1. Công nghệ Phytoremediation trong xử lý ô nhiễm kim loại nặng

Ô nhiễm đất bởi kim loại nặng từ nhiều nguồn khác nhau đang ngày càng trở nên phổ biến và tăng dần về diện tích, là một mối quan tâm lớn đối với toàn thế giới, vì có ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người. Do đó phương pháp giảm tác động của kim loại nặng đối với cây trồng là hết sức cần thiết. Trong số các cách tiếp cận khác nhau để phục hồi đất bị ô nhiễm kim loại nặng tại chỗ, đặc biệt chú ý đến các công nghệ xử lý ô nhiễm (công nghệ xanh và sạch), như làm giảm hàm lượng kim loại nặng bằng phương pháp sinh học dựa trên việc sử dụng các thực vật tự nhiên hoặc biến đổi gen- công nghệ Phytoremediation.

Phytoremediation là một công nghệ mới nổi sử dụng thực vật sống để loại bỏ, phân hủy hoặc chứa các chất gây ô nhiễm môi trường như kim loại nặng, thuốc trừ sâu, dung môi, thuốc nổ và dầu thô. Phương pháp xử lý dùng thực vật được phát triển với nhiều cách thức áp dụng khác nhau trong việc làm sạch môi trường, và có thể được phân loại thành nhiều cơ chế khác nhau bao gồm Phytoextraction (sử dụng thực vật để chiết xuất và loại bỏ kim loại nặng khỏi đất), Phytostabilization (sử dụng thực vật để giảm khả dụng sinh học của kim loại nặng trong đất), Phytovolatilization (sử dụng thực vật để hấp thụ kim loại nặng từ đất và thải vào khí quyển dưới dạng hợp chất dễ bay hơi), Phytofiltration (sử dụng thực vật nuôi cấy thủy canh để hấp thụ hoặc hấp phụ các ion kim loại nặng từ nước ngầm và chất thải dạng nước), Rhizofiltration (sử dụng hệ rễ của cây để lọc các chất ô nhiễm, đặc biệt là kim loại nặng, từ nước ngầm, nước mặt hoặc nước thải). Các chiến lược Phytoremediation khác bao gồm Phytodegradation và Rhizodegradation, được sử dụng để phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ. Trong đó, 3 cơ chế Phytostabilization, Phytoextraction, Phytovolatilization thường được ứng dụng trong việc khắc phục đất bị ô nhiễm kim loại nặng.

2. Phương pháp Phytostabilization (ổn định thực vật)

Đây là phương pháp sử dụng các loài thực vật chịu được kim loại để cố định kim loại nặng dưới lòng đất và làm giảm khả dụng sinh học của chúng, do đó ngăn chặn sự di chuyển của chúng vào hệ sinh thái và làm giảm khả năng kim loại xâm nhập vào chuỗi thức ăn. Phytostabilization có thể xảy ra thông qua sự kết tủa kim loại nặng hoặc giảm hóa trị kim loại trong rễ, hấp thụ và cô lập trong mô rễ hoặc hấp phụ vào thành tế bào rễ. Sự phát triển của thực vật tạo điều kiện thuận lợi cho việc bảo tồn sức khỏe đất ở những khu vực ô nhiễm kim loại nặng. Thảm thực vật được thiết lập không chỉ có thể ổn định kim loại nặng dưới lòng đất và giảm thiểu sự thẩm thấu của chúng vào nước ngầm mà còn ngăn chặn sự phát tán của các hạt đất chứa kim loại nặng theo gió. Một trong những lợi thế của quá trình ổn định thực vật là không cần phải xử lý sinh khối nguy hại khi so sánh với quá trình chiết xuất thực vật (phytoextraction).

Việc lựa chọn các loài thực vật thích hợp là rất quan trọng đối với quá trình ổn định thực vật. Để đáp ứng yêu cầu ổn định thực vật có hiệu quả cao, thực vật phải có khả năng chịu được các điều kiện kim loại nặng. Vì rễ cây đóng vai trò quan trọng trong việc cố định kim loại nặng, ổn định cấu trúc đất và ngăn ngừa xói mòn đất, nên thực vật phải có hệ thống rễ dày đặc. Thực vật phải có khả năng tạo ra một lượng lớn sinh khối và phát triển nhanh để kịp thời tạo ra thảm thực vật ở một địa điểm cụ thể. Ngoài ra, thảm thực vật phải dễ duy trì trong điều kiện đồng ruộng. Nhiều loài thực vật đáp ứng các yêu cầu trên đã được xác định và sử dụng để ổn định thực vật đối với đất ô nhiễm kim loại nặng.

Để cải thiện hiệu quả ổn định thực vật, có thể thêm các chất cải tạo hữu cơ hoặc vô cơ vào đất bị ô nhiễm. Các chất cải tạo đất này có thể thay đổi thành phần kim loại, giảm độ hòa tan và khả dụng sinh học của kim loại nặng bằng cách thay đổi giá trị pH và trạng thái oxy hóa khử của đất. Hơn nữa, việc áp dụng các chất cải tạo có thể làm tăng hàm lượng chất hữu cơ và các chất dinh dưỡng thiết yếu của đất và cải thiện các đặc tính lý hóa và sinh học, có thể có lợi cho quá trình xâm chiếm của thực vật và cải thiện khả năng giữ nước.

Điều thú vị là các vi sinh vật sống trong rễ cây, chẳng hạn như vi khuẩn và mycorrhiza, có thể hỗ trợ quá trình ổn định thực vật. Các vi sinh vật này có thể cải thiện hiệu quả cố định kim loại nặng thông qua việc hấp thụ kim loại vào thành tế bào của chúng, tạo ra chất tạo phức và thúc đẩy quá trình kết tủa. Chúng cũng có thể làm tăng bề mặt và độ sâu của rễ cây để tạo điều kiện cho quá trình ổn định thực vật và thậm chí đóng vai trò như một rào cản lọc chống lại sự di chuyển ion kim loại nặng từ rễ lên chồi.

3. Phương pháp Phytoextraction (chiết xuất thực vật)

Đây là việc sử dụng thực vật để hấp thụ các chất gây ô nhiễm từ đất hoặc nước, và chuyển dịch và tích tụ các chất gây ô nhiễm đó trong sinh khối trên mặt đất của chúng. Trong thời gian gần đây, phytoextraction là kỹ thuật phục hồi thực vật quan trọng nhất để cải tạo kim loại nặng và á kim từ đất ô nhiễm. Không giống như phytostabilization, trong đó thực vật chỉ chứa kim loại nặng tạm thời và các kim loại nặng này vẫn nằm dưới lòng đất, phytoextraction là giải pháp lâu dài để loại bỏ kim loại nặng khỏi đất ô nhiễm. Do đó, nó phù hợp hơn cho ứng dụng thương mại. Quá trình chiết xuất thực vật kim loại nặng bao gồm một số bước: (i) huy động kim loại nặng trong rễ cây, (ii) hấp thụ kim loại nặng bởi rễ cây, (iii) chuyển các ion kim loại nặng từ rễ đến các bộ phận trên không của cây, (iv) cô lập và phân chia các ion kim loại nặng trong mô thực vật. Hiệu quả của chiết xuất thực vật phụ thuộc vào một số yếu tố như lựa chọn cây trồng, hiệu suất của cây trồng, khả dụng sinh học của kim loại nặng, đất và đặc tính của rễ cây. 

Việc lựa chọn loài thực vật phù hợp là rất quan trọng để chiết xuất thực vật hiệu quả. Các loài thực vật để chiết xuất thực vật phải có các đặc điểm sau: (i) khả năng chịu đựng cao đối với tác động độc hại của kim loại nặng, (ii) khả năng chiết xuất cao với sự tích tụ hàm lượng kim loại nặng cao ở các bộ phận trên mặt đất, (iii) phát triển nhanh với sản lượng sinh khối cao, (iv) chồi nhiều và hệ thống rễ rộng, (v) thích nghi tốt với môi trường hiện tại, khả năng phát triển mạnh trên đất xấu, dễ trồng trọt và thu hoạch, (vi) có khả năng kháng cao với mầm bệnh và sâu bệnh, có sức đề kháng với côn trùng-động vật ăn cỏ để tránh kim loại nặng xâm nhập vào chuỗi thức ăn.

Trong số những đặc điểm này, khả năng tích lũy kim loại và sinh khối trên mặt đất là những yếu tố chính quyết định tiềm năng chiết xuất thực vật của một loài thực vật. Do đó, hai chiến lược khác nhau để lựa chọn thực vật đang được sử dụng: (i) sử dụng thực vật siêu tích tụ, có thể tích lũy kim loại nặng ở các bộ phận trên mặt đất ở mức độ lớn hơn và (ii) sử dụng thực vật có sản lượng sinh khối trên mặt đất cao, có thể có khả năng tích lũy kim loại thấp hơn, nhưng tổng thể tích lũy kim loại nặng tương đương với thực vật siêu tích lũy.

Nhìn chung, thực vật siêu tích lũy là loài thực vật có khả năng tích lũy hàm lượng kim loại nặng rất cao ở các bộ phận trên mặt đất của chúng mà không có triệu chứng độc tính thực vật. Thực vật siêu tích tụ kim loại nặng có trong tự nhiên có thể tích lũy kim loại ở mức cao gấp 100 lần so với các loài thông thường không siêu tích lũy trong cùng điều kiện. Theo nghĩa chặt chẽ, định nghĩa về thực vật siêu tích lũy phải đáp ứng các tiêu chí sau: (1) tỷ lệ nồng độ kim loại nặng giữa thân và rễ lớn hơn 1, đây là dấu hiệu cho thấy khả năng vận chuyển kim loại từ rễ lên thân cây hiệu quả; (2) tỷ lệ nồng độ kim loại nặng giữa thân và đất lớn hơn 1, cho thấy khả năng hấp thụ kim loại nặng từ đất cao hơn; và (3) nồng độ kim loại trong chồi cao hơn 10 mg/kg đối với Hg, 100 mg/kg đối với Cd và Se, 1.000 mg/kg đối với Co, Cu, Cr, Ni và Pb, và 10.000 mg/kg đối với Zn và Mn.

Hình 2:  Sơ đồ mối liên quan giữa tính khả dụng sinh học, cải tạo môi trường với độc tố kim loại nặng (Nguồn: Boland et al., 2014)

Tìm kiếm các loài siêu tích tụ hiệu quả là chiến lược quan trọng và trực tiếp nhất để xử lý ô nhiễm thực vật thành công đối với kim loại nặng. Việc phát hiện ra các thực vật siêu tích lũy kim loại nặng với hàm lượng cao hơn nhiều lần so với các thực vật khác đã dẫn đến sự tiến bộ mang tính cách mạng của công nghệ phytoextraction. Hiện nay, hơn 450 loài thực vật từ ít nhất 45 họ thực vật hạt kín đã được xác định là loài siêu tích tụ kim loại cho đến nay, từ các loại thảo mộc hàng năm đến các loại cây bụi và cây lâu năm, chẳng hạn như các họ Brassicaceae, Fabaceae, Euphorbiaceae, Asterraceae, Lamiaceae và Scrophulariaceae. Một số loài thậm chí có thể tích tụ nhiều hơn hai nguyên tố, chẳng hạn như Sedum alfredii , có thể tích tụ siêu Zn, Pb và Cd. Tuy nhiên, nên tránh sử dụng cây trồng ăn được để xử lý bằng thực vật vì kim loại nặng có thể tích tụ trong các bộ phận ăn được của cây và do đó đi vào chuỗi thức ăn thông qua tiêu thụ của con người hoặc động vật, gây lo ngại về sức khỏe con người. Do đó, việc lựa chọn các loài siêu tích lũy không ăn được là chìa khóa để xử lý kim loại nặng bằng thực vật hiệu quả và an toàn. 

Mặc dù nhiều loài siêu tích lũy đã được xác định và sử dụng trong quá trình xử lý thực vật đối với kim loại nặng, nhưng hầu hết chúng đều có tuổi thọ ngắn với sản lượng sinh khối thấp và tốc độ tăng trưởng chậm, hạn chế hiệu quả của quá trình chiết xuất thực vật. Ngoài ra, có thể sử dụng các loài không siêu tích lũy tạo ra sinh khối cao để chiết xuất thực vật đối với kim loại nặng. Mặc dù chúng thường tích lũy nồng độ kim loại nặng thấp hơn trong các mô trên mặt đất của chúng trên cơ sở mỗi khối lượng, nhưng sản lượng sinh khối cao có thể bù đắp cho hiệu quả chiết xuất thực vật thấp hơn và mức tích lũy tổng thể thậm chí có thể cao hơn mức tích lũy của các loài siêu tích lũy.

Các loại cây trồng tạo ra sinh khối cao, chẳng hạn như Helianthus annuus (Hướng dương), Cannabis sativa (Gai dầu),  Nicotiana tabacum (Thuốc lá) và Zea mays (Bắp), đã được báo cáo là có hiệu quả loại bỏ kim loại nặng khỏi đất bị ô nhiễm thông qua quá trình chiết xuất thực vật. Cỏ cũng có thể được sử dụng để chiết xuất thực vật vì vòng đời ngắn, tốc độ sinh trưởng cao, sản xuất nhiều sinh khối hơn và khả năng chịu đựng cao với các stress phi sinh học. Ví dụ, Trifolium alexandrinum (cỏ ba lá Ai Cập, cỏ ba lá berseem ) được chọn là ứng cử viên phù hợp để chiết xuất thực vật Cd, Pb, Cu và Zn, nhờ vào khả năng sinh trưởng nhanh, khả năng chống chịu ô nhiễm, sinh khối cao và thu hoạch nhiều lần trong một thời kỳ sinh trưởng. Các loài thân gỗ, giống như cây, được sử dụng để chiết xuất thực vật do một số lợi thế. Các loài thân gỗ có thể tạo ra một lượng sinh khối rất cao khi so sánh với các loại thảo mộc và cây bụi, tạo điều kiện thuận lợi cho việc tích tụ hàm lượng kim loại nặng cao trong sinh khối trên mặt đất của chúng. Chúng có hệ thống rễ sâu, có thể làm giảm hiệu quả xói mòn đất và ngăn chặn sự phát tán đất bị ô nhiễm ra môi trường xung quanh. Ngoài ra, chúng được ưa chuộng hơn cây trồng để phục hồi thực vật do đặc điểm không ăn được của chúng, điều đó có nghĩa là khả năng kim loại nặng xâm nhập vào chuỗi thức ăn thông qua cây thấp hơn.

Hình 2: Cây gai dầu

4. Phương pháp Phytovolatilization (bay hơi thực vật)

Đây là một chiến lược sử dụng thực vật để hấp thụ các chất ô nhiễm từ đất, chuyển đổi các nguyên tố độc hại này thành dạng dễ bay hơi ít độc hơn và sau đó giải phóng chúng vào khí quyển thông qua quá trình thoát hơi nước của thực vật thông qua hệ thống lá hoặc tán lá. Phương pháp này có thể được áp dụng để giải độc các chất ô nhiễm hữu cơ và một số kim loại nặng như Se, Hg và As. 

Ví dụ, các thành viên của họ Brassicaceae là những chất bay hơi tốt của Se, chẳng hạn như Brassica juncea (Cải bẹ xanh hay cải xanh, cải canh, cải cay, giới tử). Se vô cơ đầu tiên được đồng hóa thành các axit selenoamino hữu cơ selenocysteine (SeCys) và selenomethionine (SeMet). SeMet được metyl hóa sinh học để tạo thành dimethylselenide (DMSe), dễ bay hơi và có thể phân tán vào không khí với ít độc tính hơn so với Se vô cơ. Dạng nguyên tố của Hg là chất lỏng ở nhiệt độ phòng và có thể dễ dàng bay hơi. Do có khả năng phản ứng cao, Hg tồn tại chủ yếu dưới dạng cation hóa trị hai Hg²⁺ sau khi giải phóng vào môi trường. Sau khi được hấp thụ bởi rễ hoặc lá, metyl-Hg được chuyển thành Hg ion, sau đó được chuyển thành dạng nguyên tố tương đối ít độc hại hơn và bay hơi vào khí quyển.

 Hình 3: Cải xanh

Ưu điểm của phytovolatilization so với các chiến lược phytoremediation khác là các chất gây ô nhiễm kim loại nặng (á kim) được loại bỏ khỏi địa điểm và phân tán dưới dạng hợp chất khí, mà không cần thu hoạch và xử lý thực vật. Tuy nhiên, như một chiến lược khắc phục, phytovolatilization không loại bỏ hoàn toàn các chất ô nhiễm- các chất ô nhiễm vẫn còn trong môi trường. Nó chỉ chuyển các chất ô nhiễm từ đất vào khí quyển, tại đó các hợp chất dễ bay hơi độc hại sẽ làm ô nhiễm không khí xung quanh. Hơn nữa, chúng có thể được lắng đọng lại đất do kết tủa. Do đó, cần phải đánh giá rủi ro trước khi áp dụng phương pháp này trên thực địa.