Đề tài Nghiên cứu sử dụng mối quan hệ cộng sinh giữa dương xỉ và nấm rễ cộng sinh (AMF) để xử lý ô nhiễm kim loại nặng trong đất tại thôn Đông Mai, xã Chỉ Đạo, huyện Văn Lâm, tỉnh Hưng Yên

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng, số liệu và các kết quả nghiên cứu trong khóa luận tốt nghiệp này là trung thực và chưa hề được sử dụng. Tôi xin cam đoan rằng, mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện khóa luận tốt nghiệp này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong khóa luận tốt nghiệp này đã được ghi rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày 29 tháng 4 năm 2014 Sinh viên Nguyễn Thị Thúy ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành khóa luận tốt nghiệp, ngoài sự nỗ lực của bản thân, tôi đã nhận được rất nhiều sự quan tâm giúp đỡ nhiệt tình của các tập thể, cá nhân trong và ngoài trường. Trước hết, tôi xin chân thành cám ơn thầy giáo TS. Nguyễn Thế Bình, giảng viên bộ môn Vi sinh vật, Khoa Môi Trường, Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo cho tôi trong suốt quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp. Tôi xin chân thành cám ơn các thầy cô giáo, cán bộ phòng thí nghiệm của Bộ môn Vi sinh vật đã tận tình giúp đỡ tôi hoàn thành đề tài Xin chân thành cám ơn các thầy cô giáo, cán bộ, công nhân viên bộ môn Khoa học Đất, Khoa Quản lý đất đai và phòng phân tích JICA đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện khóa luận. Xin chân thành cảm ơn tới các bác, các chú lãnh đạo UBND xã Chỉ Đạo, huyện Văn Lâm, tỉnh Hưng Yên đã giúp đỡ tôi trong quá trình thu thập số liệu tại địa phương. Do thời gian và kinh nghiệm còn hạn chế nên khóa luận tốt nghiệp của tôi còn nhiều thiếu sót, tôi kính mong nhận được sự góp ý của các thầy cô giáo, bạn bè để khóa luận được hoàn chỉnh hơn. Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 29 tháng 4 năm 2014 Sinh viên Nguyễn Thị Thúy iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................ i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................ ii MỤC LỤC .................................................................................................iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .................................................................. vi DANH MỤC BẢNG .................................................................................vii Phần 1: ĐẶT VẤN ĐỀ .............................................................................. 1 1.1. Tính cấp thiết của đề tài........................................................................ 1 1.2. Mục tiêu và yêu cầu nghiên cứu của đề tài............................................. 2 1.2.1. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ........................................................... 2 1.2.2. Yêu cầu............................................................................................. 2 Phần 2: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ............................ 4 2.1. Hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng trong đất sản xuất nông nghiệp .......... 4 2.1.1. Trên thế giới ..................................................................................... 4 2.1.2. Tại Việt Nam .................................................................................... 8 2.2. Cơ sở khoa học của việc xử lý ô nhiễm kim loại nặng trong đất bằng thực vật............................................................................................................ 15 2.2.1. Cơ sở khoa học của biện pháp xử lý ô nhiễm bằng thực vật ............... 15 2.2.2. Giả thuyết giải thích cơ chế của công nghệ xử lý ô nhiễm bằng thực vật ................................................................................................................ 16 2.2.3. Công nghệ xử lý .............................................................................. 17 2.2.3.1. Công nghệ cố định chất ô nhiễm bằng thực vật (Phytostabilation)... 17 2.2.3.2. Công nghệ chuyển dạng chất ô nhiễm (Phytotransformmation)....... 18 2.2.3.3. Công nghệ thoát hơi qua lá cây (Phytovolatilization)...................... 18 2.2.3.4. Công nghệ chiết đất (Phytoextraction) ........................................... 18 2.2.3.5. Công nghệ xử lý bằng vùng rễ (Rhizosphere Bioremediation) ........ 19 2.3. Hiệu quả của việc xử lý đất ô nhiễm đất bằng công nghệ sinh học ........ 19 iv 2.3.1. Cây cải xoong ................................................................................. 20 2.3.2. Cỏ Vetiver ...................................................................................... 21 2.3.3. Dương xỉ......................................................................................... 26 2.3.4. Cây đơn buốt, mương đứng và dừa nước .......................................... 29 2.3.5. Một số loại cây khác ........................................................................ 30 Phần 3: ĐỐI TƢỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................................................................................ 32 3.1. Đối tượng nghiên cứu ......................................................................... 32 3.2. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................ 32 3.3. Nội dung nghiên cứu .......................................................................... 32 3.4. Phương pháp nghiên cứu .................................................................... 32 Phần 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ........................................................ 36 4.1. Đặc điểm chung về địa bàn nghiên cứu ............................................... 36 4.1.1. Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội xã Chỉ Đạo, huyện Văn Lâm, tỉnh Hưng Yên................................................................................................. 36 4.1.1.1. Điều kiện tự nhiên của xã Chỉ Đạo, huyện Văn Lâm, tỉnh Hưng Yên ................................................................................................................ 36 4.1.1.2. Đặc điểm kinh tế xã hội của xã Chỉ Đạo, huyện Văn Lâm, tỉnh Hưng Yên .......................................................................................................... 36 4.1.2. Hiện trạng làng nghề ........................................................................ 38 4.2. Một số tính chất đất của khu vực nghiên cứu ....................................... 40 4.3. Đánh giá chất lượng chế phẩm Mycoroot trước khi sử dụng ................. 43 4.4. Nghiên cứu khả năng chống chịu, hấp thu Pb của cây dương xỉ cộng sinh với nẫm rễ (AMF)..................................................................................... 44 4.4.1. Khả năng xâm nhiễm của nấm rễ vào rễ cây dương xỉ ....................... 44 4.4.2. Sinh trưởng phát triển của cây trồng thí nghiệm ................................ 46 4.4.3. Hàm lượng Pb tích lũy trong các bộ phận của cây dương xỉ............... 49 4.4.4. Tổng lượng Pb được loại bỏ khỏi đất bởi cây dương xỉ ..................... 53 v 4.4.5. Hàm lượng Pb còn lại trong đất sau thí nghiệm56 Phần 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................... 59 5.1. Kết luận ............................................................................................. 59 5.2. Kiến nghị ........................................................................................... 59 vi DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT STT Ký hiệu viết tắt Diễn giải 1 AMF Arbuscular Mycorhyzal Fungi 2 CT Công thức 3 ĐHNN Đại học Nông nghiệp 4 IWMI The International Water Management Institute (Viện quản lí nước quốc tế) 5 KCN Khu công nghiệp 6 KLN Kim loại nặng 7 QCVN Quy chuẩn Việt Nam 8 SKK Sinh khối khô 9 TCCP Tiêu chuẩn cho phép 10 TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam vii DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Hàm lượng kim loại nặng trong đất và một số loại đá mẹ .......... 4 Bảng 2.2: Hàm lượng kim loại nặng trong một số loại đất ở khu mỏ hoang Songcheon .............................................................................................. 6 Bảng 2.3: Hàm lượng kim loại nặng trong đất ở khu vực khai thác thiếc xã Hà Thượng – Đại Từ - Thái Nguyên ........................................................ 9 Bảng 2.4: Hàm lượng chì và cadimi trong đất tại Làng Hích ................... 10 Bảng 2.5: Hàm lượng kim loại nặng trong đất ở khu vực khai thác qặng Pb – Zn xã Tân Long – Đồng Hỷ - Thái Nguyên ......................................... 11 Bảng 2.6: Kết quả phân tích một số chỉ tiêu kim loại nặng trong đất nông nghiệp xã Tây Tựu, huyện Từ Liêm, Hà Nội .......................................... 14 Bảng 2.7: So sánh ngưỡng chịu KLN của cỏ Vetiver và các loài cỏ khác . 22 Bảng 2.8: Khả năng tích lũy As của 2 loài dương xỉ P.vittata và P.calomelanos ...................................................................................... 28 Bảng 4.1: Một số tính chất lí hóa học của đất nghiên cứu ........................ 40 Bảng 4.2: Hàm lượng chì tổng số và chì dễ tiêu trong đất nghiên cứu ...... 42 Bảng 4.3: Sinh khối tươi của cây trồng sau 40 ngày thí nghiệm............... 46 Bảng 4.4: Sinh khối khô của cây trồng sau 40 ngày thí nghiệm ............... 47 Bảng 4.5: Tổng lượng Pb được loại bỏ khỏi đất do sự hấp thụ của cây dương xỉ ............................................................................................... 53 viii DANH MỤC HÌNH Hình 2.1: Hàm lượng các kim loại nặng tổng số trong đất nông nghiệp xã Đại Đồng, huyện Văn Lâm, tỉnh Hưng Yên............................................ 13 Hình 2.2: Hàm lượng Pb trong thân lá của cỏ Vetiver trong các giai đoạn sinh trưởng khác nhau ........................................................................... 23 Hình 2.3: Hàm lượng Pb trong rễ của cỏ Vetiver trong các giai đoạn sinh trưởng khác nhau .................................................................................. 24 Hình 2.4: Hàm lượng As trong thân lá của cỏ Vetiver trong các giai đoạn sinh trưởng khác nhau ........................................................................... 25 Hình 4.1: Quá trình phá dỡ bình ắc quy rất thủ công39 Hình 4.2: Axít từ những bình ắc quy hỏng được xả thẳng ra môi trường...39 Hình 4.3: Bào tử nấm rễ quan sát trên kính hiển vi soi nổi.44 Hình 4.4: Khả năng xâm nhiễm của nấm rễ vào rễ cây dương xỉ ............. 45 Hình 4.5: Ảnh hưởng của chế phẩm Mycoroot tới sự tích lũy chì trong thân lá dương xỉ sau 40 ngày trồng ................................................................ 50 Hình 4.6: Ảnh hưởng của chế phẩm Mycoroot tới sự tích lũy chì trong rễ cây dương xỉ sau 40 ngày trồng ............................................................. 51 Hình 4.7: Hàm lượng chì tổng số còn lại trong đất55 Hình 4.8: Hàm lượng chì dễ tiêu trong đất sau thí nghiệm.57 1 Phần 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, ô nhiễm môi trường đang là vấn đề nóng bỏng trên toàn cầu. Một trong những vấn đề đáng quan tâm và đang đe dọa sức khỏe con người là ô nhiễm kim loại nặng trong đất. Nguồn phát thải các kim loại nặng rất đa dạng, có thể do: sự phát thải từ các làng nghề tái chế kim loại, chất thải từ các nhà máy – khu công nghiệp, hoạt động khai mỏ, do sử dụng không hợp lí các loại phân bón, hóa chất bảo vệ thực vật,Ô nhiễm kim loại nặng do sự phát thải từ các làng nghề tái chế kim loại đang là vấn đề lớn ở nhiều quốc gia trên thế giới trong đó có Việt Nam do những tác động nguy hiểm đến hệ sinh thái nói chung và con người nói riêng. Theo các nhà chuyên môn, hàm lượng chì thải ra ở Đông Mai ở mức đáng lo ngại: trong nguồn nước, mức trung bình là 0,77mg/l, vượt quá tiêu chuẩn cho phép từ 7,7 - 15 lần. Ở nơi ao hồ đãi và đổ xỉ hàm lượng là 3,278mg/l; vượt quá tiêu chuẩn cho phép từ 32 - 65 lần. Còn trong đất, hàm lượng chì trung bình là 398,72 mg/kg. Trong không khí, từ 26,332 mg/m 3 - 46,414 mg/m 3 , gấp 4.600 lần so với tiêu chuẩn cho phép. Do nhiễm độc chì thôn Đông Mai có hơn 80% số người bị mắc bệnh; 100% số người trực tiếp nấu chì đều bị nhiễm độc chì trong máu. Theo phân tích từ cơ thể những người bị nhiễm độc chì, hàm lượng chì trong nước tiểu từ 0,25 – 0,56 mg/l; trong máu 135 mg/l, vượt 1,5 lần mức cho phép (Bộ Tài nguyên và Môi trường, 2012) [28]. Mặc dù một số kim loại nặng có thể rất cần thiết cho đời sống sinh vật (chúng được xem là nguyên tố vi lượng) nhưng với một số kim loại nặng khi hàm lượng của chúng vượt quá tiêu chuẩn cho phép sẽ gây độc hại với môi trường và cơ thể sinh vật như gây các bệnh ung thư, phá hủy hệ thần kinh trung ương, gây các chứng co giật, tê liệtVới các loài thực vật, ảnh hưởng 2 bất lợi của kim loại nặng chủ yếu là làm suy giảm khả năng sinh trưởng, phát triển; ảnh hưởng lớn đến sinh khối cũng như chất lượng sản phẩm cây trồng. Có rất nhiều phương pháp khác nhau được sử dụng để xử lý kim loại nặng trong đất. Tuy nhiên, gần đây phương pháp sử dụng thực vật để xử lý kim loại nặng trong đất được các nhà khoa học quan tâm đặc biệt vì đây được coi là một cách tiếp cận thân thiện với môi trường đồng thời giảm chi phí đáng kể khi so sánh với các phương pháp lí hóa học. Yêu cầu với những loài thực vật sử dụng trong việc xử lý kim loại nặng là có khả năng tích lũy kim loại nặng cao và cho sinh khối lớn. Tuy nhiên những cây chống chịu được kim loại nặng thường là những cây có sinh khối thấp và để khắc phục điều này thì cộng sinh nấm rễ là điều cần thiết. Khả năng tự nhiên của thực vật trong việc loại bỏ các chất gây ô nhiễm có thể được tích hợp và cải thiện bởi nấm rễ cộng sinh (AMF - Arbuscular Mycorhyzal Fungi). Cộng sinh nấm rễ cũng được coi là chìa khóa để cây trồng sống sót trong đất ô nhiễm bằng cách tăng cường sức đề kháng kim loại trong các cây trồng và cũng bởi cải thiện sự hấp thu chất dinh dưỡng cần thiết. Do đó, việc lợi dụng mối quan hệ cộng sinh giữa một số loài thực vật với nấm AMF để xử lý ô nhiễm kim loại nặng được coi là phương pháp rất có triển vọng. Điều đó đặt ra một yêu cầu là cần có những nghiên cứu đầy đủ về hiệu quả về vấn đề này, do đó tôi tiến hành nghiên cứu đề tài:“Nghiên cứu sử dụng mối quan hệ cộng sinh giữa dương xỉ và nấm rễ cộng sinh (AMF) để xử lý ô nhiễm kim loại nặng trong đất tại thôn Đông Mai, xã Chỉ Đạo, huyện Văn Lâm, tỉnh Hưng Yên”. 1.2. Mục tiêu và yêu cầu nghiên cứu của đề tài 1.2.1. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài  Tìm hiểu một số tính chất đất của khu vực nghiên cứu  Đánh giá khả năng chống chịu và hấp thu Pb của cây dương xỉ cộng sinh với nấm rễ AMF trong điều kiện thí nghiệm chậu vại. 1.2.2. Yêu cầu 3  Xác định được một số chỉ tiêu lí hóa học của đất tại khu vực nghiên cứu  Tiến hành thí nghiệm chậu vại để đánh giá ảnh hưởng của chế phẩm nấm rễ cộng sinh đến sự chống chịu, hấp thu chì của cây dương xỉ 4 Phần 2: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 2.1. Hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng trong đất sản xuất nông nghiệp 2.1.1. Trên thế giới Ô nhiễm môi trường nói chung và ô nhiễm đất nói riêng đã và đang thu hút được nhiều sự quan tâm của mọi quốc gia trên thế giới. Không chỉ riêng Việt Nam mà tất cả các nước khác trong quá trình phát triển đều phải đối mặt với nguy cơ ô nhiễm đất ngày càng trầm trọng và một trong những nguyên nhân ô nhiễm đất được chú ý đó là kim loại nặng (KLN). Ô nhiễm trong đất ngày càng trở nên đáng lo ngại hơn không chỉ bởi nó là một trong những nhân tố gây ra tình trạng suy thoái đất ở một số nơi hiện nay, mà còn do khả năng gây ảnh hưởng xấu đến sự sinh trưởng phát triển của cây trồng, làm suy giảm chất lượng nông sản phẩm cũng như gây ra những mối đe dọa nguy hiểm đối với sức khỏe của con người thông qua sự tích lũy qua chuỗi thức ăn. Đất có hàm lượng các nguyên tố kim loại nặng cao trước hết là do các nguyên nhân tự nhiên như có sẵn trong đá mẹ, khoáng vật... Bảng 2.1: Hàm lƣợng kim loại nặng trong đất và một số loại đá mẹ Đơn vị: mg/kg Nguyên tố Trong đất (*) Trong đá trầm tích (**) Trong đá macma (**) Đá phiến sét Đá cát Đá vôi Bazơ Trung bình axit Cd 0,01- 0,7 0,22 - 0,3 0,05 0,035 0,13- 0,22 0,13 0,09- 0,2 Cu 2-100 40 5-30 2-10 60-120 15-80 10-30 Pb 2-200 18 - 25 5-10 3-10 3-8 12-15 15-24 Zn 10-300 80-120 15-30 10-25 80-120 40-100 40-60 Nguồn: (*): Lindsay (1979),(**): Kabata và cộng sự, (1992),trích theo Lê Văn Thắng(2010)[14]. 5 Kết quả nghiên cứu của Lindsay (1979), Kabata và cộng sự (1992) cho thấy rằng ở trong đất hàm lượng các nguyên tố KLN thường dao động mạnh hơn so với trong đá mẹ. Chênh lệch về hàm lượng cao nhất và thấp nhất có khi lên đến cả trăm lần. Trong đất hàm lượng của kẽm (Zn) dao động từ 10 – 300 mg/kg, hay chì (Pb) dao động từ 2 – 2000 mg/kg. Ngoài ra nghiên cứu cũng chỉ ra rằng trong đá axit và đá vôi hàm lượng các KLN nhỏ hơn so với các loại đá khác của đá trầm tích và macma. Tuy nhiên nguồn phát thải các KLN vào đất chủ yếu lại xuất phát từ các hoạt động công nghiệp, khai mỏ cũng như quá trình sản xuất nông nghiệp. Tại Thái Lan, nghiên cứu 154 ruộng lúa ở 8 làng trong khu vực lòng chảo Huay Mae Tao (huyện Mae Sot, tỉnh Tak) Viện quản lí nước quốc tế IWMI (The International Water Management Institute) cho biết đất bị nhiễm Caidimi (Cd) cao hơn 94 lần so với tiêu chuẩn an toàn quốc tế. IWMI cũng nghiên cứu hàm lượng Cd có trong gạo, tỏi và đậu nành sản xuất tại đây, kết quả cho thấy các sản phẩm này bị nhiễm Cd cao hơn mức tiêu chuẩn cho phép (TCCP) của châu Âu. Trong 1kg gạo có 0,1 – 44 mg Cd, cao hơn tiêu chuẩn an toàn là 0,043 mg/kg gạo. Còn trong tỏi và đậu nành thậm chí còn cao hơn từ 16 đến 126 lần TCCP [14]. Công trình nghiên cứu của Kabata và Henryk (1985) tại Anh, hàm lượng Cd ở lớp đất mặt xung quanh vùng khai thác kẽm lên tới 2 – 336 ppm. Ở Mỹ những vùng đất lân cận những nhà máy chế biến kim loại thì hàm lượng Cadimi (Cd) đạt đến con số khổng lồ 26 – 1500 ppm [14]. Theo Lim H.S và cộng sự (2004) tại mỏ vàng – bạc Soncheon đã bỏ hoang ở Hàn Quốc, đất và nước nhiều khu vực ở đây vẫn còn bị ô nhiễm một số kim loại ở mức cao [19]. 6 Bảng 2.2: Hàm lƣợng kim loại nặng trong một số loại đất ở khu mỏ hoang Songcheon Đơn vị: ppm Nguyên tố Bãi thải quặng Đất vùng núi Đất trang trại Đát bình thường trên thế giới As 3584 – 143813 695 – 3082 7 – 626 6,0 Cd 2,2 – 20 1,32 0,75 0,35 Cu 30 – 749 36 – 89 13 – 673 30 Pb 125 – 50803 63 – 428 23 – 290 35 Zn 580 – 7541 115 – 795 63 – 110 90 Hg 0,09 – 1,01 0,19 – 0,55 0,09 – 4,90 0,06 (Nguồn: H.S Lim và cộng sự, 2004, trích theo Lương Thúy Vân, 2012)[19] Từ bảng trên ta có thể thấy hàm lượng các KLN trong đất trang trại ở đây cao hơn rất nhiều lần so với mức trung bình của thế giới đặc biệt là As và Hg. Hàm lượng cao nhất của As và Hg trong đất trang trại tương ứng cao gấp 104 lần và 82 lần so với hàm lượng trong đất bình thường trên thế giới. Theo các tác giả thì bãi thải của khu vực khai thác mỏ ở đây là nguồn điểm gây ô nhiễm các kim loại cho đất ở những khu vực xung quanh. Đa số cây trồng ở các khu đất bị nhiễm kim loại đã bị nhiễm As và Zn ở mức cao [19]. La Oroya, Peru đã được liệt vào một trong mười thành phố ô nhiễm nhất thế giới với các chất ô nhiễm chủ yếu như chì (Pb), đồng (Cu), kẽm (Zn) và sulfur dioxide. Tại La Oroya, một thị trấn khai mỏ ở Peruvian Andes, 99% trẻ em bị nhiễm chì trong máu vượt quá giới hạn cho phép. Mức nhiễm chì trung bình, theo một cuộc thăm dò năm 1999 đã gấp ba giới hạn của WHO. Thậm chí ngay cả khi hoạt động nấu chảy kim loại giảm bớt thì đất trồng trọt bị nhiễm chì vẫn còn duy trì qua nhiều thế kỷ [37]. 7 Kinh tế Trung Quốc trong những năm gần đây có bước phát triển mạnh mẽ nhưng cũng kéo theo nhiều hệ lụy về môi trường. Ô nhiễm KLN trong đất nông nghiệp ở quốc gia này ngày càng mở rộng và nghiêm trọng hơn. Theo ông Đổng Tiềm Minh, chuyên gia Sở Nghiên cứu địa chất tỉnh Hồ Nam, tình hình ô nhiễm đất nông nghiệp Trung Quốc là hết sức gay go. 1/5 đất canh tác của Trung Quốc đã bị ô nhiễm KLN, trong đó có 11 tỉnh và 25 vùng đất canh tá