Đánh giá khả năng hấp thụ chì trong đất của giống đậu tương DT96

Nghiên cứu Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 19 - năm 2018 3 ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG HẤP THỤ CHÌ TRONG ĐẤT CỦA GIỐNG ĐẬU TƯƠNG DT96 Dương Đăng Khôi Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội Tóm tắt Ô nhiễm kim loại nặng nói chung và chì trong đất nói riêng là vấn đề môi trường nghiêm trọng tại lân cận các khu công nghiệp trên thế giới cũng như Việt Nam. Trong nhiều kỹ thuật loại bỏ chì khỏi đất được áp dụng, kỹ thuật xử lý làm sạch đất bằng thực vật có nhiều triển vọng. Hiện nay các nhà khoa học tập trung vào xu hướng sử dụng các loài thực vật siêu hấp thụ chì. Tuy nhiên, các loài siêu hấp thụ chì thường sinh trưởng chậm và cho năng suất sinh khối thấp. Những nghiên cứu về các loài thực vật sinh trưởng nhanh, cho năng suất sinh khối cao, nhưng hấp thụ chì vừa phải còn chưa được quan tâm nghiên cứu nhiều. Chính vì vậy, nghiên cứu này tập trung đánh giá khả năng hấp thụ chì của cây đậu tương (thử nghiệm với giống đậu tương DT96). Phương pháp thí nghiệm trong chậu đã được tiến hành trên đất được lấy từ đất nông nghiệp ven suối Cốc, phường Cam Giá, thành phố Thái Nguyên. Kết quả nghiên cứu cho biết cây đậu tương DT96 có khả năng hấp thụ chì khá, có thể trở thành cây tiềm năng cho xử lý ô nhiễm chì trong đất ở mức độ vừa phải. Chúng tôi kiến nghị các nghiên cứu tiếp theo cần tiến hành trên nhiều giống đậu tương khác nữa để đưa ra những kết luận đầy đủ hơn về khả năng hấp thụ chì của đậu tương. Từ khóa: Giống đậu tương DT96; Xử lý ô nhiễm chì bằng thực vật. Abstract Assessement of lead uptake in soil by soybean variety DT96 Lead contaminated soil is one of serious environmental issues in the world and Vietnam. Several lead polluted soil remediation techniques can be used for removal of lead from soils. Phytoremediation is particularly useful for extracting Pb from soil. In recent years, hyperaccumulator plants have been investigated to remove lead as wel as heavy metals from soils. However, hyperaccumulators often grow slowly and produce a small quantity of biomass. Inversly, agricultural crops are fast-growing species, and able to produce a large quantity of biomass. However, a few research papers on uptake of lead and heavy metals of agricultural crops is mentioned in literature. Therefore, this research is to assess the uptake of lead by a soybean variety DT96. Pot experiment was conducted to investigate the uptake of lead by DT96 soybean variety. Soil collecting from the area along the Coc stream, Cam Gia ward, Thai Nguyen city was used in this experiment. The result showed that DT96 soybean variety was able to uptake lead from the lead contaminted soil. DT96 soybean variety may be one of potential crops for phytoremediation of lead from soil around industrial zones or/and mining areas. Our research only focuses on DT96 soybean variety; therefore, it recommends that further experiments are needed to investigate a number of soybean varieties. Keywords: Soybean variety DT96; Phytoremediation Nghiên cứu Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 19 - năm 20184 1. Đặt vấn đề Chì là nguyên tố kim loại nặng gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sinh vật và con người. Ô nhiễm chì là vấn đề nghiêm trọng tại nhiều vùng lân cận khu công nghiệp trên thế giới [6] cũng như tại Việt Nam. Khu công nghiệp gang thép Thái Nguyên đã và đang gây ô nhiễm kim loại nặng (KLN) và chì tại các vùng lân cận. Nước thải từ các nhà máy gang thép chứa nhiều kim loại nặng chủ yếu được thải vào suối Cốc chạy qua phường Cam Giá, TP. Thái Nguyên là một trong những nguồn quan trọng gây ô nhiễm chì trong đất nông nghiệp. Kết quả quan trắc của Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Thái Nguyên cho biết hàm lượng chì trong trầm tích suối Cốc năm 2012 là 4328,0 mg/kg. Hàm lượng chì trong mẫu trầm tích sông Cầu sau điểm hợp lưu với suối Cốc giai đoạn 2008 - 2012 cũng rất cao (1513,87 mg/kg) [10]. Nhìn chung, chất lượng nước mặt tại phường Cam Giá, TP. Thái Nguyên bị ô nhiễm chì vượt 6,4 lần tiêu chuẩn cho phép [7]. Trong nhiều năm, nước suối Cốc được sử dụng làm nước tưới nông nghiệp, gây tích lũy chì cũng như KLN trong đất nông nghiệp vùng ven suối Cốc, phường Cam Giá, TP. Thái Nguyên. Việc xử lý làm sạch đất nông nghiệp ven suối Cốc cũng như khu vực lân cận khu liên hợp gang thép Thái Nguyên là rất cần thiết. Nhiều kỹ thuật khác nhau có thể áp dụng để xử lý và làm sạch môi trường đất bị ô nhiễm chì bao gồm kỹ thuật hóa học, kỹ thuật vật lý và kỹ thuật sinh học hay kết hợp các kỹ thuật khác nhau trong xử lý đất bị ô nhiễm chì tùy từng trường hợp và mức độ ô nhiễm cụ thể. Trong đó, kỹ thuật làm sạch chì trong đất bằng thực vật được quan tâm nhiều vì kỹ thuật này thân thiện với môi trường và an toàn hơn. Hiện nay hai xu hướng sử dụng thực vật xử lý ô nhiễm chì trong đất đang được chú ý là nghiên cứu sử dụng các loài thực vật siêu hấp thụ chì, nhưng sinh trưởng chậm, năng suất sinh khối thấp; sử dụng các loài thực vật hấp thụ chì vừa phải nhưng sinh trưởng nhanh, năng suất sinh khối cao. Sử dụng các cây trồng nông nghiệp sinh trưởng nhanh, cho năng suất sinh khối cao, nhưng khả năng hấp thụ chì hơn các loài siêu hấp thụ chì chưa được quan tâm nghiên cứu nhiều. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng chiến lược sử dụng các loài thực vật hấp thụ kim loại nặng thấp, nhưng sinh khối cao gần tương đương với sử dụng các loài thực vật siêu hấp thụ kim loại nặng nhưng năng suất sinh khối thấp [5, 11]. Những nghiên cứu về áp dụng các loài cây trồng để xử lý làm sạch đất bị ô nhiễm kim loại nặng cũng như chì đã và đang được quan tâm cùng xu hướng sử dụng các loài thực vật siêu hấp thụ kim loại nặng [12, 13]. Trong số các loài cây trồng, các loài cây họ đậu được quan tâm nhiều vì các loài thực vật họ đậu vừa có khả năng xử lý làm sạch đất, vừa góp phần nâng cao độ phì nhiêu đất và có thể sử dụng làm nguyên liệu cho sản xuất nhiên liệu sinh học như sản xuất dầu biodiesel từ hạt đậu tương. 2. Phương pháp nghiên cứu Đối tượng sử dụng trong nghiên cứu này là giống đậu tương DT96. Giống DT96 được lựa chọn nghiên cứu khả năng Nghiên cứu Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 19 - năm 2018 5 hấp thụ chì trong đất bởi vì giống DT96 có năng suất cao, khả năng chịu hạn khá, chịu nhiều loại bệnh, chịu được nóng và rét tốt [8]. Hiện nay giống DT96 được trồng phổ biến tại các tỉnh trung du và đồng bằng Bắc Bộ. Như vậy, giống DT96 là phù hợp cho trồng trên đất và điều kiện khí hậu khu vực thuộc TP. Thái Nguyên trong xử lý làm sạch đất ô nhiễm chì. Đất thí nghiệm được lấy dọc theo suối Cốc phường Cam Giá, TP. Thái Nguyên. Đất phơi khô không khí trong điều kiện thông thoáng, loại bỏ các tạp chất hỗn tạp, trộn đều. Cân 5 kg đất đã được xử lý vào mỗi chậu thí nghiệm. Chậu thí nghiệm trồng cây đậu tương DT96 được lót nylon dưới đáy chậu. Bổ sung thêm Pb+2 dưới dạng muối chì nitrat Pb(NO 3 ) 2 vào đất nền lấy tại khu vực ven suối Cốc, phường Cam Giá, TP. Thái Nguyên với hàm lượng như sau: - CT1: Đất nền không bổ sung Pb+2 - CT2: Đất nền bổ sung 500mg Pb+2/kg đất - CT3: Đất nền bổ sung 1000mg Pb+2/kg đất - CT4: Đất nền bổ sung 2000mg Pb+2/kg đất - CT5: Đất nền bổ sung 3000mg Pb+2/kg đất - CT6: Đất nền bổ sung 4000mg Pb+2/kg đất - CT7: Đất nền bổ sung 5000mg Pb+2/kg đất Mỗi công thức thí nghiệm được lặp lại 3 lần. Đất trong các chậu thí nghiệm được làm ẩm khoảng 60 - 65%. Để đất qua một đêm sau đó tiến hành gieo hạt đậu tương vào chậu thí nghiệm. Phủ lớp rơm mỏng để cố định hạt và tạo điều kiện cho hạt nẩy mầm. Thường xuyên tưới nước để đảm bảo độ ẩm cho đất. Sau 100 ngày gieo trồng, thu hoạch cây đậu tương, lấy mẫu đất tiến hành phân tích hàm lượng chì trong đất và cây đậu tương. Hàm lượng chì trong đất được phân tích trước khi trồng cây đậu tương thí nghiệm. Mỗi mẫu đất phân tích được trộn từ ba mẫu từ 3 chậu thí nghiệm. Sau khoảng 100 ngày gieo trồng, đậu tương được thu hoạch, hàm lượng chì trong đất và cây đậu tương được phân tích để xác định khả năng hấp thụ chì. Mẫu cây đậu tương được lấy để phân tích hàm lượng chì gồm hỗn hợp các bộ phận của cây là rễ cây, thân cây. Phương pháp đo hàm lượng chì trong đất và cây thực hiện theo TCVN 6496:2009 tại Phòng phân tích trung tâm, Viện Thổ nhưỡng Nông hóa. 3. Kết quả và thảo luận Kết quả đánh giá khả năng hấp thụ chì của cây đậu tương thí nghiệm DT96 được trình bày tại bảng 1. Kết quả phân tích hàm lượng chì trong đất trước khi trồng cây đậu tương thí nghiệm và sau khi thu hoạch cây đậu tương thí nghiệm DT96 cho thấy hàm lượng chì trong đất có xu hướng giảm rõ rệt ở tất cả các công thức thí nghiệm. Công thức 1 (CT1) không bổ sung chì Pb(NO 3 ) 2 vào đất thí nghiệm, hàm lượng chì tổng số bình quân giảm từ 73,42 mg/kg đất xuống 54,57 mg/kg đất. Công thức 2 (CT2) có mức độ suy giảm thấp hơn công thức 1, giảm từ 573,00 mg/kg xuống 535,92 mg/kg. Công thức 3 (CT3) giảm từ 1043 mg/kg xuống Nghiên cứu Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 19 - năm 20186 Bảng 1. Hàm lượng chì trong đất trước trồng và sau thu hoạch cây đậu tương thí nghiệm DT96 Công thức Hàm lượng chì trong đất trước trồng cây đậu tương thí nghiệm DT96 (mg/kg đất) Hàm lượng chì trong đất sau khi thu hoạch cây đậu tương thí nghiệm DT96 (mg/kg đất) Lần1 Lần 2 Lần 3 TB Lần 1 Lần 2 Lần 3 TB CT1 73,50 72,25 74,50 73,42 54,50 54,70 54,50 54,57 CT2 572,00 574,00 573,00 573,00 530,25 540,25 537,25 535,92 CT3 1043,00 1041,00 1045,00 1043,00 723,75 725,50 732,25 727,17 CT4 2039,00 2044,00 2043,00 2042,00 887,50 880,50 891,50 886,50 CT5 3045,00 3042,00 3042,00 3043,00 1095,00 1121,00 1120,50 1112,17 CT6 4044,00 4041,00 4043,00 4042,67 1965,00 1970,00 1951,00 1962,00 CT7 5043,00 5042,00 5044,00 5043,00 2005,00 2010,00 2050,00 2021,67 Bảng 2. Hàm lượng chì trong cây đậu tương thí nghiệm DT96 Công thức Chiều cao cây(cm) Hàm lượng chì trong cây (mg/kg) Lượng chì trong sinh khối khô cây (%) CT1 52,5 9,15 0,000915 CT2 48,3 49,65 0,004965 CT3 45,2 88,27 0,008827 CT4 40,8 132,53 0,013253 CT5 36,1 211,83 0,021183 CT6 31,2 409,73 0,040973 CT7 28,4 966,53 0,096653 727,17 mg/kg. Công thức 4 (CT4) giảm từ 2042 mg/kg xuống 886,50 mg/kg. Công thức 5 (CT5) giảm từ 3043 mg/ kg xuống 1112,17 mg/kg. Công thức 6 giảm từ 4042,67 mg/kg xuống 1962 mg/kg. Công thức 7 (CT7) giảm từ 5043 mg/kg xuống 2021,67 mg/kg. Hàm lượng chì suy giảm có quan hệ thuận với mức độ hấp thụ chì của cây đậu tương thí nghiệm tại tất cả các công thức thí nghiệm. Bảng 2 cho thấy rằng cây đậu tương thí nghiệm có khả năng hấp thụ chì tăng dần khi nồng độ chì bổ sung trong đất tăng qua các công thức thí nghiệm. Mức độ hấp thụ đạt 9,15 mg/kg ở CT1; 49,65mg/kg ở CT2; 88,27 mg/ kg ở CT3; 132,53 mg/kg ở CT4; 211,83 mg/kg ở CT5; 409,73mg/kg ở CT6 và 966,53 mg/kg ở CT7. Nghiên cứu Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 19 - năm 2018 7 Khi hàm lượng chì bổ sung tăng gây ức chế đến sinh trưởng của cây đậu tương thí nghiệm rõ rệt, biểu hiện rõ nhất ở chỉ tiêu chiều cao cây. Cây đậu tương trồng trong chậu có hàm lượng chì thấp hơn thì chiều cao cây là cao nhất (CT1) và giảm dần chiều cao cây khi hàm lượng chì bổ sung tăng dần. Chiều cao thấp nhất là CT 7 chỉ đạt 28cm. Chiều cao cây có quan hệ với sinh khối, chiều cao giảm đồng nghĩa với sự suy giảm lượng sinh khối khi lượng chì bổ sung. Qua thí nghiệm nhóm tác giả thấy rằng CT1, CT2, CT3, CT4 thì cây biểu hiện sinh trưởng bình thường. Các cây đậu tương tại các CT5, CT6 và CT7 có biểu hiện cây còi cọc. Hầu hết các cây ở CT7 (bổ sung lượng chì là 5000 mg/kg đất) đều bị chết khi được 3 - 4 tuần tuổi. Cây đậu tương DT96 có khả năng chống chịu được với nồng độ chì trong đất đến mức 1000mg/kg đất vì với các cây ở CT2 (bổ sung 500mg Pb+2/ kg đất) và CT3 (bổ sung 1000mg Pb+2/kg đất), cây đậu tương biểu hiện sinh trưởng tốt, chiều cao cây gần bằng các cây đậu tương tại CT1 (không bổ sung chì vào đất thí nghiệm). So sánh khả năng hấp thụ chì của cây đậu tương DT96 với các loài thực vật siêu hấp thụ đã được các nhà khoa học phát hiện (thực vật siêu hấp thu là loài cây hấp thụ được lượng chì bằng hay lớn hơn 0,1% sinh khối khô của cây) [1] cho biết cây đậu tương DT96 không biểu hiện khả năng siêu hấp phụ, nhưng cũng thể hiện khả năng hấp thụ chì khá cao so với nhiều cây trồng khác. Mức độ hấp thụ chì của đậu tương DT96 tăng dần khi hàm lượng chì trong đất tăng, biến động từ 0,000915% sinh khối khô đến 0,096653 % sinh khối khô. Điều này phù hợp với nhiều nghiên cứu trên thế giới cho biết khả năng siêu hấp thụ kim loại nặng nói chung và chì nói riêng thuộc về họ Cúc (Asteraceae), họ Cải (Brassicaceae), họ Cẩm chướng (Caryophyllaceae), họ Cói (Cyperaceae), họ Đậu (Fabacea), họ Mùng Quân (Flacuortiaceae), họ Hoa Môi (Lamiaceae), họ Hòa thảo (Poaceae), họ Hoa tím (Violaceae) và họ Thầu dầu (Euphobiaceae) [2, 9]. Các cây trồng nông nghiệp nhìn chung có mức độ hấp thụ chì thấp hơn các loài thực vật hoang dã (tự nhiên) như cây thơm ổi, cây dương xỉ, cỏ mần trầu, cỏ Vetiver, cỏ Voi lai [3]. Ví dụ, nghiên cứu của [3] cho biết cây thơm ổi (Lantana camara. L., thuộc họ Verbenaceae) có khả năng hấp thụ chì >1% sinh khối khô, được coi là cây siêu hấp thụ chì trong đất. Theo [3] đã thí nghiệm khả năng chống chịu và hấp thụ chì của một số loài thực vật bản địa trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên cho biết khả năng chống chịu và hấp thụ chì của một số loài thực vật. Cây dương xỉ Pteris vittata có khả năng chống chịu chì trong đất đến mức hàm lượng 4000mg/kg đất. Cải xanh là cây trồng có khả năng hấp thụ chì khá tốt, chống chịu được đất ô nhiễm chì cao đến 3000mg/kg đất. Cỏ Voi lai nhập khẩu từ Trung Quốc cũng có khả năng chống chịu hàm lượng chì trong đất ở mức 3600 mg/kg và hấp thụ chì rất tốt, rễ cây cỏ Voi lai hấp thụ đạt 1009,7 ± 253,7 mg/kg rễ cỏ khô và 164,3 ± 35,7 mg/kg thân cỏ khô. 4. Kết luận Thí nghiệm khả năng hấp thụ chì của giống đậu tương DT96 cho biết giống đậu tương DT96 có thể chống chịu và sinh trưởng bình thường với đất ô nhiễm chì ở nồng độ 1000 mg/kg đất. Nếu nồng độ chì tăng dần thì cây biểu hiện sinh trưởng còi cọc, chiều cao cây thấp dần và hầu hết các cây đậu thường chết ở nồng độ 5000 mg/kg đất. So sánh Nghiên cứu Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 19 - năm 20188 khả năng hấp thụ chì của giống đậu tương với các cây siêu hấp thụ cho thấy, cây đậu tương DT96 không có khả năng siêu hấp thụ chì, song nó có thể trở thành cây tiềm năng cho xử lý đất ô nhiễm chì với nồng độ vừa phải vì cây đậu tương sinh trưởng nhanh, sinh khối lớn. Ngoài khả năng làm sạch đất ô nhiễm chì, cây đậu tương có khả năng cố định đạm nên chúng có vai trò trong nâng cao độ phì đất, hạt đậu tương có thể sử dụng làm nhiên liệu sinh học. Nhóm tác giả kiến nghị cần có những nghiên cứu tiếp theo trên nhiều giống đậu tương khác nữa để đưa ra đánh giá đầy đủ hơn về khả năng hấp thụ chì của cây đậu tương. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Baker A.J.M., Brooks R.R., (1989). Terrestrial higher plants which hyperaccumulate metallic elements. A review of their distribution ecology and phytochemistry. Biorecovery, 1, 81-116. [2]. Baker A.J.M., McGrath S.P., Reeves R.D.H., (2000). Phytoremediation of contaminated soil and water. Eds.N. Terry and G. S. Banuelos. CRC, USA, 85- 107. [3]. Đặng Đình Kim và cs., (2010). Báo cáo tổng đề tài Nghiên cứu sử dụng thực vật để cải tạo đất ô nhiễm kim loại nặng tại các vùng khai thác khoáng sản. Viện Công nghệ môi trường, Viện Hàm lâm khoa học và công nghệ Việt Nam. [4]. Điệp Thị Mỹ Hạnh., Garnier Zarli E., Lantana Camara L., (2007). Thực vật có khả năng hấp thu Pb trong đất để giải ô nhiễm. Tạp chí Phát triển KH&CN, tập 10, số 01-2007. [5]. Malgorzata Poniedzialek, Agnieszka Sekara, Elzbieta Jedrszczyk, Jarosław Ciura., (2010). Phytoremediation effi ciency of crop plants in removing cadmium, lead and zinc from soil. Folia Horticulturae Ann. 22/2: 25-31. [6]. Khan, S. K., (2008). Health risks of heavy metals in contaminated soils and food crops Irrigated with wastewater in Beijing, China. Environmental Pollution, 153(3), 868-892. doi:10.1016/j.envpol.2007.06.056 [7]. Ngô Văn Giới và Nguyễn Thị Nhâm Tuất (2012). Đánh giá ảnh hưởng của nước thải từ một số nhà máy đến chất lượng nước mặt và con người tại phường Cam Giá, thành phố Thái Nguyên. Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Thái Nguyên, 93(05): 71 – 74. [8]. Mai Quang Vinh, Ngô Phương Thịnh, Trần Quang Quý, Phạm Thị Bảo Chung (2003). Kết quả khu vực hóa giống đậu tương chịu hạn, chất lượng cao DT96. Viện Di truyền Nông nghiệp, Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn. [9]. Prasad M.N.V., Freitas O.H.M., (2003). Metal hyperaccumulation in plants - biodiversity prospecting for phytoremediation technology. Electronic J. of Biotechnology, vol 6, N3, 276-312. [10]. Sở Tài nguyên và Môi trường Thái Nguyên (2012). Hiện trạng môi trường khu công nghiệp gang thép Thái Nguyên. Thái Nguyên. [11]. Sekara A., Poniedzialek M., Ciura J., Jedrszczyk E., (2005). Cadmium and lead accumulation and sistribution in the organs of nine crops: Implications for phytoremediation. Polish Journal of Environmental Studies Vol. 14, No 4, 509- 516. [12]. Tlustos P., Szakova J., Hruby J., Hartman I., Najmanova J., Nedelnik J., Pavlíkova D., Batysta M., (2006). Removal of As, Cd, Pb, and Zn from contaminated soil by high biomass producing plants. Plant Soil Environ., 52 (9): 413–423. [13]. Wuana R.A., Okieimen F.E., (2010). Phytoremediation potential of maize (Zea maysL.). A review. African Journal of General Agriculture. Vol. 6, No. 4, December 31, 2010. BBT nhận bài: 06/02/2018; Phản biện xong: 12/3/2018