CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về nguồn gốc, cơ chế tích lũy và ảnh hưởng của Cd đến lúa gạo 1.1 Nguồn gốc phát sinh Cd trong đất và nước Ô nhiễm Cadmium (Cd) trong nước và đất nông nghiệp xảy ra ở nhiều nơi trên thế giới [6]. Cd là nguyên tố độc hại nhưng rất bền vững về mặt sinh học và tồn tại trong sinh vật trong thời gian dài sau khi được hấp thụ [7]. Cơ chế xâm nhập của Cd vào nước ngầm đã được nghiên cứu ở nhiều quốc gia như Úc, Anh, Canada, Đan Mạch, Phần Lan, Đức, New Zealand, Na Uy, Thụy Điển và Hoa Kỳ [8]. Ô nhiễm Cd trong nước ngầm và đất có nguồn gốc từ nước tưới ô nhiễm, phân bón, chất thải của các ngành công nghiệp luyện kim, giao thông, bãi chôn lấp chất thải rắn, khai thác mỏ và bùn thải…[9].
Biến đổi khí hậu làm nhiều vùng canh tác khan hiếm nước tưới vào mùa khô phải tận dụng nguồn nước thải để tưới. Bên cạnh đó, áp lực về tăng năng suất và chất lượng nông sản dẫn đến lạm dụng phân bón hóa học gây ra sự tích lũy các ion Cd trong đất, làm cho Cd đi vào cây trồng, ảnh hưởng đến sức khỏe con người [10]. Sự xuất hiện của Cd trong đất nông nghiệp xuất phát từ ô nhiễm nguồn nước tưới, phân bón, thuốc trừ sâu, hoạt động khai thác khoáng sản và đốt nhiên liệu hóa thạch. Tại Việt Nam, phần lớn hệ thống tưới cho cây nông nghiệp bị thiếu nước vào mùa khô nên nhiều vùng sử dụng các nguồn nước thải làm nguồn tưới.
Các lưu vực sông Nhuệ, sông Cầu Bây, hệ thống thủy lợi Bắc Hưng Hải… là nguồn tưới chính cho hệ thống lúa ở lưu vực sông Hồng. Ngoài vai trò cung cấp nước tưới, các hệ thống thủy lợi này đều là nơi tiếp nhận một lượng lớn nước thải từ sinh hoạt và sản suất, tiềm ẩn nguy cơ ô nhiễm kim loại nặng trong đó có Cd. Khi Cd có trong nguồn nước tưới, sẽ tích lũy trong đất nông nghiệp và tích lũy vào thực vật. Việc sử dụng phân lân tổng hợp trong nông nghiệp có chứa tạp chất Cd cũng là nguyên nhân phổ biến làm tăng nồng độ Cd trong nước ngầm và đất [11].
Hàm lượng Cd trong phân bón đã được phát hiện với nồng độ rất cao tại nhiều nước trên thế giới như phía đông Địa Trung Hải, một số nước ở châu Âu với hàm lượng Cd trong phân bón phốt phát dao động từ 36 -60 mg Cd/kg P2O5 [12]. Ngoài ra, Cd có trong các sản phẩm dầu mỏ, do đó Cd có thể nhiễm vào môi trường thông qua hoạt động giao thông [13]. Các nguồn thải khác gây ô nhiễm Cd xuất phát từ các khu công nghiệp, mỏ hoặc các mỏ sau khai thác 6 [14], khi sử dụng nước thải công nghiệp này để tưới cũng là những nguồn chính đưa Cd vào trong đất và môi trường [15] [16] [17]. Ngoài ra, chất thải rắn đô thị là một trong những nguồn gây ô nhiễm Cd chính cho môi trường [18].
Các nghiên cứu của các nhà khoa học Châu Âu đã chỉ ra, chất thải rắn đô thị ở khu vực này chứa 0,3 - 12 mg/kg Cd và nước rỉ rác chứa 0,5–3,4 µg/L Cd [19]. Bên cạnh đó, nghiên cứu của Voglar năm 2010 cũng chỉ ra sự ô nhiễm Cd từ các nhà máy luyện Zn, Cd di chuyển vào đất thông qua quá trình lắng đọng từ khí thải lên đến 74 mg/kg và lắng đọng chất thải rắn lên đến 344 mg/kg [20]. Các nguồn phân hữu cơ và bùn thải cũng là nguyên nhân gây ô nhiễm Cd cho môi trường. Kết quả của một nghiên cứu chỉ ra, nước rò rỉ từ phân hữu cơ và bùn thải đóng góp khoảng 2–5% lượng Cd lắng đọng trong đất [7].
Các nguồn khác bao gồm sự lắng đọng từ khí quyển và phân thải từ chuồng trại, đóng góp lần lượt 30–55%, 15–50% và 10–25% lượng ô nhiễm Cd trong đất [21]. Ngoài ra, các nguyên nhân có nguồn tự nhiên như sự phong hóa khoáng chất và đá trong đất có thể gây ra sự gia tăng Cd trong môi trường [22]. Cd xuất hiện trong đất, sau khi hòa tan tạo dạng Cd di động sẽ tham gia các phản ứng hóa học chuyển hóa vào trong thực vật. So với chì, đồng, kẽm và asen, lượng Cd trong môi trường nhỏ hơn nhiều nhưng lại được cây trồng hấp thụ dễ dàng.
Điều này được giải thích do Cd có hệ số làm giàu cao hơn nên dễ di chuyển từ đất sang cây hơn các kim loại khác [22].2 Cơ chế tích lũy Cd trong lúa gạo 1.1 Cơ chế hấp thụ Cd của cây lúa Cd là nguyên tố có sẵn trong môi trường đất và có thể liên tục được bổ sung bởi nước thải công nghiệp, bón phân hoá học… Trong đất, Cd tồn tại ở nồng độ 0,01 đến 1,0 mg/kg với giá trị trung bình trên toàn thế giới là 0,36 mg/kg. Phong hóa có thể dẫn đến nồng độ Cd lên đến 5 μg/L trong đất và lên đến 1 μg/L trong nước ngầm. Trong dung dịch nước, Cd thường xuất hiện dưới dạng di động và nó được tìm thấy chủ yếu trong điều kiện môi trường axit, tính linh động của Cd bị ảnh hưởng nhiều hơn bởi độ pH, trạng thái oxi hóa khử và cường độ ion của dung dịch. Khi pH giảm thì tính di động của Cd càng tăng.
So với các KLN khác, Cd là một trong những KLN di động nhất trong môi trường [34], đặc tính này dẫn đến Cd di động dễ dàng được thực vật hấp thụ qua hệ 7 thống rễ và di chuyển đến các bộ phận khác nhau của cây sau đó tích lũy vào hạt [2]. Sự hấp thụ Cd của cây lúa phụ thuộc vào các đặc điểm lý hoá đất và các đặc điểm hình thái của cây, các trạng thái ôxy hóa khử và pH của đất [24]–[26]. - Cd thường được tìm thấy ở trong khoáng chất hoặc tồn tại ở dạng phức hữu cơ trong dung dịch đất [27][28]. Sự hấp thụ Cd vào rễ bởi dạng Cd vô cơ (như CdSO4, CdCl+ và CdCl2) hoặc các dạng hữu cơ (Cd trong phức của phytometallophore)[11].
Khi đi vào bên trong cây, Cd được vận chuyển đến các bộ phận cây dưới dạng phức chất hữu cơ [29]. - Ở điều kiện môi trường có thế oxy hóa khử thấp, Cd thường được kết tủa dưới dạng CdS, [29] dạng này thường tồn tại ở đất bùn lầy hoặc đất lúa ngập nước, làm giảm Cd di động. Kết quả là hạn chế sự di chuyển Cd vào lúa hoặc thực vật. Trong môi trường đất có thế oxy hóa khử cao, ở các vùng đất thoát nước hoặc các ruộng lúa áp dụng tưới tiết kiệm nước hoặc trong các thời kì rút nước phơi ruộng giai đoạn cuối đẻ nhánh, hoặc phơi ruộng trước thu hoạch 10 ngày thường là điều kiện thuận lợi cho Cd đi vào và tích luỹ trong cây lúa.
Lý do là tại thời điểm này, khí oxy khuếch tán vào các lỗ rỗng của đất làm thế oxy hóa của đất tăng lên, Cd tự do sẽ được giải phóng và dễ dàng sự di chuyển vào cây lúa. CdS + 3O2 + 4H+ → Cd2+ + SO42- + 2H2O - pH đất cao cố định Cd trong đất dưới các kết tủa Cd(OH)2, CdCO3, CdSiO3 trong đất giúp hạn chế Cd di chuyển vào cây. Khi pH đất giảm xuống, các kết tủa trên bị hòa tan chuyển thành Cd di động gia tăng sự hấp thụ Cd vào rễ lúa. - Bên cạnh đó, trong cơ chế hấp thụ Cd của rễ xảy ra sự cạnh tranh giữa Cd và các khoáng chất dinh dưỡng khác có đặc điểm hóa học tương tự nhau [30].
Chẳng hạn, Cd có khả năng thay thế Ca do chúng có điện tích, bán kính ion và tính chất hóa học tương tự nhau [11]. Cơ chế này đã được nhiều nghiên cứu chứng minh, cụ thể như nồng độ Mg, Ca và K giảm ở dưa chuột (Cucumis sativus L.), ngô (Zea mays L.), cà chua (Lycopersicon esculentum L.) và rau diếp (Lactuca sativa L.) trong điều kiện có hàm lượng Cd cao trong đất [31]. Cd cũng cạnh tranh với Zn, như các nghiên cứu trên cây xà lách chỉ ra mối quan hệ đối kháng giữa Zn và Cd về khả năng hấp thụ của rễ [32]. Không chỉ vậy, các khoáng 8 chất dinh dưỡng khác như nitrat mặc dù không có đặc điểm hóa học giống Cd nhưng sự hấp thụ nitrat cũng bị cạnh tranh khi có mặt Cd trong đất [23].
Có hai kiểu hấp thụ Cd vào rễ là apoplastic và symplastic [33]. Sự khác biệt giữa apoplast và symplast đó là: - Apoplast là cách hấp thụ thụ động trong khi symplast là cách hấp thụ chọn lọc mà trong đó sự di chuyển của nước do thẩm thấu giúp Cd xâm nhập vào rễ và gây hại cho rễ [34]. Theo quá trình apoplast, sự hấp thụ Cd qua màng sinh chất của tế bào rễ được điều chỉnh bởi sự chênh lệch điện thế [35]. Điện thế màng cung cấp đủ năng lượng để thúc đẩy sự hấp thụ Cd ngay cả khi nồng độ Cd trong đất ở mức rất thấp [36].
- Symplastic là quá trình hấp thụ dựa trên hoạt động trao đổi chất và chậm hơn nhiều so với apoplastic [33]. Cd đi theo con đường apoplastic xuyên qua tế bào rễ qua màng tế bào [27], [37]. Trong đó, các nhóm protein màng cũng tham gia vào quá trình hấp thụ Cd ở thực vật [33], [38], các protein này có thể vận chuyển các ion kim loại vào tế bào chất từ không gian ngoại bào [39]. Một nhóm khác vận chuyển cation được gọi là chất vận chuyển kim loại hóa trị 1 và chất vận chuyển cation hóa trị 2 [40].
Các chất vận chuyển này tham gia đưa dòng Cd đi qua màng sinh chất nội bì và góp phần vận chuyển Cd từ rễ lên chồi [27]. Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự di chuyển của Cd từ đất vào lúa, trong đó rễ là điểm tiếp xúc đầu tiên với đất và đóng vai trò là vách ngăn. Nên rễ có thể cản trở sự hấp thụ các chất độc và sự chuyển dịch của chúng lên các bộ phận phía trên của cây bằng một loạt các cơ chế [28]. Uraguchi và các cộng sự đề xuất rằng chuyển từ rễ sang thân là quá trình chính tích lũy Cd trong hạt gạo [41].
Trong rễ, Cd được vận chuyển thẳng từ phần ngoài của rễ đến các mạch xylem trong trụ giữa thông qua hai con đường chính: con đường từ tế bào đến tế bào (bao gồm con đường symplastic và con đường xuyên màng) và con đường apoplastic (tức là chuyển động trong không gian ngoại bào) [42].
