 Recycling 
 Excreted 
 N: 3.2 Unaccounted 
 P: 0.4 N: 45% 
 P: 9% 
 Sediment removed Recovered in plants 
>> Cây trồng giúp loại bỏ N: 0.04 N: 0.4 
6%N và 7%P từ thức ăn thêm vào P: 0.02 P: 0.1 
 Be harvested 
 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 Coarse gravel: Ø 30–50 mm 
 Drainage 
 Fine gravel: Ø 10–20 
 pipe 
 mm 
Coarse gravel: Ø 30–50 Inlet 
mm 0.2 m 
 Stones: Ø 50–100 mm 
 0.4 m Outlet 
 0.3 m 
 Outlet 0.1 m 
 1.25 m 3.70 m 
Pond: 64m² 0.6-0.8g/fish 
(40 m³) 
 Flow rate (L/min) HLR (mm/day) Initial stocking: 20-22g/fish 
 11 kg Tilapia 
 Area (m2) 3000 1500 750 
 Vertical 1.2 2.6 1.3 0.6 3.7 kg carp 
 22 
 Horizontal 3.1 6.6 3.3 1.6 
 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 Sinh khối thân Lượng dinh dưỡng cây hấp thu 
 khô (kg/ha/năm) (kg/ha/năm) 
 N P 
Ngãi hoa 24.460 725 234 
Rau muống 4.890 511 183 
Xà lách 6.996 134 37 
Bồn bồn 114.300 1.235 530 
Hỗn hợp ngãi hoa và 118.500 2.464 571 
Huệ nước 
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) 
 Kết luận 
- Công nghệ xử lý chất ô nhiễm bằng thực vật (phytoremediation) 
 là công nghệ thân thiện với môi trường, dễ thực hiện,  
- Loài cây, tuổi cây, điều kiện dinh dưỡng, quần thể vsv ở rễ, hệ 
 số bốc thoát hơi nước, là những yếu tố ảnh hưởng 
 phytoremediation 
- Triển vọng ứng dụng công nghệ sinh học làm tối ưu khả năng 
 siêu tích lũy (hyperaccumulation) của thực vật 
- Lưu ý biện pháp giải quyết sinh khối cây 
Chân thành cảm ơn! 
 29 
 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 
 kín. Tạp chí Khoa học, trường Đại học Cần Thơ. 29a: 31-36. 
3. Trương Thị Phương Thảo, Ngô Thụy Diễm Trang, 2013. Ảnh hưởng của nồng 
 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. 
 Aquaculture, 313: 57–64. 
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.