Tài liệu Nghiên cứu hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng trong đất vùng chuyên canh rau đông nam bộ và thí nghiệm mô hình xử lý ô nhiễm bằng thực vật.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN MINH HƯNG NGHIÊN CỨU HIỆN TRẠNG Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG TRONG ĐẤT VÙNG CHUYÊN CANH RAU ĐÔNG NAM BỘ VÀ THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG THỰC VẬT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG Hà Nội - 2019 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN MINH HƯNG NGHIÊN CỨU HIỆN TRẠNG Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG TRONG ĐẤT VÙNG CHUYÊN CANH RAU ĐÔNG NAM BỘ VÀ THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG THỰC VẬT CHUYÊN NGÀNH: MÔI TRƯỜNG ĐẤT VÀ NƯỚC MÃ SỐ: 9440301.02 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TSKH. Nguyễn Xuân Hải TS. Bùi Thị Ngọc Dung Hà Nội - 2019 LỜI CAM ĐOAN Nghiên cứu sinh xin cam đoan toàn bộ kết quả trong luận án này là công trình nghiên cứu của nghiên cứu sinh, dưới sự hướng dẫn trực tiếp của PGS.TSKH. Nguyễn Xuân Hải và TS. Bùi Thị Ngọc Dung. Các số liệu nghiên cứu được trình bày một cách chính xác và trung thực. Toàn bộ số liệu và kết quả nghiên cứu trình bày trong luận án là do nghiên cứu sinh trực tiếp thực hiện và công bố trên các tạp chí. Các số liệu của các tác giả khác được sử dụng đã có trích dẫn rõ ràng. Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Nghiên cứu sinh Nguyễn Minh Hưng LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành công trình này, tôi đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của Bộ môn Khoa học đất, Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội; tập thể và cá nhân những nhà khoa học thuộc nhiều lĩnh vực trong và ngoài ngành. Tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và kính trọng đến: + PGS. TS KH. Nguyễn Xuân Hải, Bộ Tài nguyên & Môi trường và TS. Bùi Ngọc Dung, Trưởng phòng Khoa học, Viện Quy hoạch và Thiết kế Nông nghiệp, Bộ Nông nghiệp và PTNT, những người thầy, cô đã hướng dẫn hết mực nhiệt tình, làm việc với tinh thần chu đáo trách nhiệm cao, đã chỉ dạy giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện và hoàn thành luận án. + Tập thể lãnh đạo và các thầy, cô của Bộ môn Thổ nhưỡng, Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, đã giúp đỡ, đóng góp ý kiến và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận án này. + Lãnh đạo Viện Thổ nhưỡng Nông hóa, các đồng nghiệp ở phòng Khoa học & Hợp tác quốc tế, TT. Nghiên cứu Đất, Phân bón và Môi trường phía Nam và BM. Vi sinh vật đã tạo điều kiện cho tôi học tập và cơ sở vật chất để bố trí thí nghiệm. Các bạn bè, đồng nghiệp đã động viên và hỗ trợ nghiên cứu sinh rất nhiều để có được các kết quả trong nghiên cứu này. Cuối cùng xin được đặc biệt cảm ơn những người thân trong gia đình đã ủng hộ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu sinh trong cuộc sống để hoàn thành kết quả nghiên cứu của luận án. Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Nghiên cứu sinh Nguyễn Minh Hưng MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH MỞ ĐẦU.................................................................................................................................... 1 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ............................................ 4 1.1. Tổng quan về ô nhiễm đất và ô nhiễm kim loại nặng trong đất ............................ 4 1.1.1. Khái niệm về ô nhiễm đất ................................................................................ 4 1.1.2. Kim loại nặng và ô nhiễm kim loại nặng trong đất ..................................................... 5 1.1.3. Các dạng tồn tại của As, Cd, Pb, Hg trong đất và nước.............................................. 5 1.2. Các nguồn gây ô nhiễm KLN trong đất và nước.................................................... 8 1.2.1. Nguồn gây ô nhiễm KLN trong đất ............................................................................... 8 1.2.2. Nguồn gây ô nhiễm KLN trong nước............................................................................ 9 1.3. Tình hình ô nhiễm KLN trong đất trên thế giới và ở Việt Nam ............................ 9 1.3.1. Tình hình ô nhiễm KLN trong đất trên thế giới ........................................................... 9 1.3.2. Tình hình ô nhiễm KLN trong đất và nước ở Việt Nam .......................................... 11 1.4. Các phương pháp xử lý đất ô nhiễm KLN ............................................................17 1.4.1. Các phương pháp truyền thống..................................................................................... 17 1.4.2. Các phương pháp sinh học ............................................................................................ 18 1.4.3. Xử lý ô nhiễm bằng thực vật (phytoremediation)...................................................... 19 1.4.4. Tiêu chuẩn loài thực vật được sử dụng để xử lý KLN trong đất ............................. 23 1.4.5. Các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình hấp thụ KLN của thực vật ........ 23 1.4.6. Các phương pháp xử lý sinh khối thực vật sau khi tích lũy chất ô nhiễm ............. 25 1.5. Tình hình nghiên cứu xử lý đất ô nhiễm KLN bằng phương pháp sinh học ở Việt Nam ........................................................................................................................29 1.5.1. Tình hình sử dụng thực vật............................................................................................ 29 1.5.2. Một số loài thực vật có khả năng tích tụ KLN cao phân bố tại vùng Đông Nam Bộ ................................................................................................................................................. 31 1.5.3. Phương pháp kết hợp thực vật với vi sinh vật ............................................................ 34 1.5.4. Cơ chế tác động của vi sinh vật đến sự tích lũy KLN của thực vật ........................ 35 1.6. Tóm tắt phần tổng quan..........................................................................................37 CHƯƠNG II. ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....... 38 2.1. Đối tượng nghiên cứu.............................................................................................38 2.2. Nội dung nghiên cứu ..............................................................................................41 2.3. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................................41 2.3.1. Phương pháp thu thập và xử lý dữ liệu........................................................................ 41 2.3.2. Phương pháp lấy mẫu vật .............................................................................................. 41 2.3.3. Phương pháp tuyển chọn thực vật và vi sinh vật ....................................................... 42 2.3.4. Xác định khả năng chống chịu của nấm cộng sinh vùng rễ (Mycorrhiza) với KLN trong đất ...................................................................................................................................... 42 2.3.5. Phương pháp bố trí thí nghiệm trong chậu ................................................................ 43 2.3.6. Phương pháp bố trí thí nghiệm đồng ruộng. .............................................................. 44 2.3.7. Đánh giá mức độ ô nhiễm KLN trong đất, bùn, nước và thực vật .......................... 48 2.3.8. Xây dựng mô hình ứng dụng biện pháp sinh học để xử lý ô nhiễm KLN trong đất ...................................................................................................................................................... 49 2.3.9. Phương pháp phân tích .................................................................................................. 51 2.3.10. Phương pháp xử lý số liệu........................................................................................... 51 CHƯƠNG III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ........................................ 52 3.1. Thực trạng sản xuất rau ở vùng ĐNB ...................................................................52 3.1.1. Diện tích, năng suất và sản lượng một số rau chính ở ĐNB .................................... 52 3.1.2. Cơ cấu chủng loại rau..................................................................................................... 54 3.1.3. Kỹ thuật thâm canh rau .................................................................................................. 55 3.2. Thực trạng ô nhiễm KLN trong đất, nước và rau ở vùng chuyên canh rau ĐNB 56 3.2.1. Thực trạng ô nhiễm KLN trong đất ở vùng chuyên canh rau ĐNB ....................... 56 3.2.2. Thực trạng ô nhiễm KLN trong bùn ở vùng chuyên canh rau ĐNB ...................... 62 3.2.3. Thực trạng ô nhiễm KLN trong nước tưới ở vùng chuyên canh rau ĐNB............ 65 3.2.4. Thực trạng ô nhiễm KLN trong một số loại rau vùng chuyên canh rau ĐNB ... 67 3.3. Kết quả tuyển chọn một số loài thực vật và vi sinh vật có khả năng tích lũy As, Cd, Pb, Hg trong đất, vùng chuyên canh rau ở ĐNB ..................................................69 3.3.1. Kết quả tuyển chọn một số loài thực vật ..................................................................... 70 3.3.2. Khả năng chống chịu ô nhiễm KLN trong đất của nâm Mycorhiza cộng sinh với thực vật ........................................................................................................................................ 78 3.3.3. Phân lập VSV và xác định khả năng tích lũy, chuyển hóa As, Cd, Pb, Hg ........... 81 3.3.4. Tuyển chọn các chủng VSV có khả năng tích lũy, chuyển hóa Pb, Cd, As, Hg cao ở vùng nghiên cứu ..................................................................................................................... 83 3.4. Khả năng chịu đựng ô nhiễm và hấp thụ KLN của thực vật ...............................86 3.5. Khả năng xử lý ô nhiễm KLN của thực vật. .........................................................96 3.5.1. Khả năng xử lý ô nhiễm KLN của cây đậu bắp............................................96 3.5.2. Khả năng xử lý ô nhiễm KLN của cây đậu rồng ..........................................99 3.5.3. Khả năng xử lý ô nhiễm KLN của cây Rau ngót .......................................102 3.5.4. Khả năng xử lý ô nhiễm KLN của cây dọc mùng .....................................104 3.6. Khả năng dùng thực vật để xử lý ô nhiễm KLN trong bùn ...............................107 3.6.1. Khả năng sinh trưởng của cây Kèo nèo trong mùn ô nhiễm KLN .......................107 3.6.2. Sự thay đổi KLN trong bùn bị ô nhiễm KLN sau trồng kèo nèo ..........................111 3.7. Khả năng xử lý ô nhiễm KLN của thực vật và VSV ở điều kiện đồng ruộng..112 3.7.1. Kết quả thí nghiệm trên cây đậu bắp .........................................................................113 3.7.2. Kết quả thí nghiệm trên cây dọc mùng......................................................................116 3.7.3. Đánh giá khả năng xử lý bùn bị ô nhiễm KLN của thực vật và VSV ..................118 3.8. Khả năng giảm thiểu KLN trong đất bằng giải pháp dùng thực vật để xử lý ô nhiễm KLN ..................................................................................................................121 3.8.1. Hàm lượng KLN trong đất dưới ảnh hưởng của biện pháp sinh học ...................121 3.8.2. Dự đoán thời gian khả năng phục hồi đất sau khi áp dụng các cây trồng đa mục đích hấp thụ KLN ....................................................................................................................123 3.9. Kết quả xây dựng và thử nghiệm mô hình ứng dụng thực vật để xử lý ô nhiễm KLN trong đất ..............................................................................................................127 3.9.1. Mô hình ứng dụng biện pháp sinh học xử lý ô nhiễm KLN trong đất .................127 3.9.2. Mô hình ứng dụng biện pháp sinh học xử lý ô nhiễm KLN trong bùn ................129 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................................. 130 1. Kết luận ....................................................................................................................130 2. Kiến nghị ..................................................................................................................131 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ........................................................................................................................................... 132 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 133 PHỤ LỤC……………………………………………………………………....…146 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT AMF Arbuscular Mycorrhizal Fungi BD Bình Dương BH Bỏ hóa BVTV Bảo vệ thực vật BYT Bộ Y tế BR-VT Bà Rịa - Vũng Tàu CP Chế phẩm CP. VSV Chế phẩm vi sinh vật CT Công thức ĐC Đối chứng ĐN Đồng Nai ĐNB Đông Nam Bộ KLN Kim loại nặng HTKLN Hấp thụ kim loại nặng MH Mô hình NT Nghiêm trọng HNT Hơi nghiêm trọng RNT Rất nghiêm trọng TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam QCVN Quy chuẩn Việt Nam RAT Rau an toàn SXTT Sản xuất thông thường VSV Vi sinh vật XLKLN Xử lý kim loại nặng XLTV Xử lý bằng thực vật XLVSV Xử lý bằng vi sinh vật DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Một số loài thực vật có khả năng tích lũy KLN cao ............................23 Bảng 2.1. Tổng hợp hiện trạng sử dụng đất năm 2015 xã Vĩnh Lộc B ...............40 Bảng 2.2. Các công thức thí nghiệm ....................................................................43 Bảng 2.3. Các công thức thí nghiệm (TN 5) ........................................................44 Bảng 2.4. Công thức thí nghiệm (TN 6) ..............................................................45 Bảng 2.5. Công thức thí nghiệm (TN 7) ..............................................................46 Bảng 2.6. Công thức thí nghiệm (TN 8, 9) ..........................................................47 Bảng 2.7. Công thức thí nghiệm (TN 10) ............................................................47 Bảng 2.8. Công thức thí nghiệm (TN 11) ............................................................48 Bảng 2.9. Thang đánh giá mức độ ô nhiễm KLN theo chỉ số Nemerow .............49 Bảng 2.10. Mô hình ứng dụng biện pháp sinh học để xử lý ô nhiễm KLN trong đất .........................................................................................................................50 Bảng 2.11. Mô hình ứng dụng biện pháp sinh học xử lý ô nhiễm KLN trong bùn ..............................................................................................................................50 Bảng 2.12. Các phương pháp phân tích KLN trong đất, trong nước và trong rau ..............................................................................................................................51 Bảng 3.1. Diện tích, năng suất, sản lượng rau ở các tỉnh nghiên cứu ..................52 Bảng 3.2. Tổng hợp kết quả phân tích KLN trong đất trồng rau ở ĐNB ............56 Bảng 3.3. Hàm lượng KLN trong đất trồng rau điều tra ở ĐNB .........................57 Bảng 3.4. Giá trị chỉ số Nemerow riêng lẻ (Pi) của các KLN trong đất trồng rau ở ĐNB ..............................................................................................................................60 Bảng 3.5. Giá trị chỉ số Nemerow (PI/Pi) trong đất trồng rau ở ĐNB ................61 Bảng 3.6. Hàm lượng KLN trong bùn điều tra ở vùng trồng rau ĐNB ...............62 Bảng 3.7. Giá trị chỉ số Nemerow (Pi) của các KLN trong bùn ở ĐNB .............64 Bảng 3.8. Giá trị trung bình chỉ số Nemerow trong bùn ở vùng trồng rau ĐNB 65 Bảng 3.9. Hàm lượng KLN trong nước tưới ở vùng trồng rau điều tra tại ĐNB 66 Bảng 3.10. Giá trị chỉ số Nemerow (PI) của các KLN trong nước tưới ở ĐNB..67 Bảng 3.11. Hàm lượng KLN trong rau ở ĐNB điều tra.......................................68 Bảng 3.12. Giá trị chỉ số Nemerow (PI) trong rau ở vùng ĐNB .........................69 Bảng 3.13. Khả năng tích lũy KLN của 10 loài thực vật tuyển chọn ..................76 Bảng 3.14. Số lượng bào tử nấm công sinh Mycorhiza trong đất .......................79 Bảng 3.15. Tỷ lệ xâm nhiễm nấm cộng sinh Mycorhiza trong rễ thực vật..........80 Bảng 3.16. Kết quả so sánh trình tự ADN các vi sinh vật nghiên cứu với trình tự ADN ..............................................................................................................................82 Bảng 3.17. Khả năng tích lũy KLN của cây đậu bắp ở các nồng độ khác nhau ..87 Bảng 3.18. Khả năng tích lũy KLN của cây đậu rồng ở các nồng độ khác nhau 89 Bảng 3.19. Khả năng tích lũy KLN của cây rau ngót ở các nồng độ khác nhau .91 Bảng 3.20. Khả năng tích lũy KLN của cây dọc mùng ở các nồng độ khác nhau. ..............................................................................................................................93 Bảng 3.21. Hàm lượng KLN trong đất trước và sau thí nghiệm trồng cây đậu bắp (mg/kg đất khô) (TN 1) .......................................................................................97 Bảng 3.22. Hàm lượng KLN trong đất trước và sau thí nghiệm trồng cây đậu rồng (ppm đất khô) (TN 2) .................................................................................100 Bảng 3.23. Hàm lượng KLN trong đất trước và sau thí nghiệm trồng cây rau ngót (ppm đất khô) (TN 3). ................................................................................103 Bảng 3.24. Hàm lượng KLN trong đất trước và sau thí nghiệm trồng cây dọc mùng (ppm đất khô) (TN 4) ...............................................................................105 Bảng 3.25. Năng suất và hàm lượng KLN trong cây kèo nèo trồng trên bùn bị ô nhiễm kim loại khác nhau (TN 5) ......................................................................108 Bảng 3.26. Hàm lượng KLN tổng số trong bùn trước và sau thí nghiệm với cây kèo nèo (mg/kg bùn khô) (TN 6) ..............................................................................112 Bảng 3.27. Hàm lượng Pb trong cây đậu bắp sau thí nghiệm............................113 Bảng 3.28. Hàm lượng Cd trong cây đậu bắp sau thí nghiệm ...........................114 Bảng 3.29. Hàm lượng As trong cây đậu bắp sau thí nghiệm ...........................115 Bảng 3.30. Hàm lượng Hg trong cây đậu bắp sau thí nghiệm ...........................115 Bảng 3.31. Ảnh hưởng của chế phẩm VSV đến các yếu tố cấu thành năng suất và năng suất đậu bắp trên đất nhiễm KLN ..............................................................116 Bảng 3.32. Hàm lượng chì tích lũy trong cây dọc mùng sau thí nghiệm ..........117 Bảng 3.33. Hàm lượng cadimi tích lũy trong cây dọc mùng sau thí nghiệm ....117 Bảng 3.34. Hàm lượng asen tích lũy trong cây dọc mùng sau thí nghiệm ........118 Bảng 3.35. Hàm lượng thủy ngân tích lũy trong cây dọc mùng sau thí nghiệm118 Bảng 3.36. Hàm lượng chì tích lũy trong cây kèo nèo sau thí nghiệm ..............119 Bảng 3.37. Hàm lượng cadimi tích lũy trong cây kèo nèo sau thí nghiệm ........120 Bảng 3.38. Hàm lượng asen tích lũy trong cây kèo nèo sau thí nghiệm............120 Bảng 3.39. Hàm lượng thủy ngân tích lũy trong cây kèo nèo sau thí nghiệm ...121 Bảng 3.40. Hàm lượng KLN trong đất sau 2 năm thí nghiệm ...........................122 Bảng 3.41. Hàm lượng KLN trong bùn sau 2 năm thí nghiệm ..........................122 Bảng 3.42. Các hệ số a, b tính từ thực nghiệm ..................................................124 Bảng 3.43. Thời gian khả năng phục hồi KLN về giá trị ở đất nền, sau khi áp dụng các cây trồng đa mục đích hấp thụ KLN ...................................................124 Bảng 3.44. Hàm lượng KLN trong cây đậu bắp sau mô hình............................127 Bảng 3.45. Hàm lượng KLN trong đất sau mô hình trồng cây đậu bắp (ppm) .127 Bảng 3.46. Hàm lượng KLN trong cây dọc mùng sau mô hình (ppm) .............128 Bảng 3.47. Hàm lượng KLN trong đất sau mô hình trồng cây dọc mùng (ppm) ............................................................................................................................128 Bảng 3.48. Hàm lượng KLN trong cây kèo nèo sau mô hình, (ppm) ................129 Bảng 3.49. Hàm lượng KLN trong đất sau mô hình trồng cây kèo nèo, (ppm) 129 DANH MỤC HÌNH Hình 2.1. Các tỉnh điều tra khảo sát của đề tài.....................................................38 Hình 2.2. Địa điểm khu thí nghiệm ......................................................................39 Hình 3.1. Hiện trạng ruộng trồng đậu bắp vùng điều tra .....................................53 Hình 3.2. Khu vực chuyên canh cải xanh ............................................................53 Hình 3.3. Khu vực chuyên canh rau muống.........................................................54 Hình 3.4. Cây Ô rô ...............................................................................................70 Hình 3.5. Cây Kèo nèo .........................................................................................71 Hình 3.6. Cây Rau rút ..........................................................................................71 Hình 3.7. Cây Bình bát .........................................................................................72 Hình 3.8. Cây đậu bắp ..........................................................................................72 Hình 3.9. Cây Đậu rồng .......................................................................................73 Hình 3.10. Cây Dọc mùng....................................................................................74 Hình 3.11. Cây Sen ..............................................................................................74 Hình 3.12. Cây Cà rốt ..........................................................................................75 Hình 3.13. Cây Rau ngót ......................................................................................75 Hình 3.14. Hệ số tích lũy sinh học của một số cây trồng tuyển chọn ..................78 Hình 3.15. Bố trí thí nghiệm ảnh hưởng của KLN đối với cây đậu bắp ..............88 Hình 3.16. Thí nghiệm ảnh hưởng của KLN đối với cây đậu bắp .......................88 Hình 3.17. Thí nghiệm ảnh hưởng của KLN đối với cây đậu rồng .....................92 Hình 3.18. Thí nghiệm ảnh hưởng của KLN đối với cây dọc mùng ...................92 Hình 3.19. Hàm lượng Chì trong đất trước và sau trồng cây Đậu bắp ................98 Hình 3.20. Hàm lượng Cadimi trong đất trước và sau trồng cây Đậu bắp ..........99 Hình 3.21 Hàm lượng Pb và As tổng số trong đất thí nghiệm trồng Đậu rồng 101 Hình 3.22. Hàm lượng Pb và As dễ tiêu trong đất thí nghiệm trồng Đậu rồng .101 Hình 3.23. Hàm lượng Cd và Hg tổng số trong đất thí nghiệm trồng rau ngót .102 Hình 3.24. Hàm lượng Cd và Hg dễ tiêu trong đất thí nghiệm trồng rau ngót ..104 Hình 3.25. Thí nghiệm ảnh hưởng của KLN đối với cây dọc mùng .....................106 Hình 3.26. Hàm lượng Pb và As tổng số trong đất thí nghiệm trồng dọc mùng....106 Hình 3.27. Hàm lượng Cd và Hg dể tiêu trong đất thí nghiệm trồng dọc mùng....107 Hình 3.28. Thí nghiệm ảnh hưởng của KLN đối với cây kèo nèo .....................109 Hình 3.29. Thí nghiệm đồng ruộng nghiên cứu ảnh hưởng của KLN đối với cây đậu bắp ...............................................................................................................113 Hình 3.30. Thí nghiệm đồng ruộng nghiên cứu ảnh hưởng của KLN đối với cây kèo nèo ...............................................................................................................119 Hình 3.31. Dự báo thời gian phục hồi Chì (Pb) trong đất bằng thực vật ...........125 Hình 3.32. Dự báo thời gian phục hồi cadimi (Cd) trong đất bằng thực vật .....125 Hình 3.33. Dự báo thời gian phục hồi Asen (As) trong đất bằng thực vật ........126 Hình 3.34. Dự báo thời gian phục hồi Thủy ngân (Hg) trong đất bằng thực vật ............................................................................................................................126 Hình 3.35. Thí nghiệm đồng ruộng nghiên cứu ảnh hưởng của KLN đối với cây dọc mùng ............................................................................................................128 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Nhu cầu về rau quả ngày càng cao trong nước và quốc tế, đã thúc đẩy ngành sản xuất rau quả của Việt Nam phát triển mạnh với tốc độ nhanh. Chỉ trong 10 năm gần đây, diện tích rau cả nước tăng từ 635,1 nghìn ha (2005) lên 900 nghìn ha, sản lượng tăng lên tương ứng 15 triệu tấn [4, 5]. Năm 2015, rau quả Việt Nam đã có mặt tại hơn 60 quốc gia và vùng lãnh thổ. Kim ngạch xuất khẩu tăng hơn 7 lần, đạt 1,8 tỷ USD. Đến tháng 10 năm 2016 xuất khẩu rau quả trên 1,99 tỷ USD [4, 5, 6]. Vùng Đông Nam Bộ là một trong những vùng rau lớn của nước ta, là nơi cung cấp rau quả chính cho các thành phố lớn: TP. Hồ Chí Minh, TP. Biên Hòa, các khu công nghiệp tại các tỉnh Đồng Nai, Bình Dương… Năm 2005, diện tích trồng rau của cả vùng có 68,3 nghìn ha với sản lượng 777 nghìn tấn thì năm 2018 có diện tích là 60 nghìn ha và sản lượng là 1.093,7 nghìn tấn [4, 7]. Tuy nhiên, sản xuất nông nghiệp nói chung, rau quả nói riêng đang đối mặt với vấn đề ô nhiễm môi trường canh tác, nguy cơ hạn chế đến sản xuất và phát triển nông sản an toàn, đặc biệt là môi trường đất, nước trồng rau. Vùng Đông Nam Bộ đang phải đối mặt với vấn đề ô nhiễm nguồn nước do sự gia tăng lượng nước thải từ các khu công nghiệp, sinh hoạt, y tế, nông nghiệp… vùng Đông Nam Bộ là vùng phát sinh lượng nước thải công nghiệp lớn nhất trong 6 vùng kinh tế của cả nước (chiếm 50%). Tính trên toàn bộ lưu vực sông Đồng Nai có 114 khu công nghiệp, tuy nhiên mới chỉ có 79 khu công nghiệp có hệ thống xử lý nước thải, còn lại các khu công nghiệp đều xả nước thải trực tiếp ra sông. Mặt khác, nguồn nước thải từ hoạt động y tế trong vùng được xem là nguồn thải độc hại, nếu không hoặc xử lý không triệt để trước khi thải ra môi trường. Đây là những nguồn gây ô nhiễm môi trường đất và nước. [114]. Trong ô nhiễm đất sản xuất nông nghiệp, nước tưới ô nhiễm kim loại nặng (KLN) đã và đang trở thành mối quan tâm đặc biệt của nhiều quốc gia trên thế giới. Cùng với sự phát triển của các ngành công nghiệp, dịch vụ, nông nghiệp thì quy mô và cường độ ô nhiễm KLN cũng ngày càng gia tăng. Do đó, việc nghiên cứu, tìm 1 kiếm các phương pháp xử lý kim loại nặng trong đất, góp phần cải tạo ô nhiễm môi trường đất là hết sức cần thiết, nhất là khi xu thế tài nguyên đất trên thế giới đang bị suy giảm nhanh chóng về diện tích và chất lượng, đe dọa đến an toàn lương thực, thực phẩm và sự phát triển bền vững. Hiện nay trên thế giới và Việt Nam đã áp dụng nhiều phương pháp khác nhau nhằm xử lý KLN trong đất như: Công nghệ rửa đất, công nghệ cố định tại chỗ,... Tuy nhiên, các phương pháp này đều có chi phí cao, chỉ phù hợp với quy mô nhỏ trong khi tình trạng ô nhiễm đất lại xảy ra trên diện rộng. Do đó, hiệu quả của việc áp dụng các phương pháp trên là không cao. Cùng với quá trình phát triển các khu công nghiệp, đô thị và mở rộng các vùng chuyên canh rau ở ĐNB thì quy mô và cường độ ô nhiễm KLN trong đất ngày càng gia tăng. Vì vậy, việc thực hiện đề tài: “Nghiên cứu hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng trong đất vùng chuyên canh rau Đông Nam Bộ và thí nghiệm mô hình xử lý ô nhiễm bằng thực vật” là hết sức cần thiết nhằm góp phần xác định cơ sở khoa học và thực tiễn cho việc phát triển và ứng dụng cơ chế của công nghệ thực vật và VSV xử lý ô nhiễm KLN trong đất – công nghệ được đánh giá rất cao ở các nước phát triển, nhưng đang còn khá mới mẻ ở Việt Nam. 2. Mục tiêu của đề tài - Đánh giá thực trạng ô nhiễm kim loại nặng trong đất, nước trên ở vùng chuyên trồng rau ở Đông Nam Bộ. - Xác định được loài thực vật có khả năng tích lũy, chuyển hóa KLN (As, Cd, Pb, Hg), giảm thiểu ô nhiễm KLN trong đất; - Xây dựng quy trình ứng dụng biện pháp thực vật giảm thiểu ô nhiễm KLN cho đất trồng rau tại một số vùng chuyên canh ở ĐNB; - Xây dựng được mô hình ứng dụng thực vật (biện pháp sinh học) giảm thiểu ô nhiễm KLN cho đất trồng rau tại một số vùng chuyên canh ở ĐNB. 3. Phạm vi nghiên cứu 3.1. Tiêu chí xác định địa điểm nghiên cứu - Điểm nghiên cứu phải là địa phương có diện tích rau chuyên canh đủ lớn, có khả năng cung cấp cho các thành phố, các đô thị và khu công nghiệp và xuất khẩu; 2 - Vùng nghiên cứu chịu ảnh hưởng trực tiếp của nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp gây ô nhiễm đất và nước trong quá trình canh tác rau. 3.2. Địa điểm nghiên cứu Địa điểm nghiên cứu gồm 4 tỉnh/thành phố là: thành phố Hồ Chí Minh, tỉnh Đồng Nai, tỉnh Bình Dương và tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 4.1. Ý nghĩa khoa học - Đã góp phần bổ sung vào danh mục các loài thực vật có khả năng hấp thụ KLN cao; - Đã xây dựng được cơ sở khoa học cho việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ sinh học xử lý ô nhiễm KLN trong đất, nước vùng chuyên canh rau ở ĐNB bằng thực vật. 4.2. Ý nghĩa thực tiễn Luận án đã đánh giá được thực trạng ô nhiễm KLN trong đất vùng chuyên canh rau ĐNB và đưa ra được giải pháp kỹ thuật sinh học xử lý ô nhiễm KLN bằng thực vật. Luận án không chỉ đóng góp hiệu quả trong việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường đất, nước tại vùng chuyên canh rau ở ĐNB, mà còn nâng cao chất lượng rau thương phẩm, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế cho người trồng rau, đồng thời bảo vệ sức khoẻ cho người trồng cũng như người sử dụng rau. 5. Những đóng góp mới của đề tài - Tuyển chọn được một số loài thực vật đa mục đích có khả năng hút thu, tích lũy KLN cao, từ đó chọn được 2 loài thực vật trên cạn là Đậu bắp và Dọc mùng; 1 loài thực vật sống dưới nước là Kèo nèo có khả năng hút thu KLN cao vừa có giá trị làm thực phẩm. Đã đưa ra quy trình công nghệ sinh học (sử dụng thực vật, kết hợp với VSV) giảm thiểu ô nhiễm KLN trong đất trồng rau, hướng tới sản xuất rau an toàn; - Đã tính toán được khả năng hồi phục của đất trở về môi trường nền ban đầu, khi áp dụng các cây trồng đa mục đích hấp thụ KLN thì thời gian phục hồi nhanh nhất từ 4 - 6 năm, chậm nhất từ 41 - 50 năm tùy thuộc từng đối tượng nghiên cứu. 3 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Tổng quan về ô nhiễm đất và ô nhiễm kim loại nặng trong đất 1.1.1. Khái niệm về ô nhiễm đất Ô nhiễm đất được xem là tất cả các hiện tượng làm nhiễm bẩn môi trường đất bởi các tác nhân gây ô nhiễm. Đất bị ô nhiễm có chứa một số độc tố, chất có hại cho cây trồng vượt quá nồng độ đã được quy định... Các nguồn chính gây ô nhiễm đất là: Các loại vi khuẩn, kí sinh trùng phát sinh do việc sản xuất chăn nuôi không hợp vệ sinh, dùng phân tươi bón cây...; các loại chất thải rắn, phóng xạ, chất dẻo, nilông, kim loại, amiăng phát sinh từ các nguồn thải công nghiệp đưa vào đất; các loại hoá chất độc hại sinh ra do sự phân huỷ các loại hoá chất sử dụng trong nông nghiệp, trong chiến tranh hoá học... ngấm vào đất, [19, 31]. Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh của công nghiệp, tốc độ đô thị hóa diễn ra ngày càng nhanh, vấn đề ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng, nguyên nhân là do khí thải từ các nhà máy, các xe cơ giới làm ô nhiễm bầu không khí, chất thải từ các nhà máy và khu dân cư đô thị làm ô nhiễm nguồn nước, không khí. Khi nước bị ô nhiễm thì đất cũng bị ô nhiễm theo. Ô nhiễm đất còn dẫn đến ô nhiễm các môi trường khác như nước ngầm, nước mặt, không khí. Chất ô nhiễm có thể hoà tan, thấm xuống nước ngầm hoặc có thể bị dòng nước di chuyển đi nơi khác tạo nên sự ô nhiễm nước trên mặt đất. Gió thổi có thể chuyển chất ô nhiễm đi xa làm cho diện tích ô nhiễm mở rộng hơn. Bởi vậy, khi đất ô nhiễm cũng có thể trở thành nguồn gây ô nhiễm đối với nước và không khí. Ô nhiễm đất không những làm giảm khả năng sản xuất của đất mà còn ảnh hưởng tới thực vật, động vật và người - một số nguyên tố vi lượng hoặc siêu vi lượng có tính độc hại tích lũy lại trong nông sản, đi vào chuỗi thức ăn gây tác hại nghiêm trọng đối với động vật và con người, [52, 112]. Chính vì sự nguy hại của ô nhiễm đất mà ngày càng có nhiều nghiên cứu về biện pháp quản lý, giảm thiểu, tiến đ ế n loại bỏ yếu tố ô nhiễm khỏi đất. Mỗi phương pháp xử lý ô nhiễm có ưu và nhược điểm riêng, tùy từng điều kiện cụ thể cũng như nguyên nhân gây nên ô nhiễm mà áp dụng cho phù hợp. Như vậy, lựa 4 chọn biện pháp xử lý ô nhiễm đất là bước đi quan trọng không chỉ với mục tiêu phục hồi các vùng đất đã bị ô nhiễm, mà còn đảm bảo nhiều lợi ích trên phương diện kinh tế, xã hội. 1.1.2. Kim loại nặng và ô nhiễm kim loại nặng trong đất Thuật ngữ “Kim loại nặng” được từ điển hóa học định nghĩa là các kim loại có tỷ trọng lớn hơn 4,5 g/cm3. Trong tự nhiên có hơn 70 nguyên tố KLN. Đối với các nhà độc tố học, thuật ngữ “Kim loại nặng” chủ yếu dùng để chỉ các kim loại có nguy cơ gây nên các vấn đề môi trường bao gồm: As, Cd, Pb, Cu, Zn, Hg, Ni, Mn, Cr... Theo cơ quan thống kê các chất độc và bệnh Hoa Kỳ (ATSDR) và Cơ quan bảo vệ Môi trường của Mỹ (US EPA), trong số này, As, Cd, Pb, và Hg nằm trong nhóm 20 chất nguy hại hàng đầu [85]. Một số kim loại là thành phần thiết yếu của các enzym, protein hô hấp và trong các cấu trúc của cơ thể sinh vật, đó là các nguyên tố vi lượng như: Fe, Zn, Cu, Mn, Mo... Tuy nhiên, ở hàm lượng quá cao hay quá thấp của các nguyên tố cần thiết này đều là điều kiện bất lợi với cơ thể sinh vật. Sự tích tụ KLN trong môi trường đất, nước gây nguy hiểm cho sức khoẻ con người và các hệ sinh thái. Theo nhiều nghiên cứu, tích tụ KLN trong cơ thể con người có thể gây ra một số rối loạn bao gồm các bệnh về tim mạch, ung thư, suy giảm nhận thức, thiếu máu mãn tính, tổn thương thận, hệ thần kinh, não, da và xương [93]. KLN tồn tại trong đất thông qua các quá trình tự nhiên và nhân tạo, gây ra nhiều tác động độc hại đối với hoạt động sinh học đất do đó ảnh hưởng không nhỏ đến các quá trình chuyển hóa trao đổi chất cũng như chức năng của hệ sinh thái [31]. 1.1.3. Các dạng tồn tại của As, Cd, Pb, Hg trong đất và nước 1.1.3.1. As, Cd, Pb, Hg trong đất * Asen (As) trong đất Asen tồn tại dưới dạng hợp chất chủ yếu như arsenit (AsO43-) trong điều kiện ôxy hoá. Chúng bị hấp phụ mạnh bởi các khoáng sét, sắt, mangan ôxyt hoặc hyđrôxyt và các chất hữu cơ. Trong các đất chua, As có nhiều ở dạng arsenit với sắt và nhôm (FeAsO4; AlAsO4). Ở các đất kiềm và đất cácbonat, Asen có nhiều ở dạng Ca3(AsO4)2. Asen có xu hướng được tích tụ trong quá trình phong hóa, trên mặt cắt 5 của vỏ phong hóa và trong đất As thường tồn tại ở phần trên (0 - 1,5m) do bị hấp phụ bởi vật liệu hữu cơ, keo hyđrôxyt sắt và sét. Trong điều kiện khí hậu khô các hợp chất của As thường tồn tại dưới dạng ít linh động, còn trong điều kiện khí hậu ẩm ướt các hợp chất của asen sufua bị hòa tan và bị rửa trôi. Lượng As trong đất chuyển vào nước khoảng 5 - 10% tổng lượng As trong đất, [46, 66]. * Cadimi (Cd) trong đất Cadimi tồn tại ở dạng các hợp chất không tan như CdO, CdCO3, Cd3(PO4)2 trong điều kiện oxi hóa. Trong các điều kiện khử (Eh ≤ - 0,2V), Cd tồn tại nhiều dưới dạng CdS. Trong các đất chua, Cd tồn tại ở dạng linh động hơn (Cd2+). Tuy nhiên, nếu đất có nhiều sắt, nhôm, mangan, chất hữu cơ thì Cd bị chúng liên kết làm giảm khả năng linh động của Cd. Thông thường Cd tồn tại trong đất ở dạng hấp phụ trao đổi chiếm 20 - 40%, dạng các hợp chất cacbonat là 20%, hidroxit và oxit là 20%. Phần liên kết với các hợp chất hữu cơ chiếm tỉ lệ nhỏ [61, 79]. * Chì (Pb) trong đất Chì (Pb) chủ yếu tồn tại ở dạng hóa trị 2 và được chia ra thành 10 dạng: hoà tan trong nước, trao đổi, cacbonat, dạng dễ khử, phức liên kết với chất hữu cơ, kết hợp với oxit Fe ở dạng vô định hình, kết hợp với oxit Fe ở dạng tinh thể, dạng sunfit và các dạng còn lại. Trạng thái tồn tại của Pb trong đất phụ thuộc rất nhiều vào pH của đất, khi pH đất thấp thì khả năng di động của Pb tăng và ngược lại khi pH đất cao thì Pb bị cố định dưới dạng kết tủa Pb(OH)2 [11]. * Thuỷ ngân (Hg) trong đất Thủy ngân (Hg) tồn tại dưới dạng nguyên tố, các hợp chất hữu cơ và vô cơ, phổ biến nhất là dạng nguyên tố (kim loại), Clorit thủy ngân và metyl thủy ngân. Thủy ngân hóa trị 1 và 2 là 2 dạng bền vững trong điều kiện oxi hóa. Trong điều kiện khử, Hg vô cơ hoặc hữu cơ dễ dàng bị khử thành Hg nguyên tố, sau đó bị chuyển hóa thành dạng alkyl hóa. Hg hữu cơ và vô cơ có thể bị chuyển hóa thành dạng alkyl hóa dưới tác dụng của VSV, ví dụ như VSV khử lưu huỳnh và cũng có thể hình thành Hg nguyên tố khi metyl Hg bị demetyl hóa hoặc các hợp chất Hg2+ bị khử. Trong môi trường axit (pH<4), metyl Hg chiếm ưu thế trong khi ở môi trường kiềm chủ yếu tồn tại các hợp chất của HgS, [47]. 6