Công nghệ phytoremediation - Cơ chế phytovolatilization

CÔNG NGHỆ PHYTOREMEDIATION CƠ CHẾ PHYTOVOLATILIZATION 1. ĐỊNH NGHĨA Phytovolatilization: Đây được hiểu là biện pháp sử dụng thực vật để hút các chất ô nhiễm, sau đó những chất ô nhiễm này sẽ được biến đổi và chuyển vào trong thân sau đó lên lá và cuối cùng chúng được bài tiết ra ngoài qua lỗ khí khổng cùng với quá trình thoát hơi nước của cây. Các chất ô nhiễm này có thể được biến đổi trước khi đi vào cây do tác dụng của enzym giúp cho cây hút chúng nhanh hơn, hoặc một số chất khi đi vào trong cây mới bị biến đổi. Trong một số trường hợp thực vật ở vùng nhiệt đới hoặc có điều kiện sống gần giống vùng nhiệt đới các chất ô nhiễm này có thể bị bài tiết ra dưới dạng dịch. Giống như cơ chế giảm bớt hàm lượng muối ở cây có khả năng chịu mặn. Hay nói cách khác: Phytovolatilization là sử dụng thực vật để làm bay hơi các chất ô nhiễm thông qua quá trình hấp thu và chuyển hóa các chất ô nhiễm thành các chất không độc hại hoặc ít độc hại hơn và được thoát ra ngoài qua lỗ khí khổng. Sau khi giải phóng vào không khí, các hợp chất có thể nhanh chóng bị oxi hóa trong khí quyển bởi gốc hydroxyl è giảm độc, (ví dụ: TCE, PCE). Sự chuyển hóa bên trong thực vật là sự đồng nhất hóa các nhóm hợp chất riêng biệt. Sự đông hóa các chất trong cây nhờ có hệ Enzym, thực vật sử dụng hệ Enzym đồng hóa, làm giảm nồng độ của chất ô nhiễm. Cơ chế Phytovolatilization 2. MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Phytovolatilization chủ yếu được áp dụng cho nước ngầm, ngoài ra có thể được áp dụng đối với đất, trầm tích, nước bùn đặc. Do đặc điểm chính của cơ chế này là khả năng chuyển hóa bay hơi các chất ô nhiễm nên chủ yếu xử lý nước ngầm, còn ở dạng nước mặt thì các chất ô nhiễm đã bay hơi trực tiếp. 3. ƯU ĐIỂM Phytovolatilization có những ưu điểm như sau: - Chất ô nhiễm có thể chuyển hóa, biến đổi thành trạng thái ít độc hơn, (trường hợp như đối với nguyên tố thủy ngân và khí dimetyl selen). - Chất ô nhiễm được trao đổi thoát vào môi trương không khí mạnh nên đạt hiệu quả. Quá trình xử lý nhanh chóng làm giảm sút chất ô nhiễm ngang bằng với cơ chế phytodegradation. - Chi phí thấp. - Xử lý tại chỗ. 4. NHƯỢC ĐIỂM Phytovolatilization có một số nhược điểm như sau: - Phụ thuộc vào thủy lực. - sự hấp thụ phụ thuộc vào tính kị nước, tính tan và tính phân cực của các hợp chất. + Tính kị nước: thông thường nằm trong khoảng log kwo = 0,5 đến 3 thì chất hữu cơ dễ dàng được giữ lại và chuyển vào trong thực vật. + Các phân tử không phân cực có trọng lượng phân tử < 500 sẽ được hấp thụ trên bề mặt của rễ, còn những phân tử có cực sẽ được đi vào rễ và được chuyển dời đi (Bell 1992). - Các chất ô nhiễm hoặc chuyển hóa thành các chất nguy hiểm( như là vinyl clorua từ TCE) có thể giải phóng ra môi trường không khí. Một nghiên cứu đã chỉ ra TCE có thể bay hơi, nhưng những nghiên cứu khác chỉ ra rằng chúng không bay hơi. - Các chất ô nhiễm chất chuyển hóa thành các chất nguy hiểm có thể tích lũy trong thực vật và sau đó chuyển sang bộ phận khác như là quả hoặc thân gỗ. Sự chuyển hóa, biến đổi các chất ở mức thấp nhất được phát hiện thấy trong các mô thực vật.( Newman et al. 1997a). - Thời gian xử lý ô nhiễm dài. - Phụ thuộc vào mùa. - Phụ thuộc vào bộ rễ của thực vật xử lý. - Sự hấp thụ các chất ô nhiễm phụ thuộc vào từng loại thực vật, tính chất của chất ô nhiễm và nhiều yếu tố vật lý, hóa học đặc trưng trong đất. - Ngày nay, việc nhận dạng và xác định rõ các dạng chuyển hóa của thực vật là rất khó khăn, do đó việc phá hủy các chất ô nhiễm rất khó được xác nhận. 5. GIỚI HẠN NỒNG ĐỘ CỦA CHẤT Ô NHIỄM 5.1. Chất hữu cơ: Chất hữu cơ là đối tượng chính của cơ chế này. Thông thường các hợp chất hữu cơ nằm trong khoảng log = 0,5 đến log = 3,0 thì thực vật có khả năng chuyển hóa. Hỗn hợp dung dịch chứa Clo gồm có TCE, TCA, carbon, tetrachloride ( Newman et al.1997a, 1997b; narayanan et al.1995). Trong vòng 2 năm, cây dương lai có thể di chuyển > 97% của 50 ppm TCE từ môi trường nước (Newman et al.1997b). Sử dụng loại cỏ linh lăng có thể xử lý được 100-200 µg/L TCE trong nước ngầm ( Narayanan et al. 1995). Trong vòng 1 năm, khoảng 95% của 50 ppm carbon tetrachloride được di chuyển lên bởi cây bạch dương ( Newman et al. 1997b). 5.2. Chất vô cơ Các chất ô nhiễm vô cơ Se ,Hg và các chất khác có thể chuyển thành các chất dạng bay hơi (Pierzynski et al .1994). Se được hấp thụ và chuyển đổi tại những vùng nước ngầm có nồng độ 100 to 500 µg/L, và trong đất là 40µg/L. thực vật có thể sinh trưởng và phát triển ở mức ô nhiễm Hg++ là 20ppm và xử lý bay hơi ở dạng Hg nguyên tố, với nồng độ 5-20ppm Hg++ không gây độc với thực vật. 6. ĐỘ DÀI CỦA RỄ Các chất ô nhiễm phải ở trong vùng ảnh hưởng của rễ cây (trong vùng trao đổi chất của rễ), nước ngầm là mục đích trọng tâm. Để xử lý được các chất ô nhiễm trong nước ngầm, thì nước ngầm phải có dòng chảy đi vào khu vực ảnh hưởng của rễ. 7. CÁC LOÀI THỰC VẬT ĐƯỢC ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ PHYTOVOLATILIZATION Những loài thực vật được sử dụng trong công nghệ phytovolatilization gồm có: Trường Đại học Washington đã tiến hành những nghiên cứu rộng rãi việc sử dụng cây bạch dương trong công nghệ thực vật xử lý để hòa tan các dung môi khử trùng có chứa clo. Trong những nghiên cứu này, đã tìm thấy sự biến đổi của TCE xảy ra ở bên trong thực vật (Newman el at.1997a). Loài cỏ linh lăng (Medicago sativa) đã được những nhà nghiên cứu của Đại học Kansas State University xem xét về vai trò của chúng trong công nghệ phytovolatilization để chuyển hóa hợp chất TCE. Cỏ linh lăng (Medicago sativa) Loài Black locust đã được nghiên cứu để ứng dụng trong việc điều tiết lại lượng TCE có trong nước ngầm (Newman et al. 1997b). Cây mù tạt Ấn Độ (Brassica juncea) và cây cải dầu (Brassica napus) đều được sử dụng trong công nghệ phytovolatilization để dịch chuyển Selen. Selenium (tương tự như Se) đã được biến đổi thành dạng khí Selenite và phát tán vào không khí (Adler 1996). Mù tạt Ấn Độ (Brassica juncea) Cải dầu (Brassica napus) Kenaf (Hibiscus cannabinus L. cv. Indian) và cây roi cao (Festuca arundinacea Schreb cv. Alta) đã được sử dụng để lấy đi Se nhưng chỉ ở một mức độ nhất định và ít hơn so với loài cây cải dầu (Banuelos et al. 1997b). Một loài cỏ dại trong họ mù tạt (Arabidopsis thaliana) đã được chuyển gen bao gồm có gen (emzym) có khả năng chuyển đổi những muối thủy ngân thành dạng thủy ngân kim loại và phát tán vào không khí (Meagher and Rugh 1996). Arabidopsis thaliana 8. ĐIỀU KIỆN MÔI TRƯỜNG Bởi vì phytovolatilization liên quan đến việc chuyển các hóa chất gây ô nhiễm vào bầu khí quyển, tác động của việc chuyển chất gây ô nhiễm trên hệ sinh thái và trên sức khỏe con người cần được quan tâm. 8.1. Điều kiện đất đai: Để việc thoát hơi nước xảy ra hiệu quả, thì đất cần phải có cấu trúc để cung cấp đủ nước đến cây. Các giá trị cũng khác nhau tùy thuộc vào độ pH, độ xốp của đất,… 8.2. Nước ngầm và nước mặt: Nước ngầm phải nằm trong phạm vi ảnh hưởng của rễ cây. 8.3. Điều kiện khí hậu: Các yếu tố khí hậu như nhiệt độ, lượng mưa, độ ẩm, cường độ chiếu sáng và vận tốc gió có thể ảnh hưởng đến chỉ số thoát hơi nước. 9. CHIỀU HƯỚNG HIỆN TẠI Cơ chế phytovolatilization đã được nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và ngoài thực địa đối với các chất TCE và các dung môi clo hóa khác. Một dự án đã được bắt đầu tại khu vực Carswell, Fort Worth, sử dụng cây bạch dương để xử lý TCE trong nước ngầm bị ô nhiễm. Một số nghiên cứu có ý nghĩa đáng kể để kiểm nghiệm và ứng dụng thực vật đối với sự bay hơi của Se đã được tiến hành. 10. LỜI KẾT Ứng dụng thực vật trong việc thu hồi các chất ô nhiễm là một công nghệ hoàn toàn mới mẻ, đang ở giai đoạn đầu của sự phát triển. Theo đánh giá sơ bộ, giá thành trung bình của việc tẩy độc bằng các phương pháp hoá học, cơ học, lý hoá học… cao hơn rất nhiều lần so với giá thành xử lý môi trường ô nhiễm bằng biện pháp sinh học. Do đó ngày càng cần có nhiều nghiên cứu chuyên sâu hơn nữa để hoàn thiện các cơ chế xử lý chất ô nhiễm bằng thực vật để có thể ứng dụng chúng một các rộng rãi trong thực tế nhằm giảm bớt các chi phí tốn kém và có thể áp dụng trong các điều kiện của nền kinh tế chưa phát triển cao. Trong quá trình nghiên cứu về cơ chế Phytovolatilization, chúng tôi nhận thấy cơ chế này cũng tồn tại một vài nhược điểm cần có nhiều nghiên cứu hơn nữa để khắc phục những nhược điểm trên nhằm mục đích xứ lý đạt hiệu quả nhất mà không ảnh hưởng đến môi trường xung quanh. Ở Việt Nam, trong điều kiện kinh tế còn chưa phát triển cao thì có thể áp dụng công nghệ này trong xử lý ô nhiễm đất, nguồn nước. Cần nghiên cứu và tìm ra những loài thực vật có thể ứng dụng được mà phù hợp với điều kiện đất đai và khí hậu của Việt Nam. Bên cạnh đó việc phát triển công nghệ sinh học trong lĩnh vực xử lý môi trường cũng cần được quan tâm, việc ứng dụng kỹ thuật chuyển gen để chuyển những gen có khả năng chuyển hóa các chất ô nhiễm vào trong những loài thực vật sinh trưởng và phát triển tốt ở điều kiện đất đai và khí hậu Việt Nam. Tóm lại: Những loài thực vật được sử dụng trong cơ chế nay hầu hết là các cây thân cỏ tiêu biểu như: cây dương lai, cây trong họ mù tạt, cây cải dầu, cỏ linh lăng,… và điều đặc biệt là những cây này cỏ thể tồn tại nhiều cơ chế khác của công nghệ Phytoremediation, tùy vào mục tiêu xử lý để lựa chọn những loài thực vật thích hợp. 11. TÀI LIỆU THAM KHẢO: 1. L.C. Davis and L.E. Erickson (2002). A review of the potential for phytovolatilization of the volatile contaminants ethylene dibromide, ethylene dichloride, and carbon tetrachloride. ( nguồn: 2. Meagher, R.B., and C. Rugh. 1996.Abstract: Phytoremediation of Mercury Pollution Using a Modified Bacterial Mercuric lon Reductase Gene. International Phytoremediation Conference, May 8-10, 1996, Arlington, VA. International Business Communications, Southborough, MA. Tài liệu này mô tả quá trình phát triển của thực vật chuyển gen để làm giảm hàm lượng Hg++ thành Hg dạng nguyên tố, sau đó chúng được làm cho bay hơi, và bổ sung những loài thực vật cho việc tăng quá trình chuyển Hg++ thành dạng Hg nguyên tố. 3.Newman, L.A., S.E.Strand, N.Choe, J. Duffy,G.Ekuan, M. Ruszaj, B.B. Shurtleff, J. Wilmoth, P. Heilman, and M. P. Gordon. 1997a. Uptake and Biotransformation of Trichloroethylene by Hybrid poplars. Environ. Sci. Technol. 31: 1062-1067. Toàn bộ những loài cây được kiểm tra sự bay hơi của 50ppm TCE với những cái túi đặt xung quanh lá, sự phân tích đã chỉ ra rằng TCE được thoát ra từ những loài cây đó. 4. Bañuelos, GS, HAAjwa, B. MacKey, LLWu, C. Cook, S. Akohoue, và S. Zambrzuski. 1997b. Đánh giá các loài thực vật khác nhau được sử dụng công nghệ Phytoremediation trong đất có nhiều Selen. J.Environ.Qual.26: 369-646 Thảo luận về việc đánh giá này có loài thực vật (cây canola, cây dâm bụt Đông Ấn Độ, và cây roi cao) được trồng trong đất có nhiễm selen trong điều kiện nhà kính. Tổng số selen trong đất đã giảm mạnh khi sử dụng mỗi loài. Sự bay hơi selen đã đưa ra giả thuyết là nguyên nhân của việc giảm nồng độ trong đất.