Một số loài rau ăn lá có khả năng hấp thụ và tích lũy lượng lớn kim loại từ đất, được ví như những "cây ăn kim loại". Đặc tính đặc biệt này đang mở ra triển vọng khai thác và thu hồi các kim loại có giá trị từ những vùng đất nghèo quặng, đồng thời góp phần cải tạo môi trường tại các khu vực khai thác mỏ.

Những "cây ăn kim loại" và triển vọng khai thác kim loại bằng thực vật. Ảnh: YuRi Photolife / Shutterstock

Những loài thực vật này, được gọi là thực vật siêu tích lũy, có khả năng hấp thụ và tích tụ kim loại ở mức cao hơn rất nhiều so với thực vật thông thường mà vẫn sinh trưởng bình thường. Chẳng hạn, một số loài thuộc chi Brassica có thể tích lũy thallium trong mô thực vật với nồng độ cao gấp hàng trăm lần so với các loài cây thông thường.

Ưu thế của họ cải trong thu hồi thallium bằng thực vật

Họ Brassicaceae, bao gồm cải xoăn, bắp cải, bông cải xanh, súp lơ, cải bẹ xanh (cải mù tạt) và cải Brussels, được biết đến với khả năng siêu tích lũy thallium - một kim loại nặng độc hại. Theo các nhà nghiên cứu tại Viện Khoáng sản Bền vững thuộc Đại học Queensland (Australia), những loài thực vật này đã phát triển các cơ chế tiến hóa đặc biệt cho phép hấp thụ thallium từ đất ô nhiễm thông qua hệ rễ, sau đó vận chuyển và tích lũy kim loại này trong các bộ phận trên mặt đất, đặc biệt là lá.

Không chỉ sở hữu khả năng tích lũy thallium hiệu quả, các loài thuộc họ Brassicaceae còn có nhiều ưu điểm về mặt nông học như tốc độ sinh trưởng nhanh, phân bố rộng ở nhiều khu vực địa lý và nguồn hạt giống dễ tiếp cận. Trong số đó, cải mù tạt Ấn Độ là một trong những loài có phạm vi phân bố rộng nhất, đồng thời có khả năng chịu được hàm lượng thallium cao trong đất. Đặc tính này mở ra triển vọng ứng dụng trong cả chiết xuất thực vật lẫn thăm dò sinh học. Với những lợi thế này, các loài Brassica được xem là đối tượng đầy tiềm năng để mở rộng quy mô các hoạt động khai thác kim loại bằng thực vật trong tương lai.

Tiềm năng kinh tế của khai thác thallium bằng thực vật

Mặc dù là một trong những kim loại nặng độc hại nhất, thallium giữ vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp công nghệ cao. Với giá thị trường khoảng 8.800 USD/kg, kim loại này được sử dụng trong sản xuất đồng vị phóng xạ phục vụ y học, thủy tinh quang học chuyên dụng và vật liệu siêu dẫn. Chính giá trị kinh tế cao cùng nguy cơ ô nhiễm môi trường đã thúc đẩy các nhà khoa học nghiên cứu phương pháp thu hồi thallium từ đất bị ô nhiễm bằng thực vật, thay vì để kim loại này tiếp tục phát tán vào đất và nguồn nước.

Các tính toán cho thấy thu hồi thallium bằng thực vật có thể mang lại giá trị kinh tế đáng kể. Đối với Biscutella laevigata, một loài thực vật vùng núi thuộc họ Brassicaceae ở châu Âu, sản lượng sinh khối khoảng 4 tấn/ha với hàm lượng thallium trung bình 425 µg/g và mật độ 50 cây/m² có thể tạo ra khoảng 1,7 kg thallium mỗi hecta mỗi năm. Với mức giá hiện nay, sản lượng này tương đương giá trị gần 15.000 USD/ha/năm.

Trong khi đó, Iberis linifolia, loài thực vật bản địa vùng Địa Trung Hải thuộc cùng họ Brassicaceae, cho thấy tiềm năng vượt trội hơn. Với sản lượng sinh khối khoảng 10 tấn/ha và hàm lượng thallium đạt 800 µg/g, loài cây này có thể cung cấp tới 8 kg thallium mỗi hecta mỗi năm, tương ứng giá trị khoảng 70.400 USD trước chi phí chế biến và tinh luyện. Sự khác biệt này cho thấy năng suất sinh khối và khả năng tích lũy kim loại là những yếu tố quyết định hiệu quả kinh tế của hoạt động khai thác thallium bằng thực vật, đồng thời khẳng định tiềm năng của một số loài Brassicaceae trong việc kết hợp phục hồi môi trường với thu hồi tài nguyên có giá trị cao.

Giải mã cơ chế lưu trữ thallium trong lá cải xoăn

Một nghiên cứu do Corzo-Remigio và cộng sự thực hiện, công bố năm 2026 trên tạp chí Metallomics, đã cung cấp cái nhìn chi tiết chưa từng có về cách thallium được tích lũy và lưu giữ bên trong lá cải xoăn. Bằng cách kết hợp kỹ thuật phân tích huỳnh quang tia X vi mô (μXRF) với lập bản đồ nhiễu xạ tia X vi mô (μXDM) tại PETRA III - nguồn bức xạ synchrotron tiên tiến thuộc DESY ở Hamburg (Đức), các nhà khoa học đã xác định được vị trí phân bố của thallium trong mô lá.

Kết quả cho thấy thallium tập trung chủ yếu dọc theo mép lá, đặc biệt ở khu vực lân cận các bó mạch dẫn. Tại đây, kim loại này tồn tại dưới dạng các cụm tinh thể thallium clorua (TlCl) có cấu trúc lập phương, với kích thước khoảng 5 μm. Theo nhóm nghiên cứu, dạng tồn tại kết tinh của thallium tương đối thuận lợi cho các quy trình chiết tách và luyện kim. Kim loại này có thể được thu hồi từ sinh khối bằng các axit cacboxylic, mở ra triển vọng nâng cao hiệu quả kinh tế của công nghệ khai thác bằng thực vật. Đáng chú ý, sự hình thành các tinh thể TlCl được cho là phản ánh một cơ chế thích nghi tương tự ở các loài thực vật chịu mặn, vốn có khả năng cô lập và đào thải lượng muối dư thừa qua lá. Điều đó cho thấy cải xoăn cũng sử dụng chiến lược sinh học tương tự để cô lập và kiểm soát lượng thallium tích lũy, qua đó giảm thiểu tác động độc hại của kim loại này đối với các quá trình sinh trưởng của cây.

Lợi ích kép của khai thác kim loại bằng thực vật

Một trong những ưu điểm nổi bật của phương pháp khai thác kim loại bằng thực vật là khả năng đồng thời cải tạo đất ô nhiễm và thu hồi các kim loại có giá trị. Trong khi các biện pháp phục hồi môi trường mỏ truyền thống thường đòi hỏi bóc xúc và xử lý đất ô nhiễm với chi phí kinh tế cũng như tác động sinh thái đáng kể, sử dụng thực vật để khai thác kim loại biến các khu vực ô nhiễm thành những "cánh đồng thu hoạch kim loại", nơi nồng độ kim loại trong đất giảm dần qua mỗi vụ trồng, đồng thời tạo ra nguồn sinh khối có giá trị cho quá trình thu hồi tài nguyên.

Sau khi thu hoạch, sinh khối giàu kim loại được đưa vào các công đoạn xử lý và chiết tách, bao gồm thủy luyện, nhiệt phân hoặc hỏa luyện. Các quy trình này được phát triển dựa trên những kinh nghiệm thu được từ công nghệ xử lý quặng sinh học giàu niken.

Theo các chuyên gia tại Viện Khoáng sản Bền vững, những kết quả nghiên cứu hiện nay cho thấy các phương pháp khai thác phi truyền thống, trong đó có khai thác kim loại bằng thực vật, có thể trở thành một giải pháp bổ trợ quan trọng nhằm cung cấp các kim loại phục vụ công nghệ y học, năng lượng tái tạo và nhiều lĩnh vực công nghệ cao khác trong tương lai.

Nâng cao hiệu quả khai thác bằng công nghệ sinh học

Mặc dù các loài thực vật siêu tích lũy vốn đã sở hữu khả năng hấp thụ kim loại đáng kể, hiệu quả này vẫn có thể được nâng cao thông qua các biện pháp can thiệp có chủ đích. Những tiến bộ trong công nghệ sinh học và kỹ thuật di truyền cho phép điều chỉnh hoạt động của các protein vận chuyển kim loại trong cây, giúp thực vật hấp thụ và tích lũy lượng kim loại lớn hơn mà không bị ảnh hưởng bởi độc tính kim loại. Nhờ đó, năng suất sinh khối cũng như lượng kim loại thu hồi trong mỗi chu kỳ canh tác có thể được cải thiện đáng kể.

Bên cạnh đó, các giải pháp cải tạo đất cũng đóng vai trò quan trọng. Việc bổ sung than sinh học, các chất tạo phức hoặc chế phẩm vi sinh giúp tăng khả năng hấp thu kim loại trong vùng rễ, giúp cây vận chuyển chúng lên thân và lá hiệu quả hơn. Sự kết hợp giữa chọn tạo giống, công nghệ sinh học và các giải pháp hỗ trợ từ vi sinh vật được kỳ vọng sẽ nâng cao hiệu quả kinh tế của khai thác kim loại bằng thực vật, đặc biệt tại những khu vực có hàm lượng quặng thấp, nơi các phương pháp khai thác truyền thống khó đạt hiệu quả về chi phí.

Những lưu ý về an toàn thực phẩm

Khả năng tích lũy kim loại vượt trội của các loài thuộc họ Brassicaceae vừa là lợi thế đối với hoạt động khai thác kim loại bằng thực vật, vừa đặt ra những lo ngại về an toàn thực phẩm. Các nghiên cứu cho thấy cải xoăn trồng trên đất chứa thallium có khả năng hấp thụ và tích lũy kim loại này ở mức rất cao, với hệ số nồng độ sinh học lớn nhất trong số các loại rau được khảo sát. Vì vậy, ở những khu vực đất bị ô nhiễm, loài cây này được đánh giá có nguy cơ gây phơi nhiễm thallium đối với con người cao hơn nhiều loại rau khác.

Việc kiểm soát rủi ro được thực hiện thông qua các quy định về giới hạn thallium trong thực phẩm. Tuy nhiên, các ngưỡng cho phép hiện nay vẫn có sự khác biệt đáng kể giữa các quốc gia và khu vực. Chẳng hạn, Đức quy định hàm lượng thallium tối đa trong thực phẩm là 0,5 mg/kg, trong khi các cơ quan quản lý an toàn thực phẩm của Liên minh châu Âu thường đánh giá nguy cơ dựa trên mức độ phơi nhiễm từ toàn bộ khẩu phần ăn.

Theo các nhà nghiên cứu, giải pháp hiệu quả nhất là phân tách rõ ràng mục đích sử dụng đất. Các loài cây phục vụ khai thác kim loại bằng thực vật được trồng tại những khu vực ô nhiễm chuyên biệt và không tham gia vào chuỗi cung ứng thực phẩm. Cách tiếp cận này đã được áp dụng trong nhiều dự án khai thác niken bằng thực vật, nơi cây trồng được xem là nguồn nguyên liệu công nghiệp thay vì nông sản phục vụ tiêu dùng.

Triển vọng của khai thác kim loại bằng thực vật

Nhu cầu ngày càng tăng đối với các khoáng sản quan trọng, cùng áp lực phục hồi môi trường tại các khu vực khai thác và những tiến bộ trong khoa học thực vật, đang tạo động lực mạnh mẽ cho sự phát triển của công nghệ khai thác kim loại bằng thực vật. Nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Metallomics đã góp phần làm sáng tỏ cơ chế tích lũy thallium trong cây trồng, từ vị trí phân bố đến dạng tồn tại hóa học của kim loại này trong lá. Đây là cơ sở khoa học quan trọng cho các quy trình chiết tách và tinh luyện hiệu quả hơn.

Tuy nhiên, để công nghệ này được triển khai rộng rãi, vẫn cần sự phối hợp chặt chẽ giữa các nhà sinh học thực vật, địa hóa học và luyện kim nhằm hoàn thiện quy trình thu hồi kim loại từ sinh khối, đồng thời đánh giá hiệu quả kinh tế ở quy mô sản xuất thực tế. Với giá trị thương mại cao của thallium và nhu cầu ngày càng lớn từ các ngành công nghệ cao như bán dẫn, siêu dẫn và thiết bị y sinh, việc sử dụng các loài thực vật có khả năng siêu tích lũy kim loại không chỉ mở ra hướng tiếp cận mới trong phục hồi môi trường mà còn hứa hẹn trở thành một giải pháp khai thác tài nguyên theo hướng xanh và bền vững hơn trong tương lai./.