Luận án 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

Nội dung tài liệu: Luận án 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

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN MINH HƯNG 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG Hà Nội - 2019
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN MINH HƯNG 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 CHUYÊN NGÀNH: MÔI TRƯỜNG ĐẤT VÀ NƯỚC MÃ SỐ: 9440301.02 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TSKH. Nguyễn Xuân Hải TS. Bùi Thị Ngọc Dung Hà Nội - 2019
3. LỜI CAM ĐOAN Nghiên cứu sinh xin cam đoan toàn bộ kết quả trong luận án này là công trình nghiên cứu của nghiên cứu sinh, dưới sự hướng dẫn trực tiếp của PGS.TSKH. Nguyễn Xuân Hải và TS. Bùi Thị Ngọc Dung. Các số liệu nghiên cứu được trình bày một cách chính xác và trung thực. Toàn bộ số liệu và kết quả nghiên cứu trình bày trong luận án là do nghiên cứu sinh trực tiếp thực hiện và công bố trên các tạp chí. Các số liệu của các tác giả khác được sử dụng đã có trích dẫn rõ ràng. Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Nghiên cứu sinh Nguyễn Minh Hưng
4. LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành công trình này, tôi đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của Bộ môn Khoa học đất, Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội; tập thể và cá nhân những nhà khoa học thuộc nhiều lĩnh vực trong và ngoài ngành. Tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và kính trọng đến: + PGS. TS KH. Nguyễn Xuân Hải, Bộ Tài nguyên & Môi trường và TS. Bùi Ngọc Dung, Trưởng phòng Khoa học, Viện Quy hoạch và Thiết kế Nông nghiệp, Bộ Nông nghiệp và PTNT, những người thầy, cô đã hướng dẫn hết mực nhiệt tình, làm việc với tinh thần chu đáo trách nhiệm cao, đã chỉ dạy giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện và hoàn thành luận án. + Tập thể lãnh đạo và các thầy, cô của Bộ môn Thổ nhưỡng, Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, đã giúp đỡ, đóng góp ý kiến và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận án này. + Lãnh đạo Viện Thổ nhưỡng Nông hóa, các đồng nghiệp ở phòng Khoa học & Hợp tác quốc tế, TT. Nghiên cứu Đất, Phân bón và Môi trường phía Nam và BM. Vi sinh vật đã tạo điều kiện cho tôi học tập và cơ sở vật chất để bố trí thí nghiệm. Các bạn bè, đồng nghiệp đã động viên và hỗ trợ nghiên cứu sinh rất nhiều để có được các kết quả trong nghiên cứu này. Cuối cùng xin được đặc biệt cảm ơn những người thân trong gia đình đã ủng hộ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu sinh trong cuộc sống để hoàn thành kết quả nghiên cứu của luận án. Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Nghiên cứu sinh Nguyễn Minh Hưng
5. MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH MỞ ĐẦU.................................................................................................................................... 1 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ............................................ 4 1.1. Tổng quan về ô nhiễm đất và ô nhiễm kim loại nặng trong đất ............................ 4 1.1.1. Khái niệm về ô nhiễm đất ................................................................................ 4 1.1.2. Kim loại nặng và ô nhiễm kim loại nặng trong đất ..................................................... 5 1.1.3. Các dạng tồn tại của As, Cd, Pb, Hg trong đất và nước .............................................. 5 1.2. Các nguồn gây ô nhiễm KLN trong đất và nước .................................................... 8 1.2.1. Nguồn gây ô nhiễm KLN trong đất ............................................................................... 8 1.2.2. Nguồn gây ô nhiễm KLN trong nước ............................................................................ 9 1.3. Tình hình ô nhiễm KLN trong đất trên thế giới và ở Việt Nam ............................ 9 1.3.1. Tình hình ô nhiễm KLN trong đất trên thế giới ........................................................... 9 1.3.2. Tình hình ô nhiễm KLN trong đất và nước ở Việt Nam .......................................... 11 1.4. Các phương pháp xử lý đất ô nhiễm KLN ............................................................ 17 1.4.1. Các phương pháp truyền thống..................................................................................... 17 1.4.2. Các phương pháp sinh học ............................................................................................ 18 1.4.3. Xử lý ô nhiễm bằng thực vật (phytoremediation) ...................................................... 19 1.4.4. Tiêu chuẩn loài thực vật được sử dụng để xử lý KLN trong đất ............................. 23 1.4.5. Các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình hấp thụ KLN của thực vật ........ 23 1.4.6. Các phương pháp xử lý sinh khối thực vật sau khi tích lũy chất ô nhiễm ............. 25 1.5. Tình hình nghiên cứu xử lý đất ô nhiễm KLN bằng phương pháp sinh học ở Việt Nam ........................................................................................................................ 29 1.5.1. Tình hình sử dụng thực vật ............................................................................................ 29 1.5.2. Một số loài thực vật có khả năng tích tụ KLN cao phân bố tại vùng Đông Nam Bộ ................................................................................................................................................. 31
6. 1.5.3. Phương pháp kết hợp thực vật với vi sinh vật ............................................................ 34 1.5.4. Cơ chế tác động của vi sinh vật đến sự tích lũy KLN của thực vật ........................ 35 1.6. Tóm tắt phần tổng quan.......................................................................................... 37 CHƯƠNG II. ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....... 38 2.1. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................................. 38 2.2. Nội dung nghiên cứu .............................................................................................. 41 2.3. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................... 41 2.3.1. Phương pháp thu thập và xử lý dữ liệu ........................................................................ 41 2.3.2. Phương pháp lấy mẫu vật .............................................................................................. 41 2.3.3. Phương pháp tuyển chọn thực vật và vi sinh vật ....................................................... 42 2.3.4. Xác định khả năng chống chịu của nấm cộng sinh vùng rễ (Mycorrhiza) với KLN trong đất ...................................................................................................................................... 42 2.3.5. Phương pháp bố trí thí nghiệm trong chậu ................................................................ 43 2.3.6. Phương pháp bố trí thí nghiệm đồng ruộng. .............................................................. 44 2.3.7. Đánh giá mức độ ô nhiễm KLN trong đất, bùn, nước và thực vật .......................... 48 2.3.8. Xây dựng mô hình ứng dụng biện pháp sinh học để xử lý ô nhiễm KLN trong đất ...................................................................................................................................................... 49 2.3.9. Phương pháp phân tích .................................................................................................. 51 2.3.10. Phương pháp xử lý số liệu. .......................................................................................... 51 CHƯƠNG III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ........................................ 52 3.1. Thực trạng sản xuất rau ở vùng ĐNB ................................................................... 52 3.1.1. Diện tích, năng suất và sản lượng một số rau chính ở ĐNB .................................... 52 3.1.2. Cơ cấu chủng loại rau ..................................................................................................... 54 3.1.3. Kỹ thuật thâm canh rau .................................................................................................. 55 3.2. Thực trạng ô nhiễm KLN trong đất, nước và rau ở vùng chuyên canh rau ĐNB 56 3.2.1. Thực trạng ô nhiễm KLN trong đất ở vùng chuyên canh rau ĐNB ....................... 56 3.2.2. Thực trạng ô nhiễm KLN trong bùn ở vùng chuyên canh rau ĐNB ...................... 62 3.2.3. Thực trạng ô nhiễm KLN trong nước tưới ở vùng chuyên canh rau ĐNB ............ 65 3.2.4. Thực trạng ô nhiễm KLN trong một số loại rau vùng chuyên canh rau ĐNB ... 67
7. 3.3. Kết quả tuyển chọn một số loài thực vật và vi sinh vật có khả năng tích lũy As, Cd, Pb, Hg trong đất, vùng chuyên canh rau ở ĐNB .................................................. 69 3.3.1. Kết quả tuyển chọn một số loài thực vật ..................................................................... 70 3.3.2. Khả năng chống chịu ô nhiễm KLN trong đất của nâm Mycorhiza cộng sinh với thực vật ........................................................................................................................................ 78 3.3.3. Phân lập VSV và xác định khả năng tích lũy, chuyển hóa As, Cd, Pb, Hg ........... 81 3.3.4. Tuyển chọn các chủng VSV có khả năng tích lũy, chuyển hóa Pb, Cd, As, Hg cao ở vùng nghiên cứu ..................................................................................................................... 83 3.4. Khả năng chịu đựng ô nhiễm và hấp thụ KLN của thực vật ............................... 86 3.5. Khả năng xử lý ô nhiễm KLN của thực vật. ......................................................... 96 3.5.1. Khả năng xử lý ô nhiễm KLN của cây đậu bắp ............................................ 96 3.5.2. Khả năng xử lý ô nhiễm KLN của cây đậu rồng .......................................... 99 3.5.3. Khả năng xử lý ô nhiễm KLN của cây Rau ngót ....................................... 102 3.5.4. Khả năng xử lý ô nhiễm KLN của cây dọc mùng ..................................... 104 3.6. Khả năng dùng thực vật để xử lý ô nhiễm KLN trong bùn ............................... 107 3.6.1. Khả năng sinh trưởng của cây Kèo nèo trong mùn ô nhiễm KLN ....................... 107 3.6.2. Sự thay đổi KLN trong bùn bị ô nhiễm KLN sau trồng kèo nèo .......................... 111 3.7. Khả năng xử lý ô nhiễm KLN của thực vật và VSV ở điều kiện đồng ruộng. . 112 3.7.1. Kết quả thí nghiệm trên cây đậu bắp ......................................................................... 113 3.7.2. Kết quả thí nghiệm trên cây dọc mùng ...................................................................... 116 3.7.3. Đánh giá khả năng xử lý bùn bị ô nhiễm KLN của thực vật và VSV .................. 118 3.8. Khả năng giảm thiểu KLN trong đất bằng giải pháp dùng thực vật để xử lý ô nhiễm KLN .................................................................................................................. 121 3.8.1. Hàm lượng KLN trong đất dưới ảnh hưởng của biện pháp sinh học ................... 121 3.8.2. Dự đoán thời gian khả năng phục hồi đất sau khi áp dụng các cây trồng đa mục đích hấp thụ KLN .................................................................................................................... 123 3.9. Kết quả xây dựng và thử nghiệm mô hình ứng dụng thực vật để xử lý ô nhiễm KLN trong đất .............................................................................................................. 127 3.9.1. Mô hình ứng dụng biện pháp sinh học xử lý ô nhiễm KLN trong đất ................. 127 3.9.2. Mô hình ứng dụng biện pháp sinh học xử lý ô nhiễm KLN trong bùn ................ 129
8. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................................. 130 1. Kết luận .................................................................................................................... 130 2. Kiến nghị .................................................................................................................. 131 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ........................................................................................................................................... 132 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 133 PHỤ LỤC .... 146
9. DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT AMF Arbuscular Mycorrhizal Fungi BD Bình Dương BH Bỏ hóa BVTV Bảo vệ thực vật BYT Bộ Y tế BR-VT Bà Rịa - Vũng Tàu CP Chế phẩm CP. VSV Chế phẩm vi sinh vật CT Công thức ĐC Đối chứng ĐN Đồng Nai ĐNB Đông Nam Bộ KLN Kim loại nặng HTKLN Hấp thụ kim loại nặng MH Mô hình NT Nghiêm trọng HNT Hơi nghiêm trọng RNT Rất nghiêm trọng TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam QCVN Quy chuẩn Việt Nam RAT Rau an toàn SXTT Sản xuất thông thường VSV Vi sinh vật XLKLN Xử lý kim loại nặng XLTV Xử lý bằng thực vật XLVSV Xử lý bằng vi sinh vật
10. DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Một số loài thực vật có khả năng tích lũy KLN cao ............................ 23 Bảng 2.1. Tổng hợp hiện trạng sử dụng đất năm 2015 xã Vĩnh Lộc B ............... 40 Bảng 2.2. Các công thức thí nghiệm .................................................................... 43 Bảng 2.3. Các công thức thí nghiệm (TN 5) ........................................................ 44 Bảng 2.4. Công thức thí nghiệm (TN 6) .............................................................. 45 Bảng 2.5. Công thức thí nghiệm (TN 7) .............................................................. 46 Bảng 2.6. Công thức thí nghiệm (TN 8, 9) .......................................................... 47 Bảng 2.7. Công thức thí nghiệm (TN 10) ............................................................ 47 Bảng 2.8. Công thức thí nghiệm (TN 11) ............................................................ 48 Bảng 2.9. Thang đánh giá mức độ ô nhiễm KLN theo chỉ số Nemerow ............. 49 Bảng 2.10. Mô hình ứng dụng biện pháp sinh học để xử lý ô nhiễm KLN trong đất ......................................................................................................................... 50 Bảng 2.11. Mô hình ứng dụng biện pháp sinh học xử lý ô nhiễm KLN trong bùn .............................................................................................................................. 50 Bảng 2.12. Các phương pháp phân tích KLN trong đất, trong nước và trong rau .............................................................................................................................. 51 Bảng 3.1. Diện tích, năng suất, sản lượng rau ở các tỉnh nghiên cứu .................. 52 Bảng 3.2. Tổng hợp kết quả phân tích KLN trong đất trồng rau ở ĐNB ............ 56 Bảng 3.3. Hàm lượng KLN trong đất trồng rau điều tra ở ĐNB ......................... 57 Bảng 3.4. Giá trị chỉ số Nemerow riêng lẻ (Pi) của các KLN trong đất trồng rau ở ĐNB .............................................................................................................................. 60 Bảng 3.5. Giá trị chỉ số Nemerow (PI/Pi) trong đất trồng rau ở ĐNB ................ 61 Bảng 3.6. Hàm lượng KLN trong bùn điều tra ở vùng trồng rau ĐNB ............... 62 Bảng 3.7. Giá trị chỉ số Nemerow (Pi) của các KLN trong bùn ở ĐNB ............. 64 Bảng 3.8. Giá trị trung bình chỉ số Nemerow trong bùn ở vùng trồng rau ĐNB 65 Bảng 3.9. Hàm lượng KLN trong nước tưới ở vùng trồng rau điều tra tại ĐNB 66 Bảng 3.10. Giá trị chỉ số Nemerow (PI) của các KLN trong nước tưới ở ĐNB .. 67