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 (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 trong thực vật thay đổi theo loài thực vật, kim loại cụ thể, nồng độ, dạng hóa học, thành phần đất và pH, vì một số kim loại nặng được coi là cần thiết cho sự phát triển của cây. Một số kim loại nặng như Cu và Zn đóng vai trò là cofactor và activators cho các phản ứng enzyme như phức hợp enzyme/kim loại/cơ chất) (Mildvan, 1970). Các chất dinh dưỡng có chứa nguyên tố vết kim loại vi lượng thiết yếu này tham gia vào các phản ứng oxy hóa khử, vận chuyển điện tử và các chức năng cấu trúc trong chuyển hóa axit nucleic. Một số kim loại nặng như Cd, Hg và As có tác động độc hại rất mạnh với các enzyme nhạy cảm với kim loại, dẫn đến ức chế tăng trưởng ở thực vật.

Đất có thể bị ô nhiễm do tích tụ kim loại nặng và phi kim loại thông qua khí thải từ các khu công nghiệp đang phát triển nhanh chóng, chất thải mỏ, xử lý chất thải kim loại, xăng, sơn, sử dụng đất phân bón, phân động vật, bùn thải, thuốc trừ sâu, ... (Zhang et al., 2008). Đất chính là nơi tích tụ cho các kim loại nặng thải ra môi trường bởi các hoạt động nhân tạo đã nói ở trên và hầu hết các kim loại không trải qua quá trình phân hủy bởi vi khuẩn hoặc hóa học, chúng tồn tại trong một thời gian dài (Adriano, 2003).

Sự có mặt của các kim loại độc hại trong đất có thể ức chế nghiêm trọng sự phân hủy sinh học các chất hữu cơ (Maslin et al., 2000). Ô nhiễm kim loại nặng của đất có thể gây ra rủi ro, nguy hiểm cho con người và hệ sinh thái thông qua: ăn trực tiếp hoặc tiếp xúc với đất bị ô nhiễm, chuỗi thức ăn (đất trồng cây-người hoặc đất-động vật-động vật), giảm khả năng sử dụng đất cho sản xuất nông nghiệp, gây mất an ninh lương thực (Maslin et al., 2007). Việc bảo vệ và phục hồi đầy đủ các hệ sinh thái đất bị ô nhiễm bởi kim loại nặng đòi hỏi phải có biện pháp khắc phục đặc trưng và cụ thể.

Quá trình sản xuất nông nghiệp đóng góp một lượng đáng kể vào sự gia tăng hàm lượng kim loại nặng trong nước và đất. Các loại hóa chất bảo vệ thực vật đặc biệt là phân photpho có chứa các kim loại nặng như As, Pb, Hg. Thông qua hoạt động phun, bón phân hóa học hay sự rửa trôi đất có chứa các chất này dẫn đến kim loại nặng có mặt trong nước. Theo các chuyên gia, mỗi năm Việt Nam sử dụng đến 9 triệu tấn hóa chất thuộc 500 loại khác nhau, trong đó phần lớn là thuốc trừ sâu và còn lại là trừ cỏ, trừ bệnh. Ở Việt Nam vấn đề ô nhiễm môi trường nước còn xảy ra khá nghiêm trọng ở các làng nghề tái chế kim loại và thải trực tiếp vào môi trường mà không qua xử lý. Do đó, hàm lượng các kim loại nặng như Cu, Pb và Zn trong nước thải và trong đất rất cao. Đặc biệt là Pb trong nước thải có nơi cao gấp 100 lần tiêu chuẩn cho phép. Đây là những nguy cơ gây ô nhiễm đất và các nguồn nước mặt trong khu vực.

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 cuộc khảo sát mới đây về độc tính và khả năng chịu đựng của thực vật chịu stress kim loại nặng ngày càng tăng bởi sự ô nhiễm kim loại ngày càng tăng trong môi trường. Tuy nhiên, một số kim loại, bao gồm đồng, mangan, coban, kẽm và crôm là rất cần thiết cho quá trình chuyển hóa thực vật với vai trò là nguyên tố vết. Chỉ khi kim loại có mặt ở dạng có hoạt tính sinh học và ở mức độ rất mức, chúng mới có khả năng trở nên độc hại đối với thực vật.

Một số kim loại nặng có độc tính cao như Hg, Ag, Pb, Ni có tính chất tích lũy sinh học, chúng không bị phân hủy trong môi trường và cũng không dễ dàng chuyển hóa (Nieboer & Richardson, 1980). Kim loại như vậy tích lũy trong chuỗi thức ăn thông qua sự hấp thụ bởi sinh vật sản xuất và sau đó thông qua sinh vật tiêu thụ trong đó có con người. Thực vật không có khả năng di chuyển nhưng rễ của cây là nơi tiếp xúc chính cho các ion kim loại nặng. Trong các hệ thống thủy sinh, toàn bộ cơ thể thực vật được tiếp xúc với các ion này. Kim loại nặng cũng được hấp thụ trực tiếp vào lá do các hạt lắng đọng trên bề mặt lá.

Ô nhiễm đất nông nghiệp bởi kim loại nặng đã trở thành vấn đề môi trường, mối quan tâm quan trọng do tác động sinh thái bất lợi tiềm tàng của chúng. Các yếu tố độc hại như vậy được coi là chất gây ô nhiễm đất do sự xuất hiện rộng rãi của chúng và tác dụng độc hại cấp tính và mãn tính của chúng đối với cây trồng trên loại đất trồng nhiễm kim loại nặng.

Kim loại nặng có nguồn gốc ô nhiễm khác nhau trong môi trường như (1) nguồn tự nhiên, (2) nguồn nông nghiệp, (3) nguồn công nghiệp, (4) nước thải sinh hoạt, (5) nguồn khí quyển và (6) nguồn khác.
Các nguồn kim loại nặng chính trong đất 

Ô nhiễm kim loại nặng có thể bắt nguồn từ cả nguồn tự nhiên và nhân tạo. Nguồn gốc kim loại nặng tự nhiên và trong nông nghiệp có liên quan nhiều đến sự hình thành các sản phẩm nông nghiệp và ảnh nhiều hơn tới sức khỏe con người.

Phân bón vô cơ và hữu cơ là nguồn cung cấp kim loại nặng quan trọng nhất cho đất nông nghiệp bao gồm vôi, nước thải, nước tưới và thuốc trừ sâu. Các loại khác, đặc biệt là thuốc diệt nấm, phân vô cơ và phân lân có hàm lượng Cd, Cr, Ni, Pb và Zn khác nhau tùy thuộc vào nguồn gốc của chúng. Cadmium là mối quan tâm đặc biệt trong thực vật vì nó tích lũy trong lá ở mức rất cao, có thể được tiêu thụ bởi động vật hoặc con người. Mặc dù hàm lượng kim loại nặng trong đất nông nghiệp rất nhỏ, nhưng việc sử dụng phân lân lặp đi lặp lại và thời gian tồn tại lâu dài đối với kim loại nên vẫn tạo ra sự tích lũy cao của một số kim loại gây mối nguy hại lớn (Yanqun & cs., 2005).

Sự gia tăng ô nhiễm kim loại nặng của đất nông nghiệp phụ thuộc vào tốc độ sử dụng của con người, nồng độ nguyên tố và đặc tính đất mà nó được áp dụng. Sự vôi hóa làm tăng hàm lượng kim loại nặng trong đất nhiều hơn phân. Bùn thải là một trong những nguồn ô nhiễm kim loại nặng quan trọng nhất đối với đất. Một số loại thuốc trừ sâu (không mong muốn) được sử dụng để kiểm soát các bệnh của cây trồng là nguồn gây ô nhiễm kim loại nặng cho đất. Tiếp tục sử dụng phân bón không hợp lý cho đất nông nghiệp có thể dẫn đến tích lũy các kim loại nặng như Pb và Cd.

Một số phương pháp sinh học, vật lý và hóa học đã được sử dụng để làm giảm hàm lượng kim loại nặng trong đất (Sheoran & cs., 2011). Trong số các cách tiếp cận khác nhau để phục hồi đất bị ô nhiễm kim loại nặng tại chỗ, đặc biệt chú ý đến các công nghệ xử lý ô nhiễm (công nghệ xanh và sạch), như làm giảm hàm lượng kim loại nặng bằng phương pháp sinh học dựa trên việc sử dụng các thực vật tự nhiên hoặc biến đổi gen có khả năng chiết xuất các chất độc hại, ví dụ như các kim loại nặng bao gồm các hạt nhân phóng xạ, thuốc trừ sâu, biphenyl polychlorin và hydrocarbon thơm đa nhân từ môi trường và biến chúng thành các hợp chất an toàn (Bolan & cs., 2014). Đây cũng được xem là phương pháp cải tạo đất phổ biến nhất.
 Cơ chế của công nghệ cải tạo môi trường bằng thực vật

Sơ đồ mối liên quan giữa tính khả dụng sinh học, cải tạo môi trường với độc tố kim loại nặng (Boland et al., 2014) 

Bên cạnh đó có phương pháp phytoextraction, là phương pháp hấp thu các chất gây ô nhiễm bởi thực vật từ đất hoặc nước bởi rễ cây, vận chuyển và tích lũy của chúng trong sinh khối của các bộ phận trên mặt đất (Ghosh & Singh, 2005). Sự vận chuyển kim loại tới chồi là một quá trình sinh hóa mong muốn quan trọng để thực vật chiết xuất kim loại nặng hiệu quả (Yang & cs., 2005). Việc phát hiện ra các thực vật siêu tích lũy kim loại nặng với hàm lượng lớn hơn 50 lần 500 lần so với các thực vật khác cũng dẫn đến sự tiến bộ mang tính cách mạng của công nghệ phytoextraction. Các thực vật siêu tích lũy có khả năng tích lũy kim loại nặng trong thân của chúng đến mức lớn hơn nhiều so với các thực vật không tích lũy (Memon & Schroder, 2009). Nồng độ được khuyến nghị cho các kim loại nặng khác nhau trong lá khô của cây trồng trong môi trường tự nhiên được công bố là 100 mg/kg đối với Se, Cd; 300 mg/kg đối với Cr, Co và Cu; 1000 mg/kg đối với As, Pb và Ni; 10000 mg/kg đối với Mn; 3000 mg/kg đối với Zn. Cây trồng siêu tích lũy đạt được nồng độ kim loại lớn hơn 100 lần trong các bộ phận trên mặt đất nói chung mà không ảnh hưởng đến năng suất so với cây trồng nông sinh học hoặc được coi là các loài thực vật không tích lũy (Chaney &cs., 2007). Ngoài ra còn có thể dụng phương pháp phytostabilization (sự ổn định hóa thực vật) hoặc sử dụng vi sinh vật  

Ô nhiễm đất bởi kim loại nặng từ nhiều nguồn khác nhau đang ngày càng trở nên phổ biến và tăng dần về diện tích, là một mối quan tâm lớn đối với toàn thế giới, vì có ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người. Do đó phương pháp giảm tác động của kim loại nặng đối với cây trồng là hết sức cần thiết.

Nguyễn Thị Phương Dung - khoa Nông học