Quá trình cây thu hồi các nguyên tố hữu ích và làm sạch trong đất.
Kim loại nặng trong đất và mối liên quan với sinh lý cây trồng
Kim loại nặng là chất gây ô nhiễm môi trường đáng kể và độc tính của chúng với sinh thái, tiến hóa, dinh dưỡng, môi trường là một vấn đề rất quan trọng.
Thuật ngữ “kim loại nặng” dùng để chỉ bất kỳ nguyên tố kim loại nào có mật độ tương đối cao, độc ngay cả ở nồng độ thấp. Thuật ngữ kim loại nặng dùng cho nhóm kim loại và á kim có mật độ nguyên tử lớn hơn 4 g/cm3, gấp 5 lần hoặc nhiều hơn so với nước (Hawkes, 1997). Tuy nhiên, tính chất hóa học của kim loại nặng là yếu tố ảnh hưởng lớn hơn so với mật độ của chúng.
Kim loại nặng bao gồm chì (Pb), cadmium (hay Cadimi - Cd), niken (Ni), coban (Co), sắt (Fe), kẽm (Zn), crom (Cr), sắt (Fe), asen (As), bạc (Ag) và các nguyên tố nhóm bạch kim (GWRTAC, 1997).
Độc tính kim loại nặng có tác động và ảnh hưởng nghiêm trọng tới sinh lý của một số loại cây trồng, do đó nó ảnh hưởng đến hệ sinh thái, nơi mà thực vật là một mắt xích vô cùng quan trọng. Thực vật phát triển trong các khu vực ô nhiễm kim loại cho thấy sự trao đổi chất thay đổi, giảm sinh trưởng, sản xuất sinh khối thấp hơn và tích lũy kim loại nhiều. Các quá trình sinh lý và sinh hóa khác nhau trong thực vật bị ảnh hưởng bởi kim loại nặng.
Các nghiên cứu gần đây cho thấy, mức độ ô nhiễm kim loại nặng tăng cao đang làm gia tăng stress và độc tính đối với thực vật. Tuy nhiên, một số kim loại như đồng, mangan, coban, kẽm và crôm là nguyên tố vi lượng cần thiết cho quá trình chuyển hóa thực vật, chỉ trở nên độc hại khi tồn tại ở nồng độ cao hoặc dưới dạng hoạt tính sinh học mạnh.
Ô nhiễm đất nông nghiệp bởi kim loại nặng đã trở thành vấn đề môi trường cấp bách do các tác động tiêu cực đến hệ sinh thái. Những yếu tố độc hại này gây ô nhiễm đất do sự xuất hiện phổ biến và tác dụng độc hại cấp tính lẫn mãn tính của chúng đối với cây trồng trên đất nhiễm kim loại nặng.
Nhiều phương pháp sinh học, vật lý và hóa học đã được áp dụng để giảm thiểu hàm lượng kim loại nặng trong đất (Sheoran & cs., 2011). Trong đó, các công nghệ phục hồi đất dựa trên phương pháp xanh và sạch đang được quan tâm.
Chẳng hạn như sử dụng các loại thực vật tự nhiên hoặc biến đổi gen có khả năng hấp thụ kim loại nặng, hạt nhân phóng xạ, thuốc trừ sâu, biphenyl polychlorin và hydrocarbon thơm đa nhân từ môi trường, sau đó chuyển hóa chúng thành các hợp chất an toàn (Bolan và cộng sự, 2014). Đây là một trong những phương pháp cải tạo đất hiệu quả và phổ biến nhất hiện nay.
Arabidopsis thaliana được biết đến với khả năng hấp thụ Cadimi cao. Ảnh: Safflle.
Thực vật “ăn” Camidi, phương pháp cải tạo đất không cần cuốc xẻng
Trước tình trạng ô nhiễm môi trường gia tăng, sử dụng các loài thực vật hấp thụ kim loại nặng như Cadimi trở thành giải pháp tiên tiến và bền vững.
Nghiên cứu của Giáo sư Ute Krämer, Trưởng khoa Sinh học phân tử, Trường Đại học Ruhr, Bochum (Đức), đã chỉ ra rằng loài cây thuộc họ Cải mang tên Arabidopsis halleri có khả năng đặc biệt trong việc hấp thụ kẽm và Cadimi.
Tuy nhiên vào thời điểm hiện nay, tất cả mới là nghiên cứu cơ bản. Krämer vẫn còn muốn tìm đáp án cho 2 câu hỏi: “Liệu có phải các cây dùng kẽm và cadimi để tự vệ trước bệnh tật?” và “Những quá trình vi sinh hay sinh lý nào tham gia vào việc tách chiết kim loại, vận chuyển chúng và tích tụ chúng trong lá cây?”
Ngoài Arabidopsis halleri, loài cây Arabidopsis thaliana (còn gọi là cải Arabidopsis) cũng được biết đến với khả năng hấp thụ Cadimi cao. Đây là một loại cây nhỏ, nguồn gốc từ châu Âu, châu Á và Tây Bắc châu Phi, đã trở thành mô hình thực nghiệm quan trọng trong nghiên cứu sinh học thực vật nhờ các đặc điểm nổi bật.
Thứ nhất, chu kỳ sinh trưởng ngắn, Arabidopsis thaliana chỉ mất 6 - 8 tuần để phát triển từ hạt giống đến cây trưởng thành, giúp các nhà nghiên cứu tiến hành các thí nghiệm và quan sát sự thay đổi trong quá trình sinh trưởng của cây.
Thứ hai, Arabidopsis thaliana có một hệ gen được giải trình tự hoàn chỉnh, nghĩa là tất cả gen của loài cây này đã được xác định và được biết đến, giúp các nhà nghiên cứu nghiên cứu chức năng của các gen cụ thể và hiểu rõ hơn về các quá trình sinh trưởng và phát triển của cây.
Thứ ba, Arabidopsis thaliana dễ dàng nhân bản và trồng trong phòng thí nghiệm (nuôi cấy mô). Điều này giúp giảm thiểu các yếu tố biến đổi môi trường, tạo điều kiện thuận lợi cho các nghiên cứu lặp lại.
Nhờ những ưu điểm này, Arabidopsis thaliana không chỉ là chìa khóa trong nghiên cứu sinh học thực vật mà còn mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong cải tạo đất ô nhiễm. Người ta thường sử dụng các cây họ Cải để chúng hấp thu Cadimi để sầu riêng, mít và một số trái cây khác không nhiễm chất này.
Sử dụng thực vật để làm sạch đất ô nhiễm Cadimi và các kim loại nặng khác là giải pháp bền vững, giúp bảo vệ môi trường và cải thiện năng suất nông nghiệp. Tuy nhiên, cần tiếp tục nghiên cứu chuyên sâu để tối ưu hóa hiệu quả và đưa các công nghệ này vào ứng dụng thực tiễn.
