Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu sử dụng thực vật dương xỉ để xử lý ô nhiễm asen trong đất

Luận án tiến sĩ nghiên cứu ứng dụng thực vật dương xỉ trong xử lý ô nhiễm asen tại vùng khai thác khoáng sản, góp phần bảo vệ môi trường.

• Tác giả: Bùi Thị Kim Anh
• Người hướng dẫn: Đặng Đình Kim
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Môi trường đất và nước
• Đề tài: Nghiên cứu sử dụng thực vật (dương xỉ) để xử lý ô nhiễm Asen trong đất vùng khai thác khoáng sản
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• Lời cam đoan
• Lời cảm ơn
• Danh mục các chữ viết tắt
• Danh mục các bảng
• Danh mục các hình vẽ, đồ thị
• MỞ ĐẦU
• 1. Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. Nghiên cứu tổng quan về Asen (As)
• 1.1.1. Giới thiệu chung về As
• 1.1.2. Hàm lượng As trong một số hợp phần của tự nhiên
• 1.1.2.1. Hàm lượng As trong các khoáng vật
• 1.1.2.2. Hàm lượng As trong đất và vỏ phong hóa
• 1.1.2.3. Hàm lượng As trong thực vật
• 1.1.3. Các nguồn gây ô nhiễm As trong môi trường
• 1.1.4. Các dạng tồn tại của As trong đất
• 1.1.5. Ảnh hưởng của As đối với cơ thể sống
• 1.1.6. Tình hình ô nhiễm As trong đất trên thế giới và ở Việt Nam
• 1.1.6.1. Ô nhiễm trên thế giới
• 1.1.6.2. Ô nhiễm ở Việt Nam
• 1.2. Các phương pháp xử lý As trong đất
• 1.2.1. Các phương pháp hóa lý cơ học
• 1.2.2. Công nghệ xử lý đất ô nhiễm kim loại nặng bằng các phương pháp sinh học
• 1.2.2.1. Sử dụng vi sinh vật để xử lý ô nhiễm
• 1.2.2.2. Sử dụng thực vật để xử lý ô nhiễm KLN trong đất
• 1.2.3. Công nghệ sử dụng thực vật để xử lý ô nhiễm KLN trong đất
• 1.2.3.1. Các phương pháp xử lý ô nhiễm KLN bằng thực vật
• 1.2.3.2. Các loài thực vật có khả năng xử lý ô nhiễm
• 1.2.3.3. Công nghệ xử lý KLN bằng thực vật trên thế giới và ở Việt Nam
• 1.2.3.4. Xử lý sinh khối thực vật tích luỹ As sau thu hoạch
• 1.2.3.5. Cơ hội và thách thức trong việc sử dụng thực vật cho xử lý ô nhiễm KLN trong đất
• 1.3. Một số biện pháp nâng cao khả năng xử lý ô nhiễm KLN của thực vật
• 1.3.1. Kĩ thuật nông học
• 1.3.2. Vai trò của các vi sinh vật hữu hiệu
• 1.3.3. Kỹ thuật sinh học phân tử cải tạo giống
• 2. Chương 2: ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Địa điểm nghiên cứu
• 2.2. Đối tượng nghiên cứu
• 2.2.1. Đặc điểm của dương xỉ Pteris vittata
• 2.2.2. Đặc điểm của dương xỉ Pityrogramma calomelanos
• 2.2.3. Nội dung nghiên cứu
• 2.3. Phương pháp nghiên cứu
• 2.3.1. Phương pháp bố trí thí nghiệm
• 2.3.2. Thời gian và phương pháp lấy mẫu
• 2.3.3. Các phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm
• 2.3.4. Phương pháp đánh giá thông qua hệ số BF
• 2.3.5. Phương pháp phân tích và xử lí số liệu
• 3. Chương 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Điều tra, khảo sát hiện trạng ô nhiễm As trong môi trường đất và đánh giá khả năng tích luỹ As của thực vật ở bốn vùng khai thác mỏ của Thái Nguyên
• 3.1.1. Hàm lượng kim loại nặng trong đất ở bốn vùng mỏ nghiên cứu
• 3.1.2. Hàm lượng kim loại nặng trong thực vật ở các vùng mỏ nghiên cứu
• 3.1.3. Xác định hệ số tích luỹ sinh học của As
• 3.2. Nghiên cứu tách dòng gene liên quan đến khả năng phân giải As của dương xỉ
• 3.2.1. Kết quả tách chiết ADN genome
• 3.2.2. Nhân gen arsC bằng kỹ thuật PCR
• 3.3. Nghiên cứu khả năng tích lũy và chống chịu As trong đất của 02 loài dương xỉ chọn lọc thu từ thực địa
• 3.3.1. Nghiên cứu khả năng chống chịu và tích luỹ As của hai loài dương xỉ chọn lọc
• 3.3.1.1. Khả năng chống chịu và tăng trưởng của dương xỉ với những nồng độ As khác nhau
• 3.3.1.2. Khả năng hấp thu As của dương xỉ ở đất bổ sung As
• 3.3.2. Nghiên cứu khả năng tích luỹ As theo thời gian của hai loài dương xỉ chọn lọc
• 3.3.2.1. Khả năng tích lũy As của hai loài dương xỉ
• 3.3.2.2. Khả năng sinh trưởng của hai loài dương xỉ
• 3.3.2.3. Khả năng loại bỏ As ra khỏi đất nhờ dương xỉ
• 3.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố dinh dưỡng N, P đến hiệu quả hấp thu và sinh trưởng của dương xỉ
• 3.4.1. Nghiên cứu ảnh hưởng P đến sinh trưởng và tích lũy As của hai loài dương xỉ chọn lọc
• 3.4.1.1. Ảnh hưởng của P đến sự tích lũy As của hai loài dương xỉ
• 3.4.1.2. Ảnh hưởng của P đến khả năng tăng sinh khối ở phần trên mặt đất của hai loài dương xỉ
• 3.4.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của N lên sự sinh trưởng và tích lũy As của hai loài dương xỉ chọn lọc
• 3.4.2.1. Ảnh hưởng của N lên sự tích lũy As
• 3.4.2.2. Ảnh hưởng của N lên sự tăng sinh khối phần trên mặt đất của hai loài dương xỉ
• 3.5. Nghiên cứu nhằm nâng cao khả năng xử lý ô nhiễm As trong đất của hai loài dương xỉ chọn lọc
• 3.5.1. Ảnh hưởng của các dạng phân bón vô cơ và hữu cơ lên sinh trưởng và tích lũy As của hai loài dương xỉ chọn lọc
• 3.5.1.1. Ảnh hưởng của các dạng phân bón đến khả năng tích lũy As
• 3.5.1.2. Ảnh hưởng của các dạng phân bón đến sinh khối ở phần trên mặt đất của cây nghiên cứu
• 3.5.1.3. Ảnh hưởng của phân bón đến khả năng loại bỏ As ra khỏi đất nhờ dương xỉ
• 3.5.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của pH lên sinh trưởng và tích lũy As của hai loài dương xỉ chọn lọc
• 3.5.2.1. Ảnh hưởng của pH đến sự tích lũy As
• 3.5.2.2. Ảnh hưởng của pH lên khả năng loại bỏ As ra khỏi đất của hai loài dương xỉ nghiên cứu
• 3.5.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của EDTA lên sinh trưởng và tích luỹ As của hai loài dương xỉ chọn lọc
• 3.5.3.1. Ảnh hưởng của EDTA lên khả năng tích lũy KLN
• 3.5.3.2. Ảnh hưởng của EDTA lên sự tăng sinh khối ở phần trên mặt đất của cây
• 3.5.4. Nghiên cứu ứng dụng một số chủng nấm cộng sinh mycorrhiza để làm tăng hiệu quả xử lý ô nhiễm As trong đất của hai loài dương xỉ chọn lọc
• 3.5.4.1. Ảnh hưởng nấm cộng sinh đến sự sinh trưởng và phát triển của dương xỉ
• 3.5.4.2. Khả năng hấp thu As của dương xỉ nghiên cứu trên đất ô nhiễm As
• 3.6. Nghiên cứu ứng dụng hai loài dương xỉ chọn lọc ra thực tế xử lý ô nhiễm As trong đất tại vùng khai thác mỏ Ti-Sn Núi Pháo, Hà Thượng
• 3.6.1. Thí nghiệm quy mô pilốt để xử lý ô nhiễm As trong đất ở Hà Thượng
• 3.6.1.1. Khả năng tích lũy As trong cây ở các công thức thí nghiệm khác nhau
• 3.6.1.2. Khả năng sinh trưởng của hai loài dương xỉ ở các công thức thí nghiệm khác nhau
• 3.6.1.3. Hàm lượng As còn lại trong đất thí nghiệm
• 3.6.2. Mô hình xử lý đất ô nhiễm As ở mỏ thiếc Núi Pháo, Hà Thượng
• 3.6.2.1. Hiện trạng địa điểm xây dựng mô hình trình diễn tại Hà Thượng
• 3.6.2.2. Khả năng xử lý ô nhiễm As trong đất của dương xỉ ngoài thực tế
• 3.6.2.3. Sinh khối cây theo thời gian thu hoạch
• 3.6.2.4. Xây dựng tiêu chí cho một mô hình điểm và khả năng chuyển giao công nghệ
• 3.7. Đề xuất quy trình công nghệ xử lý đất ô nhiễm As bằng công nghệ trồng cây dương xỉ
• 3.7.1. Nhận biết môi trường đất nhiễm As
• 3.7.2. Xác định các thông số chính của môi trường
• 3.7.3. Cải tạo đất để có thể trồng cây
• 3.7.4. Biện pháp làm tăng hấp thu kim loại
• 3.7.5. Cây giống sử dụng cho quy trình
• 3.7.6. Trồng và chăm sóc
• 3.7.7. Xử lý sinh khối sau thu hoạch
• 3.7.8. Tính toán giá thành và thời gian cần thiết để làm sạch
• 3.7.9. Phạm vi áp dụng và những hạn chế
• 3.7.10. Những nghiên cứu cần thiết bổ sung
• 3.7.11. Đề xuất quy trình
• 4. Chương 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu thực vật dương xỉ xử lý ô nhiễm asen

Ô nhiễm asen trong đất là một vấn đề nghiêm trọng, đặc biệt ở các vùng khai thác khoáng sản. Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng thực vật dương xỉ như một giải pháp hiệu quả để xử lý ô nhiễm asen. Dương xỉ không chỉ có khả năng hấp thụ asen mà còn giúp cải thiện chất lượng đất. Việc áp dụng công nghệ sinh học này không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn thân thiện với môi trường.

1.1. Tình hình ô nhiễm asen trong đất hiện nay

Ô nhiễm asen trong đất đang gia tăng do hoạt động khai thác khoáng sản. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng hàm lượng asen trong đất ở các khu vực khai thác vượt quá mức cho phép, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái.

1.2. Vai trò của thực vật dương xỉ trong xử lý ô nhiễm

Thực vật dương xỉ, đặc biệt là loài Pteris vittata, đã được chứng minh có khả năng siêu tích lũy asen. Chúng có thể hấp thụ và chuyển hóa asen từ đất, giúp làm sạch môi trường một cách hiệu quả.

II. Vấn đề ô nhiễm asen và thách thức trong xử lý

Ô nhiễm asen trong đất không chỉ ảnh hưởng đến sức khỏe con người mà còn tác động tiêu cực đến nông nghiệp và môi trường. Các phương pháp xử lý truyền thống thường tốn kém và không hiệu quả. Do đó, cần tìm kiếm các giải pháp mới, bền vững hơn.

2.1. Nguyên nhân gây ô nhiễm asen trong đất

Các hoạt động khai thác khoáng sản, sử dụng thuốc trừ sâu và phân bón hóa học là những nguyên nhân chính dẫn đến ô nhiễm asen trong đất. Việc này không chỉ làm giảm chất lượng đất mà còn ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng.

2.2. Hệ quả của ô nhiễm asen đối với sức khỏe

Ô nhiễm asen có thể gây ra nhiều bệnh tật nghiêm trọng, bao gồm ung thư và các bệnh về da. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng, nồng độ asen cao trong thực phẩm cũng có thể dẫn đến các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng.

III. Phương pháp sử dụng thực vật dương xỉ trong xử lý ô nhiễm asen

Phương pháp sử dụng thực vật dương xỉ để xử lý ô nhiễm asen được gọi là phytoremediation. Đây là một giải pháp sinh học hiệu quả, giúp làm sạch đất mà không cần sử dụng hóa chất độc hại.

3.1. Nguyên lý hoạt động của phytoremediation

Phytoremediation hoạt động dựa trên khả năng hấp thụ và chuyển hóa các chất độc hại của thực vật. Dương xỉ có khả năng hấp thụ asen từ đất và chuyển hóa chúng thành các dạng ít độc hại hơn.

3.2. Các loài dương xỉ có khả năng xử lý asen

Nhiều loài dương xỉ như Pteris vittata và Pityrogramma calomelanos đã được nghiên cứu và chứng minh có khả năng siêu tích lũy asen. Việc lựa chọn đúng loài thực vật là rất quan trọng để đạt hiệu quả cao trong xử lý ô nhiễm.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng dương xỉ để xử lý ô nhiễm asen trong đất mang lại kết quả khả quan. Các thí nghiệm cho thấy khả năng hấp thụ asen của dương xỉ cao hơn nhiều so với các phương pháp truyền thống.

4.1. Kết quả thí nghiệm với dương xỉ Pteris vittata

Thí nghiệm cho thấy Pteris vittata có khả năng hấp thụ asen lên đến 27000 mg/kg sinh khối khô. Điều này chứng tỏ tiềm năng lớn của loài dương xỉ này trong việc xử lý ô nhiễm asen.

4.2. Ứng dụng thực tiễn tại các khu vực khai thác

Nghiên cứu đã được áp dụng tại các khu vực khai thác khoáng sản ở Thái Nguyên, cho thấy hiệu quả rõ rệt trong việc cải thiện chất lượng đất và giảm thiểu ô nhiễm asen.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu về việc sử dụng thực vật dương xỉ để xử lý ô nhiễm asen trong đất đã mở ra hướng đi mới cho công nghệ xử lý ô nhiễm. Với chi phí thấp và hiệu quả cao, phương pháp này có thể được áp dụng rộng rãi trong tương lai.

5.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu trong bảo vệ môi trường

Việc áp dụng công nghệ sinh học trong xử lý ô nhiễm không chỉ giúp bảo vệ môi trường mà còn đảm bảo sức khỏe cộng đồng. Nghiên cứu này có thể là nền tảng cho các giải pháp bền vững trong tương lai.

5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Cần tiếp tục nghiên cứu để phát triển các giống dương xỉ mới có khả năng hấp thụ asen cao hơn. Đồng thời, việc nghiên cứu các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến khả năng xử lý cũng rất cần thiết.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Hoạt động khai khoáng và chế biến quặng kim loại tại Việt Nam và trên thế giới đã phát tán một lượng lớn asen (As) và kim loại nặng vào môi trường đất, gây suy thoái hệ sinh thái và đe dọa chuỗi thức ăn thông qua việc tích tụ trong nông sản như lúa, gạo. Các phương pháp công nghệ xử lý đất ô nhiễm truyền thống (bê tông hóa, rửa đất, xử lý nhiệt, thủy tinh hóa, chôn lấp) đòi hỏi kinh phí lớn (ước tính xử lý 0,4 ha đất ở độ sâu 50 cm bằng phương pháp đào và cách ly tốn ít nhất 400.000 USD), cần mặt bằng rộng và làm mất khả năng tái sử dụng của đất. Trong bối cảnh đó, công nghệ sử dụng thực vật (Phytoremediation) có chi phí thấp hơn (khoảng 60.000 – 100.000 USD/0,4 ha) và duy trì được cấu trúc thổ nhưỡng. Tuy nhiên, trước thời điểm nghiên cứu, tại Việt Nam chưa có công trình nào đánh giá có hệ thống khả năng xử lý ô nhiễm As trong đất vùng mỏ bằng các loài dương xỉ bản địa.

Luận án tiến sĩ khoa học môi trường của tác giả Bùi Thị Kim Anh với đề tài "Nghiên cứu sử dụng thực vật (dương xỉ) để xử lý ô nhiễm As trong đất vùng khai thác khoáng sản" (chuyên ngành Môi trường đất và nước, mã số 62.05, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội, 2012) được thực hiện nhằm giải quyết khoảng trống nghiên cứu này.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm 3 nội dung cụ thể:

1. Tuyển chọn được các loài dương xỉ bản địa có khả năng siêu tích lũy As.
2. Xác định được một số yếu tố môi trường làm tăng khả năng xử lý As trong đất của những loài dương xỉ chọn lọc.
3. Đề xuất được quy trình công nghệ và xây dựng được mô hình trình diễn sử dụng dương xỉ để xử lý ô nhiễm As trong đất vùng khai thác mỏ.

Đối tượng nghiên cứu của luận án bao gồm:

• Các loài thực vật mọc tự nhiên tại vùng mỏ, trọng tâm là 02 loài dương xỉ bản địa: Pteris vittata L. (thu tại xã Hà Thượng, huyện Đại Từ, tỉnh Thái Nguyên) và Pityrogramma calomelanos L. (thu tại mỏ chì - kẽm Làng Hích, xã Tân Long, huyện Đồng Hỷ, tỉnh Thái Nguyên).
• Chế phẩm nấm rễ cộng sinh arbuscular mycorrhiza (AMF) gồm 3 chủng: SHM 04 – DH 16, SHM 04 – DH 47 và SHM 04 – TC 139 cung cấp bởi Viện Thổ nhưỡng Nông hóa.
• Asen dạng muối $Na_2HAsO_4 \cdot 7H_2O$ bổ sung trong các thí nghiệm chậu và các kim loại nặng đi kèm trong đất mỏ (Cd, Pb, Zn).
• 03 loại đất thí nghiệm lấy ở tầng mặt 0 – 20 cm: đất vườn Cổ Nhuế (Đ1), đất vườn Hà Thượng nhiễm nước thải tuyển quặng (Đ2) và đất chân đồi Hà Thượng ô nhiễm As (Đ3).

Phạm vi nghiên cứu:

• Không gian: Khảo sát thực địa và thu mẫu tại 4 khu vực mỏ thuộc tỉnh Thái Nguyên gồm mỏ thiếc - titan Hà Thượng, mỏ than Núi Hồng (huyện Đại Từ), mỏ chì - kẽm Làng Hích, mỏ sắt Trại Cau (huyện Đồng Hỷ). Thí nghiệm trong chậu tiến hành tại Trại thực nghiệm sinh học Cổ Nhuế (Hà Nội) và Viện Công nghệ Môi trường. Mô hình thực nghiệm hiện trường xây dựng tại xã Hà Thượng, huyện Đại Từ, tỉnh Thái Nguyên.
• Thời gian: Công trình hoàn thành và bảo vệ năm 2012.

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã hệ thống hóa các công trình nghiên cứu về hiện trạng ô nhiễm As và công nghệ xử lý bằng thực vật trên phạm vi quốc tế và trong nước:

Về tình hình ô nhiễm Asen trên thế giới:

• Lim và cộng sự (2004) công bố hàm lượng As trong bãi thải quặng tại mỏ vàng - bạc Songcheon (Hàn Quốc) dao động từ 3.584 đến 143.813 mg/kg, trong đất trang trại lân cận là 7 – 626 mg/kg, trong khi mức trung bình tự nhiên chỉ khoảng 6 mg/kg.
• Thornton và Shelmerdine (2009) ghi nhận hàm lượng As tại các vùng mỏ của Anh vượt xa mức trung bình 10,4 mg/kg: mỏ chì Cumbria (127,7 – 366,8 mg/kg), mỏ đồng Devon (280,7 – 2.331,6 mg/kg), mỏ thiếc - đồng Cornwall (87,5 – 1.246,8 mg/kg).
• C. Chen (2006) chỉ ra hàm lượng As tại vùng khai khoáng Dexing (Trung Quốc) cao gấp 60 lần giới hạn cho phép; các mỏ vàng tại bang Minas Gerais (Brazil) có hàm lượng As trong đất lớn hơn 100 mg/kg.
• Ô nhiễm nguồn nước ngầm bởi Asen được ghi nhận ở nhiều quốc gia như Bangladesh, Ấn Độ, Thái Lan (khu vực Ron Phibun), Trung Quốc, Chile, Đức, Mỹ.

Về khả năng tích lũy Asen của thực vật:

• Baker và cộng sự thiết lập ngưỡng thực vật siêu tích lũy: hàm lượng tích tụ ở thân lá khô phải đạt trên 1.000 mg/kg (0,1%) đối với As, Ni, Co, Cu, Cr, Pb, hoặc hệ số tích lũy sinh học $BF > 1$.
• Các loài siêu tích lũy As đã được ghi nhận: Pteris vittata L. (27.000 mg/kg trong lá theo Baker và cs.; 2,5% SKK theo Lena Q. Ma và Cong Tu, 2002); Sarcosphaera coronaria Jacq. (4.034 – 7.000 mg/kg); Agrostis tenerrima Trin. (1.000 mg/kg); Agrostis capillaris L. (100 mg/kg); Pteris cretica, Pteris nervosa (Wei và cs., 2005; Chen Tongbin và cs., 2002).
• Zhu và cộng sự (1999) đã nghiên cứu chuyển gene gshI từ E. coli vào Brassica juncea để gia tăng tổng hợp phytochelatin. Gene arsC (chiều dài 359 bp, 141 amino acid) thuộc operon ars ở vi khuẩn Gram âm được xác định có chức năng khử asenat thành asenit phục vụ quá trình giải độc.

Về nghiên cứu ô nhiễm kim loại nặng và thực vật tại Việt Nam:

• Trần Tuấn Anh và cs. (2011) xác định hàm lượng As trung bình trong quặng chì - kẽm: mỏ Chợ Đồn (16.053 mg/kg quặng nguyên sinh; 13.206,8 mg/kg mẫu thải), mỏ Chợ Điền (37.756,9 mg/kg quặng nguyên sinh; 7.881,3 mg/kg mẫu thải).
• Nguyễn Văn Bình và cs. (2000) ghi nhận hàm lượng As tại mỏ thiếc Sơn Dương (Tuyên Quang) đạt 642 mg/kg, vượt quy chuẩn kỹ thuật quốc gia.
• Phạm Tích Xuân (2011) ghi nhận 100% mẫu đất và trầm tích tại mỏ titan Cây Châm, chì - kẽm Chợ Đồn, thiếc Kỳ Lâm, đồng Sin Quyền vượt ngưỡng QCVN 03:2008.
• Đặng Đình Kim và cs. (2006, 2010), Lê Đức và cs., Đặng Thị An và cs., Trần Văn Tựa và cs., Diệp Thị Mỹ Hạnh và cs. (2005), Võ Văn Minh (2006), Trần Tân Văn và cs. đã thử nghiệm cỏ vetiver, rau muống, cải xanh, thơm ổi để xử lý Pb và một số kim loại trong đất và nước.

Khu vực / Địa điểm mỏ	Đối tượng lấy mẫu	Hàm lượng Asen ghi nhận (mg/kg)	Tài liệu trích dẫn trong luận án
Mỏ chì - kẽm Chợ Đồn (Việt Nam)	Quặng nguyên sinh	16.053,0	Trần Tuấn Anh và cs. (2011)
Mỏ chì - kẽm Chợ Điền (Việt Nam)	Quặng nguyên sinh	37.756,9	Trần Tuấn Anh và cs. (2011)
Mỏ thiếc Sơn Dương (Việt Nam)	Đất trồng	642,0	Nguyễn Văn Bình và cs. (2000)
Huyện Đại Từ, Thái Nguyên (Việt Nam)	Đá thải mỏ	Lên tới 5.000,0	Dẫn theo tài liệu số [13]
Mỏ vàng - bạc Songcheon (Hàn Quốc)	Bãi thải quặng đuôi	3.584 – 143.813	Lim và cs. (2004)
Mỏ đồng Devon (Anh)	Đất mỏ	280,7 – 2.331,6	Shelmerdine và cs. (2009)
Mỏ thiếc - đồng Cornwall (Anh)	Đất mỏ	87,5 – 1.246,8	Shelmerdine và cs. (2009)

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết: Luận án tập trung sàng lọc trong hệ thực vật bản địa vùng mỏ miền Bắc Việt Nam để xác định chính xác các loài dương xỉ có khả năng siêu tích lũy As; phân tích sự hiện diện của gene phân giải As (arsC); khảo sát các giải pháp nông học (N, P, pH, EDTA, nấm AMF) nhằm tối ưu hóa sự tích lũy sinh khối và lượng As hấp thu; đồng thời xây dựng mô hình pilot và quy trình công nghệ xử lý đất ô nhiễm As ngoài hiện trường.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

• Khái niệm và cơ chế công nghệ thực vật: Luận án vận dụng 3 cơ chế xử lý chính của công nghệ thực vật gồm: Cố định bằng thực vật (Phytostabilisation), Chiết bằng thực vật (Phytoextraction - hấp thu KLN qua rễ, chuyển vị và tích lũy vào sinh khối thân lá trên mặt đất để thu hoạch), và Hóa hơi bằng thực vật (Phytovolatilization).
• Tiêu chuẩn cây siêu tích lũy: Căn cứ theo định nghĩa của Baker và cs. (hàm lượng tích tụ ở chồi/lá $> 1.000\text{ mg/kg}$ SKK với As) và hệ số tích lũy sinh học ($BF = \frac{C_{\text{thực vật}}}{C_{\text{đất}}} > 1$).
• Cơ chế chống chịu sinh hóa và phân tử: Sự tạo phức của kim loại nặng với các chuỗi peptide nội bào gồm Phytochelatin (PCs) có cấu trúc Gly-($\gamma$-Glu-Cys)$_n$ ($n = 2-11$) và Metallothionein (MTs); operon ars chứa gene arsC chịu trách nhiệm khử asenat thành asenit trong tế bào sinh vật.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

• Khảo sát và thu mẫu thực địa: Lấy mẫu đất và 33 loài thực vật tại 4 vùng mỏ ở Thái Nguyên (mỏ titan Hà Thượng, mỏ than Núi Hồng, mỏ chì - kẽm Làng Hích, mỏ sắt Trại Cau). Tầng đất lấy mẫu từ 0 – 20 cm. Định danh phân loại thực vật tại Viện Sinh thái và Tài nguyên sinh vật.
• Kỹ thuật sinh học phân tử: Tách chiết ADN tổng số (genome) từ 7 mẫu dương xỉ thu tại thực địa; nhân bản đoạn gene arsC bằng kỹ thuật PCR sử dụng cặp mồi KL7 ở nhiệt độ gắn mồi $56^\circ\text{C}$, phân tích sản phẩm qua điện di gel agarose.
• Bố trí thí nghiệm chậu vại (Pot experiments):
  • Thí nghiệm khảo sát khả năng chống chịu và tích lũy As: Dương xỉ được trồng trên đất bổ sung $Na_2HAsO_4 \cdot 7H_2O$ ở các dải nồng độ As khác nhau; theo dõi sinh trưởng (chiều cao, số lá), tỷ lệ sống và hàm lượng As tích lũy theo thời gian.
  • Thí nghiệm ảnh hưởng của phospho (P): Đánh giá tác động cạnh tranh và kích thích của các mức lân bổ sung đến hấp thu As và tích lũy sinh khối.
  • Thí nghiệm ảnh hưởng của nitơ (N): Đánh giá ảnh hưởng của các công thức phân đạm lên chỉ số BF, sinh khối khô và tích lũy As.
  • Thí nghiệm ảnh hưởng của dạng phân bón (vô cơ, hữu cơ), độ chua đất (pH), chất tạo phức EDTA (tăng tính linh động của As và giải phóng Pb, Cd, Zn) và 3 chủng nấm rễ cộng sinh mycorrhiza (AMF).
• Thực nghiệm hiện trường (Pilot và Mô hình trình diễn): Tiến hành tại xã Hà Thượng, huyện Đại Từ, tỉnh Thái Nguyên trên nền đất ô nhiễm nước thải tuyển quặng mỏ Núi Pháo; theo dõi hàm lượng As trong đất, hàm lượng As trong thân lá và sinh khối khô qua nhiều đợt thu hoạch.
• Phương pháp phân tích và xử lý số liệu: Phân tích As và kim loại nặng bằng các phương pháp chuẩn trong phòng thí nghiệm hóa môi trường; xử lý thống kê các chỉ tiêu sinh trưởng và hệ số tích lũy sinh học BF.

Ký hiệu mẫu đất	Vị trí địa lý / Tọa độ lấy mẫu	Nồng độ As (mg/kg)	pH (KCl)	Chất hữu cơ CHC (%)	Dung tích hấp thu CEC (mgđl/100g)	Tổng N (mg/kg)	Tổng P (mg/kg)	Thành phần cơ giới
Đ1	Vườn Trại TN Cổ Nhuế ($21^\circ04'7,6''\text{N}; 105^\circ45'51,5''\text{E}$)	14,9	7,57	4,50	15,20	640	435,7	Thịt
Đ2	Đất vườn Hà Thượng ($22^\circ04'32''\text{N}; 106^\circ09'55''\text{E}$)	4.521,0	3,40	3,29	16,50	170	230,0	Thịt TB
Đ3	Đất chân đồi Hà Thượng ($22^\circ04'47''\text{N}; 106^\circ10'32''\text{E}$)	500,0	3,07	3,38	12,78	260	253,0	Thịt nhẹ

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU

Chương 1 cung cấp cơ sở tổng quan toàn diện về tính chất hóa lý, độc tính của Asen, các dạng tồn tại trong môi trường đất - nước phụ thuộc vào điều kiện pH và thế oxy hóa khử (Eh). Ở điều kiện oxy hóa, As tồn tại chủ yếu ở dạng asenat ($As^{5+}$) liên kết với Fe, Al, Ca; trong nước ngầm khử tồn tại dạng asenit ($As^{3+}$, $H_3AsO_3$). Độc tính của các dạng hợp chất giảm dần theo trật tự: $AsH_3$ (asin) > $As^{3+}$ (asenit) > $As^{5+}$ (asenat) > hợp chất asen hữu cơ (MMA, DMA). Độc tính của asenit cao gấp 60 lần asenat.

Chương này phân tích hiện trạng ô nhiễm Asen từ hoạt động khai khoáng tại nhiều quốc gia và các vùng mỏ của Việt Nam (như Tuyên Quang, Thái Nguyên, Lào Cai, Bắc Kạn). Tác giả so sánh các công nghệ xử lý đất ô nhiễm: các phương pháp cơ học và hóa lý (bê tông hóa, rửa đất, nhiệt hóa, thủy tinh hóa, cố định hóa học) có chi phí cao, kỹ thuật phức tạp và làm suy giảm chất lượng đất; trong khi công nghệ sinh học (sử dụng vi sinh vật hòa tan sinh học Thiobacillus và thực vật siêu tích lũy) mang lại hiệu quả kinh tế và thân thiện với môi trường. Đồng thời, chương 1 điểm lại các giải pháp nâng cao hiệu quả công nghệ thực vật: kỹ thuật nông học (NPK, điều chỉnh pH), sử dụng chất chelat hóa (EDTA), nấm rễ cộng sinh (AMF) và công nghệ sinh học phân tử biểu hiện gene kháng kim loại (arsC, gshI).

Chương 2. ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Chương 2 mô tả chi tiết địa điểm, vật liệu và phương pháp bố trí các nội dung nghiên cứu. Tác giả trình bày đặc điểm hình thái và sinh thái của 02 loài dương xỉ tuyển chọn:

• Pteris vittata L. (Ráng sẹo dải, họ Pteridaceae): Thân thảo, rễ ngắn có vảy nâu đỏ; cuống dài 5 – 50 cm; phiến lá kép lông chim lẻ một lần kép dài 20 – 70 cm; ưa sáng, chịu kiềm, sinh khối lớn, sinh trưởng nhanh.
• Pityrogramma calomelanos L. (Ráng chò chanh, họ Aidianthaceae / Adiantaceae): Thân thảo, rễ ngắn mọc thẳng; cuống dài 20 – 50 cm màu nâu sẫm phủ phấn trắng lúc non; phiến kép 1 – 2 lần dài 20 – 60 cm, mặt dưới phủ lớp bột trắng; ưa ẩm, chịu bóng mát, thường mọc ở đất chua.

Chương 2 thiết lập quy trình lấy mẫu đất tầng 0 – 20 cm, phân loại thực vật, các phương pháp phân tích lý hóa đất (pH, CEC, CHC, tổng N, tổng P, thành phần cơ giới), quy trình tách chiết ADN genome, phản ứng PCR nhân đoạn gene arsC với mồi KL7 ở $56^\circ\text{C}$, công thức xác định hệ số tích lũy sinh học BF và thiết kế chi tiết hệ thống thí nghiệm chậu vại cùng mô hình trình diễn ngoài hiện trường mỏ thiếc Núi Pháo.

Chương 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm đạt được theo 7 nhóm nội dung chính:

1. Hiện trạng ô nhiễm As và tích lũy As ở thực vật vùng mỏ Thái Nguyên: Phân tích hàm lượng kim loại nặng trong đất và 33 loài thực vật thu thập tại 4 vùng mỏ. Đất tại mỏ thiếc Hà Thượng và mỏ chì - kẽm Làng Hích bị ô nhiễm As nghiêm trọng, vượt nhiều lần QCVN 03:2008. Trong số 33 loài thực vật, hai loài dương xỉ Pteris vittata và Pityrogramma calomelanos thể hiện khả năng tích lũy As vượt trội ở phần thân lá với hệ số tích lũy sinh học $BF > 1$.
2. Nghiên cứu tách dòng gene arsC: Kết quả tách chiết ADN genome từ 7 mẫu dương xỉ thực địa và phản ứng PCR với mồi KL7 ở nhiệt độ $56^\circ\text{C}$ đã nhân bản thành công đoạn gene arsC có kích thước đặc trưng tương đương 359 bp, khẳng định cơ sở sinh học phân tử liên quan đến tính chống chịu và tích lũy As của 2 loài dương xỉ này.
3. Khả năng chống chịu và tích lũy As của hai loài dương xỉ chọn lọc: Thí nghiệm bổ sung As ở các nồng độ khác nhau cho thấy P. vittata và P. calomelanos có khả năng sinh trưởng, tăng số lượng lá và chiều cao ở nền đất ô nhiễm cao. P. vittata tích lũy As chủ yếu ở phần thân lá (phần khí sinh) cao hơn phần rễ, hàm lượng As tích lũy tăng dần theo thời gian sinh trưởng và loại bỏ lượng As đáng kể ra khỏi khối đất thí nghiệm.
4. Ảnh hưởng của dinh dưỡng P và N:
   • Bổ sung photphat (P) ảnh hưởng rõ rệt đến sự cạnh tranh vị trí hấp phụ và kích thích sinh trưởng; ở mức P thích hợp, sinh khối khô của dương xỉ tăng và hiệu quả hấp thu As nâng cao.
   • Bổ sung đạm (N) làm tăng tốc độ tạo nhánh, số lá và tích lũy sinh khối khô trên mặt đất, qua đó gia tăng tổng lượng As được tách ra khỏi đất.
5. Nâng cao khả năng xử lý ô nhiễm As:
   • Phân bón: Phân bón vô cơ và hữu cơ kết hợp giúp cải thiện độ phì của đất mỏ nghèo dinh dưỡng, thúc đẩy sinh khối và tổng lượng As hấp thu.
   • Độ chua (pH): pH đất ảnh hưởng đến độ linh động của As; sự thay đổi pH làm biến đổi lượng As hữu dụng trong dung dịch đất và lượng As tồn dư trong đất sau xử lý.
   • Chất chelat EDTA: EDTA làm tăng hàm lượng As dạng linh động trong đất, thúc đẩy chuyển vận As cùng các kim loại Pb, Cd, Zn lên thân cây.
   • Nấm cộng sinh Mycorrhiza (AMF): Cả 3 chủng nấm rễ cộng sinh (SHM 04 – DH 16, SHM 04 – DH 47, SHM 04 – TC 139) đều tăng cường khả năng chống chịu, phát triển hệ rễ, tăng sinh khối và tăng lượng As hấp thu của dương xỉ.
6. Ứng dụng xử lý thực tế tại mỏ Núi Pháo (Hà Thượng):
   • Thí nghiệm pilot chứng minh hàm lượng As trong đất giảm rõ rệt sau các đợt trồng và thu hoạch sinh khối dương xỉ.
   • Mô hình trình diễn hiện trường tại mỏ thiếc - titan Núi Pháo khẳng định hai loài dương xỉ sinh trưởng tốt, cho sinh khối khô đều đặn qua các lần cắt tỉa và tích lũy một lượng lớn As vào mô thân lá.
7. Quy trình công nghệ đề xuất: Xây dựng quy trình hoàn chỉnh gồm các bước: (1) Nhận biết môi trường đất nhiễm As; (2) Phân tích các thông số lý hóa cơ bản; (3) Cải tạo đất (bón vôi, phân hữu cơ); (4) Biện pháp kỹ thuật tăng hấp thu; (5) Chuẩn bị cây giống; (6) Trồng và chăm sóc; (7) Thu hoạch và xử lý an toàn sinh khối; (8) Tính toán giá thành và chu kỳ xử lý; (9) Đánh giá phạm vi áp dụng và giới hạn.

Chương 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Chương 4 đúc kết toàn bộ các kết quả đạt được về mặt học thuật và thực tiễn: khẳng định năng lực siêu tích lũy As của P. vittata và P. calomelanos, vai trò của gene arsC, hiệu quả của các giải pháp kỹ thuật nông học - sinh học hỗ trợ, và tính khả thi của mô hình công nghệ thực vật tại hiện trường khai thác mỏ. Đồng thời, tác giả đưa ra các kiến nghị về việc áp dụng quy trình xử lý tại các vùng mỏ kim loại màu và mở rộng nghiên cứu cơ chế chuyển hóa chuyên sâu.

---

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã công bố các đóng góp mới về mặt khoa học và thực tiễn:

• Về mặt phát hiện khoa học: Lần đầu tiên tại Việt Nam, tác giả xác định và khẳng định hai loài dương xỉ bản địa Pteris vittata L. và Pityrogramma calomelanos L. mọc tại vùng mỏ Thái Nguyên có khả năng siêu tích lũy Asen, đạt hệ số tích lũy sinh học $BF > 1$ và hàm lượng As trong mô thân lá vượt trội.
• Về mặt sinh học phân tử: Lần đầu tiên xác định được đoạn gene arsC (chiều dài khoảng 359 bp) liên quan đến khả năng phân giải, khử độc và chuyển hóa Asen trong hệ genome của hai loài dương xỉ bản địa tuyển chọn.
• Về mặt ứng dụng thực tiễn: Lần đầu tiên xây dựng hoàn chỉnh quy trình công nghệ và ứng dụng mô hình thực tế sử dụng dương xỉ bản địa kết hợp các biện pháp nông học (phân bón, điều chỉnh pH) và sinh học (nấm rễ cộng sinh AMF) để làm sạch đất ô nhiễm Asen tại vùng khai khoáng thiếc - titan Hà Thượng (Thái Nguyên).

Kiến nghị và giải pháp đề xuất từ luận án:

• Ứng dụng quy trình công nghệ trồng P. vittata và P. calomelanos trên các diện tích đất ô nhiễm As quanh các bãi thải khai khoáng và chế biến quặng kim loại.
• Bổ sung phân bón hữu cơ, cân đối N - P và cấy chủng nấm rễ cộng sinh arbuscular mycorrhiza phù hợp để nâng cao năng suất sinh khối và gia tăng tốc độ làm sạch đất.
• Quản lý nghiêm ngặt sinh khối thực vật sau thu hoạch bằng các phương pháp an toàn (như đốt thu hồi tro trong khu vực kiểm soát hoặc chiết tách) nhằm ngăn chặn Asen phát tán trở lại chuỗi thức ăn và môi trường sống.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án:

• Tầng rễ của hai loài dương xỉ phân bố chủ yếu ở tầng đất mặt (0 – 20 cm), do đó hiệu quả xử lý bị giới hạn đối với các tầng đất ô nhiễm nằm ở độ sâu lớn hơn.
• Thời gian làm sạch đất bằng thực vật đòi hỏi chu kỳ nhiều năm và nhiều đợt thu hoạch liên tiếp, phụ thuộc vào điều kiện khí hậu thời tiết và tốc độ tích lũy sinh khối tự nhiên của cây.
• Sinh khối sau thu hoạch chứa nồng độ As cao là chất thải nguy hại, đòi hỏi quy trình xử lý tập trung chặt chẽ để tránh ô nhiễm thứ cấp.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

• Tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về các gene khác trong operon ars (arsA, arsB) và cơ chế biểu hiện protein vận chuyển kim loại ở mức độ phân tử.
• Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ tận thu kim loại hoặc đóng rắn, xử lý nhiệt an toàn đối với sinh khối dương xỉ sau thu hoạch.
• Mở rộng thử nghiệm mô hình công nghệ thực vật tại các loại hình mỏ khoáng sản khác (như mỏ vàng, mỏ đồng, mỏ chì - kẽm) trên các vùng địa lý khác nhau của Việt Nam.

---

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị học thuật và ứng dụng đối với nhiều nhóm đối tượng:

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Thuộc các chuyên ngành Khoa học Môi trường, Quản lý Môi trường, Kỹ thuật Môi trường, Sinh học Thực nghiệm và Thổ nhưỡng học. Luận án cung cấp hệ thống phương pháp luận chặt chẽ từ sàng lọc sinh thái, phân tích gene phân tử đến thiết kế thí nghiệm chậu và hiện trường.
• Cơ quan quản lý nhà nước và doanh nghiệp khai khoáng: Các Sở Tài nguyên và Môi trường, ban quản lý các khu công nghiệp - khai khoáng có thể tham khảo số liệu khảo sát thực trạng ô nhiễm As tại Thái Nguyên và quy trình công nghệ 10 bước để xây dựng phương án phục hồi môi trường sau khai thác khoáng sản.
• Các phần đáng tham khảo nhất trong văn bản:
  • Danh mục và số liệu hàm lượng kim loại nặng trong 33 loài thực vật mọc tại vùng mỏ Thái Nguyên.
  • Quy trình và điều kiện phản ứng PCR nhân đoạn gene arsC với cặp mồi KL7 ở $56^\circ\text{C}$.
  • Dữ liệu định lượng về ảnh hưởng của P, N, EDTA, pH và nấm AMF đến hệ số tích lũy sinh học BF.
  • Sơ đồ quy trình công nghệ 10 bước xử lý đất ô nhiễm Asen bằng dương xỉ.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án đã tuyển chọn được những loài thực vật nào có khả năng siêu tích lũy Asen tại Thái Nguyên?
Luận án đã khảo sát 33 loài thực vật tại 4 vùng mỏ và tuyển chọn được 02 loài dương xỉ bản địa có khả năng siêu tích lũy Asen vượt trội là Pteris vittata L. (Ráng sẹo dải, họ Pteridaceae) thu tại Hà Thượng và Pityrogramma calomelanos L. (Ráng chò chanh, họ Aidianthaceae / Adiantaceae) thu tại Làng Hích, có hệ số tích lũy sinh học $BF > 1$ và khả năng tích lũy As cao ở phần thân lá.

2. Đoạn gene nào đã được xác định thành công trên hai loài dương xỉ tuyển chọn?
Luận án đã thực hiện tách chiết ADN genome và nhân bản thành công đoạn gene arsC (kích thước tương đương 359 bp, mã hóa cho 141 amino acid) bằng kỹ thuật PCR với cặp mồi KL7 ở nhiệt độ $56^\circ\text{C}$. Đây là gene tham gia vào quá trình khử asenat thành asenit phục vụ cơ chế giải độc và tích lũy Asen trong tế bào.

3. Mức độ ô nhiễm Asen tại các khu vực mỏ nghiên cứu ở Thái Nguyên được ghi nhận như thế nào?
Hàm lượng Asen tại các khu vực khảo sát ở mức rất cao: đất vườn chịu ảnh hưởng nước thải mỏ thiếc - titan Hà Thượng (mẫu Đ2) đạt 4.521 mg/kg, đất chân đồi Hà Thượng (mẫu Đ3) đạt 500 mg/kg, và mẫu đá thải mỏ tại Đại Từ đạt tới 5.000 mg/kg, vượt quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 03:2008 đối với đất dân sinh (12 mg/kg) từ hàng chục đến 417 lần.

4. Những biện pháp nông học và sinh học nào được chứng minh giúp gia tăng hiệu quả xử lý As của dương xỉ?
Các giải pháp gồm: bổ sung phân đạm (N) và lân (P) ở tỷ lệ hợp lý để thúc đẩy sinh khối; duy trì độ chua/pH đất thích hợp; bổ sung tác nhân chelat EDTA nhằm tăng hàm lượng As dạng linh động; và cấy các chủng nấm rễ cộng sinh arbuscular mycorrhiza (AMF: SHM 04 – DH 16, SHM 04 – DH 47, SHM 04 – TC 139) giúp tăng trưởng hệ rễ, tăng sinh khối và tăng lượng As hấp thu.

5. Chi phí xử lý đất bằng công nghệ thực vật chênh lệch như thế nào so với các phương pháp truyền thống theo số liệu luận án?
Theo tính toán kinh tế được luận án trích dẫn, xử lý 0,4 ha đất bùn cát nhiễm kim loại ở độ sâu 50 cm bằng công nghệ thực vật tốn khoảng 60.000 – 100.000 USD, trong khi xử lý bằng phương pháp truyền thống (đào hố và cách ly chôn lấp) cần ít nhất 400.000 USD (chi phí thực vật thấp hơn từ 4 đến 10 lần, thậm chí thấp hơn 10 đến 1.000 lần theo đánh giá của Cục Môi trường Châu Âu).

---

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Bùi Thị Kim Anh đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu thông qua việc xác định hai loài dương xỉ bản địa (Pteris vittata L. và Pityrogramma calomelanos L.) có khả năng siêu tích lũy Asen tại các vùng mỏ Thái Nguyên và làm sáng tỏ sự hiện diện của gene arsC trong hệ genome của chúng. Công trình đã xác lập cơ sở khoa học về tác động của các yếu tố N, P, pH, EDTA và nấm cộng sinh AMF đến hiệu suất hút thu kim loại, đồng thời thử nghiệm thành công mô hình pilot tại mỏ thiếc Núi Pháo. Kết quả của luận án đã cung cấp một quy trình công nghệ sinh học xử lý đất ô nhiễm Asen có chi phí thấp, thân thiện với môi trường và phù hợp với điều kiện thực tiễn tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Môi trường bị ô nhiễm do các hoạt động khai khoáng và tuyển quặng đã được nhiều nhà khoa học trên thế giới đặc biệt quan tâm nghiên cứu. Hàm lượng Asen (As) bị ô nhiễm ở mức đáng lo ngại ở nhiều vùng khai thác khoáng sản trên thế giới và Việt Nam [11], [30], [40], [89]. Các tác giả đã chỉ ra những rủi ro có thể xảy ra đối với con người cũng như mức độ tích tụ As trong các sản phẩm nông nghiệp quan trọng như lúa, gạo [2], [94], [99], [110].

Nguồn gốc và sự xuất hiện các nguy hại với môi trường sống do khai thác mỏ gây ra rất phức tạp và kinh phí cho sự phục hồi là rất đắt. Vì vậy, giải quyết vấn đề này hiện nay còn gặp rất nhiều khó khăn [86], [113]. Các phương pháp công nghệ xử lý truyền thống đã được áp dụng bao gồm bê tông hoá, ổn định, rửa đất, sử dụng các phản ứng ô xy hoá - khử, phản ứng hấp phụ ở nhiệt độ thấp, chôn lấp, đốt,. Hiện nay, trên thế giới công nghệ được sử dụng nhiều nhất dùng để xử lý đất bị ô nhiễm kim loại nặng vẫn là chôn lấp tại chỗ.

Công nghệ này đòi hỏi chi phí cao, cần có diện tích lớn và điều hạn chế nhất là đất không được tái sử dụng. Giá thành quá cao trong xử lý ô nhiễm bằng công nghệ truyền thống đã buộc các nhà khoa học phải tìm các công nghệ mới thay thế, trong đó công nghệ “xanh” tức là công nghệ sử dụng thực vật trong xử lý ô nhiễm (Phytoremediation) đã được đánh giá là có hiệu quả ứng dụng cao do giá thành thấp, vận hành đơn giản và thân thiện với môi trường. Hiện tại, công nghệ sử dụng thực vật được đánh giá là thích hợp nhất cho xử lý ô nhiễm kim loại nặng (KLN) trong đất [22],[57],[69]. Tính toán cho thấy, việc sử dụng thực vật để làm sạch 0,4ha đất bùn cát ở độ sâu 50 cm cần 60 - 100.000 USD, trong khi xử lý bằng phương pháp truyền thống (đào hố và cách li) thì cần ít nhất 400.

Ở Trung Quốc, công nghệ này đã mang lại 2 tỷ USD trong hai năm vừa qua [60], [61]. Vì vậy, phương pháp này đang trở thành công nghệ đầy triển vọng của thế kỷ 21 ở cả các nước phát triển và đang phát triển [47], [67]. Các nhà khoa học đã phát hiện ra một số nhóm thực vật có khả năng tích luỹ rất nhiều KLN trong cơ thể gọi là cây siêu tích luỹ (hyperaccumulators). Nhiều công trình 51 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] nghiên cứu đã chỉ ra rằng, nồng độ kim loại nặng tích luỹ trong thân một số cây "siêu tích luỹ" phải lớn hơn 1000 mg/kg sinh khối khô thực vật.

Người ta cũng đã lập được danh lục trên 450 loài thực vật có khả năng hấp thụ cao kim loại [77], [115]. Do As tồn tại trong hầu hết các quặng kim loại và mức độ ô nhiễm As trong đất là rất lớn ở các vùng đã và đang khai thác khoáng sản nên việc xử lý ô nhiễm As là rất cần thiết [5]. Đã có nhiều nghiên cứu được tiến hành nhằm tìm ra các phương pháp xử lý ô nhiễm As một cách hiệu quả và kinh tế. Các nhà khoa học hiện nay rất chú ý đến việc nghiên cứu xử lý ô nhiễm As bằng sử dụng các thực vật siêu hấp thu As [39], [59].

Trong quá trình nghiên cứu kĩ thuật xử lý ô nhiễm bằng thực vật, các nhà khoa học đã khám phá ra rất nhiều loài thực vật có khả năng hút As từ đất. Ví dụ, cỏ Agrostis capillaris L., cỏ Agrostis tenerrima Trin., dương xỉ Pteris vittata L. và cây gỗ nhỏ Sarcosphaera coronaria có khả năng tích luỹ As tương ứng là 100, 1000, 27000 và 7000 mg/kg sinh khối khô [60],[70]. Các loài này đã được ứng dụng vào thực tế để xử lý đất ô nhiễm As ở nhiều nơi trên thế giới và đã cho những thành công bước đầu.

Trong các loài thực vật siêu tích lũy As, nhiều nhà khoa học đã đặc biệt chú ý đến dương xỉ bởi nhiều nghiên cứu cho thấy loại thực vật này có khả năng chống chịu và tích lũy As cao. Đặc biệt loài dương xỉ Pteris vittata đã được các tác giả chứng minh là loài siêu tích lũy As. Theo Chen Tong Bin [60], [62], Pteris vittata có thể phát triển bình thường trên đất có chứa 50†4030 mg As /kg, thậm chí nó có thể sống được trên phần quặng đuôi có chứa hàm lượng As lên đến 23. Loài này có thể hút 10% As từ đất trong vòng một năm và hàm lượng As trong lá lên tới 8‰.

Ngoài ra, một vài loài dương xỉ khác cũng được chú ý là Pteris nervosa, Pteris cretica, P. Đề tài: “Nghiên cứu sử dụng thực vật (dương xỉ) để xử lý ô nhiễm As trong đất vùng khai thác khoáng sản” nhằm góp phần tìm ra giải pháp xử lý As bằng dương xỉ hiệu quả và khoa học, làm cơ sở cho việc ứng dụng công nghệ thực vật vào xử lý ô nhiễm ở Việt Nam. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 52 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] - Luận án góp phần đánh giá mức độ ô nhiễm As trong đất sau khai thác khoáng sản và nghiên cứu khả năng tích luỹ As của một số loài thực vật bản địa ở bốn vùng khai thác mỏ đặc trưng của tỉnh Thái Nguyên. - Luận án đi sâu nghiên cứu đánh giá khả năng xử lý ô nhiễm As trong đất của hai loài dương xỉ bản địa Pteris vittata (P.

vittata) và Pityrogramma calomelanos (P. calomelanos) thu được từ vùng khai thác mỏ của Thái Nguyên một cách hệ thống. - Nghiên cứu đề xuất được quy trình công nghệ sử dụng dương xỉ để xử lý đất bị ô nhiễm As. Đây là một công nghệ thân thiện với môi trường, có chi phí thấp nhưng hiệu quả cao.

Có thể nói, áp dụng công nghệ này là giải pháp tốt nhất đối với điều kiện của Việt Nam hiện nay. Quy trình này có thể được chuyển giao cho các địa phương có hoạt động khai thác và chế biến quặng. - Các kết quả nghiên cứu thu được sẽ làm cơ sở khoa học cho việc phát triển hơn nữa công nghệ sử dụng thực vật để xử lý ô nhiễm As ở các vùng khai khoáng của Việt Nam. Mục tiêu của luận án + Tuyển chọn được các loài dương xỉ bản địa có khả năng siêu tích lũy As.

+ Xác định được một số yếu tố môi trường làm tăng khả năng xử lý As trong đất của những loài dương xỉ chọn lọc. + Đề xuất được quy trình công nghệ và xây dựng được mô hình trình diễn sử dụng dương xỉ để xử lý ô nhiễm As trong đất vùng khai thác mỏ. Những đóng góp mới của đề tài - Lần đầu tiên, xác định được hai loài dương xỉ bản địa P. calomelanos có khả năng siêu tích lũy As.

- Lần đầu tiên xác định được gene arsC mã hoá cho khả năng tích luỹ As của hai loài dương xỉ tuyển chọn. - Lần đầu tiên ở Việt Nam quy trình sử dụng dương xỉ bản địa để xử lý ô nhiễm As trong đất do khai thác mỏ được xây dựng và ứng dụng tại hiện trường. Các kết quả 53 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] thu được đã khẳng định được tính hiệu quả cao trong cải tạo đất ô nhiễm As của hai loài dương xỉ này. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.

Nghiên cứu tổng quan về Asen 1. Giới thiệu chung về Asen Asen (As) là á kim trong nhóm V-A có khối lượng phân tử 74,9. Khi kết hợp với các nguyên tố khác As có thể có các hóa trị khác nhau +5, +3, 0, và -3. As tham gia liên kết cộng hóa trị với nhiều kim loại và nhiều hợp chất hữu cơ ổn định.

Tuy vậy, As vẫn được xem như là kim loại nặng (KLN) vì các nhà độc tố học cho rằng, KLN là những kim loại và á kim có liên quan đến vấn đề ô nhiễm môi trường và có độc tính cao đối với cơ thể sống như Cd, Cu, Cr, Hg, Ni, Pb, Zn, As,. As có đặc tính là khi bị đốt nóng đến 615,5oC thì thăng hoa mà không trải qua thời kỳ nóng chảy. Tuy nhiên, nó lại nóng chảy ở nhiệt độ 817-868oC dưới áp suất rất cao là 35,8 atm. Trong không khí As dễ bị oxy hóa tạo thành oxit aseno theo phương trình sau: 4As + 3O2 = 2As2O3 (As trắng) As trắng là một chất bột màu trắng, mịn và có mùi tỏi đặc trưng, rất độc đối với sự sống.

Từ hàng nghìn năm trước người Trung Hoa đã biết sử dụng As trắng để làm thuốc độc. Khi tồn tại ở dạng hợp chất axit asenic (H3AsO4) thì nó có thể được dùng trong y tế với một liều lượng nhất định như một loại thuốc trị bệnh; còn khi tồn tại ở dạng hydro asenit AsH3 (asin) thì nó lại ở dưới dạng một chất khí không màu, không mùi, không vị nhưng rất độc cho sự sống. Asenit và asenat canxi là chất bột màu trắng hay xám chứa 40-62% As2O3 chúng gần như không tan trong nước và cũng là một chất 54 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] độc rất mạnh. Chúng được dùng làm thuốc diệt côn trùng.

Asenit chì được dùng làm thuốc bảo vệ thực vật (cây ăn quả). Trong tự nhiên, As tồn tại dưới dạng hợp chất. Hiện nay người ta đã tìm thấy hơn 1500 hợp chất có chứa As, trong đó có gần 400 hợp chất khá bền vững trong tự nhiên. Trong nước ngầm thường gặp As có hóa trị +3 và hóa trị +5 mà điển hình là các ion HAsO4-2 và HAsO3-2.

Hàm lượng của các ion đó phụ thuộc vào điều kiện nhiệt động và tính chất hóa lý của môi trường [87]. Hàm lượng As trong một số hợp phần của tự nhiên 1. Hàm lượng As trong các khoáng vật Người ta thường tìm thấy As tồn tại dưới dạng hợp chất với một hay một số nguyên tố khác như oxy, clo và lưu huỳnh v. As kết hợp với những nguyên tố trên tạo thành các hợp chất As vô cơ dưới dạng các khoáng vật.

As là một trong những nguyên tố tạo ra nhiều khoáng vật nhất. Trong các khoáng vật, As tồn tại dưới dạng nguyên tố, sulfua, oxit, asenat và asenit, có tới 368 dạng khoáng vật chứa As, trong đó các nhóm hydroasenat và asenat có 213 khoáng vật, sulfurasenat có 73 khoáng vật, intemetallit có 40 khoáng vật, v.… Tuy nhiên, chỉ khoảng 200 khoáng vật chính có hàm lượng As cao. Các khoáng vật khác ít gặp hoặc có hàm lượng As thấp [30], [87].