Nghiên cứu quy luật tích lũy kim loại nặng của con nghêu Meretrix Lyrata ở cửa biển bằng phương pháp mô hình hóa985

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮTHợp chất sulfite bay hơi axit Acid-volatile sulfides AVS Hệ số tích lũy sinh học Bioaccumulation factor BAF Hệ số tích lũy sinh học trong trầm Số đếm ion

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

-

PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THU T Ậ

HÀ NỘI - 2010

PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA

Chuyên ngành: Quá trình thiết b ị công nghệ hóa học

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả được nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được cá nhân hay tổ chức khoa học nào công bố trên bất kỳ công trình nào khác trong và ngoài nước

Bùi Đặng Thanh

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

Hợp chất sulfite bay hơi axit Acid-volatile sulfides AVS

Hệ số tích lũy sinh học Bioaccumulation factor BAF

Hệ số tích lũy sinh học trong trầm

Số đếm ion trên giây (đơn vị đo của

Buồng phản ứng va chạm Collision Reaction Cell CRC

Dự trữ năng lượng động học Dynamic Energy Budget DEB Phổ hấp thụ nguyên tử chế độ ngọn

Trao đổi cơ chất độc hại qua dinh

dưỡng và mang Food and Gill Exchange of Toxic Substances FGEST Phổ hấp thụ nguyên tử chế độ lò

graphit Graphit Furnace Atomic Absorption Spectrometry GF-AASPhổ hấp thụ nguyên tử chế độ bay

hơi hydrit Hydrit Generator Atomic Absorption Spectrometry HG-AASSắc ký lỏng hiệu quả cao High Performance Liquid

Phổ khối plasma cảm ứng cao tần Inductively Coupled Plasma –

Phổ phát xạ quang plasma cảm ứng

cao tần Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry – ICP-OES Phân biệt đối xử động năng Kinetic Energy Discrimination KED

Cục Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ United State Environmental

Mô hình tích lũy sinh học sò Oyster Bioaccumulation Model OBM Hợp chất hydrocacbon đa nhân thơm Polyaromatic hydrocacbons PAH

Độ lệch chuẩn tương đối Relative Standard Deviation RSD

Các kim loại chiết được đồng thời Simultaneously extracted metals SEM

1.3.3 Ứng dụng trong cảnh báo an toàn thực phẩm 40

2.2 Công cụ nghiên cứu, trang thiết bị và hóa chất 42

2.2.2 Phân tích mẫu trầm tích và mẫu mô nghêu 45 2.3 Phương pháp nuôi nghêu trong phòng thí nghiệm 50 2.3.1 Nuôi nghêu xây dựng mô hình thống kê 52

2.3.2 Nuôi nghêu xây dựng mô hình vi phân 53 2.4 Phương pháp xác định tương quan khối lượng 54 2.5 Phương pháp xác định môi trường tích lũy chủ yếu 55 2.6 Phương pháp xây dựng mô hình hệ số tích lũy 57 2.7 Phương pháp xây dựng mô hình thống kê 58 2.8 Phương pháp xây dựng mô hình vi phân 63

3.1 Xác định môi trường tích lũy chủ yếu 68 3.2 Đánh giá tương quan các giá trị khối lượng 69

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Một số thông số được sử dụng xây dựng mô hình OBM 30

Bảng 2.3 Các thông số điều khiển thiết bị, thu nhận dữ liệu tối ưu 49 Bảng 2.4 Một số yếu tố kỹ thuật và môi trường nuôi vỗ nghêu bố mẹ 51 Bảng 2.5 Các điều kiện nuôi nghêu trong phòng thí nghiệm 52 Bảng 2.6 Ma trận kế hoạch thực nghiệm xây dựng mô hình thống kê 62 Bảng 3.1 Nồng độ Cd, As, Cu trong mô, nước và trầm tích của khảo sát xác

định môi trường tích lũy chủ yếu

68

Bảng 3.2 Khối lượng cả vỏ, khối lượng mô tươi, khối lượng mô khô của 10 cá

thể nghêu chọn ngẫu nhiên trong môi trường tự nhiên

69

Bảng 3.3 Các kết quả xác định BAF thực nghiệm từ 10 mẫu nghêu sống trong

môi trường tự nhiên

71

Bảng 3.4 Sai số giữa giá trị BAF tính theo mô hình so với giá trị BAF thực

nghiệm đối với 3 kim loại nghiên cứu

72

Bảng 3.5 Kết quả thí nghiệm thu được từ ma trận thực nghiệm, giá trị các hệ

số hồi quy và thông số thống kê đánh giá mô hình

74

Bảng 3.6 So sánh sai số giữa mô hình BAF và mô hình thống kê dựa theo giá trị

thực nghiệm trong kế hoạch thực nghiệm xây dựng mô hình thống kê

77

Bảng 3.7 Biến thiên nồng độ Cd, As, Cu trong mô nghêu của các thực nghiệm

xây dựng mô hình vi phân

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Trang Hình 1.1 Giải phẫu phần mô mềm bên trong nghêu Meretrix lyrata 15 Hình 1.2 Con đường vận chuyển kim loại nặng qua lại giữa nước, dinh

Hình 1.5 Biểu đồ mô tả con đường vận chuyển kim loại nặng sử dụng xây

dựng mô hình tích lũy DEB

21

Hình 2.2 Bể nuôi và các thiết bị sử dụng ổn định môi trường sống của

nghêu trong phòng thí nghiệm

52

Hình 3.1 Đồ thị biểu diễn sự biến đổi nồng độ trong mô cả hai giai đoạn

tích lũy và bài tiết với môi trường nước nuôi có nồng độ khác

nhau: (a) Cd 4 g/l, (b) Cd 20 g/l, (c) As 25 g/l, (d) As 50 g/l, (e

Cu 20 g/l, (f) Cu 50 g/l

82

Hình 3.2 Đồ thị biểu diễn sự dao động hằng số tốc độ bài tiết theo thời

gian nuôi tại mỗi mức nồng độ kim loại hòa tan trong nước khác

nhau ở giai đoạn nuôi hấp thu

83

Hình 3.3 Đồ thị biểu diễn sự dao động của hằng số tốc độ hấp thu theo thời

gian nuôi tại mỗi mức nồng độ kim loại hòa tan trong nước khác nhau

86

MỞ ĐẦU

Một trong các xu hướng nghiên cứu về môi trường đang phát triển mạnh trên thế giới là sử dụng sinh vật làm chỉ thị và xử lý ô nhiễm của đa dạng các loại chất hóa học khác nhau, chủ yếu là các chất hữu cơ bền vững, các chất hữu cơ chứa halogen, các kim loại nặng, Sinh vật được sử dụng …cho mục đích này bao gồm cả thực vật và động vật, một trong số đó là các loài sinh vật đáy, các loài nhuyễn thể hai mảnh vỏ Quy luật tích lũy chất gây

ô nhiễm vào sinh vật nói chung và loài nhuyễn thể nói riêng có thể được mô

tả bằng những mô hình phù hợp Các mô hình tin cậy có thể ứng dụng làm

và đào thải, sàng lọc đối tượng sinh vật có thể sử dụng làm chỉ thị ô nhiễm môi trường Tuy nhiên, việc mô hình hóa khả năng tích lũy của sinh vật chưa thực sự được quan tâm và chưa có công trình nào nghiên cứu, công bố về quy luật tích lũy hợp chất gây ô nhiễm của các loài sinh vật trong môi trường sống

Xuất phát từ những vấn đề trên, kết hợp với tổng hợp, phân tích đánh giá các đối tượng trong môi trường, tính thời sự và khả năng thực tiễn, đề tài

của luận án được lựa chọn với tiêu đề “Nghiên cứu quy luật tích lũy kim

loại nặng của con nghêu Meretrix Lyrata ở cửa biển bằng phương pháp

mô hình hóa” Đề tài tập trung nghiên cứu xây dựng một số mô hình tích lũy

các kim loại nặng As, Cd, Cu trên loài nghêu Meretrix Lyrata cả trong phạm

vi phòng thí nghiệm và môi trường thực tế với độ tin cậy, khả năng ứng dụng khác nhau Đánh giá khả năng ứng dụng thực tiễn của các mô hình.

Về ý nghĩa khoa học và tính mới của đề tài: hướng đi, cách giải quyết để

đưa ra quy luật tích lũy một số kim loại nặng trong nước biển vào một loài nhuyễn thể là một sự mạnh dạn trong nghiên cứu khoa học, khi mà những hiểu biết về cơ chế và quy luật tích lũy sinh học phức tạp này ở Việt Nam còn hạn chế

Kết quả xây dựng được mô hình tích lũy BAF dưới dạng hàm sinh trưởng không đồng đều y = a.Wb chỉ phụ thuộc khối lượng mô nhuyễn thể (W) với độ chính xác nhất định là điểm mới của đề tài, đây là dạng mô hình

đã được các nhà khoa học trên thế giới dùng để tham số hóa tốc độ chuyển hóa trao đổi chất, tốc độ sinh trưởng, tần số hô hấp, tốc độ cấp dinh dưỡng, tốc độ tiêu thụ oxy, tổng diện tích mang Kết quả này bổ sung thêm khả …năng ứng dụng vạn năng của hàm sinh trưởng không đồng đều

Việc sử dụng mô hình thống kê bậc một, một mô hình đơn giản nhưng

có độ tin cậy cao thường áp dụng trong mô tả các quá trình hóa học, công nghệ hóa học vào mô tả quy luật tích lũy sinh học kim loại nặng trong nhuyễn thể cùng với các kết quả thu được là điểm hoàn toàn mới trong đề tài luận án Kết quả thu được góp phần khẳng định tính ưu việt của mô hình thống kê, đó

là khi lựa chọn được điều kiện thí nghiệm thích hợp và có công cụ nghiên cứu thỏa mãn vẫn có thể nghiên cứu các quy luật sống của các loài sinh vật trong môi trường bằng mô hình này

Kết quả và các kết luận của đề tài là một trong những cơ sở khoa học

có giá trị, cho phép mở rộng đối tượng nghiên cứu cả về chiều rộng và chiều sâu, nghiên cứu trên các loài nhuyễn thể khác nhau, các cơ chất tích lũy khác nhau, nghiên cứu cả ở quy mô phòng thí nghiệm và môi trường sống thực tế

Về ý nghĩa thực tiễn: Các mô hình có thể dùng làm công cụ dự đoán ô nhiễm As, Cd, Cu trong nước biển dưới những thay đổi điều kiện tự nhiên tương lai Dự đoán nồng độ kim loại nặng As, Cd, Cu tích lũy trong mô nghêu

Meretrix lyrata sau những khoảng thời gian sinh trưởng nhất định và sống

trong điều kiện môi trường bị ô nhiễm các kim loại này, dự đoán thời gian sinh trưởng của nghêu bảo đảm đáp ứng yêu cầu về an toàn thực phẩm trong điều kiện môi trường sống cụ thể

Các nghiên cứu của đề tài được thực hiện tại:

- Trung tâm Giáo dục và Phát triển Sắc ký Trường Đại học Bách - Khoa Hà Nội

- Trung tâm Quan trắc - Phân tích Môi trường biển Hải Quân Bộ Tư - lệnh Hải Quân

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

1.1 CÁC MÔ HÌNH TÍCH LUỸ

1.1.1 Hướng xây dựng mô hình tích luỹ

Cả hai hướng mô hình hoá theo cơ chế và mô hình hoá bằng thực nghiệm đều cần thiết cho dự đoán tích luỹ Dựa vào độ chính xác cao của thực nghiệm để đưa ra các bộ chỉ thị tích luỹ tin cậy Đo trực tiếp tích luỹ cho phép đánh giá ngay tại chỗ về tồn dư chất độc trong mô động vật nhuyễn thể lấy tại

hiện trường, đo trực tiếp cũng là cách để kiểm tra tích luỹ trong phòng thí nghiệm nhờ sử dụng chính môi trường (nước, trầm tích) lấy tại hiện trường làm môi trường thí nghiệm

Trong nhiều trường hợp khác, mô hình tích luỹ đã qua phê chuẩn lại là một công cụ hữu ích Ví dụ mô hình dự đoán được sử dụng để đánh giá quy

mô và/hoặc mẫu hình tích luỹ của dạng chất cụ thể dưới điều kiện sống đặc trưng Các mô hình dự đoán được dùng khi thực tế không thể đo trực tiếp nồng độ trong mô, nghĩa là dùng để xác định xem nồng độ trong mô sẽ thay đổi như thế nào theo thời gian cùng với sự thay đổi điều kiện sống

Các mô hình dự đoán tốn ít chi phí hơn và có thể chạy mà không cần đến dữ liệu đặc trưng cho khu vực nghiên cứu Tuy nhiên mô hình càng mang tính phổ thông thì khả năng dự đoán càng kém chính xác Các phép đo tại chỗ nồng độ chất ô nhiễm trong môi trường có độ chính xác cao hơn nhưng lại hạn chế về khả năng dự đoán, phép đo trực tiếp không có tác dụng trong dự đoán các tác động do sự thay đổi điều kiện môi trường cũng như không thể dùng để ngoại suy kết quả qua lại giữa các dạng chất tích luỹ [15]

Có hai hướng chính để phát triển mô hình:

- Hướng bằng thực nghiệm: theo hướng này dữ liệu đo tại hiện trường

và dữ liệu đo trong phòng thí nghiệm được sử dụng để tính toán các thông số

hệ số tích luỹ trong nước BAF và hệ số tích luỹ trong trầm tích BSAF Cũng

bằng thực nghiệm và khi đáp ứng được các yêu cầu đặt ra có thể sử dụng mô hình thống kê để mô tả tích luỹ cơ chất của sinh vật.

- Hướng sử dụng công cụ toán học: sử dụng các mô hình động học và

mô hình cân bằng Hướng này được ưu tiên sử dụng xây dựng các mô hình chuỗi dinh dưỡng có xét đến các cơ chế tích luỹ

Hai hướng trên không đứng độc lập mà có tác động qua lại lẫn nhau

Dữ liệu đo tại hiện trường được sử dụng để chuẩn và xác nhận tính phù hợp của các mô hình toán học Tính tương hợp và khả năng ứng dụng của bất kỳ

mô hình nào phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng của các thông số đầu vào và mức độ tin cậy chấp nhận được của thông số đầu ra, các thông số sử dụng trong xây dựng mô hình

Mô hình động học cho phép dự đoán nồng độ trong mô sẽ thay đổi theo thời gian như thế nào tốt hơn so với mô hình phân bố Mô hình động học cho phép dự đoán tương đối chính xác thời gian để nồng độ trong mô đạt đến mức mong muốn hoặc thời gian để nồng độ trong mô giảm đến mức không còn gây tác động sau khi làm sạch [15]

1.1.2 Mô hình thực nghiệm

Xác định trực tiếp hay xác định bằng thực nghiệm là cách đơn giản nhất để theo dõi hoặc đánh giá tích luỹ trong sinh vật sống dưới nước và nó mang lại độ chính xác cao nhất Các phương pháp kiểm tra tích lũy bao gồm:

- Xác định tích luỹ trong phòng thí nghiệm

- Xác định tích luỹ tại hiện trường

Đối với đánh giá tích luỹ bằng các phép đo hiện trường, để đạt độ chính xác thì việc thiết kế nghiên cứu tại hiện trường và sử dụng các thành phần giải thích dữ liệu cần phải được cân nhắc và tiêu chuẩn hoá kỹ lưỡng Một số nghiên cứu cho thấy các giá trị BAF và BSAF đo tại hiện trường có thể thay đổi theo một hàm của vị trí và thời gian cùng với các dạng động vật nhuyễn thể, ngay cả ở mức dinh dưỡng và điều kiện sống như nhau

Hệ số tích luỹ BAF được định nghĩa là “tỷ lệ nồng độ chất trong mô sinh vật sống dưới nước với nồng độ của nó trong môi trường tại những vị trí

mà ở đó cả sinh vật và nguồn dinh dưỡng của nó tiếp xúc với nhau và cơ bản không có sự thay đổi theo thời gian” BAF được sử dụng thành công dự đoán tồn dư các hợp chất hữu cơ phân cực trong mô, các chất hữu cơ trung hoà và các kim loại [15]

Dữ liệu từ các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và từ hiện trường có thể được sử dụng để đưa ra BAF BAF có thể được tính toán qua mô hình

hoặc đo trực tiếp BAF có được bằng thực nghiệm là chính xác nhất do nó

tích hợp tất cả các quá trình trong môi trường Giá trị BAF đặc biệt quan trọng đối với những hợp chất có log Kow cao hơn 6 do sự tích luỹ của các hợp chất này là quá cao và chỉ duy nhất phụ thuộc vào đặc tính kỵ nước của chúng

Kow là hằng số phân bố cơ chất giữa pha octanol và nước

Giá trị BAF xác định bằng thực nghiệm được tính bằng nồng độ chất ô nhiễm trong mô chia cho nồng độ chất ô nhiễm đo được trong nước hoặc trong trầm tích:

d

f w

không gian, thời gian, nồng độ chất ô nhiễm, tuổi và giống loài động vật nhuyễn thể Các yếu tố này mang tính đặc trưng theo vị trí hoặc theo từng nghiên cứu, chúng có sự thay đổi đáng kể theo khối nước, kiểu trầm tích và các dạng chất ô nhiễm [16]

BAF cũng có thể thay đổi theo thời gian nếu nồng độ trong nước hoặc trong sinh vật thay đổi theo một hàm của thời gian Khi các điều kiện môi trường thay đổi, khả năng dự đoán của BAF giảm đáng kể do BAF chỉ vận hành tốt ở những điều kiện giống với điều kiện đã thực hiện các phép đo xác định nó Trong những trường hợp điều kiện tiếp xúc chất ô nhiễm có sự dao động thì mô tả bằng mô hình động học sẽ phù hợp hơn [15]

Các mô hình cân bằng cũng chấp nhận giả thiết về một hệ thống kín, về các phản ứng thuận nghịch và có đủ thời gian cho cơ chất phân bố xuyên suốt

hệ thống Thời gian yêu cầu để đạt đến phân bố đầy đủ có sự dao động mạnh

Ví dụ thời gian đòi hỏi để cân bằng một cơ chất giữa các hạt hữu cơ nhỏ và nước có thể tính bằng giây, ngày hoặc năm tuỳ theo kích thước hạt và giá trị

Kow của cơ chất [18] Cân bằng qua chuỗi dinh dưỡng thậm chí còn có thể cần đến thời gian kéo dài hơn để đạt đến trạng thái ổn định, tuỳ thuộc vào mức độ phức tạp của chuỗi dinh dưỡng và vô số các yếu tố khác [19]

Nhìn chung mô hình cân bằng được áp dụng cho các hợp chất có logKow giữa 3,5 và 6,0 và không bị phân hủy hoặc chuyển hoá nhanh Các mô hình phức tạp hơn được phát triển để dự đoán nồng độ chất ô nhiễm ở trạng thái ổn định thông qua chuỗi dinh dưỡng Mô hình Thomann [ ] và mô hình 20

Tính tích hợp chặt chẽ của tích luỹ thông qua chuỗi dinh dưỡng trong

mô hình động học đòi hỏi có một lượng lớn dữ liệu động học hấp thu và động học bài tiết Lợi thế của các mô hình động học là chúng có thể được sử dụng

để dự đoán nồng độ trong mô biến đổi theo thời gian dưới những điều kiện ở trạng thái không ổn định [17]

Nhìn chung có hai kiểu mô hình động học được sử dụng là mô hình động học bậc nhất đơn giản và mô hình tích luỹ xây dựng dựa trên các nguồn năng lượng sinh học Trong mô hình bậc nhất, tất cả các con đường hấp thu

được tập hợp thành một hằng số tốc độ hấp thu duy nhất và tất cả các con

đường bài tiết thành một hằng số tốc độ bài tiết duy nhất theo như phương trình (1.3) [23], [24] Trong mô hình này sinh vật được xem là một khoang màng đồng thể, duy nhất đặt trong nước có nguồn cung cấp cơ chất vô tận tại một mức nồng độ cụ thể [18]

f e d u f

CkCkdt

t là thời gian Hàm này có thể được sửa đổi cho mô hình tích luỹ từ trầm tích nhờ thay ku bằng hằng số tốc độ hấp thu trầm tích k us (1/ngày) và thay Cd bằng Cs Đối với mô hình này yêu cầu đánh giá đúng kus và ke để dự đoán thành công thời điểm đạt đến trạng thái ổn định [25]

Trong mô hình, nồng độ trong mô gia tăng theo thời gian ở tốc độ ban đầu là cao nhất Sau đó tốc độ này giảm dần cho đến khi tiệm cận đến một mức nồng độ nào đó [18], [22] Những mô hình này thích hợp nhất dùng cho

mô tả các quá trình không cân bằng trong các hệ thống mở

Các mô hình động học phức tạp, còn gọi là mô hình tích luỹ độc tố dựa vào những nguồn năng lượng sinh học Quá trình hấp thu xuất hiện từ nhiều con đường: từ lớp nước phía trên, nước trong trầm tích, trầm tích được tiêu hoá Quá trình bài tiết cũng được xem xét qua nhiều con đường

Quá trình hấp thu từ mỗi con đường được xem là độc lập và dựa vào luồng vận chuyển từ môi trường, nồng độ chất ô nhiễm có trong luồng đó, hiệu quả đồng hoá có liên quan (qua mang hoặc qua đường ruột) Chất ô nhiễm loại

bỏ khỏi sinh vật do bài tiết hoặc do chuyển hoá trao đổi Việc dự đoán phần mất mát do chuyển hoá trao đổi chất gặp khó khăn do ít liên quan đến đặc tính

kỵ nước của chất hoá học, và có sự thay đổi lớn giữa các giống loài

Các mô hình động học phức tạp này xem các quá trình hoá học và sinh học xuất hiện trong cột nước và trong sinh vật, mỗi bước của quá trình được

mô hình hoá sử dụng động học bậc nhất, động học bậc 2 hoặc động học trạng thái ổn định Giống như các mô hình cân bằng, mô hình động học áp dụng với các chất rất kỵ nước (log Kow > 6) gặp khó khăn do đòi hỏi thời gian hấp thu kéo dài để có thể đạt đến trạng thái cân bằng với nước (từ một cho đến hơn một năm) [ ] Nhiều sinh vật không sống được lâu như vậy nên không bao 18

giờ đạt đến trạng thái ổn định Thêm vào đó khó dự đoán được sự hấp thu những chất hoá học này do không thể nắm được tương quan giữa các tốc độ hấp thu và bài tiết khác nhau của chúng hoặc do những hiệu ứng pha loãng có nguyên nhân từ sinh trưởng [ ], [ ], [ ], [26 27 28 29]

Đề tài nghiên cứu của luận án lựa chọn xây dựng mô hình vi phân bậc nhất có dạng hàm (1.3) Đây là mô hình được các nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu trên nhiều đối tượng sinh vật khác nhau, nghiên cứu ở cả quy mô trong phòng thí nghiệm và ngoài hiện trường thực tế và cũng là mô hình đơn giản, dễ triển khai các thí nghiệm lấy số liệu xây dựng, phù hợp với đối tượng nghiên cứu trong đề tài là ion kim loại hòa tan ưa nước Mô hình có tính ứng dụng trong tính toán, dự báo khả năng tích lũy của sinh vật theo thời gian sinh trưởng, ứng dụng trong cảnh báo ô nhiễm môi trường và trong vấn đề an toàn thực phẩm

1.1.4 Mô hình thống kê

Quá trình tích lũy và bài tiết chất hóa học của động vật nhuyễn thể là những quá trình phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố Đối với phương pháp quy hoạch thực nghiệm thì cơ thể động vật nhuyễn thể và các quá trình trên được xem là hộp đen Nếu lựa chọn được các yếu tố thực sự có ảnh hưởng lên

quá trình tích luỹ và là các yếu tố đáp ứng yêu cầu của quy hoạch thực nghiệm, thì có thể xây dựng mô hình thống kê cho quá trình tích luỹ này

Phương pháp quy hoạch thực nghiệm có thể được xem là công cụ đắc lực để nghiên cứu những đối tượng phức tạp Tuy nhiên phương pháp này thường được áp dụng trong mô tả các quá trình hóa học, công nghệ hóa học Việc áp dụng vào nghiên cứu mô tả quy luật tích lũy kim loại nặng của nghêu Meretrix lyrata là hướng nghiên cứu hoàn toàn mới trong nội dung đề tài luận

án Công dụng và tính hiệu quả của phương pháp còn phụ thuộc vào chủ quan người sử dụng Để áp dụng có hiệu quả phương pháp quy hoạch thực nghiệm, cần dự tính và chuẩn bị trước khá công phu về thông số nghiên cứu, trong đó cần sử dụng đến các phương pháp phân tích phương sai để loại trừ yếu tố không ảnh hưởng, tìm kiếm yếu tố ảnh hưởng, tiếp đến là lập kế hoạch thực nghiệm, tiến hành thí nghiệm nhận thông tin, xây dựng và kiểm tra mô hình [ ], [ 1 2]

Các thông số nghiên cứu trong quy hoạch thực nghiệm thuộc nhóm kiểm tra được và điều khiển được Tuy nhiên trong số những thông số này cần

phân tích để chọn ra những yếu tố ảnh hưởng chính, loại bỏ những yếu tố không cần thiết nhằm đảm bảo tính khả thi và tính hiệu quả của thực nghiệm Đối với mô hình tích lũy độc tố trong động vật nhuyễn thể các thông số như nồng độ độc tố trong môi trường sống, thời gian sinh trưởng, kích thước, khối lượng của động vật nhuyễn thể là những thông số có thể được lựa chọn trong nghiên cứu Những thông số này có tác động rõ rệt lên khả năng tích luỹ Việc lập kế hoạch thực nghiệm phải dựa trên các nguyên tắc cơ bản của quy hoạch thực nghiệm, đó là các nguyên tắc [2]:

- Nguyên tắc không lấy toàn bộ trạng thái đầu vào: Về lý thuyết nếu không tiến hành tất cả các thực nghiệm trong miền quy hoạch thì có thể bỏ sót đặc điểm nào đó của hàm mục tiêu Nhưng trong thực tế không thể thực hiện được điều này Do vậy trong nghiên cứu chỉ lấy những giá trị rời rạc, chọn mức biến đổi dựa trên cơ sở khoa học gắn liền với sự lựa chọn dạng hàm tức dạng mô phỏng bề mặt đáp trị Cụ thể trong đề tài nghiên cứu lựa chọn xây

dựng mô hình hồi quy bậc một thông qua triển khai kế hoạch thực nghiệm bậc một toàn phần hai mức tối ưu.

- Nguyên tắc phức tạp dần mô hình toán học: Do chưa có một thông tin

nghiên cứu nào về xây dựng mô hình thống kê hàm lượng độc tố tích luỹ được trong động vật nhuyễn thể phụ thuộc vào các yếu tố tác động, nên ngay ban đầu sẽ không xây dựng mô hình phức tạp của đối tượng nghiên cứu này

Do việc xây dựng mô hình phức tạp sẽ cần đến một số lượng lớn các thực nghiệm tốn kém và mất nhiều thời gian, thậm chí uổng phí khi mô hình không

sử dụng được Tuân thủ theo nguyên tắc của quy hoạch thực nghiệm là bắt đầu từ những mô hình đơn giản nhất ứng với những thông tin ban đầu đã có

về động vật nhuyễn thể và khả năng tích luỹ độc tố của nó trong môi trường, quá trình xây dựng mô hình thống kê hàm lượng kim loại nặng tích luỹ trong động vật nhuyễn thể sẽ bắt đầu với mô hình hồi quy bậc nhất

Logic tiến hành thực nghiệm ở đây là làm ít thí nghiệm để có mô hình đơn giản, mô hình bậc nhất, kiểm tra tính tương hợp của nó Nếu mô hình tương hợp, đạt yêu cầu thì dừng lại Thông tin tiên nghiệm từ mô hình có thể được sử dụng để xây dựng các mô hình khác, ví dụ xây dựng mô hình vi phân Nếu mô hình đơn giản này không tương hợp sẽ tiến hành làm các thí nghiệm mới, bổ sung để nhận được mô hình phức tạp hơn (ví dụ mô hình phi tuyến), kiểm tra mô hình mới và cứ như vậy cho đến khi mô hình hữu dụng

Các bước thiết lập mô hình thống kê bao gồm :

- Kiểm tra tính tương hợp của mô hình, cải tiến mô hình khi cần

Qua phân tích thông tin tiên nghiệm trên đối tượng nghiên cứu, đề tài luận án triển khai xây dựng mô hình thống kê để đánh giá khả năng tích lũy

của sinh vật nghêu Meretrix Lyrata đối với một số kim loại nặng Mô hình có thể sử dụng trong dự báo ô nhiễm và cảnh báo về vấn đề an toàn thực phẩm Đánh giá so sánh giữa mô hình vi phân và mô hình thống kê tìm hiểu quy luậttích lũy của nghêu đối với các kim loại nghiên cứu.

Mô hình thống kê mô tả nồng độ kim loại tích luỹ trong mô động vật nhuyễn thể phụ thuộc đồng thời vào nhiều yếu tố, trong đó có xét đến cả phần đóng góp lên hàm hồi quy do sự tương tác qua lại giữa các yếu tố Chính vì vậy khi mô hình được đánh giá tương quan với bức tranh thực nghiệm thông qua chuẩn thống kê nó sẽ có độ chính xác cao Con đường, cơ chế hóa sinh học tích lũy kim loại nặng vào mô nhuyễn thể được xem là hộp đen

Trong nghiên cứu của đề tài lựa chọn ra 3 yếu tố được cho là có tác động đáng kể lên hàm hồi quy, các yếu tố này là nồng độ kim loại trong môi trường, khối lượng mô ban đầu và thời gian sinh trưởng Đây đều là các yếu

tố định lượng, dễ kiểm soát, việc lựa chọn các giá trị của chúng theo các mức quy hoạch (giá trị đầu vào) là hoàn toàn độc lập điều chỉnh được, Thông qua

mô hình có thể tính được nồng độ kim loại trong môi trường hoặc trong mô nhuyễn thể khi biết được các thông số còn lại

Yếu tố thời gian xuất hiện trong mô hình cho phép ứng dụng mô hình

dự đoán thời gian hấp thu (thời gian sinh trưởng) để nồng độ kim loại trong

mô đạt đến một mức nhất định, ví dụ mức có thể gây tác động có hại đến sức khoẻ con người

Để xây dựng mô hình thống kê, trong nội dung nghiên cứu của đề tài đã tiến hành các thực nghiệm nuôi nghêu trong phòng thí nghiệm theo kế hoạch thực nghiệm bậc một toàn phần hai mức tối ưu Với 8 thí nghiệm trong kếhoạch thực nghiệm, mỗi thí nghiệm có một tệp các điều kiện nghiên cứu khác nhau với các mức yếu tố cụ thể, không thí nghiệm nào giống thí nghiệm nào và

vì thế rất khó chọn được trong tự nhiên các địa điểm, khu vực nghiên cứu thoả mãn những yêu cầu này Triển khai các thí nghiệm nuôi nhuyễn thể trong phòng thí nghiệm là hướng duy nhất để xây dựng mô hình thống kê Trong môi

trường phòng thí nghiệm cho phép kiểm soát được các mức thí nghiệm, nhưng khoảng thời gian sống của nhuyễn thể trong điều kiện này ngắn (chỉ trong vòng

30 ngày), không thể kéo dài khoảng biến thiên của yếu tố thời gian Tuy nhiên trong 4 yếu tố có thể tác động ngăn cản đạt được các điều kiện mà ở đó sinh vật tích luỹ cơ chất ổn định bao gồm [ ]: những thay đổi về nồng độ chất ô nhiễm 25

hoặc thay đổi hoạt tính trong quá trình nghiên cứu; khả năng tích lũy chất hóa học của sinh vật bị thay đổi trong giai đoạn phơi nhiễm; có thêm con đường tích lũy khác chưa được tính vào cùng với con đường đang nghiên cứu; và chưa

đủ thời gian phơi nhiễm để đạt đến trạng thái ổn định thì nghiên cứu trong phòng thí nghiệm có thể được khống chế, loại bỏ ảnh hưởng từ các yếu tố sự thay đổi nồng độ chất ô nhiễm hoặc thay đổi hoạt tính sinh học trong quá trình nghiên cứu và yếu tố có thêm các con đường tích luỹ khác chưa được tính vào cùng với con đường đang nghiên cứu

Sự thay đổi nồng độ chất ô nhiễm trong mỗi thí nghiệm được loại bỏ do không có tác động thay đổi bởi các yếu tố khí hậu, biến đổi môi trường, giảm bớt hoặc gia tăng nguồn thải như đối với môi trường trong tự nhiên Chế

độ thay nước bổ sung hàng ngày bằng chính nguồn nước tự nhiên đảm bảo được nguồn dinh dưỡng tự nhiên cần thiết cho nghêu Sau khi thay nước bổ sung, kiểm tra và nếu cần điều chỉnh nồng độ kim loại trong nước đến mức đặt ra trong kế hoạch, bảo đảm nồng độ kim loại nặng trong môi trường nuôi

ổn định Hoạt tính của kim loại nặng đang nghiên cứu cũng xem như không thay đổi do trạng thái hoá trị, các dạng tồn tại của nó không bị biến đổi nếu so với trong môi trường tự nhiên có thể xảy ra do các tác động vật lý và hoá học khác Yếu tố có thể có thêm các con đường tích luỹ khác không được tính vào cùng con đường đang nghiên cứu được loại bỏ vì trong tất cả các thí nghiệm chỉ có một con đường tích luỹ duy nhất là từ pha nước hoà tan Các điều kiện thí nghiệm tốc độ sục khí, bơm tuần hoàn nước và nguồn thức ăn bổ sung (tảo

và men bánh mỳ) đều đồng nhất trong mọi thí nghiệm

1.2 NGHIÊN CỨU QUY LUẬT TÍCH LUỸ KIM LOẠI NẶNG TRONG

ĐỘNG VẬT NHUYỄN THỂ

1.2.1 Các kim loại nghiên cứu, nghêu Meretrix lyrata và cơ chế tích lũy

Đề tài tập trung nghiên cứu quy luật tích luỹ kim loại nặng Cd, As, Cu trong loài nghêu Meretrix Lyrata bằng phương pháp mô hình hóa Đây là loài

có giá trị dinh dưỡng cao, được nuôi rộng rãi Nó là đối tượng nuôi trồng

truyền thống cũng như sinh sống rộng khắp trong môi trường tự nhiên ven biển, là mặt hàng xuất khẩu có giá trị kinh tế với số lượng 2000 3000 tấn thịt -nghêu/năm [4]

Meretrix lyrata là một loài nằm trong giống nghêu Meretrix, trong giống này còn có các loài Meretrix meretrix Meretrix lusoria Meretrix tripla, , , Meretrix casta Meretrix lime; , [14] Các loài nằm trong giống nghêu Meretrix có cấu tạo cơ thể giống nhau, hoạt động sinh học (cơ chế bắt mồi, hô hấp, bài tiết, ) tương tự nhau, nhưng khác nhau về kích thước, khối lượng, mầu sắc vỏ ngoài và giá trị dinh dưỡng vào giai đoạn trưởng thành [14]

Hình 1.1 Giải phẫu phần mô mềm bên trong nghêu Meretrix lyrata

Thân mềm của nhuyễn thể nói chung và nghêu Meretrix lyrata nói riêng được bảo vệ bằng hai mảnh vỏ hình ô van ôm trọn thân Nghêu có cấu tạo cơ thể gồm miệng, cơ trước, cơ sau, thận, tim, tuyến sinh dục, chân, mang, tua, hậu môn, vòi hút nước vào và vòi đẩy nước ra theo hai con đường riêng Vòi phía bụng là vòi hút nước vào, vòi phía lưng là vòi đẩy nước ra Vòi nước của nghêu to và ngắn, vòi lấy nước vào dài hơn vòi đẩy nước ra Nghêu vùi thân trong cát và thò vòi nước lên trên cát để hô hấp, bắt mồi và bài tiết Hệ hô hấp của nghêu đóng vai trò quan trọng là lọc thức ăn và hô hấp Miệng nghêu là

Mang

C ơ Vòi nước (vào và ra)

M u v ấ ỏ Tuy n u h ế tiê óa Tuy n sinh d c ế ụ Chân

C m ơ àng áo

một rãnh ngang nằm phía trước cơ thể, bên miệng có tấm môi ngoài, môi trong, tiêm mao dùng để vận chuyển và chọn lọc thức ăn Mang nghêu có hình chữ W gồm hai lá mang nằm bên xoang màng áo, mỗi tấm gồm nhiều sợi tơ kết hợp với nhau bằng màng mỏng có nhiều nếp gấp (28-30 nếp) Mang nghêu là cơ quan hô hấp chủ yếu, ngoài ra các vi mạch trên màng áo ngoài, các vi mạch trên môi cũng có tác dụng bổ trợ hô hấp Động vật nhuyễn thể nói chung cũng như nghêu Meretrix Lyrata nói riêng hô hấp bằng cách mở miệng ra, ngậm miệng lại và dòng nước được đưa đi vào, đi ra qua chức năng của vòi nước

Mang của động vật nhuyễn thể được ví như một nhà máy lọc nước nhỏ Nhờ vào cấu tạo đặc biệt của tấm mang, nhuyễn thể bắt mồi thụ động và liên tục Thức ăn đi qua mang được chọn lọc một phần đi vào hệ tiêu hoá, phần còn lại bị đẩy ra ngoài [3]

Nhuyễn thể là loài có sự tích tụ sinh học cao hơn so với các loài động vật có xương sống như cá và động vật sống trên cạn, đồng thời chúng cũng bài tiết ra ngoài nhiều hơn so với loài khác Cá sống ở tầng nước mặt hoặc tầng nước giữa còn nhuyễn thể sống ở đáy và ăn lọc nên khả năng hấp thu kim loại nặng của nhuyễn thể cao hơn cá Các tài liệu nghiên cứu cho thấy đối với nhuyễn thể hai mảnh vỏ, kim loại nặng (Hg, Cd, Pb, Cu) được tích luỹ ở mang và ở cơ, còn với cá thì tích lũy ở gan, thận và cơ [3]

Sự tích tụ ô nhiễm trong cơ thể của nhuyễn thể là cao nhất và con đường duy nhất chúng có thể hấp thụ được là từ nước khi các chất ô nhiễm hoà tan trong nước hoặc liên kết với các chất lơ lửng, kim loại nặng dưới dạng ion hòa tan hấp thu qua mang vào mô mềm nhờ vào cấu trúc đặc biệt của mang, kim loại liên kết với hạt rắn (trong đó có phần làm dinh dưỡng) hấp thu qua đường tiêu hóa [3], [30], [31] As, Cd, Cu là những kim loại nặng được lựa chọn nghiên cứu với những lý do sau đây:

- Nguồn nước sông, hồ, biển có nồng độ As, Cd chỉ vài g/l đã đượcxem là bị ô nhiễm Vì vậy sự tích luỹ As, Cd trong nhuyễn thể có tác dụng đánh giá chất lượng môi trường rất tốt

- As, Cd có độc tính cao, các loài cá, nghêu, sò, ốc dễ hấp thụ và tích luỹ trong cơ thể Nhiều hợp chất asen có độ hoà tan trong nước cao do vậy ô nhiễm nước do asen dễ xảy ra

- Sự hiện diện của mô mềm có protein giầu sulfua tạo phức kim loại của động vật nhuyễn thể (metallothionein, MT) được cho là nguyên nhân dẫn đến thành phần kim loại trong chúng cao Sự tiêu hoá chọn lọc kim loại với mức độ khác nhau được cho là do bản chất hoá học của nguyên tố, nhưng quan trọng hơn là do protein MT MT thường bão hoà Zn và Cu, những kim loại này dần bị thay thế bởi các kim loại khác, đặc biệt là bởi Cd [ ], [32 33].Đây là một trong những nguyên nhân cơ bản dẫn đến khả năng tích luỹ mạnh

Cd bởi các loài nhuyễn thể Cũng từ nguyên nhân MT có khả năng bão hoà

Zn, Cu nên trong đề tài đã lựa chọn Cu làm đối tượng nghiên cứu để khẳng định khả năng hấp thu, tích luỹ mạnh đối với kim loại này bởi nhuyễn thể Meretrix lyrata

- As, Cd và Cu là ba kim loại nặng cho thấy có thể mô tả được quy luật tích luỹ trong nhuyễn thể Meretrix lyrata bằng các dạng mô hình đề tài lựa chọn thông qua một số kết quả nghiên cứu khảo sát ban đầu lấy làm thông tin tiên nghiệm

1.2.2 Các mô hình tích luỹ kim loại nặng

1.2.2.1 Hai mô hình OBM và DEB

a Mô hình OBM

Bắt đầu quá trình xây dựng mô hình với việc đưa ra các biểu đồ mô tả con đường vận chuyển kim loại nặng qua lại giữa môi trường sống (nước, trầm tích), nguồn dinh dưỡng và bản thân động vật nhuyễn thể Trong đó nồng độ của một kim loại được điều khiển bởi sự cân bằng giữa lấy vào (hấp thu), bài tiết và sinh trưởng [30]

Kfw

Nước (nước bao phủ)

Dinh dưỡng (phytoplankton, cát, trầm tích lơ lửng)

Sũ

kg ER IR

Hình 1.2: Con đường vận chuyển kim loại nặng qua lại giữa nước,

dinh dưỡng và động vật nhuyễn thểTrong biểu đồ này Kfw là hệ số phân bố kim loại giữa nước và dinh dưỡng, kg (cm/giây) là độ dẫn khối lượng kim loại qua mang, ER là tốc độ bài tiết, IR là tốc độ cấp dinh dưỡng

Mô hình phát triển từ biểu đồ nhận thức này nằm trong nghiên cứu có tên là “Mô hình tích lũy OBM trong sò áp dụng với kim loại nặng” Thực tế

mô hình là phiên bản sửa đổi của mô hình trao đổi dinh dưỡng có tên FGEST còn gọi là mô hình trao đổi cơ chất độc hại qua dinh dưỡng và qua mang do Baber và Suarez phát triển [ ] Mô hình FGEST được phát triển cho cá 34

Trong mô hình OBM xem sò lấy kim loại nặng vào từ nước qua mang và qua tiêu thụ nguồn dinh dưỡng trong hệ thống tiêu hoá Kim loại ra khỏi cơ thể thông qua bài tiết, chuyển hoá trao đổi chất và qua sinh trưởng Mô hình OBM dựa trên một số thừa nhận sau [30] :

- Ấu trùng sò xem như không có kim loại nặng vào thời điểm bắt đầu nghiên cứu

- Trong động vật nhuyễn thể có một hệ thống mang vận chuyển Trên

bề mặt mang nước được luân chuyển qua khe hở sợi mang, trong khi đó phần hạt được vận chuyển nhờ tác dụng của lông mao hướng về xúc tu môi [35]

Do đó có thể xem sự khuếch tán kim loại và oxy hoà tan vào trong hệ thống chỉ xuất hiện qua màng mang Tổng diện tích bề mặt mang kiểm soát lượng kim loại hấp thu và lượng oxy trao đổi

- Xem các sợi mang đóng vai trò như những ống dẫn song song (hình 1.3), trong sợi mang đó nước có dòng chảy lớp (hình 1.4) Sự chấp nhận tương tự như vậy cũng được Jorgensen sử dụng để giải thích cho hiện tượng

có dòng chảy lớp trên mang động vật hai mảnh là do chỉ số Reynold rất thấp [ ], [36 37].

- Sự trao đổi kim loại qua mang sò tuân theo khuếch tán đơn giản

Hình 1.3 Hình ảnh mang sò cho thấy có các sợi tơ song song (f)

Hình 1.4 Biểu đồ minh hoạ sợi mang có dòng nước tuân theo chuyển động lớp

Trên cơ sở biểu đồ hình (1.1) và những thừa nhận trong xây dựng mô hình OBM, sự tích luỹ kim loại nặng trong loài động vật nhuyễn thể có thể được mô hình hoá sử dụng hàm cân bằng sau:

FGdt

dBf

(1.4) Trong đó Bf ( g) là tổng lượng kim loại vào cơ thể phụ thuộc thời gian,

t (ngày) là thời gian và tương ứng miêu tả lượng kim loại thực tế hấp thu G F

từ pha hòa tan qua mang và từ dinh dưỡng qua đường tiêu hoá, f là ký hiệu chỉ thị cho kim loại quan tâm

Tốc độ sinh trưởng được đưa vào mô hình OBM để chuẩn cho sự pha loãng nồng độ kim loại nặng trong cơ thể sò có nguyên nhân do sinh trưởng

Cùng với tốc độ bài tiết kim loại thì đây là thông số rất quan trọng để mô hình hoá luồng năng lượng sinh học trong sò Crassostrea virginca Tốc độ thay đổi khối lượng cơ thể sò được Barber và Suarez đưa ra dưới dạng công thức [34]:

x d r

Idt

dW

(1.5) Trong đó W (g) biểu thị khối lượng mô sò phụ thuộc thời gian (đại diện cho sự sinh trưởng), Ir là tốc độ cấp dinh dưỡng, Er là tốc độ bài tiết, R là tốc

độ hô hấp thông thường, Ex là chất bài tiết và S d là hoạt động động học đặc trưng hay sự hô hấp khác với hô hấp bình thường

Nồng độ tính theo tổng khối lượng cơ thể phụ thuộc thời gian được mô phỏng theo Cf ( g/g) như sau:

cá cũng phù hợp để đánh giá năng lượng cho động vật nhuyễn thể [36], [ ], 38

[39] Trước đây Liao cũng có một sự chấp nhận tương tự như vậy để thông sốhoá một số số hạng liên quan đến năng lượng sinh học đối với sự tích luỹ Zn trong loài động vật thân mềm Haliotis diversicolor [40]

b Mô hình DEB

Một biểu đồ khác cũng được áp dụng để xây dựng mô hình tích luỹ là

mô hình DEB như sau [41]:

1 2 k

1-k Duy trì sinh trưởng

Hình 1.5: Biểu đồ mô tả con đường vận chuyển kim loại nặng

sử dụng xây dựng mô hình tích luỹ DEB Trong biểu đồ này, kim loại vào cơ thể động vật nhuyễn thể cũng từ pha hoà tan (nước) đi qua mang và từ pha hạt (dinh dưỡng) qua con đường tiêu hoá Năng lượng sinh học động vật nhuyễn thể tích trữ được tiêu thụ vào hai nhóm, nhóm thứ nhất để xây dựng cấu trúc cơ thể hay nói cách khác là lớp hai mảnh vỏ và để duy trì sự sống, nhóm thứ hai để duy trì sự sinh trưởng và

dự trữ cho sinh sản Kim loại nặng theo các con đường chuyển hoá này để tích luỹ và bài tiết Trong mô hình DEB xây dựng theo biểu đồ này, cả tốc độ hấp thu và bài tiết kim loại nặng chấp nhận tỷ lệ với diện tích bề mặt toàn bộ

cơ thể sống của động vật nhuyễn thể

1.2.2.2 Mô hình hấp thu từ nước

Trong hàm (1.4), đại diện cho lượng kim loại thực tế hấp thu từ pha G hoà tan trong nước Nước đi qua mang dưới dạng dòng chảy lớp và ở trạng thái không đổi, chấp nhận kim loại trao đổi qua mang sò chỉ theo khuếch tán đơn giản Do đó định luật Fick I về sự khuếch tán được áp dụng để mô hình hoá quá trình này theo công thức sau [34]:

aw

a d

g g

K

C C

k S

Sg (cm2) là tổng diện tích mang của sò, k g (cm/giây) là độ dẫn khối lượng kim loại qua mang, Kaw là hệ số phân bố kim loại nặng giữa máu sò và nước Cd và Ca tương ứng là nồng độ kim loại ( g/ml) trong nước có trongmang sò và trong máu sò

Trong cơ học chất lỏng, độ dẫn khối lượng hoá học kg có thể được định nghĩa là một hàm của tốc độ khuếch tán hoá học và khoảng cách giữa các sợi

tơ mang Khi chấp nhận các sợi tơ mang liền kề nhau xem như là những đĩa song song và nước thoát ra từ mang ở một trạng thái không đổi với dòng chảy lớp, quá trình vận chuyển kim loại đến các sợi tơ có thể mô hình hoá bằng hàm vi phân sau:

02

2 2

2

xfxhdy

dpDdx

xfd

(1.8) trong đó là trị riêng của hàm, là độ nhớt của chất lỏng giữa các sợi tơ, p là

áp lực chất lỏng dọc theo sợi tơ, y là vị trí dọc theo sợi tơ, h là một nửa khoảng cách giữa các sợi tơ và là hệ số khuyếch tán của kim loại trong chất D lỏng

Hàm vi phân (1.8) được gọi là bài toán Graetz cổ điển dùng trong cơ học chất lỏng để xác định chuyển khối trong chất lỏng với dòng chảy lớp giữa những đĩa thấm song song [ ], [ ], [42 43 44] Bài toán đã được chứng minh vớinhững điều kiện biên phù hợp như sự cân đối xung quanh vạch trung tâm, việc giải hàm vi phân (1.8) rút gọn về việc xác định n và fn tương ứng là trị riêng và hàm riêng Các trị riêng được xác định và dùng trị riêng thứ nhất để biểu diễn độ dẫn khối lượng kg theo công thức sau [34]:

z

z

G

G g

N

Nh

Dk

21

3

2exp99.01

Trong đó NGz là số Graetz

Trong mô hình DEB, Stellio Casas và Cédric Backer cũng đưa ra hàm

vi phân biểu diễn tốc độ biến đổi kim loại nặng Cf (mg/kg) trong mô động vật nhuyễn thể theo thời gian có tính đến các yếu tố: tốc độ hấp thu từ nước (kim loại nặng tồn tại ở dạng hoà tan), tốc độ hấp thu từ pha hạt (kim loại nặng trong phần hạt rắn lơ lửng, trong dinh dưỡng), tốc độ bài tiết và sự pha loãng nồng độ kim loại nặng trong cơ thể do nguyên nhân tăng trưởng [ ] Hằng số41

tốc độ hấp thu kim loại ở dạng hoà tan được tính theo công thức:

Vr

k da u

3 / 2

(l/g/ngày) (1.10) Trong công thức này rdalà hằng số [l/cm/ngày], V2/3 (cm2) là diện tích bềmặt mô tính được nhờ chuyển hoá từ thể tích phần cơ thể sống V (cm3), W (g)

là khối lượng mô tươi Như vậy hằng số tốc độ hấp thu phụ thuộc vào tổng diện tích bề mặt mô và khối lượng mô Hằng số tốc độ này có thể tính được thông qua các thực nghiệm ngoài môi trường tự nhiên cũng như trong phòng thí nghiệm [41], [ ], [ ], [45 46 47]

Phần biến đổi nồng độ kim loại nặng hấp thu vào cơ thể động vật nhuyễn thể Cf từ pha hoà tan theo thời gian lúc này được tính theo công thức sau:

W

VCrdt

1.2.2.3 Mô hình hấp thu từ dinh dưỡng

Trong mô hình OBM, kim loại nặng tích luỹ từ nguồn dinh dưỡng qua

hệ tiêu hoá thực tế được biểu diễn theo hàm cân bằng khối lượng dưới đây:

r e r

r f

f là hiệu quả đồng hoá dinh dưỡng của động vật nhuyễn thể

Trong OBM cũng như trong FGETS chấp nhận Ce Ke Cdvà

f

f d

K

C

Ở các công thức này Ke là hệ số phân bố kim loại giữa phân và nước, K f là hệ

số phân bố kim loại nặng giữa nước và mô mềm

Phần kim loại nặng tích luỹ qua con đường dinh dưỡng còn có thể biểu diễn bằng công thức:

r f

cC I

trong đó c là hiệu quả đồng hoá kim loại Hiệu quả đồng hoá kim loại nặng từ dinh dưỡng là một phần kim loại nặng tiêu hoá còn nằm lại trong mô

sò sau khi nó đã bỏ đi phần vật liệu chưa tiêu hoá [48], [49]

Kết hợp các hàm (1.12), (1.13) và (1.14), hiệu quả đồng hoá kim loại c

có thể biểu diễn như sau:

p

e f c

C

C1

hay

f p

f e f c

KC

CK

.1

Hàm này cho thấy hiệu quả đồng hoá kim loại nặng giảm khi tổng lượng kim loại nặng vào cơ thể Cf gia tăng Baber trong một nghiên cứu khác cũng đã chứng minh được c giảm theo hàm mũ [34]

Trong OBM cũng như trong FGETS đều có quan hệ sau:

oc o l l a

Pa, Pl, Po tương ứng là phần cơ thể sống động vật nhuyễn thể dưới dạng nước, lipid và vật liệu hữu cơ không phải là lipid Koc là hệ số phân bố cacbon hữu cơ

Nồng độ độc tố trong mô có liên quan đến phần chất béo Sự phân bố hợp chất hoá học giữa pha lipid và pha nước được tham số hoá thành Kl Hệ

số phân bố Kl là một hàm của Kow và được biểu diễn theo tương quan sau:

785 , 0

virginica cho thấy nồng độ đạt đến cân bằng tính theo khối lượng khô tương ứng là 2000 và 3,2 g/g Kết quả mô phỏng Cd gần với giá trị trung bình xác định trực tiếp là 3,6 g/g và kết quả mô phỏng đối với Zn nằm trong dải thực

ku pa

3 / 2

(1.19) (1/ngày)

Trong đó rpa(g/cm2/ngày) là hằng số, V2/3 (cm2) là diện tích bề mặt mô

và W (g) là khối lượng mô, là hệ số phản ánh sự đồng hoá nồng độ dinh f dưỡng (không thứ nguyên) và được tính theo công thức:

k

X X

X

Với X là nồng độ dinh dưỡng (mg/l) và Xk là hệ số bán bão hoà ( g sắc tố/l) Biến đổi nồng độ kim loại nặng trong cơ thể động vật nhuyễn thể Cf hấp thu từ dinh dưỡng theo thời gian lúc này được tính theo công thức:

W

V C f r dt

1.2.2.4 Mô hình bài tiết kim loại nặng

Trong mô hình DEB, phần biến đổi nồng độ kim loại nặng bài tiết ra ngoài theo thời gian được tính theo công thức [41]:

W

VCrdt

G f

3 / 2

ad

r (g/cm2/ngày) là hằng số; V2/3 (cm2) là diện tích bề mặt mô và W (g)

là khối lượng mô, Cf là nồng độ kim loại nặng trong cơ thể động vật nhuyễn

thể Từ công thức (1.23) cho thấy hằng số tốc độ bài tiết cũng phụ thuộc và tổng diện tích mô và khối lượng mô.

Trong mô hình DEB có tính đến nguyên nhân pha loãng do sự sinh trưởng làm giảm nồng độ kim loại nặng tích luỹ được Hiệu ứng pha loãng này được tính theo công thức:

dt

dWW

Cdt

đưa ra hàm vi phân nồng độ kim loại nặng Cf (mg/kg) theo khối lượng mô biến đổi theo thời gian như sau:

dt

dW W

C W

V C r W

V C f r C r dt

(1.25) Các nhà khoa học Pháp đã mô hình hoá sự tích luỹ kim loại vết Hg và

Pb trong loài trai Địa Trung Hải Mytilus galloprovincialis sử dụng mô hình DEB, trong đó có đưa ra mô hình vi phân (1.25) Các thực nghiệm tại hiện trường được xắp đặt để đo động học hấp thu và loại bỏ 2 kim loại trên tại 3 vị trí vùng Địa Trung Hải (vịnh Lazaret, đầm phá Bages và Công viên Quốc gia Port-Cost)

Tất cả các con trai với kích thước vỏ 60 mm lấy từ khu nuôi trồng thuỷ sản tại vị trí mở, sạch trên bờ biển được đặt vào trong những cái lồng lưới làm bằng vật liệu polyethylene Lồng được ngâm ở độ sâu 10-12 m và treo trên những kết cấu nuôi cố định Trai được vận chuyển từ vùng sạch đến vùng ô nhiễm mạnh, sau đó chuyển ngược lại vị trí sạch Các thực nghiệm được thiết

kế để khảo sát động học nồng độ kim loại Hg trong trai với việc đo đồng thời nồng độ kim loại trong nước, trong hạt lơ lửng và thực hiện các phép đo sinh trắc học trai Thực nghiệm như vậy cho phép quan sát đồng thời cả sự tích luỹ

và những thay đổi sinh lý trong sinh vật Đối với các thực nghiệm về sự tích luỹ trong môi trường ô nhiễm, trai được vận chuyển đến nuôi trong 6 tháng tại

2 vị trí bị ô nhiễm (vịnh Lazaret và đầm phá Bages) Vào thời điểm cuối của

những thực nghiệm này, các lồng nuôi được vận chuyển trong thùng lạnh đến

ở Larazet trong 3 tháng, sau đó ở Port-Cost 3 tháng

Bốn tệp dữ liệu sử dụng chuẩn ba hằng số với các kết quả: rda 4 , 92 l/cm2/ngày ; rpa 9 10 4 g/cm2/ngày ; và rad 0 , 0156 g/cm2/ngày đối với Hg,

t k d

Trong đó Cf ( g/g) là nồng độ Cd trong mô tích lũy được sau thời gian

t (ngày), Cd ( g/l) là nồng độ Cd trong nước, k u(l/g/ngày) là hằng số tốc độ hấp thu, ke(1/ngày) là hằng số tốc độ bài tiết Các hằng số kuvà ke được đánh giá qua phân tích tương quan phi tuyến Theo công thức này thì không có sựphân biệt giữa hằng số tốc độ hấp thu kim loại từ pha hoà tan và hằng số tốc

độ hấp thu kim loại từ pha hạt, mà chỉ có một hằng số tốc độ hấp thu chung ku

Trong giai đoạn loại bỏ ô nhiễm khỏi mô (Cd = 0), mô hình này trở thành dạng [50]:

t k f

Với Cf1là nồng độ Cd ban đầu trong giai đoạn loại bỏ ô nhiễm khỏi mô Thực chất khi kết hợp công thức (1.22) và (1.23) cùng một vài biến đổi toán học đơn giản sẽ thu được công thức này.

Thực nghiệm được triển khai như sau: các cá thể trai R Decussatus

trưởng thành với độ dài vỏ trong khoảng 30 35 mm lấy từ một vị trí môi -trường trong sạch, không bị ô nhiễm kim loại của đầm phá Ria Formosa (phía nam Bồ Đào Nha) được chuyển về phòng thí nghiệm, được làm sạch trong nước biển có sục khí trong 7 ngày Sau giai đoạn này trai được nuôi trong hai môi trường có nồng độ Cd tương ứng là 4 g/l và 40 g/l trong 40 ngày 9 nhóm mỗi nhóm 60 cá thể đặt trong bình chứa 10 lít nước biển, trong đó có 3

nhóm sử dụng làm mẫu kiểm soát, 3 nhóm phơi nhiễm trong môi trường 4 g/l Cd (Cd chuẩn được pha từ CdCl2.H2O), và 3 nhóm còn lại phơi nhiễm trong môi trường 40 g/l Cd Sau giai đoạn phơi nhiễm này, các cá thể trai được sang nuôi trong môi trường nước biển sạch trong 50 ngày (giai đoạn loại

bỏ ô nhiễm trong mô) [50]

Trong quá trình triển khai thực nghiệm nước được thay 2 ngày một lần

và mức nồng độ Cd phơi nhiễm liên tục được xác lập lại trong giai đoạn tích

luỹ Các thông số môi trường nước nuôi được kiểm soát gồm nhiệt độ, độ muối, pH, tỷ lệ phần trăm oxy bão hoà Nồng độ Cd được đo trong suốt quá trình làm thực nghiệm trước và sau mỗi lần thay nước Nước sử dụng trong thực nghiệm lấy từ vị trí không bị ô nhiễm trong đầm phá Ria Formosa, được lọc qua lưới lọc kích thước lỗ 200 m, theo cách này nước vẫn giữ lại được vi sinh vật phù du là nguồn dinh dưỡng của trai trong khi loại bỏ được các vật liệu rắn kích thước lớn khác

Để có số liệu phục vụ xử lý tính toán các thông số mô hình, tại mỗi một trong 3 bình nuôi (bình kiểm soát, bình phơi nhiễm nồng độ Cd 4 g/l và bìnhphơi nhiễm nồng độ Cd 40 g/l) một số cá thể được lấy ra để xác định nồng

độ Cd trong mô vào các ngày thứ 0, 7, 14, 21, 30 và 40 (trong giai đoạn tích

luỹ) và vào các ngày thứ 50, 60, 75 và 90 (trong giai đoạn loại bỏ ô nhiễm kim loại khỏi mô) [50]

1.2.2.5 Ƣu nhƣợc điểm hai mô hình OBM và DEB

Mô hình tích lũy OBM mô tả đƣợc khả năng tích lũy kim loại nặng từ

Tuy nhiên, để xây dựng mô hình cần đến nhiều thông số đầu vào phức tạp, đặc biệt là các thông số liên quan đến năng lƣợng hệ thống sinh học và thông số sinh trắc học Bảng (1.1) liệt kê một số thông số quan trọng sử dụngtrong xây dựng mô hình [30]

Bảng 1.1: Một số thông số được sử dụng xây dựng mô hình OBM

Cw ( g/l) Nồng độ kim loại nặng trong pha hoà tan

Cp ( g/l) Nồng độ kim loại nặng trong dinh dƣỡng hay còn gọi là pha hạt

Kow Hệ số phân bố kim loại nặng giữa pha hoà tan và pha hạt

tạp để xác định Ngoài ra để xây dựng mô hình còn phải đưa ra được hàm thực nghiệm về tốc độ tiêu thụ khí oxy theo khối lượng cơ thể.

Điều kiện nghiên cứu trong nước chưa cho phép ứng dụng mô hình này vào đối tượng nghiên cứu của đề tài Mô hình này không được lựa chọn cho mục tiêu nghiên cứu đặt ra

Đối với mô hình DEB, trong các mục trên đã đề cập đến hai phương pháp thực nghiệm đã được các nhà khoa học sử dụng để thu nhận dữ liệu xây dựng mô hình vi phân Một là phương pháp triển khai thực nghiệm ngoài hiện trường tự nhiên và một là phương pháp triển khai thực nghiệm trong phòng thí nghiệm [41], [50] Đây là những cơ sở khoa học sẽ được nghiên cứu, chọn lọc, phối hợp để đưa ra một phương pháp triển khai thực nghiệm phù hợp với điều kiện hiện có giúp xây dựng mô hình vi phân biểu diễn sự tích luỹ As, Cd,

Cu nằm trong nội dung nghiên cứu của đề tài luận án

Mô hình vi phân (1.3) đơn giản, dễ triển khai thực nghiệm thu thập số liệu phục vụ xây dựng mô hình Mô hình có tính đến cả tốc độ tích lũy và tốc

độ bài tiết, phát huy vai trò trong dự đoán và tính toán xử lý ô nhiễm

Nhược điểm là để xây dựng được mô hình tin cậy, cần khống chế ổn định các yếu tố tác động làm thay đổi hoạt động sống của nhuyễn thể, ảnh hưởng đến trạng thái, cân bằng tích lũy vì các thông số đầu vào không tính đến các yếu tố sinh học

Tuy nhiên dựa vào tính khả thi trong xây dựng mô hình, chúng tôi phối kết hợp cả hai phương pháp triển khai thực nghiệm ngoài hiện trường tự nhiên

và trong phòng thí nghiệm của các nhà khoa học trên thế giới để đưa ra một quy trình nghiên cứu xây dựng mô hình (1.3) này

1.2.3 Một số nghiên cứu về tích lũy kim loại nặng trong giống nghêu Meretrix

Patel và các cộng sự tiến hành thí nghiệm đánh giá sự ảnh hưởng của

Se và Glutathionne lên khả năng tích lũy Hg của nghêu Meretrix casta trong môi trường có nồng độ Hg 0,1 5,0 mg/l Kết quả cho thấy nồng độ Hg tích lũy tăng mạnh trong 24 giờ, tiếp tục tăng chậm trong 7 ngày và sau đó dừng

lại Thí nghiệm trên 4 loài hai mảnh vỏ, nghêu Meretrix casta tích lũy Hg kém nhất (9 g/g), tiếp đến là A.rhombea và Anadara granosa (25 g/g) và cao nhất là Perna viridis (47 g/g) [51].

Patel và Anthony nghiên cứu ảnh hưởng các dạng muối vô cơ và hữu

cơ của Cd lên khả năng tích lũy của 6 loài hai mảnh vỏ, trong đó có loài Meretrix casta Kết quả sự tích lũy Cd xảy ra cao nhất với dạng CdSO4, tiếp

đến là CdI2, (C2H5COO)2Cd, CdCl2, Cd(NO3)2 và CdCO3 Sự tích lũy Cd trong nghêu Meretrix casta có tương quan tuyến tính với thời gian thí nghiệm [52]

Sadiq và Alam xác định nồng độ Hg trong mô nghêu Meretrix meretrix(Vịnh Arabian) dao động trong khoảng 5 160 g/kg (theo khối lượng tươi) và khẳng định kích thước nghêu, nồng độ muối có ảnh hưởng đến sự tích lũy Hg [53]

Wahi Abdul Rashid và các cộng sự nghiên cứu sự tích lũy và bài tiết kim loại nặng trong nghêu Meretrix meretrix cho mục đích sử dụng loài

nghêu này quan trắc sinh học chỉ thị ô nhiễm nước Nhờ nuôi nghêu trong điều kiện phòng thí nghiệm đã tìm được tốc độ tích lũy Cu, Zn, Pb vào nghêu

Meretrix meretrix tương ứng là 0,99; 21,80; 0,57 g/g/ngày, tốc độ bài tiết

tương ứng là 0,42; 23,55; 1,01 g/g/ngày Nghiên cứu khẳng định nghêu Meretrix meretrix có thể sử dụng hiệu quả làm quan trắc sinh học chỉ thị ô nhiễm đối với Cu do có tốc độ tích lũy cao hơn đáng kể so với tốc độ bài tiết, không thể dùng làm chỉ thị ô nhiễm với Zn do tốc độ tích lũy gần bằng tốc độ bài tiết và với Pb không thấy xuất hiện tích lũy [54]

Các tác giả thuộc Viện Hóa học, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam và Trung tâm dịch vụ phân tích thí nghiệm thành phố Hồ Chí Minh đã nghiên cứu về sự tích lũy các kim loại nặng As, Cd, Pb, Hg từ môi trường các bãi nuôi nghêu tự nhiên thuộc xã Cần Thạnh, huyện Cần Giờ, thành phố Hồ Chí Minh thông qua các phép đo trực tiếp [5], [55] Kết quả nghiên cứu cho thấy Cd và Pb tích lũy trong ruột nghêu cao hơn 3 lần so với trong thịt, trong khi As và Hg phân bố đồng đều trong cả ruột và thịt Kết quả này hoàn toàn phù hợp với kết quả xác định được thành phần kim loại trong chất rắn lơ lửng (có chứa dinh dưỡng nuôi nghêu) cao hơn so với thành phần hòa tan Ví dụ nồng độ Cd trong phần chất rắn lơ lửng đo được 0,13 mg/kg trong khi nồng

độ Cd tan trong nước là 0,001 mg/kg (tương đương 10-9) [5] Tương quan nồng độ giữa pha hòa tan và pha không hòa tan cho thấy nghêu sống trong môi trường nuôi tự nhiên thuộc xã Cần Thạnh hấp thu kim loại nặng chủ yếu qua tiêu hóa dinh dưỡng và đi vào phần ruột Một phần Hg, As đã di chuyển

từ ruột vào thịt và tích lũy ở đó, trong khi đó Cd và Pb chủ yếu vẫn nằm lại

trong ruột nghêu [ ] Nghiên cứu cũng chỉ ra Cd là nguyên tố có nồng độ 5

trong môi trường thấp, nhưng vẫn được nghêu Meretrix lyrata tích lũy mạnh

Các tác giả Phạm Kim Phương, Nguyễn Thị Dung, Chu Phạm Ngọc Sơn nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ các kim loại nặng Cd, Pb, As lên sự tích lũy và đào thải của nghêu Meretrix lyrata [6] Nghiên cứu chỉ ra trật tự

ưu tiên tích lũy nhiều và nhanh nhất là Pb, tiếp theo là Cd và cuối cùng là As, trong khi trật tự đào thải là As > Pb > Cd Với các điều kiện thực nghiệm nuôi đặc trưng, các tác giả tính toán được tỷ lệ phần trăm đào thải kim loại nặng ra khỏi nghêu so với nồng độ tích lũy được khi chuyển từ môi trường ô nhiễm sang nuôi trong môi trường sạch Để xác định trật tự ưu tiên tích lũy cũng như nghiên cứu về ngưỡng độc hại, các thí nghiệm được tiến hành với nồng độ kim loại pha thêm rất lớn, ví dụ với Cd là 0,1; 0,5; 1,0; 1,5 mg/l, cao hơn Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia [ ] về chất lượng nước biển ven bờ 20, 100, 200 và 13

300 lần Bằng thực nghiệm này xác định được nồng độ kim loại tích lũy vào nghêu gia tăng nhanh theo thời gian, tỷ lệ với nồng độ hòa tan trong nước Các thực nghiệm với nồng độ kim loại hòa tan trong nước cao bất thường chỉ

ra được nghêu đã bị ngộ độc và sống tối đa trong môi trường nhân tạo được

15 ngày (5 ngày tích lũy và 10 ngày bài tiết), đồng thời các tác giả tìm được ngưỡng độc hại Cd với nghêu Meretrix lyrata là 0,1 mg/l hòa tan trong nước [7] (cao hơn Quy chuẩn cho phép 20 lần) Các tác giả cũng khẳng định As khi tích lũy vào nghêu chuyển hóa trao đổi chất thành các dạng không độc, các dạng này không được giữ lại và đào thải ra ngoài [ ] Tuy nhiên để chứng 6

minh các dạng hữu cơ chứa As này không được giữ lại trong nghêu cần sử dụng đến kỹ thuật phân tích có độ tin cậy cao như sắc ký lỏng hiệu quả cao HPLC nối ghép phổ khối ICP-MS để phân tích thành phần chứa kim loại nặng trong thịt nghêu

Các nhà khoa học nghiên cứu về sự tích lũy và bài tiết kim loại Cd dạng vô cơ và phức hữu cơ với nghêu trưởng thành Kết quả chỉ ra Cd ở dạng