Luận văn Thạc sĩ Sinh học: Nghiên cứu khả năng sinh trưởng và cải tạo đất bãi thải mỏ than Quảng Ninh của Keo Tai tượng (Acacia mangium) với Nấm rễ nội cộng sinh AM (Arbuscular mycorrhiza) tại vƣờn ươm

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:89

Thêm vào BST

Báo xấu

26
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là xác định được hiện trạng một số bãi thải mỏ than ở tỉnh Quảng Ninh; nghiên cứu xác định được khả năng sinh trưởng và cải tạo đất bãi thải mỏ than của Keo Tai tượng ở vườn ươm (đến 6-8 tháng tuổi); nghiên cứu xác định được ảnh hưởng của Nấm rễ nội cộng sinh AM (Arbuscular mycorrhiza) tới khả năng sinh trưởng và cải tạo đất bãi thải mỏ than của Keo Tai tượng ở vườn ươm (đến 6-8 tháng tuổi).

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Sinh học: Nghiên cứu khả năng sinh trưởng và cải tạo đất bãi thải mỏ than Quảng Ninh của Keo Tai tượng (Acacia mangium) với Nấm rễ nội cộng sinh AM (Arbuscular mycorrhiza) tại vƣờn ươm

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN SINH THÁI VÀ TÀI NGUYÊN SINH VẬT ==========***========== VŨ QUÝ ĐÔNG NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG SINH TRƢỞNG VÀ CẢI TẠO ĐẤT BÃI THẢI MỎ THAN QUẢNG NINH CỦA KEO TAI TƢỢNG (Acacia mangium) VỚI NẤM RỄ NỘI CỘNG SINH AM (Arbuscular mycorrhiza) TẠI VƢỜN ƢƠM LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC Hà Nội - 2016 0
LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành Luận văn, tôi đã nhận đƣợc nhiều sự giúp đỡ của các thầy cô, các anh chị và gia đình. Với tất cả tấm lòng chân thành, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Lê Quốc Huy, Bộ môn Vi sinh,Viện Nghiên cứu Sinh thái và Môi trƣờng rừng, Viện Khoa học Lâm nghiệp Việt Nam, ngƣời đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo, hƣớng dẫn tôi thực hiện nghiên cứu, góp ý và sửa chữa để tôi hoàn thiện Luận văn này. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến tập thể cán bộ, giáo viên bộ môn Vi sinh vật, Viện Sinh thái và Tài nguyên Sinh vật, những ngƣời Thầy đã giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập, tạo mọi thuận lợi cho tôi trong quá trình thực hiện và hoàn thành Luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu, Phòng Đào Tạo sau Đại Học Viện Sinh thái và Tài nguyên Sinh vật, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi, hƣớng dẫn,giúp đỡ tôi thực hiện Luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể cán bộ thuộc Viện Nghiên cứu Sinh thái và Môi trƣờng rừng, Viện Khoa học Lâm nghiệp Việt Nam đã dành cho tôi sự giúp đỡ quý báu và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện đề tài. Xin cảm ơn các bạn đã động viên, ủng hộ tôi trong quá trình học tập. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới gia đình thân yêu của tôi,những ngƣời đã luôn ở bên tôi, ủng hộ, động viên và là chỗ dựa vững chắc để tôi yên tâm học tập hoàn thành khóa học này./. Hà Nội, ngày 25 tháng 12 năm 2016 Tác giả Luận văn Vũ Quý Đông i
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của tôi. Các số liệu và kết quả trong Luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác./. Tác giả Luận văn Vũ Quý Đông ii
MỤC LỤC MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU ......................................................................... 3 1.1. Tổng quan về xử lý phục hồi bãi thải khai thác mỏ bằng giải pháp công nghệ sinh học môi trƣờng (Bioremediation) kết hợp công nghệ vi sinh vật và thực vật ..... 3 1.1.1. Trên Thế giới.......................................................................................................... 3 1.1.2. Tại Việt Nam .......................................................................................................... 4 1.2. Tổng quan về nấm rễ nội cộng sinh AM (Arbuscular mycorrhiza) .................. 5 1.2.1. Khái niệm ............................................................................................................... 5 1.2.2. Đặc điểm của Nấm rễ nội cộng sinh AM (Arbuscular mycorrhiza) ...................... 7 1.2.3. Vai trò của nấm rễ nội cộng sinh đối với thực vật và môi trường, hệ sinh thái .. 10 1.2.4. Nghiên cứu và ứng dụng về nấm rễ nội cộng sinh AM trên Thế giới và Việt Nam12 1.2.4..1. Thế giới ......................................................................................................... 12 1.2.4..2. Việt Nam ....................................................................................................... 16 1.3. Cây Keo tai tƣợng (Acacia mangium) ............................................................. 21 1.3.1. Đặc điểm phân loại và hình thái.......................................................................... 21 1.3.2. Đặc tính sinh học, sinh thái và sử dụng............................................................... 22 1.3.3. Tổng quan nghiên cứu gây trồng cây Keo tai tượng ........................................... 23 CHƢƠNG 2: MỤC TIÊU – NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ............................................ 25 2.1. Mục tiêu ........................................................................................................... 25 2.2. Nội dung chính ................................................................................................. 25 CHƢƠNG 3: ĐỊA ĐIỂM VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................ 26 3.1. Địa điểm nghiên cứu ........................................................................................ 26 3.2. Vật liệu ............................................................................................................. 27 3.3. Phƣơng pháp nghiên cứu ................................................................................. 27 3.3.1. Phương pháp thực hiện ngoại nghiệp .............................................................. 27 3.3.2. Phương pháp nội nghiệp .................................................................................. 31 CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ - THẢO LUẬN ..................................................................... 35 4.1. Kết quả đánh giá hiện trạng một số bãi thải mỏ than (Bãi thải Chính Bắc, Bãi thải Nam Đèo Nai) tại tỉnh Quảng Ninh .................................................................... 35 iii
4.1.1. Hiện trạng bãi thải mỏ than ở Quảng Ninh ..................................................... 35 4.1.2. Hiện trạng bãi thải các bãi thải mỏ than ......................................................... 35 4.1.2.1. Mức độ ô nhiễm ......................................................................................... 36 4.1.2.2. Các giải pháp cải tạo bãi thải mỏ than tại Quảng Ninh ........................... 37 4.1.3. Hiện trạng bãi thải mỏ than Chính Bắc và Nam Đèo Nai ............................... 40 4.1.3.1. Biện pháp cải tạo ...................................................................................... 43 4.1.3.2. Công tác trồng cây phủ xanh bãi thải Nam Đèo Nai ................................ 43 4.1.3.3. Công tác trồng cây phủ xanh bãi thải Chính Bắc ..................................... 44 4.1.3.4. Bản đồ hiện trạng ...................................................................................... 45 4.2. Kết quả Nghiên cứu khả năng sinh trƣởng và cải tạo đất bãi thải mỏ than (Bãi thải Chính Bắc, Bãi thải Nam Đèo Nai) tại tỉnh Quảng Ninh của Keo Tai tƣợng ở vƣờn ƣơm................................................................................................................... 48 4.2.1. Đánh giá về mặt sinh trưởng của cây Keo tai tượng ....................................... 48 4.2.2. Đánh giá yếu tố cải tạo môi trường đất bãi thải của cây Keo tai tượng ......... 49 4.2.2.1. Các chỉ tiêu cơ bản của đất bãi thải than ................................................. 49 4.2.2.2. Các chỉ tiêu Kim loại nặng (Pb,As,Cd) của đất bãi thải than .................. 50 4.3. Kết quả Nghiên cứu ảnh hƣởng của Nấm rễ nội cộng sinh AM tới khả năng sinh trƣởng và cải tạo đất bãi thải mỏ than (Bãi thải Chính Bắc, Bãi thải Nam Đèo Nai) tại tỉnh Quảng Ninh của Keo Tai tƣợng ở vƣờn ƣơm ....................................... 51 4.3.1. Đánh giá về ảnh hưởng của Nấm rễ nội cộng sinh AM tới khả năng sinh trưởng của cây Keo tai tượng .................................................................................... 51 4.3.2. Đánh giá ảnh hưởng của chế phẩm AM tới yếu tố cải tạo môi trường đất bãi thải than của cây Keo tai tượng ................................................................................ 53 4.3.2.1. Các chỉ tiêu cơ bản của đất bãi thải than ................................................. 53 4.3.2.2. Các chỉ tiêu Kim loại nặng (Pb,As,Cd) của đất bãi thải than .................. 54 4.4. Thảo luận.......................................................................................................... 55 4.4.1. So sánh sinh trưởng của Keo tai tượng trên đất bãi thải than khi bón nhiễm AM in vitro và không bón nhiễm AM......................................................................... 55 4.4.2. So sánh khả năng cải tạo môi trường của Keo tai tượng trên đất bãi thải than khi bón nhiễm AM in vitro và không bón nhiễm AM ................................................. 57 4.4.2.1. Tăng cường dinh dưỡng và cải tạo chỉ tiêu lý hóa tính đất ...................... 57 iv
4.4.2.2. Giảm ô nhiễm kim loại nặng trong đất ..................................................... 59 4.4.2.3. Tăng cường cộng sinh cố định đạm Rhizobium và vi khuẩn phân giải lân62 4.4.2.4. Tăng cường cộng sinh AM và mật độ IP trong đất (đơn vị xâm nhiễm AM)64 CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ .................................................................... 67 5.1. Kết luận ............................................................................................................ 67 5.2. Kiến nghị .......................................................................................................... 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 68 Tài liệu trong nƣớc ........................................................................................................ 68 Tài liệu nƣớc ngoài ........................................................................................................ 69 PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 74 v
BẢNG NHỮNG TỪ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN STT Viết tắt Viết đầy đủ 1 AM Arbuscular mycorrhiza 2 OTC Ô tiêu chuẩn 3 PAHs Polycyclic Aromatic Hydrocarbons 4 RGR Relative Growth Rates 5 TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam 6 TKV Tập đoàn Công nghiệp Than – Khoáng sản Việt nam 7 VAM Vesicular arbuscular mycorrhiza 8 VM Vesicular mycorrhiza vi
DANH MỤC BẢNG STT Bảng Trang 1 Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật bãi thải Nam Đèo Nai và Chính Bắc 41 2 Bảng 4.2: Sinh truởng đuờng kính, chiều cao keo và thông nhựa tại 45 hai bãi thải nghiên cứu 3 Bảng 4.3: Diện tích rừng và thảm thực vật tại hai bãi thải Chính 46 Bắc và Nam Đèo Nai 4 Bảng 4.4: Kết quả đánh giá sinh trưởng của cây Keo tai tượng trên 48 đất bãi thải Nam Đèo Nai và bãi thải Chính Bắc giai đoạn vườn ươm 5 Bảng 4.5: Kết quả phân tích các chỉ tiêu cơ bản của đất bãi thải 49 than trước và sau khi trồng Keo tai tượng 6 Bảng 4.6: Kết quả phân tích các chỉ tiêu kim loại nặng của đất bãi 50 thải than trước và sau khi trồng Keo tai tượng 7 Bảng 4.7: Kết quả đánh giá sinh trưởng của cây Keo tai tượng kết 52 hợp bón nhiễm chế phẩm AM in vitro trên đất bãi thải Nam Đèo Nai và bãi thải Chính Bắc giai đoạn vườn ươm 8 Bảng 4.8: Kết quả phân tích các chỉ tiêu cơ bản của đất bãi thải 53 than trước và sau khi trồng Keo tai tượng kết hợp bón nhiễm chế phẩm AM in vitro 9 Bảng 4.9: Kết quả phân tích các chỉ tiêu kim loại nặng của đất bãi 55 thải than trước và sau khi trồng Keo tai tượng kết hợp bón nhiễm chế phẩm AM in vitro 10 Bảng 4.10: Kết quả so sánh sinh trưởng của Keo tai tượng trên đất 56 bãi thải than khi bón nhiễm chế phẩm AM in vitro và không bón nhiễm chế phẩm AM in vitro 11 Bảng 4.11: Kết quả phân tích chỉ tiêu PAHs của các mẫu đất bãi 61 thải than trước và sau khi thí nghiệm 12 Bảng 4.12: Kết quả hình thành nốt sần Rhizobium sau khi trồng 62 Keo tai tượng và Keo tai tượng kết hợp bón nhiễm chế phẩm AM in vitro trên đất bãi thải than 13 Bảng 4.13: Kết quả phân tích vi sinh vật phân giải lân và vi sinh vật 63 cố định ni tơ tự do sau khi trồng Keo tai tượng và Keo tai tượng kết hợp bón nhiễm chế phẩm AM in vitro trên đất bãi thải than 14 Bảng 4.14: Kết quả hình thành bào tử AM sau khi trồng Keo tai 65 tượng và Keo tai tượng kết hợp bón nhiễm chế phẩm AM in vitro trên đất bãi thải than vii
DANH MỤC BIỂU ĐỒ STT Biểu đồ Trang 1 Biểu đồ 4.1: Biểu đồ đánh giá sinh trưởng của cây Keo tai tượng 49 trên đất bãi thải Nam Đèo Nai và bãi thải Chính Bắc giai đoạn vườn ươm 2 Biểu đồ 4.2: Biểu đồ đánh giá sinh trưởng của cây Keo tai tượng 52 kết hợp bón nhiễm chế phẩm AM in vitro trên đất bãi thải Nam Đèo Nai và bãi thải Chính Bắc giai đoạn vườn ươm 3 Biểu đồ 4.3: Biểu đồ đánh giá khả năng cải thiện pHKCl và Mùn 58 tổng số của Keo tai tượng trên đất bãi thải than khi bón nhiễm AM in vitro và không bón nhiễm AM 4 Biểu đồ 4.4: Biểu đồ đánh giá khả năng cải thiện P2O5dt và K2Odt 59 của Keo tai tượng trên đất bãi thải than khi bón nhiễm AM in vitro và không bón nhiễm AM 5 Biểu đồ 4.5: Biểu đồ đánh giá khả năng cải thiện ô nhiễm kim loại 60 nặng (As, Pb, Cd) của Keo tai tượng trên đất bãi thải than khi bón nhiễm AM in vitro và không bón nhiễm AM viii
DANH MỤC HÌNH ẢNH STT Hình Trang 1 Hình 1.1: Cây phân loại nấm rễ nội cộng sinh AM 7 2 Hình 1.2: B i sợi nấm (Arbuscules)(a)T i sợi nấm ( esicules) (b) 8 3 Hình 1.3 a Sợi nấm ngoại bào (extraradical hyphae)b Bào tử 9 (spores) 4 Hình 1.4 Sơ đồ cấu tr c AM điển hình 10 5 Hình 1.5: Chức năng của AM (1) Sinh lý và sinh thái cây chủ 11 (2). Sự tương tác giữa sợi nấm AM, rễ và các hạt đất (3), Kết nối trực tiếp của hệ rễ của các cá thể thực vật khác nhau (2) tương tác với các vi khuẩn đất khác (4). Đất và các đường đại diện cho tác động trực tiếp và gián tiếp của AM trên thực vật, đất, và các vi khuẩn đất tương ứng (Jansa *, Bukovská và Gryndler, 2013) 6 Hình 3.1 Sơ đồ vị trí bãi thải Chính Bắc và bãi thải Nam Đèo Nai 26 7 Hình 3.2: Thu thập số liệu OTC trên hiện trường 28 8 Hình 3.3: Kỹ thuật bón nhiễm chế phẩm AM in vitro cho cây Keo 30 tai tượng ở vườn ươm 9 Hình 3.4 Điểm lấy mẫu khóa mã ảnh Bãi thải Chính Bắc – Công 32 ty CP Than Núi Béo 10 Hình 3.5 Điểm lấy mẫu khóa ảnh Bãi thải Nam Đèo Nai – Công 32 ty CP Than Đèo Nai 11 Hình 4.1 Sơ đồ hình thể bãi thải 38 12 Hình 4.2: Hình ảnh vật liệu và sườn dốc bãi thải Nam Đèo Nai 42 13 Hình 4.3: Hình ảnh vật liệu đá thải trên mặt bãi thải 42 14 Hình 4.4 Thông mã vĩ 5 tuổi tại bãi thải Nam Đèo Nai 44 15 Hình 4.5: Sinh trưởng cây keo tai tượng 3 tuổi tại bãi thải Chính 44 Bắc 16 Hình 4.6: Bản đồ thảm thực vật bãi thải Chính Bắc 47 17 Hình 4.7: Bản đồ thảm thực vật bãi thải Nam Đèo Nai 47 18 Hình 4.8: Nốt sần Rhizobium hình thành sau khi thí nghiệm trồng 62 Keo tai tượng và Keo tai tượng kết hợp bón nhiễm chế phẩm AM in vitro trên đất bãi thải than Nam Đèo Nai 19 Hình 4.9: Bào tử AM điển hình phân lập từ đất bãi thải than sau 65 khi trồng Keo tai tượng kết hợp bón nhiễm chế phẩm AM in vitro ix
MỞ ĐẦU Hoạt động khai thác mỏ đã và đang gây ra nhiều tác động tiêu cực đến môi trƣờng (Alloway, 1990; Li and Thornton, 1993). Ô nhiễm môi trƣờng trực tiếp từ hoạt động khai thác mỏ có thể thông qua việc xáo trộn liên kết chặt của kim loại nặng trong cấu trúc đất hoặc sử dụng nhiều hóa chất trong quá trình khai thác. Kim loại nặng và các chất độc hại này có thể xâm nhập vào tầng nƣớc ngầm và tầng nƣớc mặt, làm ô nhiễm khu vực khai thác mỏ và những vùng dân sinh lân cận. Bên cạnh đó, tác động từ khai thác mỏ, đặc biệt là khai thác lộ thiên có thể làm thay đổi hiện trạng cảnh quan, xáo trộn hệ sinh thái tự nhiên, tàn phá rừng tự nhiên, tạo ra các khu bãi thải và đất hoang hóa rộng lớn sau khai thác. Do đó ô nhiễm kim loại nặng và các hợp chất hữu cơ có hại cùng với suy thoái môi trƣờng sinh thái đang là những hậu quả nghiêm trọng từ những bãi thải và hoạt động khai thác mỏ. Các chất ô nhiễm từ hoạt động khai thác mỏ rất đa dạng. Các kim loại nặng ô nhiễm đƣợc xác định bao gồm Asen (As), Chì (Pb) và Cadmium (Cd). Phơi nhiễm với các kim loại, đặc biệt là kim loại nặng ở nồng độ cao sẽ ức chế các quá trình sinh lý, sinh hóa, do đó tác động tiêu cực đến sinh trƣởng và phát triển của vi sinh vật, thực vật, động vật và con ngƣời (Shiomi, 2015). Bên cạnh đó, các chất hữu cơ ô nhiễm có vòng thơm PAHs (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons) cũng đƣợc xác định phổ biến tại các khu vực khai thác mỏ nhƣ benzene, toluene, ethylbenzene, para and ortho- xylene. Độc tính của các hợp chất PAHs đã đƣợc xác định là do tính chất ít tan trong nƣớc và dễ tan trong dầu. Do đó PAHs khó bị phân hủy, dễ dàng vận chuyển vào trong tế bào, gây rối loạn chuyển hóa, là tác nhân gây ung thƣ và vô sinh ở ngƣời (Abdel- Shafy and Mansour, 2016). Các chất ô nhiễm này là nguồn gây nguy hại tới sức khỏe con ngƣời, môi trƣờng đất, nƣớc, sinh vật và đa dạng sinh học cho cả khu vực bãi thải và các vùng lân cận. Do đó, quản lý và cải tạo đất bãi thải sau khai thác đang là yêu cầu cấp bách để bảo vệ môi trƣờng sống và hoạt động của con ngƣời. Phƣơng pháp xử lý ô nhiễm có tính bền vững đƣợc quan tâm gần đây là áp dụng thực vật để hấp thu kim loại ô nhiễm trong đất (Ghosh and Singh, 2005; Sarma, 2011; Ahmadpour et al., 2012). Thực vật sinh trƣởng và thích nghi tốt trên đất ô nhiễm sẽ hấp thụ và vận chuyển các chất ô nhiễm vào các cấu trúc nhƣ rễ, thân và lá; qua đó đất sẽ đƣợc làm sạch (Ali et al., 2013; Dadrasnia et al., 2015). Nấm rễ nội cộng sinh AM 1
đặc biệt có vai trò trong việc tăng cƣờng khả năng sinh trƣởng thực vật và phục hồi môi trƣờng đất bãi thải ô nhiễm, đặc biệt ô nhiễm kim loại nặng và PAHs (Leyval et al., 2001; Hildebrandt et al., 2007; Rangel et al., 2014). Việc nghiên cứu đánh giá khả năng cải tạo đất bãi thải ô nhiễm của keo tai tƣợng kết hợp với nấm rễ nội cộng sinh AM, một giải pháp sinh học tiềm năng và hiệu quả, là cần thiết, đặc biệt trong bối cảnh đất rừng bị suy thoái do ảnh hƣởng trực tiếp từ các hoạt động khai thác mỏ. .Khu vực phía bắc Việt Nam có lịch sử khai thác mỏ lâu đời, trong đó nhiều mỏ đang hoạt động hoặc đã ngừng hoạt động sau khai thác. Một số nghiên cứu nhằm đánh giá mức độ ô nhiễm và tuyển chọn các loài cây tiềm năng cho mục tiêu làm sạch môi trƣờng đã đƣợc thực hiện tại Hà Giang và Thái Nguyên (Bùi Thị Kim Anh et al., 2011; Ha et al., 2011). Tại Quảng Ninh, nhiều bãi thải mỏ than đã và đang hoạt động, điển hình nhƣ bãi thải Chính Bắc (Hạ Long) và bãi thải Nam Đèo Nai (Cẩm Phả). Tuy nhiên thông tin về mức độ ô nhiễm cũng nhƣ các biện pháp quản lý và cải tạo phù hợp chƣa đƣợc thực hiện tại các bãi thải này. Để giải quyết vấn đề này, các phƣơng pháp kỹ thuật lý-hóa học và vùi lấp cơ học truyền thống thƣờng không thể giải quyết triệt để tận gốc đƣợc vấn đề chất thải nguy hại và ô nhiễm do hoạt động khai thác mỏ và bãi thải gây ra, rất khó để cải tạo phục hồi hiệu quả môi trƣờng. Hơn thế nữa cách tiếp cận này rất tốn kém, và thƣờng làm rò rỉ ô nhiễm chất thải nguy hại ra môi trƣờng xung quanh, bao gồm cả nguồn nƣớc ngầm. Trong khi đó, Giải pháp công nghệ sinh học môi trƣờng kết hợp sử dụng sản phẩm công nghệ vi sinh (Microbialremediation) với thực vật (Phytoremediation) có thể đƣợc áp dụng hiệu quả cho cải tạo phục hồi các khu vực bãi thải, khai thác mỏ hoang hóa, ô nhiễm, phục hồi thảm thực vật rừng và cảnh quan hệ sinh thái với các giá trị tự nhiên vốn có (Khackrabarti, Ghosh and Fulekar 2012). Vì thế, đề tài: “Nghiên cứu khả năng sinh trƣởng và cải tạo đất bãi thải mỏ than Quảng Ninh của Keo Tai tƣợng (Acacia mangium) với Nấm rễ nội cộng sinh AM (Arbuscular mycorrhiza) tại vƣờn ƣơm” đƣợc triển khai thực hiện và làm cơ sở cho thực hiện các đề tài nghiên cứu tiếp theo. 2
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Tổng quan về xử lý phục hồi bãi thải khai thác mỏ bằng giải pháp công nghệ sinh học môi trƣờng (Bioremediation) kết hợp công nghệ vi sinh vật và thực vật 1.1.1. Trên Thế giới Nhiều kỹ thuật và công nghệ khác nhau đã đƣợc áp dụng để giải quyết vấn đề ô nhiễm phát sinh từ các bãi thải và bãi khai thác mỏ. Các phƣơng pháp nhƣ lý - hóa học và vùi lấp cơ học đã đƣợc sử dụng rộng rãi (Belluck et al., 2006). Tuy nhiên các phƣơng pháp truyền thống này thƣờng không thể giải quyết triệt để đƣợc tận gốc nguồn nguy hại do các chất ô nhiễm vẫn đƣợc lƣu trữ trong đất. Hơn nữa phƣơng pháp xử lý lý-hóa học thƣờng tốn kém, đòi hỏi đầu tƣ công nghệ cao và có thể vẫn làm rò rỉ ô nhiễm chất thải nguy hại ra môi trƣờng xung quanh, bao gồm cả nguồn nƣớc ngầm (Conesa et al., 2012). Do đó trồng cây phù hợp trên đất ô nhiễm không chỉ giúp giảm thiểu hàm lƣợng các chất ô nhiễm trong đất mà còn có thể cải thiện các vấn đề suy thoái sau khai thác khác liên quan, đồng thời khắc phục đƣợc hạn chế của công nghệ xử lý môi trƣờng bằng biện pháp lý - hóa học (Garbisu and Alkorta, 2001; Dickinson et al., 2009; Marques et al., 2009). Áp dụng thực vật cho cải thiện ô nhiễm môi trƣờng đã đạt đƣợc nhiều kết quả đáng kể (Mahar et al., 2016). Đến nay đã có khoảng 500 loài thực vật đƣợc xác định là những đối tƣợng triển vọng cho công nghệ làm sạch môi trƣờng và đƣợc áp dụng rộng rãi tại nhiều nƣớc trên thế giới (Reeves, 2006; Vasavi et al., 2015). Keo tai tƣợng là loài cây gỗ tiềm năng cho mục tiêu làm sạch môi trƣờng (Justin et al., 2011; Meeinkuirt et al., 2012; Cipriani et al., 2013). Keo tai tƣợng có một số đặc điểm sinh trƣởng phát triển phù hợp cho tiêu chí làm sạch môi trƣờng nhƣ cây sinh trƣởng nhanh, rễ lan rộng, thích nghi với nhiều loại đất, dễ gây trồng và khai thác, không làm thức ăn cho ngƣời và gia súc, chống chịu với độc tố kim loại nặng cao. Nghiên cứu gây trồng trên đất bùn ô nhiễm cho thấy keo tai tƣợng đã làm giảm 24,4% độc tố Zn, 6,2% độc tố Cu và 9,5% độc tố Cd trong đất sau 12 tháng (Mohd et al., 2013). Nghiên cứu khác cũng cho thấy keo tai tƣợng có khả năng chống chịu tốt trên đất nhiễm kim loại nặng. Sự tích lũy các kim loại nặng trong các cấu trúc của keo tai tƣợng tuy nhiên khác nhau phụ thuộc vào tính chất của từng nguyên tố. Ví dụ hàm 3
lƣợng kim loại Cd và Pb đƣợc tích lũy tƣơng đối cao hơn trong thân; Cr và Cu tích lũy nhiều hơn trong rễ và Zn tích lũy nhiều trong cả rễ và lá (Ang et al., 2010; Justin et al., 2011; Majid et al., 2012). Nấm rễ nội cộng sinh là nhóm nấm cộng sinh bắt buộc với rễ của khoảng 80% các loài thực vật (Smith and Read, 2010). Thực vật cộng sinh với nấm rễ thể hiện khả năng sinh trƣởng ƣu thế trong điều kiện đất nghèo dinh dƣỡng (Smith and Read, 2010). Không những thế nấm rễ nội cộng sinh còn có vai trò tích cực trong bảo vệ cây trồng thích nghi tốt trên đất ô nhiễm bởi các yếu tố độc hại (Leyval et al., 2001; Volante et al., 2005; Verdin et al., 2006; Ban et al., 2015). Nấm rễ nội cộng sinh giúp tăng cƣờng sự chống chịu của thực vật với nguồn ô nhiễm thông qua tăng cƣờng dinh dƣỡng cho cây và hạn chế khả năng vận chuyển của các độc tố vào trong cây. Nhiều nghiên cứu cho thấy nấm rễ nội cộng sinh có thể làm giảm các độc tố kim loại nặng trong đất nhƣ Zn, Cd, Pb, As (Leyval et al., 1997; Hildebrandt et al., 2007; Gamalero et al., 2009; Rajkumar et al., 2012). Ví dụ, thực vật cộng sinh với nấm rễ có hàm lƣợng độc tố As trong rễ và thân thấp hơn so với cây đối chứng không cộng sinh với nấm rễ. Giảm khả năng tích lũy arsenate trong cây cộng sinh đƣợc thực hiện nhờ sự hạn chế hoạt động của các kênh vận chuyển hợp chất này trên màng của tế bào biểu bì rễ (Christophersen et al., 2012). Nấm rễ nội cộng sinh cũng có vai trò trong việc làm sạch các chất PAHs trong đất. Cơ chế đƣợc đề xuất nhờ sự tăng cƣờng bề mặt hấp phụ và khả năng cố định các hợp chất ô nhiễm trong bào tử và các cấu trúc sợi nấm ngoại bào (Rajkumar et al., 2012; Aranda et al., 2013). Nghiên cứu trong điều kiện in vitro cho thấy nấm rễ nội cộng sinh giúp làm giảm từ 40% đến 98% hàm lƣợng PAHs trong môi trƣờng so với đối chứng (Volante et al., 2005). 1.1.2. Tại Việt Nam Nghiên cứu làm sạch môi trƣờng bằng thực vật ở Việt Nam mới đƣợc quan tâm những năm gần đây (Bùi Thị Kim Anh et al., 2014). Tuy nhiên các nghiên cứu này tập trung chủ yếu vào các cây nhƣ dƣơng xỉ và cây cỏ (Lê Văn Thành et al., 2008; Lê Văn Thành, 2005; Đặng Kim Chi et al., 2007; Tran and Dao, 2005). Liên quan đến các hoạt động khai thác mỏ, nghiên cứu tại Việt Nam cho thấy khai thác mỏ đã tạo ra những tác động tiêu cực đến môi trƣờng sinh thái, đặc biệt là ô nhiễm kim loại nặng bao gồm Ni, Cr, Pb, Cu, Se, Hg, Cd (Bùi Thị Kim Anh et al., 2011). Nghiên cứu tại Hà Giang cho 4
thấy khu vực khai thác trì và kẽm bị ô nhiễm nghiêm trọng các kim loại nặng nhƣ Pb, As, Zn, Mn, và Cd. Đồng thời, ô nhiễm các kim loại này trong đất cũng dẫn đến tăng hàm lƣợng Mn, As, và Pb trong nguồn nƣớc cao hơn đến 90 lần so với tiêu chuẩn nguồn nƣớc sạch của WHO (Ha et al., 2011). Ô nhiễm kim loại nặng đã làm cho dinh dƣỡng đất suy kiệt và không thể gây trồng (Đặng Thị An 2005). Do đó ô nhiễm môi trƣờng liên quan đến các hoạt động khai thác mỏ là vấn đề cấp thiết cần đƣợc xử lý tại Việt Nam (Nguyen 2005). Kết quả nghiên cứu trên 33 loài cây bản địa tại Thái nguyên đã xác định đƣợc 2 loài dƣơng xỉ tại Đại Từ phù hợp cho làm sạch đất ô nhiễm As; 4 loài cỏ tại Đồng Hỷ có khả năng cố định Pb và Zn trong rễ. Tại khu vực có ảnh hƣởng từ hoạt động khai thác mỏ tại Hà Giang cũng đã chọn lọc đƣợc 10 loài cây sinh trƣởng tự nhiên trên khu vực khai thác chì và kẽm có khả năng tích lũy các kim loại nặng nhƣ Cr, Mn, Zn, As, và Pb. Đặc biệt đã tuyển chọn đƣợc 3 loài cây phù hợp có khả năng làm sạch đồng thời As và các kim loại nặng khác (Ha et al., 2011). Đến nay chƣa có nghiên cứu công bố về tiềm năng của các cây gỗ trong vấn đề làm sạch môi trƣờng tại các vùng khai thác mỏ tại Việt Nam. 1.2. Tổng quan về nấm rễ nội cộng sinh AM (Arbuscular mycorrhiza) 1.2.1. Khái niệm Mycorrhiza là thể cộng sinh giữa hệ sợi nấm trong đất với rễ của thực vật bậc cao. Frank là ngƣời đầu tiên phát hiện ra đặc điểm kết hợp đặc biệt này ở rễ của cây Cupulifereae vào năm 1885 và gọi đó là mycorrhiza. Từ ―mycorrhiza‖ có nghĩa là ―nấm - rễ‖, tác giả đã dùng từ này để nhấn mạnh mối quan hệ giữa nấm và rễ cây (Roger et al. 2004a). Nấm rễ nội cộng sinh AM đƣợc xác định là mối quan hệ không thể thiếu ở hầu hết các loài thực vật (hơn 90% các loài thực vật có khả năng hình thành cộng sinh AM). Sự kết hợp đó mang lại lợi ích cho cả thực vật và vi sinh vật, qua đó, nấm có đƣợc các hợp chất đồng hóa từ thực vật để sống, đồng thời nấm lại giúp rễ cây tăng cƣờng khả năng hấp thụ nƣớc, các chất hữu cơ hòa tan trong đất đặc biệt là phospho, chống chịu các yếu tố bệnh hại cũng nhƣ các chất độc kim loại nặng. Do đó, có tác dụng cải tạo và ổn định cấu trúc đất, cân bằng hệ sinh thái. Quan hệ cộng sinh này đặc biệt thể hiện vai trò trên những vùng đất khô cằn, hệ sinh thái bị xáo trộn nghiêm trọng, nghèo dinh dƣỡng hay có tiềm năng độc hại cao. Vì vậy công nghệ AM có khả năng áp dụng rộng 5
cho nhiều loài cây lâm nghiệp, không chỉ giúp tạo ra đƣợc nguyên liệu cây trồng rừng có chất lƣợng cao, khả năng thích nghi và năng suất tốt trên những lập địa cằn cỗi mà còn đáp ứng tốt nhất cho nhu cầu sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên đất đai theo mục tiêu mở rộng diện tích cây trồng rừng nhƣng không cạnh tranh với đất trồng cây nông nghiệp, tăng cƣờng hiệu quả sử dụng các vùng đất hoang hóa theo cách bền vững và thân thiện với môi trƣờng. Mycorrhiza có phân bố ở hầu khắp các nơi, thấy ở cây cỏ, rêu, dƣơng xỉ, một số cây lá kim, và hầu hết các cây lá rộng. Sự phổ biến cùng với những vai trò tích cực của nấm rễ đã kích thích việc nghiên cứu về mycorrhiza ngày càng mở rộng và sâu sắc hơn. Trong khoảng 20 năm trở lại đây, những nghiên cứu cơ bản đƣợc thực hiện bởi hàng trăm các nhà nghiên cứu từ các nƣớc khác nhau trên thế giới đã đem lại nhiều kết quả hết sức ý nghĩa cho ứng dụng mycorrhiza trong hệ sinh thái nông nghiệp, lâm nghiệp và môi trƣờng. Dựa trên đặc điểm xâm nhiễm của nấm vào rễ cây chủ, mycorrhiza đƣợc phân thành 2 nhóm chính là ngoại cộng sinh (Ectomycorrhiza, EM), và nội cộng sinh (Endomycorrhiza, AM). Ectomycorrhiza: Ectomycorrhiza có ở những cây gỗ lớn, điển hình là thông, sồi, cáng lò, những cây có giá trị kinh tế cao, tuy nhiên ectomycorrhiza có tính đặc trƣng loài. Đặc điểm của ectomycorrhiza là sợi nấm nội bào chỉ xâm nhập vào khoảng gian bào của các tế bào vùng vỏ rễ và sợi nấm ngoại bào phân nhánh mạnh tạo thành lớp vỏ bao quanh rễ nên làm biến đổi hình thái bên ngoài của rễ. Hầu hết ectomycorrhiza thuộc Lớp Basidiomycetes nhƣ Agaricales, số ít thuộc Lớp Ascomycetes. Endomycorrhiza: Hình thành ở khoảng 80% thực vật bậc cao. Đặc điểm của endomycorrhyza là sợi nấm của chúng xâm nhập vào bên trong tế bào vỏ rễ của thực vật bậc cao và không gây nên những biến đổi hình thái bên ngoài của rễ, thƣờng có một phần của sợi nấm còn nằm phía ngoài nhƣng chúng không tạo lớp vỏ bao ngoài rễ. Cấu trúc điển hình của endomycorrhiza là sự hình thành những cấu trúc đặc biệt vesicules và arbuscules. Ở một số nhóm endomycorrhiza ngƣời ta quan sát thấy có vesicules(Vesicular mycorrhiza, VM) hoặc arbuscules (Arbuscular mycorrhiza, AM) hoặc đồng thời cả hai cấu trúc này trong tế bào vỏ rễ (Vesicular arbuscular mycorrhiza, VAM). 6
Vậy AM là thể cộng sinh giữa nấm với rễ cây ở thực vật bậc cao mà hình thành nên cấu trúc đặc biệt vesicules, arbuscules trong tế bào vỏ rễ và không gây biến đổi hình thái ngoài của rễ. Do tính phổ biến, có lợi và không cố hữu cho 1 loài nên nhóm vesiculesarbuscular mycorrhiza rất đƣợc quan tâm nghiên cứu để ứng dụng trong nông nghiệp cũng nhƣ trong lâm nghiệp. 1.2.2. Đặc điểm của Nấm rễ nội cộng sinh AM (Arbuscular mycorrhiza) Hệ thống phân loại AM hiện nay ( dựa trên trình tự của rRNA ) đƣợc tóm tắt trong hình sau: Hình 1.1: Cây phân loại nấm rễ nội cộng sinh AM (Nguồn:http://www.google.com.vn/url?source=imglanding&ct=img&q=http://invam.c af.wvu.edu/fungi/taxonomy) Trong một thời gian dài AM đƣợc xếp vào ngành phụ nấm tiếp hợp (Zygomycota) do cấu trúc sợi nấm không có vách ngăn, lớp nấm tiếp hợp (Zygomycetes). Hiện nay, bằng những nghiên cứu mức độ phân tử hệ thống phát sinh loài đã cho thấy Zygomycota là ngành đa hệ (poli-phyletic), do đó nấm AM đƣợc tách ra khỏi ngành Zygomycota hình thành lên ngành mới là Glomeromycota. Phân loại đến cấp họ cho AM đƣợc dựa trên 4 tiêu chí cơ bản: 7
- Cấu trúc mycorrhiza cộng sinh trong rễ. - Phƣơng thức hình thành bào tử khi đƣợc phân lập trong đất. - Cấu trúc nội bào tử. - Phƣơng thức nảy mầm bào tử. Nấm rễ nội cộng sinh (AM) có cấu tạo điển hình bao gồm cấu trúc nội bào (arbuscules, vesicules, sợi nấm nội bào) và cấu trúc ngoại bào (sợi nấm ngoại bào, bào tử).  Nhóm cấu trúc nội bào: a b Hình 1. 2: B i sợi nấm (Arbuscules)(a)T i sợi nấm ( esicules) (b) - Arbuscules: Là thể giác mút, lƣỡng phân, dạng nhƣ lông bàn chải, là phần trao đổi dinh dƣỡng chính giữa thực vật chủ và nấm (Gianinazzi et al. 2002). Chúng đƣợc hình thành bên trong tế bào vỏ rễ(Mosse and Hepper 1975b) và là dấu hiệu cho biết có hoạt động của mycorrhiza. Tùy vào từng loài khác nhau mà arbuscules cũng có những đặc trƣng riêng về hình dạng và sự phân nhánh. - Vesicules: Có dạng hình cầu hoặc trứng, có thành tế bào dày, là cơ quan dự trữ dinh dƣỡng cho nấm, có chứa lipit và glycolipit (Mosse and Thompson 1981a). Nó đƣợc tạo thành bởi đoạn giữa hay đầu lồi tận cùng của sợi nấm nội bào, phân bố trong khoảng gian bào hoặc bên trong tế bào vỏ rễ. - Sợi nấm nội bào: Sợi nấm nội bào không có vách ngăn,dạng thẳng hoặc phân nhánh hình chữ H hoặc Y,chúng cũng hình thành dạng cuộn, tần số xuất hiện của chúng phụ thuộc vào vị trí trong rễ và đặc điểm của từng loài nấm (Morton 2000). Sợi nấm vừa là phần chứa chất dự trữ vừa là một phần của con đƣờng vận chuyển các chất hấp thụ bởi các sợi nấm bên ngoài từ đất tới arbuscules hoặc trực tiếp tới tế bào rễ của cây chủ (Bieleski 1973). 8
 Nhóm cấu trúc ngoại bào: - Sợi nấm ngoại bào: Sợi nấm ngoại bào không có vách ngăn, vai trò làm tăng rõ rệt diện tích hấp thụ của rễ cây (Bieleski 1973), cầu sợi nấm hình thành con đƣờng vận chuyển chất dinh dƣỡng giữa thực vật cộng sinh và khối đất bám quanh rễ (Koske and Gemma 1989). Sợi nấm ngoại bào tạo ra chỗ cƣ ngụ quan trọng của hệ nấm rễ (Jasper et al. 1989, 1991). a b Hình 1. 3: a Sợi nấm ngoại bào (extraradical hyphae)b Bào tử (spores) - Bào tử: Bào tử có thể dạng đơn hoặc đa bào, chủ yếu hình thành ở đầu của sợi sinh bào tử nối tiếp với sợi nấm ngoại bào, đôi khi bào tử cũng xuất hiện bên trong rễ (Koske et al. 1985), trên bề mặt đất (BeCard and Fortin 1988), trên bề mặt thực vật hay các mảnh phân giải (Blaszkowski et al. 1998). Số lƣợng bào tử hình thành phụ thuộc vào từng loài nấm (Blaszkowski, 1993), loài cây chủ và tính đa dạng của nó (Blaszkowski 1993; Hetrick and Bloom 1986), độ màu mỡ của đất và chế độ phân bón (Koske et al. 1989), đặc điểm vật hậu của cây chủ (Giovannetti and Avio 2002), cƣờng độ ánh sáng (Daft and El Giahmi 1978), và khả năng cạnh tranh của từng loài nấm (Koske et al. 1989). Bào tử có kích thƣớc tƣơng đối lớn (50 ÷ 500 µm), lớn hơn nhiều so với bào tử của những loại nấm khác. Vai trò của bào tử là phát tán đến nơi sống mới, và khởi đầu quá trình sinh trƣởng khi đƣợc tách ra từ cơ thể mẹ. Do đặc điểm cấu trúc các thành phần cấu tạo nên bào tử ổn định trong những điều kiện sinh thái khác nhau nên chúng đƣợc coi là tiêu chí quan trọng trong phân loại AM. 9
Hình 1. 4: Sơ đồ cấu tr c AM điển hình (Bao gồm arbuscules, vesicles, sợi nấm ngoại bào và bào tử) (Nguồn: http://mycorrhizas.info/vam/vamsoil2.gif) 1.2.3. Vai trò của nấm rễ nội cộng sinh đối với thực vật và môi trường, hệ sinh thái Nấm rễ là thể sống cộng sinh bắt buộc. Những hoạt động của nấm cũng nhƣ của thực vật có vai trò hỗ trợ cho nhau. Nấm sử dụng nguồn cacbon từ thực vật dƣới dạng đƣờng hexoses và các vitamin. Sự vận chuyển cacbon từ thực vật sang nấm đƣợc thực hiện nhờ arbuscules hoặc các sợi nấm nội bào. Tại các sợi nấm nội bào diễn ra quá trình biến đổi dinh dƣỡng thứ cấp để cung cấp glycogen, pentose, lipit… cho hoạt động của nấm (Turmel 2004). Gần 20% cacbon do thực vật tổng hợp đƣợc chuyển sang nấm và khoảng 25% cacbon nguồn gốc từ thực vật đƣợc nấm biến đổi và dự trữ ở những sợi nấm ngoại bào, việc này góp phần làm tăng thêm nguồn hữu cơ trong đất. Lợi ích của AM đối với thực vật chủ yếu là tăng cƣờng cải thiện hấp thụ các chất dinh dƣỡng và nƣớc, trong đó quan trọng nhất là tăng cƣờng hấp thụ dinh dƣỡng lân (P), hấp thụ nƣớc, chống chịu với các yếu tố bất lợi của môi trƣờng, đặc biệt trên các hiện trƣờng đất đai cằn cỗi, khô hạn. Hoạt động này đƣợc tăng cƣờng là do nấm rễ nội cộng sinh hình thành nhiều hệ sợi nấm phân nhánh mảnh tạo thành vô số cầu nối giữa môi trƣờng đất với các tế bào rễ, tăng diện tích tiếp xúc với đất, biến đổi môi trƣờng quanh rễ làm cho các chất trở nên linh động và thực vật có thể hấp thụ đƣợc (đến 80% nhu cầu về P và 25% nhu cầu về N của cây đƣợc cung cấp nhờ nấm) (Turmel 2004). 10