1. Nguồn gốc Cadmium trong môi trường

Cadmium (Cd) là một nguyên tố vi lượng không thiết yếu đối với thực vật nhưng lại phổ biến rộng rãi trong môi trường. Do các hoạt động của con người như thải bỏ rác thải đô thị, luyện kim, khai thác mỏ và sử dụng phân bón phốt phát tổng hợp, nồng độ Cd trong đất và nước ngầm đang gia tăng mạnh mẽ, gây nguy cơ ung thư nghiêm trọng cho sức khỏe con người (Haider & cs, 2021). Kim loại vết như Cd không bị phân hủy bằng sinh học hoặc hóa học trong đất, do đó chúng tồn tại rất lâu và làm giảm khả năng tự phân hủy của các hợp chất hữu cơ khác trong hệ sinh thái đất.

Các nguồn phát thải Cd có thể mang tính chất cục bộ (khu công nghiệp, mỏ khai thác) hoặc phân tán (tái sử dụng nước thải, hoạt động nông nghiệp, lắng đọng khí quyển). Trong đó, việc sử dụng phân bón phốt phát chứa tạp chất Cd và chất thải từ phân chuồng, rác thải đô thị đóng góp phần lớn vào việc tích lũy, làm gia tăng nồng độ kim loại độc hại này trong đất nông nghiệp theo thời gian.

2. Cơ chế hấp thụ và vận chuyển Cadmium ở thực vật

Sự hấp thụ Cd của rễ cây phụ thuộc vào loài, đặc tính lý hóa của đất, độ pH và sự hiện diện của các nguyên tố khác. Do có điện tích tương đồng và kích thước ion gần giống với Canxi (Ca), Cd dễ dàng thay thế Ca trong các khoáng chất và cạnh tranh vị trí hấp thụ trên màng tế bào rễ (Benavides & cs, 2005).

Thực vật hấp thụ Cd qua hai con đường chính: con đường gian bào (apoplastic) – di chuyển thụ động không cần năng lượng qua thành tế bào và qua tế bào chất (symplastic) – quá trình chủ động cần năng lượng tiêu thụ ATP (Ismael & cs, 2018).


Hấp thu, vận chuyển và tích lũy Cd ở thực vật 

Nhiều nhóm protein vận chuyển qua màng tế bào tham gia tích cực vào quá trình này, bao gồm nhóm protein thuộc họ ZIP như ZRT1- (Zinc-Regulated-Transporter-1 – chất vận chuyển được điều hòa bởi kẽm) và IRT1 (Iron-Regulated-Transporter-1- chất vận chuyển được điều hòa bởi sắt) và nhóm protein thuộc họ NRAMP (natural-resistance-associated-macrophage protein - vận chuyển kim loại hóa trị hai vào trung trụ) (Ishimaru & cs, 2012). Sau khi vào rễ, Cd di chuyển lên thân qua mạch gỗ dưới dạng ion tự do hoặc phức chất và tích lũy theo thứ tự: Rễ > Lá > Quả > Hạt (Haider & cs, 2021). Trong hầu hết các loài cây trồng, phần lớn lượng Cd hấp thụ bị giữ lại ở các mô rễ và chỉ một tỷ lệ nhỏ được dịch chuyển lên các cơ quan trên mặt đất.

3. Ảnh hưởng của Cadmium đối với thực vật
 ảnh hưởng của Cd đến quang hợp và mối quan hệ với nước ở thực vật

Độc tính Cd gây ra hàng loạt biến đổi bất lợi về hình thái, sinh lý và hóa sinh của cây trồng:

-  Nảy mầm của hạt: Cd nồng độ cao ức chế sự hấp thụ nước của hạt, làm bất hoạt quá trình huy động tinh bột thông qua giảm hoạt tính của các enzyme thủy phân, dẫn đến phôi bị thiếu dinh dưỡng và giảm tỷ lệ nảy mầm (Kuriakose và Prasad, 2008).

- Sinh trưởng và phát triển: Kìm hãm sự kéo dài của rễ và thân, rễ bị hoại tử, xoắn và chuyển sang màu nâu do sự phình to bất thường của các lớp tế bào vỏ, đồng thời làm giảm chỉ số nguyên phân ở đỉnh rễ (Rascio và Navari-Izzo, 2011).

- Hấp thụ dinh dưỡng: Cd cản trở trực tiếp sự hấp thụ và vận chuyển các nguyên tố thiết yếu như Fe, Zn, Ca, Mg, P và K do sự cạnh tranh gay gắt tại vị trí hấp thụ của màng tế bào (Nazar & cs, 2012).

- Tổn thương oxy hóa: Cd kích thích sản sinh các gốc oxy hóa hoạt động (ROS) quá mức thông qua phá hủy chuỗi truyền điện tử trong lục lạp và ty thể, dẫn đến tổn thương nghiêm trọng DNA, protein và lipid màng (Gill và Tuteja, 2010).

- Hệ thống quang hợp: Cd phá hủy cấu trúc lục lạp, ức chế sinh tổng hợp chlorophyll gây hiện tượng vàng lá. Nó cũng thay thế ion Mg2+ trong cấu trúc enzyme RuBPCase làm giảm hoạt tính cố định carbon và thúc đẩy khí khổng đóng lại, làm suy giảm hiệu suất quang hợp (Haider & cs, 2021).

4. Giải pháp giảm hấp thụ Cadmium

Để ngăn ngừa sự hấp thụ Cd của cây trồng, nhiều giải pháp vật lý, hóa học và sinh học đã được ứng dụng hiệu quả:

- Than sinh học (Biochar): Việc bổ sung than sinh học giúp cố định Cd trong đất nhờ các cơ chế hấp phụ bề mặt, kết tủa hóa học và trao đổi cation, từ đó làm tăng pH đất và giảm đáng kể lượng Cd chuyển vị vào mô cây (Yuan & cs, 2019).

- Dinh dưỡng khoáng: Cung cấp đầy đủ các chất dinh dưỡng giúp tạo ra sự cạnh tranh ion mạnh mẽ với Cd tại các protein vận chuyển màng. Sử dụng Selenium (Se) hoặc Silicon (Si) giúp cải thiện tính toàn vẹn của màng tế bào và giảm tích lũy Cd trong các cơ quan ăn được (Rizwan & cs, 2012).

- Chất điều hòa sinh trưởng thực vật: Phun ngoại sinh các chất điều hòa sinh trưởng như Salicylic acid (SA) giúp kích hoạt hệ thống phòng thủ chống oxy hóa, làm giảm hàm lượng các gốc tự do gây hại và duy trì độ ổn định màng tế bào dưới áp lực độc tính (Krantev & cs, 2008).

- Biện pháp khắc phục bằng thực vật (Phytoremediation): Sử dụng các loài thực vật có khả năng tích lũy cao (hyperaccumulators) để hút kim loại từ đất và chuyển lên mô thân, lá hoặc dùng cơ chế cố định tại rễ (phytostabilization) để giảm thiểu sự di chuyển của kim loại nặng trong đất (Lata & cs, 2019).

- Biện pháp khắc phục bằng vi sinh vật (Bioremediation): Các chủng vi khuẩn và nấm rễ nội cộng sinh AMF (Arbuscular Mycorrhizal Fungi) đóng vai trò quan trọng trong việc liên kết, cô lập Cd hoặc tiết ra các glycoprotein như glomalin để bất động kim loại trong đất, giúp bảo vệ hệ rễ của cây trồng (Lata & cs, 2019).

5. Kết luận

Cadmium là mối đe dọa nghiêm trọng đối với an ninh lương thực và sức khỏe cộng đồng. Việc kết hợp quản lý dinh dưỡng cây trồng hợp lý cùng với các công nghệ sinh học hiện đại như bổ sung than sinh học (biochar) hay sử dụng vi sinh vật (bioremediation) đem lại giải pháp bền vững, hiệu quả về kinh tế và thân thiện với môi trường nhằm phục hồi các vùng đất nông nghiệp bị ô nhiễm.

 

Đỗ Thị Hường – nhóm NCM công nghệ canh tác cây trồng bền vững

 

 

Tài liệu tham khảo

1. Benavides M.P., Gallego S.M., Tomaro M. L (2005). Cadmium toxicity in plants. Braz. J. Plant Physiol. 17, 21–34.

2. Gill S.S., Tuteja N. (2010). Reactive oxygen species and antioxidant machinery in abiotic stress tolerance in crop plants. Plant Physiol. Biochem. 48, 909–930.

4. Ishimaru Y., Takahashi R., Bashir K., Shimo H., Senoura T., Sugimoto K., Ono K., Yano M., Ishikawa S., Arao, T.(2012). Characterizing the role of rice NRAMP5 in manganese, iron and cadmium transport. Sci. Rep. 2, 286.

5. Ismael M.A., Elyamine A.M., Moussa, M.G., Cai, M., Zhao, X., Hu, C. (2018). Cadmium in plants: uptake, toxicity, and its interactions with selenium fertilizers. Metallomics 10, 4120–4128.

6. Krantev A., Yordanova R., Janda T., Szalai G., Popova L. (2008). Treatment with salicylic acid decreases the effect of cadmium on photosynthesis in maize plants. J. Plant Physiol. 165, 920–931.

7. Kuriakose S.V., Prasad M.N.V. (2008). Cadmium stress affects seed germination and seedling growth in Sorghum bicolor (L.) Moench by changing the activities of hydrolyzing enzymes. Plant Growth Regul. 54, 143–156.

8. Lata S., Kaur H.P., Mishra T. (2019). Cadmium bioremediation: a review. Int. J. Pharm. Sci. Res. 10, 4120–4128.

9. Nazar R., Iqbal N., Masood A., Khan M.I.R., Syeed S., Khan N.A. (2012). Cadmium toxicity in plants and role of mineral nutrients in its alleviation. Am. J. Plant Sci. 3, 1476–1489.

10. Rascio N., Navari-Izzo F. (2011). Heavy metal hyperaccumulating plants: how and why do they do it? And what makes them so interesting? Plant Sci. 180, 169–181.

11. Rizwan M., Meunier J.D., Miche H., Keller C. (2012). Effect of silicon on reducing cadmium toxicity in durum wheat (Triticum turgidum L. cv. Claudio W.) grown in a soil with aged contamination. J. Hazard. Mater. 209–210, 326–334.

12. Yuan P., Wang J., Pan Y., Shen, B., Wu C. (2019). Review of biochar for the management of contaminated soil: preparation, application and prospect. Sci. Total Environ. 659, 473–490.