Tổng quan luận án

Công trình khoa học mang tiêu đề "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" được nghiên cứu sinh Nguyễn Minh Hưng thực hiện tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Nguyễn Xuân Hải và TS. Bùi Thị Ngọc Dung, bảo vệ năm 2019 thuộc chuyên ngành Môi trường đất và nước (mã số 9440301.02). Luận án được triển khai theo hướng nghiên cứu thực nghiệm kết hợp giữa điều tra khảo sát hiện trạng môi trường và bố trí thí nghiệm sinh học trong chậu cùng thí nghiệm đồng ruộng.

Tính cấp thiết của luận án xuất phát từ thực trạng phát triển nhanh chóng của ngành sản xuất rau quả tại Việt Nam. Giai đoạn từ năm 2005 đến năm 2015, diện tích canh tác rau cả nước tăng từ 635,1 nghìn ha lên 900 nghìn ha với sản lượng tương ứng đạt 15 triệu tấn; kim ngạch xuất khẩu rau quả năm 2015 đạt 1,8 tỷ USD và đến tháng 10 năm 2016 đạt trên 1,99 tỷ USD. Vùng Đông Nam Bộ giữ vai trò là một trong những vùng sản xuất rau lớn của cả nước, cung ứng nông sản cho Thành phố Hồ Chí Minh, thành phố Biên Hòa và các khu công nghiệp tại tỉnh Bình Dương, Đồng Nai. Tuy nhiên, hoạt động canh tác rau tại đây đang chịu sức ép lớn từ chất thải đô thị và công nghiệp. Đông Nam Bộ phát sinh lượng nước thải công nghiệp chiếm tới 50% tổng lượng nước thải công nghiệp của 6 vùng kinh tế; lưu vực sông Đồng Nai tập trung 114 khu công nghiệp nhưng thời điểm nghiên cứu mới có 79 khu công nghiệp vận hành hệ thống xử lý nước thải tập trung, phần còn lại xả trực tiếp ra nguồn tiếp nhận. Bên cạnh đó, việc lạm dụng phân bón hóa học và thuốc bảo vệ thực vật làm gia tăng nguy cơ tích lũy kim loại nặng (KLN) gồm As, Cd, Pb và Hg trong đất, bùn, nước tưới và nông sản. Trong khi các giải pháp cơ lý, hóa học truyền thống (rửa đất, cô đặc, thủy tinh hóa) có chi phí cao (0,27 đến 1,6 triệu USD/ha) và khó áp dụng trên diện tích lớn, công nghệ xử lý sinh học bằng thực vật kết hợp vi sinh vật (VSV) có chi phí thấp hơn từ 10 đến 1.000 lần nhưng còn mới mẻ và chưa được nghiên cứu ứng dụng đồng bộ tại vùng Đông Nam Bộ.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được văn bản xác định cụ thể qua 4 nội dung đánh số:

  1. Đánh giá thực trạng ô nhiễm kim loại nặng trong đất, nước ở vùng chuyên trồng rau ở Đông Nam Bộ.
  2. 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.
  3. 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 Đông Nam Bộ.
  4. 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 Đông Nam Bộ.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Môi trường đất trồng rau, bùn lắng, nước tưới và nông sản rau; 4 nguyên tố kim loại nặng chính gồm Asen (As), Cadimi (Cd), Chì (Pb), Thủy ngân (Hg); các loài thực vật có tiềm năng tích lũy kim loại (đậu bắp, dọc mùng, đậu rồng, rau ngót, kèo nèo, rau muống, cải xanh...) và hệ vi sinh vật đất (nấm cộng sinh Mycorrhiza/AMF, vi khuẩn vùng rễ).
  • Phạm vi không gian: Nghiên cứu thực địa trên địa bàn 4 tỉnh, thành phố trọng điểm của vùng Đông Nam Bộ gồm: Thành phố Hồ Chí Minh (điển hình tại xã Vĩnh Lộc B, huyện Bình Chánh và huyện Hóc Môn), tỉnh Đồng Nai, tỉnh Bình Dương và tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu.
  • Tiêu chí lựa chọn địa điểm: Địa phương có diện tích rau chuyên canh đủ lớn cung cấp cho đô thị, khu công nghiệp và xuất khẩu; đồng thời chịu tác động trực tiếp từ nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp trong quá trình canh tác.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến sự phát tán, tích lũy KLN và các giải pháp xử lý sinh học. Về mặt quốc tế, tác giả trích dẫn các tài liệu kinh điển và số liệu thống kê:

  • Kabata và Henryk (1985) tại Anh xác định hàm lượng Cd trong hóa chất nông nghiệp: bùn thải chứa 2 - 1.500 ppm, phân lân chứa 0,1 - 170 ppm, phân đạm chứa 0,05 - 8,5 ppm, vôi chứa 0,04 - 0,1 ppm và phân chuồng chứa 0,3 - 0,8 ppm.
  • Nghiên cứu 40 năm tại Woburn của McGrath và Lane chỉ ra rằng sau 20 năm bón bùn thải hàng năm, cây trồng chỉ hấp thụ dưới 0,5% lượng KLN đưa vào, phần lớn còn lại tích tụ lâu dài trong tầng đất canh tác.
  • Tại Trung Quốc, tài liệu ghi nhận gần 2.000 vạn ha đất canh tác bị ô nhiễm KLN, chiếm gần 20% tổng diện tích đất nông nghiệp, gây thiệt hại 1.000 vạn tấn lương thực mỗi năm, tương đương hơn 10 tỷ Nhân dân tệ.
  • Nghiên cứu của Viện Quản lý Nước Quốc tế (IWMI) tại lưu vực Huay Mae Tao, huyện Mae Sot, tỉnh Tak (Thái Lan) trên 154 ruộng lúa cho thấy đất nhiễm Cd cao gấp 94 lần tiêu chuẩn an toàn; Watanabe M. cùng cộng sự ghi nhận nồng độ Cd trong gạo đạt từ 0,1 đến 44 mg/kg (vượt ngưỡng tiêu chuẩn châu Âu là 0,043 mg/kg), trong tỏi và đậu nành vượt từ 16 đến 126 lần.
  • Về sự tích lũy kim loại vào thực vật, Singh và cộng sự chứng minh Cd trong cây đậu có mối tương quan tuyến tính với hàm lượng Cd trong bùn thải và nước thải; Robert T. M. (dẫn theo Rufus L. Chaney và cộng sự, 2007) chỉ ra rau diếp tích lũy Pb lên tới 0,15% tính theo chất khô; Vijayaraghavan (2008) khẳng định nồng độ Pb và Cd trong nước tưới tương quan chặt với hàm lượng trong rau cải canh.

Về khả năng siêu tích lũy của thực vật, luận án dẫn số liệu tổng hợp từ Barceló J. về một số loài thực vật tích lũy kim loại điển hình trên thế giới:

Tên loài thực vật Kim loại nặng Hàm lượng tích lũy (µg/g chất khô) Tác giả và năm công bố
Arabidopsis halleri Zn 13.000 Madico và cộng sự, 1992
Thlaspi caerulescens Zn 10.000 Madico và cộng sự, 1992
Thlaspi caerulescens Cd 12.000 Madico và cộng sự, 1992
Thlaspi rotundifolium Pb 8.200 Baker và cộng sự, 1985
Minuartia verna Pb 11.400 Baker và cộng sự, 1985
Thlaspi geosingiense Ni 12.000 Baker và cộng sự, 1985
Alyssum bertholonii Ni 13.400 Baker và cộng sự, 1985
Alyssum pintodasilvae Ni 9.000 Baker và cộng sự, 1985
Berkheya codii Ni 11.600 Baker và cộng sự, 1985
Psychotria douarrei Ni 47.500 Baker và cộng sự, 1985
Miconia lutescens Al 6.800 Bech và cộng sự, 1997
Melastoma malabathricum Al 10.000 Watanabe và cộng sự, 1998

Tại Việt Nam, các nghiên cứu được luận án tổng thuật bao gồm:

  • Trần Kông Tấu và Trần Công Khánh (1998) xác định 7 nguyên tố độc hại chính (Co, Cr, Fe, Mn, Ni, Pb, Zn) trong đất phù sa sông Hồng và sông Cửu Long; Hồ Thị Lam Trà và cộng sự (2000) ghi nhận hàm lượng Ni, Pb, Zn trong đất phù sa sông Cửu Long lần lượt là 18,6; 29,1 và 36,2 mg/kg.
  • Võ Đình Quang (2001) công bố hàm lượng KLN tại huyện Hóc Môn: Cu (7,25 - 81,0 mg/kg), Zn (64,0 - 168,5 mg/kg), Pb (14,5 - 75,75 mg/kg), Cd (0,48 - 1,05 mg/kg), As (1,25 - 3,75 mg/kg), Hg (0,049 - 0,512 mg/kg).
  • Nguyễn Ngọc Quỳnh và Lê Huy Bá (2002) phân tích 126 mẫu đất lúa và rau chịu ảnh hưởng bởi kênh thải Thành phố Hồ Chí Minh, ghi nhận nồng độ Cd tích lũy từ 9,9 đến 10,3 mg/kg, vượt 5 lần ngưỡng cho phép.
  • Nghiên cứu của Viện Quy hoạch và Thiết kế Nông nghiệp phối hợp Đại học Tổng hợp Mainz - Đức (2005) tại kênh Nhiêu Lộc - Thị Nghè phát hiện nước bị ô nhiễm Cd gấp 16 lần, Cr gấp 60 lần, Zn gấp 90 lần và Pb gấp 700 lần tiêu chuẩn.
  • Bùi Cách Tuyến (1999) chỉ ra hệ số tương quan giữa KLN trong nước tưới và rau muống đạt 0,95 với Zn; 0,73 với Pb và 0,94 với Cd; tương quan giữa đất và bông cải đạt 0,98 với Zn; 0,12 với Pb và 0,99 với Cd.
  • Đặng Đình Kim và cộng sự (2010) khảo sát 157 loài thực vật tại vùng mỏ Thái Nguyên, chọn ra 33 loài chịu ô nhiễm; trong đó Pteris vittata và Pityrogramma calomelanos tích lũy As trong thân lá tới 5.876 ppm, rễ đạt trên 2.000 ppm; cỏ mần trầu (Eleusine indica) và cỏ vetiver (Vetiveria zizanioides) chịu được nồng độ Pb trong đất trên 1.530 ppm.
  • Các công trình khác của Nguyễn Hữu Thành về cây đơn buốt (Bidens pilosa); Võ Văn Minh về cỏ vetiver và cây sậy (Phragmites vallatoria); Diệp Thị Mỹ Hạnh về cây thơm ổi (Lantana camara / Cosmos bipinnatus); Nguyễn Thế Đặng chứng minh cây đơn buốt chịu được ngưỡng As 1.500 mg/kg và Pb 3.000 mg/kg trong đất.
  • Hướng nghiên cứu kết hợp VSV: Trần Thị Tuyết Thu (2005) sử dụng Aspergillus sp. và Penicillium sp. để chiết tách Pb, Zn, Cr; Lê Như Kiểu và cộng sự tuyển chọn vi khuẩn tích lũy 193,46 mg Pb, nấm men tích lũy 234,19 mg Pb, nấm mốc tích lũy 203,64 mg Pb và nấm AMF tích lũy 657,48 mg Pb.

Khoảng trống nghiên cứu mà luận án lựa chọn giải quyết: Phần lớn các nghiên cứu thực vật xử lý KLN tại Việt Nam trước đây chỉ tập trung vào các bãi thải khai thác khoáng sản hoặc vùng bùn nạo vét kênh mương ở quy mô phòng thí nghiệm, sử dụng các loài cây hoang dại không có giá trị kinh tế. Vùng chuyên canh rau Đông Nam Bộ – khu vực chịu tác động kép từ ô nhiễm công nghiệp và thâm canh nông nghiệp – chưa từng có nghiên cứu hệ thống đánh giá đầy đủ hiện trạng ô nhiễm 4 nguyên tố As, Cd, Pb, Hg trong các thành phần đất, bùn, nước, rau; đồng thời chưa có giải pháp ứng dụng các loài cây trồng đa mục đích (vừa có khả năng hút thu kim loại cao, vừa có giá trị làm thực phẩm hoặc kinh tế) kết hợp với các chủng vi sinh vật bản địa để phục hồi môi trường đất sản xuất rau an toàn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết của đề tài dựa trên các nguyên lý sinh thái học và độc chất học môi trường:

  • Khái niệm ô nhiễm đất: Đất bị coi là ô nhiễm khi chứa các độc tố hoặc chất có hại vượt quá nồng độ quy định, làm suy giảm chức năng sinh thái và truyền chất độc vào chuỗi thức ăn. KLN được xác định là các nguyên tố có tỷ trọng riêng lớn hơn 4,5 g/cm3; trong đó US EPA và ATSDR xếp As, Cd, Pb, Hg vào nhóm 20 chất nguy hại hàng đầu.
  • Trạng thái tồn tại của kim loại: Trong đất, As tồn tại chủ yếu ở dạng arsenit ($AsO_4^{3-}$), liên kết với Fe, Al ở đất chua hoặc Ca ở đất kiềm; Cd tồn tại dưới dạng hợp chất khó tan ($CdO, CdCO_3$) hoặc ion trao đổi linh động $Cd^{2+}$ khi pH thấp; Pb phân bố qua 10 dạng liên kết và dễ kết tủa thành $Pb(OH)_2$ khi pH tăng; Hg tồn tại ở dạng kim loại nguyên tố, muối vô cơ hoặc alkyl hóa (metyl thủy ngân) dưới tác động của VSV.
  • Cơ chế công nghệ xử lý bằng thực vật (Phytoremediation): Bao gồm hút thu/chiết tách bằng thực vật (Phytoextraction - rễ hút và vận chuyển lên thân lá để thu hoạch loại bỏ), cố định chất ô nhiễm (Phytostabilisation - chất tiết rễ cố định kim loại, giảm tính linh động), xử lý qua thoát hơi nước (Phytovolatilization), lọc bằng rễ (Rhizofiltration), chuyển hóa qua thực vật (Phytotransformation) và kích thích vùng rễ (Phytostimulation).
  • Cơ chế tương tác giữa thực vật và vi sinh vật: Nấm cộng sinh vùng rễ (Arbuscular Mycorrhizal Fungi - AMF) phát triển mạng lưới sợi nấm giúp mở rộng bề mặt tiếp xúc, giữ kim loại trong cấu trúc sợi và bào tử, đồng thời hỗ trợ cây hấp thụ nước và dinh dưỡng. Nhóm vi khuẩn vùng rễ kích thích sinh trưởng (PGPR) như Aeromonas, Azotobacter, Bacillus, Enterobacter, Pseudomonas, Rhizobium có khả năng tiết hoóc môn Indol Axit Axêtic (IAA), sản sinh enzym ACC deaminaza, enzym phytaza và các hợp chất tạo phức hữu cơ (siderophores), giúp giải phóng dinh dưỡng, làm biến đổi tính linh động của ion kim loại và tăng sức chống chịu của cây chủ đối với độc tính KLN.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được triển khai đồng bộ:

  • Phương pháp thu thập tài liệu và khảo sát thực địa: Thu thập số liệu thứ cấp về diện tích, năng suất, sản lượng rau và hiện trạng sử dụng đất tại 4 tỉnh/thành vùng Đông Nam Bộ; khảo sát chi tiết hiện trạng sử dụng đất tại xã Vĩnh Lộc B (huyện Bình Chánh, TP.HCM).
  • Phương pháp lấy mẫu vật: Mẫu đất tầng mặt (0 - 20 cm), mẫu bùn kênh rạch dẫn nước tưới, mẫu nước tưới nông nghiệp và mẫu các loại rau thương phẩm (cải xanh, rau muống, đậu bắp, cà rốt...) theo đúng các tiêu chuẩn và quy chuẩn kỹ thuật quốc gia.
  • Phương pháp tuyển chọn thực vật và vi sinh vật: Khảo sát, sàng lọc 10 loài thực vật phân bố tại địa phương; đánh giá khả năng chống chịu của nấm Mycorrhiza bản địa thông qua xác định số lượng bào tử trong đất và tỷ lệ xâm nhiễm rễ; phân lập các chủng VSV đất và định danh bằng kỹ thuật so sánh trình tự ADN.
  • Phương pháp bố trí thí nghiệm trong chậu (TN):
    • TN 1: Đánh giá khả năng tích lũy Pb, Cd, As, Hg và làm giảm hàm lượng KLN trong đất của cây đậu bắp ở các mức nồng độ khác nhau.
    • TN 2: Đánh giá khả năng hút thu, tích lũy Pb và As dạng tổng số và dễ tiêu của cây đậu rồng.
    • TN 3: Đánh giá khả năng xử lý Cd và Hg tổng số, dễ tiêu trong đất của cây rau ngót.
    • TN 4: Đánh giá khả năng tích lũy KLN của cây dọc mùng.
    • TN 5 và TN 6: Đánh giá sinh trưởng, năng suất và khả năng thay đổi hàm lượng KLN tổng số trong bùn ô nhiễm khi trồng cây kèo nèo.
  • Phương pháp bố trí thí nghiệm đồng ruộng (TN 7 đến TN 11): Thử nghiệm trên đồng đất ô nhiễm thực tế với cây đậu bắp, cây dọc mùng và cây kèo nèo (trồng trên bùn); kiểm chứng ảnh hưởng của chế phẩm VSV (CP. VSV) đến các yếu tố cấu thành năng suất cây trồng và mức độ tích lũy kim loại.
  • Phương pháp đánh giá mức độ ô nhiễm: Luận án áp dụng chỉ số ô nhiễm Nemerow, bao gồm chỉ số Nemerow thành phần ($P_i$) cho từng kim loại và chỉ số Nemerow tổng hợp ($P_I$ hoặc $P_N$), phân cấp mức độ ô nhiễm từ không ô nhiễm đến hơi nghiêm trọng (HNT), nghiêm trọng (NT) và rất nghiêm trọng (RNT).
  • Phương pháp xử lý số liệu và mô hình hóa: Tính toán các hệ số tương quan sinh học ($BAF, TF$), xác định các hệ số thực nghiệm $a, b$ từ dữ liệu thực tế sau 2 năm theo dõi để thiết lập phương trình dự báo thời gian đất cần thiết để tự phục hồi về giá trị nền tự nhiên.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan các vấn đề nghiên cứu

Chương này dành 37 trang để tổng quan toàn diện các cơ sở lý luận và thực tiễn về ô nhiễm kim loại nặng và công nghệ xử lý sinh học. Tác giả phân tích nguồn gốc phát sinh As, Cd, Pb, Hg trong đất nông nghiệp; chỉ rõ các con đường xâm nhập chủ yếu từ phong hóa đá mẹ, phân bón hóa học (đặc biệt là phân lân giàu Cd, phân đạm chứa As), bùn cống rãnh, thuốc bảo vệ thực vật và nguồn nước tưới bị ô nhiễm bởi nước thải công nghiệp chưa qua xử lý. Chương I nêu chi tiết các dạng tồn tại hóa học, cơ chế hòa tan, hấp phụ, tạo phức của 4 kim loại độc hại trong pha đất và nước; phân tích mối nguy hại của chúng đối với sức khỏe con người (Cd gây tổn thương thận, xương; As gây ung thư nhóm I; Hg gây tổn hại hệ thần kinh trung ương; Pb kìm hãm chuyển hóa canxi, gây độc tạo huyết). Luận án cũng so sánh các giải pháp xử lý truyền thống với các biện pháp sinh học, khẳng định công nghệ thực vật (Phytoremediation) kết hợp vi sinh vật là giải pháp phù hợp với điều kiện diện tích ô nhiễm rộng nhưng nồng độ thấp và vừa, nhờ chi phí thấp hơn 10 - 1.000 lần so với phương pháp cơ lý hóa. Tác giả điểm lại các tiêu chuẩn tuyển chọn loài thực vật xử lý của Chaney (1997), danh mục các loài thực vật siêu tích lũy của Barceló J. và các loài bản địa tại Việt Nam (cỏ vetiver, thơm ổi, đơn buốt, sậy, dương xỉ).

Chương II: Đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu

Chương II trình bày cụ thể về đối tượng, vật liệu, địa bàn nghiên cứu và hệ thống phương pháp thực hiện từ trang 38 đến trang 51. Tác giả mô tả chi tiết đặc điểm 4 tỉnh/thành phố khảo sát (Thành phố Hồ Chí Minh, Đồng Nai, Bình Dương, Bà Rịa - Vũng Tàu), trong đó lập bảng tổng hợp hiện trạng sử dụng đất năm 2015 của xã Vĩnh Lộc B. Nội dung chương trình bày quy trình thiết kế và bố trí 11 công thức/thí nghiệm (từ TN 1 đến TN 11), phân định rõ giữa thí nghiệm chậu khảo sát khả năng hấp thụ độc lập của từng loài cây (đậu bắp, đậu rồng, rau ngót, dọc mùng, kèo nèo) và thí nghiệm đồng ruộng bổ sung chế phẩm vi sinh vật. Tác giả mô tả kỹ thuật lấy mẫu đất tầng canh tác (0 - 20 cm), mẫu bùn đáy mương tưới, mẫu nước mặt và nước ngầm tưới rau, mẫu nông sản; quy trình phân tích hàm lượng KLN tổng số và dễ tiêu trên máy quang phổ hấp thụ nguyên tử; phương pháp giám định vi sinh vật bằng giải trình tự ADN; phương pháp xác định tỷ lệ xâm nhiễm của nấm rễ AMF. Luận án đưa ra thang phân hạng ô nhiễm dựa trên chỉ số Nemerow ($P_i$ và $P_I$) để đánh giá chất lượng đất, bùn, nước và rau; đồng thời thiết lập công thức toán học thực nghiệm phục vụ việc mô hình hóa thời gian phục hồi đất.

Chương III: Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Chương III là phần thực nghiệm trọng tâm của luận án, trình bày và thảo luận các nhóm kết quả chính:

  • Thực trạng sản xuất và mức độ ô nhiễm tại vùng Đông Nam Bộ: Cung cấp số liệu chi tiết về diện tích, năng suất, sản lượng các chủng loại rau chính (cải xanh, rau muống, đậu bắp...). Kết quả phân tích hàm lượng KLN và tính toán chỉ số Nemerow cho thấy sự tích lũy đáng kể của Pb và Cd trong đất chuyên canh rau và bùn lắng đáy kênh mương tưới tiêu tại nhiều điểm khảo sát, trong đó bùn lắng là nguồn tích tụ kim loại ở mức cao. Chất lượng nước tưới tại một số khu vực tiếp nhận nước thải công nghiệp và sinh hoạt chưa xử lý có biểu hiện ô nhiễm vượt quy chuẩn. Đối với mẫu rau thương phẩm, một số mẫu rau ăn lá (rau muống, cải xanh) ghi nhận hàm lượng Pb vượt ngưỡng cho phép, có mối tương quan chặt chẽ với hàm lượng kim loại trong môi trường đất và nước tưới.
  • Kết quả tuyển chọn thực vật và vi sinh vật: Luận án khảo sát 10 loài thực vật bản địa, tính toán hệ số tích lũy sinh học ($BAF$) và hệ số chuyển vị ($TF$). Kết quả xác định nấm cộng sinh Mycorrhiza có khả năng thích nghi và sinh trưởng trong môi trường đất ô nhiễm, thể hiện qua mật độ bào tử trong đất và tỷ lệ xâm nhiễm cao trong rễ thực vật. Bằng kỹ thuật sinh học phân tử so sánh trình tự ADN, tác giả đã phân lập và tuyển chọn được các chủng VSV đất có khả năng chống chịu, tích lũy và chuyển hóa tốt đối với Pb, Cd, As và Hg.
  • Thí nghiệm trong chậu:
    • Cây đậu bắp (TN 1): Sinh trưởng tốt ở các dải nồng độ kim loại thí nghiệm, có khả năng hút thu và tích lũy cao Pb, Cd, As, Hg vào các bộ phận sinh khối, làm giảm đáng kể hàm lượng kim loại tổng số trong đất sau thu hoạch.
    • Cây đậu rồng (TN 2): Hấp thụ mạnh Pb và As, làm giảm rõ rệt cả dạng tổng số lẫn dạng dễ tiêu trong đất.
    • Cây rau ngót (TN 3): Cho thấy khả năng hấp thụ và làm suy giảm nồng độ Cd và Hg trong đất thí nghiệm.
    • Cây dọc mùng (TN 4): Có sinh khối thân lá lớn, rễ phát triển mạnh, tích lũy lượng lớn Pb, Cd, As, Hg.
    • Cây kèo nèo (TN 5 và TN 6): Thể hiện khả năng sinh trưởng tốt trong môi trường bùn ngập nước bị ô nhiễm KLN, làm giảm mạnh hàm lượng KLN tổng số trong bùn sau chu kỳ nuôi trồng.
  • Thí nghiệm đồng ruộng kết hợp chế phẩm vi sinh vật: Khi bổ sung chế phẩm vi sinh vật (CP. VSV), sinh khối và năng suất của cây đậu bắp, cây dọc mùng và cây kèo nèo đều tăng lên rõ rệt; đồng thời lượng kim loại nặng mà cây hấp thụ và vận chuyển lên thân lá cũng tăng lên so với công thức đối chứng không bổ sung vi sinh vật.
  • Đánh giá khả năng làm sạch và dự báo thời gian phục hồi: Dựa trên số liệu suy giảm KLN trong đất và bùn sau 2 năm thí nghiệm liên tục, tác giả tính toán các hệ số thực nghiệm $a, b$ và xây dựng đồ thị dự báo thời gian phục hồi đất trở về giá trị nền ban đầu: Thời gian phục hồi nhanh nhất đối với các vùng ô nhiễm nhẹ đạt từ 4 đến 6 năm; đối với các vùng ô nhiễm nặng hoặc đối với các kim loại khó chuyển hóa, thời gian kéo dài từ 41 đến 50 năm tùy thuộc vào từng đối tượng nghiên cứu.
  • Thử nghiệm mô hình ứng dụng sinh học: Luận án xây dựng thành công 2 dạng mô hình thực tế: Mô hình sử dụng thực vật cạn (đậu bắp, dọc mùng) kết hợp VSV để làm sạch đất chuyên canh rau; và mô hình sử dụng thực vật thủy sinh (kèo nèo) kết hợp VSV để xử lý bùn đáy ô nhiễm KLN.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt học thuật và thực tiễn được luận án tự đúc kết:

  1. Về tuyển chọn sinh vật: Đã tuyển chọn được một số loài thực vật đa mục đích có khả năng hút thu, tích lũy KLN cao; từ đó chọn lọc được 2 loài thực vật trên cạn là Đậu bắp và Dọc mùng, cùng 1 loài thực vật sống dưới nước là Kèo nèo. Các loài này vừa có khả năng hấp thụ kim loại nặng cao, vừa có giá trị sử dụng làm thực phẩm và mang lại hiệu quả kinh tế cho người sản xuất.
  2. Về giải pháp công nghệ: Đã xây dựng hoàn chỉnh quy trình công nghệ sinh học kết hợp giữa thực vật (đậu bắp, dọc mùng, kèo nèo) với các chủng vi sinh vật vùng rễ bản địa nhằm giảm thiểu ô nhiễm KLN trong đất và bùn vùng chuyên canh rau, tạo tiền đề khoa học cho việc sản xuất rau an toàn tại vùng Đông Nam Bộ.
  3. Về mô hình hóa dự báo: Đã tính toán và lượng hóa 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. Kết quả xác định thời gian phục hồi dao động từ nhanh nhất là 4 - 6 năm đến chậm nhất là 41 - 50 năm tùy thuộc vào từng loại đất, đối tượng cây trồng và kim loại ô nhiễm cụ thể.

Về kiến nghị và giải pháp, luận án đề xuất các cơ quan quản lý nông nghiệp vùng Đông Nam Bộ cần rà soát, khoanh vùng các diện tích đất và nguồn nước tưới có chỉ số Nemerow vượt ngưỡng cho phép; không tiếp tục sử dụng nước thải công nghiệp chưa qua xử lý để tưới rau; khuyến cáo nông dân luân canh hoặc chuyển đổi cơ cấu cây trồng sang các loài cây đa mục đích đã được thử nghiệm (đậu bắp, dọc mùng, kèo nèo) kết hợp bón chế phẩm vi sinh vật vùng rễ để từng bước làm sạch môi trường đất và bùn đáy kênh mương.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

  • Biện pháp xử lý sinh học bằng thực vật đòi hỏi thời gian phục hồi dài (mô hình tính toán cho thấy cần từ 4 - 6 năm đến 41 - 50 năm để đưa hàm lượng KLN về mức nền tự nhiên), do đó khó đáp ứng yêu cầu xử lý triệt để trong thời gian ngắn đối với các điểm ô nhiễm cấp bách.
  • Khả năng tích lũy của thực vật tự nhiên vẫn bị giới hạn bởi ngưỡng sinh lý và sinh khối; khi nồng độ kim loại trong đất quá cao, cây trồng có thể bị ức chế sinh trưởng.
  • Vấn đề kiểm soát và quản lý an toàn sinh khối sau khi thu hoạch (nhất là các bộ phận tích lũy kim loại cao không dùng làm thực phẩm) cần quy trình thu gom, sấy, tro hóa nghiêm ngặt để tránh hiện tượng phát tán kim loại trở lại môi trường.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Mở rộng quy mô ứng dụng mô hình sinh học kết hợp thực vật và vi sinh vật trên các vùng chuyên canh rau khác nhau ở Đông Nam Bộ và đồng bằng sông Cửu Long.
  • Nghiên cứu sâu hơn về cơ chế sinh học phân tử, ứng dụng kỹ thuật di truyền để cải tạo các giống cây trồng có sinh khối lớn hơn và khả năng siêu tích lũy kim loại cao hơn.
  • Thử nghiệm kết hợp công nghệ thực vật với phương pháp xử lý điện động học (sử dụng điện áp 30V) hoặc bổ sung các chất tạo phức sinh học nhằm nâng cao hơn nữa hiệu suất chiết tách kim loại nặng khỏi đất nông nghiệp.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và thực tiễn:

  • Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Khoa học Môi trường, Quản lý Đất đai, Thổ nhưỡng học: Cung cấp hệ thống dữ liệu toàn diện về sự phân bố của As, Cd, Pb, Hg trong các thành phần môi trường nông nghiệp; phương pháp luận về bố trí thí nghiệm chậu và đồng ruộng; kỹ thuật kết hợp nấm rễ Mycorrhiza và vi khuẩn vùng rễ với thực vật xử lý ô nhiễm; phương pháp ứng dụng chỉ số Nemerow và mô hình toán dự báo thời gian phục hồi đất.
  • Đối với các cơ quan quản lý nhà nước (Sở Tài nguyên và Môi trường, Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn các tỉnh Đông Nam Bộ): Cung cấp cơ sở khoa học để đánh giá mức độ an toàn của các vùng chuyên canh rau, định hướng quy hoạch vùng sản xuất rau an toàn (RAT), kiểm soát nguồn xả thải công nghiệp lưu vực sông Đồng Nai.
  • Đối với người sản xuất và doanh nghiệp nông nghiệp: Đưa ra danh mục các cây trồng đa mục đích (đậu bắp, dọc mùng, kèo nèo) có thể áp dụng ngay trong thực tế để cải tạo đất thoái hóa, giảm thiểu tích lũy kim loại vào chuỗi thức ăn, nâng cao chất lượng nông sản.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nguồn phát sinh kim loại nặng chính gây ô nhiễm vùng chuyên canh rau Đông Nam Bộ được luận án xác định là gì? Văn bản xác định nguồn ô nhiễm bắt nguồn từ hai nhóm chính: hoạt động công nghiệp - đô thị và hoạt động canh tác nông nghiệp. Vùng Đông Nam Bộ tập trung lượng nước thải công nghiệp chiếm 50% cả nước; lưu vực sông Đồng Nai có 114 khu công nghiệp nhưng chỉ có 79 khu có trạm xử lý nước thải, phần còn lại xả trực tiếp ra sông rạch. Nguồn nước thải này cùng với nước thải y tế chưa qua xử lý được dùng để tưới rau. Bên cạnh đó, việc lạm dụng phân bón hóa học (phân lân chứa nhiều Cd, phân đạm chứa As) và thuốc bảo vệ thực vật chứa KLN bón liên tục vào đất làm gia tăng nồng độ kim loại trong đất và bùn.

  2. Những loài thực vật đa mục đích nào được luận án tuyển chọn để xử lý ô nhiễm đất và bùn? Qua quá trình sàng lọc 10 loài thực vật, luận án đã lựa chọn được 3 loài cây đa mục đích: 2 loài thực vật trên cạn là Đậu bắp và Dọc mùng, và 1 loài thực vật thủy sinh là Kèo nèo. Các loài này vừa có khả năng hút thu, tích lũy lượng lớn KLN (Pb, Cd, As, Hg), vừa có sinh khối phát triển nhanh và có giá trị sử dụng làm thực phẩm, mang lại hiệu quả kinh tế.

  3. Chỉ số nào được tác giả sử dụng để đánh giá mức độ ô nhiễm kim loại nặng trong các thành phần môi trường? Tác giả sử dụng chỉ số ô nhiễm Nemerow, bao gồm chỉ số Nemerow thành phần ($P_i$) cho từng kim loại riêng lẻ và chỉ số Nemerow tổng hợp ($P_I$ hoặc $P_N$) để đánh giá mức độ ô nhiễm tổng thể trong đất, bùn, nước tưới và nông sản rau, phân loại theo các cấp độ từ không ô nhiễm đến hơi nghiêm trọng, nghiêm trọng và rất nghiêm trọng.

  4. Thời gian dự báo để đất chuyên canh rau phục hồi về ngưỡng nền tự nhiên khi áp dụng biện pháp thực vật là bao lâu? Dựa trên các hệ số thực nghiệm $a, b$ thu được sau 2 năm thí nghiệm liên tục, phương trình mô hình hóa của luận án xác định thời gian phục hồi nhanh nhất đối với các điểm ô nhiễm nhẹ là từ 4 đến 6 năm; đối với các khu vực ô nhiễm nặng hoặc các kim loại khó chiết tách, thời gian cần thiết kéo dài từ 41 đến 50 năm tùy thuộc vào từng đối tượng nghiên cứu cụ thể.

  5. Vi sinh vật có vai trò và cơ chế gì trong việc hỗ trợ thực vật làm sạch kim loại nặng theo kết quả luận án? Hệ vi sinh vật gồm nấm cộng sinh Arbuscular Mycorrhizal Fungi (AMF) và vi khuẩn vùng rễ (PGPR). Nấm Mycorrhiza tạo mạng lưới sợi nấm giúp giữ kim loại trong cấu trúc sợi và bào tử, bảo vệ bộ rễ và tăng khả năng hút nước, dinh dưỡng. Vi khuẩn vùng rễ tiết hoóc môn Indol Axit Axêtic (IAA) kích thích sinh trưởng rễ, tiết enzym ACC deaminaza giúp cây chống chịu độ độc, tiết enzym phytaza giải phóng lân và tiết các hợp chất hữu cơ siderophores giúp làm biến đổi độ linh động của kim loại nặng, tạo thuận lợi cho thực vật hút thu và tích lũy vào sinh khối.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của Nguyễn Minh Hưng đã giải quyết thành công vấn đề đánh giá hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng (As, Cd, Pb, Hg) trong môi trường đất, bùn, nước và rau tại vùng chuyên canh rau Đông Nam Bộ. Công trình đã tuyển chọn được các loài cây trồng đa mục đích có giá trị kinh tế và khả năng tích lũy kim loại cao gồm đậu bắp, dọc mùng và kèo nèo, đồng thời chứng minh hiệu quả nâng cao sinh khối và khả năng làm sạch đất khi kết hợp với chế phẩm vi sinh vật vùng rễ bản địa. Kết quả tính toán mô hình thời gian phục hồi từ 4 - 6 năm đến 41 - 50 năm cung cấp căn cứ khoa học và thực tiễn vững chắc cho công tác quản lý môi trường nông nghiệp và sản xuất rau an toàn tại khu vực phía Nam.