Phát xạ khí quyển

- Phân bón

- Thuốc trừ sâu

- Sửa đổi hữu cơ

- Hoạt động công nghiệp và đô thị

Hình 1: nguồn gốc kim loại nặng trong đất

Kim loại nặng xuất hiện tự nhiên trong đá và được giải phóng trong quá trình biến đổi của chúng thành dạng nền địa hóa. Nồng độ tự nhiên của kim loại nặng trong đất phụ thuộc vào bản chất của đá, vị trí và tuổi của đá. Tuy nhiên, nguồn ô nhiễm chính bắt nguồn từ con người. Các yếu tố ô nhiễm do con người gây ra chính là nguyên nhân làm tăng dòng chảy kim loại là ô nhiễm khí quyển (Oves et al. 2012) do các hoạt động công nghiệp và đô thị (xả thải của nhà máy, khói thải, v.v.). Một số hoạt động nông nghiệp là nguyên nhân dẫn đến việc đưa kim loại nặng vào đất.

Trên thực tế, mặc dù lợi ích kinh tế của phân bón công nghiệp và thuốc trừ sâu trong việc cải thiện năng suất cây trồng, nhưng những tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người còn nguy hại hơn nhiều (Fantke et al. 2012; Meena et al. 2017a). Điều này đặc biệt là đối với các kim loại nặng không phân hủy sinh học, chẳng hạn như Cd, Pb, Hg, Zn và Cu, có thể tồn tại trong đất trong vài thập kỷ. Hơn nữa, chi phí phân bón cao và các vấn đề hạn hán tái diễn gây ra tình trạng không có sẵn hoặc khả năng sử dụng nước thấp có thể dẫn đến việc sử dụng nước thải để tưới tiêu. Nước thải này, giàu các vật chất hữu cơ và phân bón, chứa các nguyên tố hóa học không mong muốn có thể có hàm lượng kim loại cao (Ez - Zarhouny et al. 2015), chẳng hạn như crom hóa trị sáu có trong nước thải của xưởng thuộc da. Các kim loại nặng này tích tụ trong đất và khuếch tán theo các hiện tượng khác nhau, theo các điều kiện sinh hóa, và sau đó chúng được cây trồng hấp thụ và cuối cùng có thể bị ô nhiễm (Mench et al. 2000).

Ô nhiễm công nghiệp bao gồm nấu chảy, rèn kim loại, đốt nhiên liệu hóa thạch, v.v. là một nguồn ô nhiễm kim loại khác (Khan et al. 2009). Ngoài ra, việc xử lý quặng thải và thoát nước mỏ bằng axit không phù hợp là một nguồn ô nhiễm kim loại nặng đặc biệt quan trọng trong các lĩnh vực nông nghiệp xung quanh các khu vực khai thác (Williams et al. 2009).

Vai trò chính của các hoạt động công nghiệp và nông nghiệp đối với ô nhiễm đất phải được tính đến: nó liên quan đến một phần lớn lãnh thổ. Do đó, sự tích tụ và chuyển hóa kim loại nặng là một nguy cơ đối với sức khỏe con người do sự ô nhiễm của chuỗi thực phẩm và môi trường nói chung.

7.4. Ảnh hưởng của kim loại nặng đến sự cộng sinh của Rhizobium-cây họ Đậu

Nguyên tố vi lượng kim loại (MTE) được tích tụ sinh học trong các mô của thực vật có thể gây ra rối loạn ở các giai đoạn trao đổi chất khác nhau của thực vật bao gồm cả sự cộng sinh Rhizobium-cây họ đậu (Hình 2)

Các vi sinh vật trong đất dường như là những sinh vật đầu tiên bị ảnh hưởng bởi ô nhiễm kim loại nặng. Nồng độ kim loại nặng cao trong đất có thể gây ra những thay đổi và thiệt hại đáng kể trong thành phần và hoạt động của vi sinh vật (Abd-Alla et al. 2014). Một số kim loại như Cu, Ni, Cd, As, và Zn đã cho thấy khả năng làm thay đổi sự phát triển, hình thái và nhiều hoạt động của nhiều nhóm vi sinh vật. Trên thực tế, các cation kim loại nặng có thể ức chế hoạt động của enzym nhạy cảm bằng cách gắn vào gốc cysteine, axit glutamic hoặc axit aspartic, tạo thành một phần của vị trí hoạt động của một số enzym. Một lượng lớn cation kim loại dư thừa cũng có thể cạnh tranh với các cation khác trong đất thường đóng vai trò là chất dinh dưỡng thiết yếu cho cây (Ví dụ: Ca²⁺, K⁺, Mg²⁺, v.v.). Sự hấp thụ MTE (nguyên tố vi lượng kim loại) bởi bề mặt rễ cây dẫn đến ức chế hoặc kích thích sự hấp thu cation của đất, gây ra những thay đổi đáng kể trong quá trình trao đổi chất của cây (Singh et al. 2016; Datta et al. 2017).

Những kim loại này cũng gây ra sự giảm hàm lượng diệp lục của thực vật, giảm quá trình quang hợp sau khi thay đổi quá trình vận chuyển điện tử, và sự xáo trộn của các enzym trong chu trình Calvin (ví dụ: xáo trộn Rubisco, xúc tác bằng enzym cố định CO₂ trong khí quyển cần thiết cho quá trình quang hợp) (Sethy và Ghosh 2013).

Hình 2: Độc tính kim loại nặng đối với vi sinh vật cố định N cộng sinh và cây ký chủ

Các kim loại nặng cũng có thể làm thay đổi cấu trúc axit nucleic và ngăn cản sự biểu hiện gen bằng cách cố định cation kim loại trên các nhóm photphat của axit nucleic (Hengstler và cộng sự 2003). Hơn nữa, hiệu ứng độc hại do kim loại nặng gây ra có thể được biểu thị bằng tương tác của các ion kim loại với các ion sinh lý, chẳng hạn như Cd^{2 +} với Zn²⁺, với N ⁺ hoặc với Ca^{2 +}, gây ra sự ức chế chức năng của ion sinh lý. Tương tác trực tiếp của kim loại nặng với nhóm sulfhydryl (-SH) của các protein chức năng có thể dẫn đến phá hủy cấu trúc của chúng và ức chế hoạt động của chúng (Singh et al. 2016). Nó cũng đã được báo cáo rằng nồng độ kim loại cao có thể kích thích sự hình thành các gốc tự do và các loại oxy phản ứng (ROS), do đó làm hỏng các đại phân tử (Sharma và Dietz 2009; Dal Corso et al. 2013; Singh et al. 2016). Ví dụ, một số kim loại, chẳng hạn như Cd, Cu, Zn, Ni, Cr, v.v., đã được đưa ra để tăng cường quá trình peroxy hóa lipid (Wani và Khan 2012) liên quan đến stress oxy hóa bởi phản ứng Fenton đối với cả rhizobia và cây họ đậu ký chủ của chúng. Nhưng bất chấp sự tồn tại của một số nghiên cứu về cơ chế và các yếu tố liên quan đến việc kiểm soát phản ứng với stress oxy hóa ở rhizobia, người ta chỉ biết rất ít về ảnh hưởng của kim loại nặng (Balestrasse et al. 2001).

Nồng độ kim loại nặng cao có thể làm giảm dịch tiết isoflavonoid và do đó ức chế sự cảm ứng của các gen nốt sần, sau đó làm mất khả năng cố định N của rhizobia liên quan đến một số vật chủ họ đậu (Ahmad và cộng sự 2012; Meena và cộng sự 2015a). Trên thực tế, việc tăng nồng độ asen (As) trong dung dịch dinh dưỡng sẽ làm chậm quá trình hình thành nốt sần ở đậu tương (nồng độ Glycine tối đa). Cây Curringa được tiêm Bradyrhizobium japonicum CB1809 và giảm số nốt sần trên mỗi cây khi thu hoạch. Ngoài ra, quan sát thấy rằng các cây được cấy có biểu hiện lông rễ kém và hàm lượng chất khô rễ và chồi thấp, do nồng độ kim loại trong dung dịch đất tăng lên (Reichman 2007). Nồng độ kim loại cao hơn bất thường cũng có thể hạn chế sự hấp thụ nước và chất dinh dưỡng của cây và ảnh hưởng đến sức khỏe của chúng. Tuy nhiên, khi kim loại nằm trong các mô thực vật, nó có thể tương tác trực tiếp với các thành phần tế bào và làm gián đoạn các hoạt động trao đổi chất. Điều này có thể gây tổn thương tế bào và trong một số trường hợp có thể dẫn đến chết cây (Ahmad et al. 2012). Hơn nữa, việc bổ sung 50–200 mg / kg Cd, Zn, Co và Cu vào đất để trồng Lablab purpureus (Đậu ván) cho thấy những tác động tiêu cực đến sự tạo nốt sần, tăng trưởng và hoạt động enzyme nitrogenase của cây trồng trong các thử nghiệm trong chậu và ngoài đồng ruộng (Abd-Alla et al . 2014; Dhakal và cộng sự 2016). Sepehri và cộng sự (2006) tiết lộ rằng 2 mg Cd / kg đất có thể ảnh hưởng đến các đặc tính cộng sinh của các chủng S. meliloti và do đó là sự cộng sinh của S. meliloti-alfalfa (cỏ Linh Lăng).

7.7. Tính khả dụng sinh học của kim loại nặng như là một chìa khóa để đánh giá hiệu quả của quá trình chiết xuất Phytoextraction

Khả dụng sinh học có thể được định nghĩa là một phần của tổng lượng chất gây ô nhiễm trong đất có sẵn hoặc có thể có sẵn để sinh vật hấp thụ trong một khoảng thời gian cụ thể (Petruzzelli và cộng sự 2015). Nó thể hiện một yếu tố quan trọng có thể ảnh hưởng đến hiệu quả tách chiết thực vật của các kim loại nặng mục tiêu vì nó có mối quan hệ trực tiếp với đất và thực vật vì lượng cây ăn vào chủ yếu liên quan đến nồng độ của kim loại và các dạng có sẵn của chúng trong môi trường đất. Điều này có thể giải thích tầm quan trọng của tính khả dụng sinh học đối với chiến lược xử lý bằng thực vật liên quan đến việc làm sạch các địa điểm bị ô nhiễm bởi kim loại nặng. Các kim loại nặng / kim loại trong đất có thể được chia thành ba loại tùy thuộc vào sinh khả dụng của chúng: sinh khả dụng (Cd, Zn, Ni, As, Se và Cu), sinh khả dụng vừa phải (Co, Fe và Mn) và sinh khả dụng ít nhất (Pb, U và Cr) (Ali và cộng sự 2013). Các đặc tính của đất được coi như các yếu tố chính có thể ảnh hưởng đến sinh khả dụng của kim loại và có thể thay đổi liên tục. Trong số các thông số chính này, ví dụ, độ pH là một trong những thông số chính ảnh hưởng đến sinh khả dụng của các nguyên tố vi lượng kim loại trong dung dịch đất bằng cách điều chỉnh các quá trình kết tủa-hòa tan, hấp phụ cụ thể, và tạo phức và do đó chuyển chúng sang cây trồng. Do đó, pH thấp làm giảm quá trình hấp phụ do sự hòa tan xúc tác của axit và các vị trí hấp phụ của chúng, trong khi độ hòa tan giảm khi pH tăng do sự hình thành các phức hợp kim loại-hữu cơ (Petruzzelli et al. 2015; Kumar et al. 2017). Các yếu tố ảnh hưởng khác bao gồm nhiệt độ chịu trách nhiệm cho sự thay đổi bản chất hóa học và tính linh động của các phức chất cơ quan và cũng như sự hấp thụ của chúng đối với thực vật. Cường độ ion có thể làm giảm sự hấp thụ các kim loại nặng của bề mặt đất do sự cạnh tranh gia tăng từ các kim loại kiềm (Petruzzelli và Pezzarossa 2003).