Xây dựng quy trình xử lý ngăn chặn và kiểm soát sự bùng phát tảo lam độc hại ở các thuỷ vực bị phú dưỡng bằng giải pháp bentonite biến tính

Bên cạnh những hóa chất độc hại, sự ô nhiễm dinh dưỡng, dẫn tới phát sinh phú dưỡng các thủy vực, là một trong số loại hình ô nhiễm mà rất nhiều một vấn đề toàn cầu, gây ảnh hưởng nghiêm

VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM

VIỆN CÔNG NGHỆ XẠ HIẾM

DANH SÁCH CÁN BỘ THAM GIA THỰC HIỆN

1 PGS.TS Lê Bá Thuận NCVC Viện Công nghệ xạ hiếm

2 ThS Bùi Văn Thắng NCS Đại học Đồng Tháp

(Nghiên cứu sinh)

3 ThS Trần Văn Sơn GV Đại học KHTN, ĐH Quốc gia Hà Nội

(Học viên thạc sỹ)

4 ThS Nguyễn Mạnh Trường GV Trường PTTH

(Học viên thạc sỹ)

5 TS Nguyễn Trọng Hùng NCVC Viện Công nghệ xạ hiếm

6 KS Lê Thị Bằng NCV Viện Công nghệ xạ hiếm

7 CN Cao Duy Minh NCV Viện Công nghệ xạ hiếm

8 CN Nguyễn An Thái NCV Viện Công nghệ xạ hiếm

9 ThS Phùng Vũ Phong NCV Viện Công nghệ xạ hiếm

10 ThS Hoàng Văn Đức NCV Viện Công nghệ xạ hiếm

11 CN Đào Trường Giang NCV Viện Công nghệ xạ hiếm

12 CN Ngô Quang Hiển KTV Viện Công nghệ xạ hiếm

13 CĐ Nguyễn Thanh Thủy KTV Viện Công nghệ xạ hiếm

14 TS Nguyễn Thùy Liên GVC Đại học KHTN

ĐH Quốc gia Hà Nội

ĐH Quốc gia Hà Nội

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

BET Brunauer-Emmett-Teller

spectroscopy FTIR Phương pháp phổ hồng ngoại

PHT Phốtpho hoà tan

MỤC LỤC

ABSTRACT ……… vii

TÓM TẮT ……… ix

MỞ ĐẦU ……… 1

PHẦN I TỔNG QUAN ……… 5

1.1 Ngành Tảo lam hay Vi khuẩn lam ……… 5

1.1.1 Cấu tạo tế bào ……… 6

1.1.2 Sinh sản ……… 6

1.1.3 Phân bố và sinh thái ……… 7

1.1.4 Phân loại ……… 8

1.1.5 Ý nghĩa thực tiễn ……… 10

1.1.6 Nguồn gốc và tiến hóa ……… 11

1.1 HIỆN TƯỢNG PHÚ DƯỠNG ……… 11

1.2.1 Khái niệm hiện tượng phú dưỡng ……… 11

1.2.2 Nguyên nhân và cơ chế ……… 12

1.2.3 Phân loại trạng thái phú dưỡng 13

1.2.4 Ảnh hưởng của hiện tượng phú dưỡng ……… 14

1.3 BẢN CHẤT QUÁ TRÌNH PHÚ DƯỠNG 16

1.3.1 Sinh lý dinh dưỡng và tầm quan trọng của tỉ lệ N:P 16

1.3.2 Ảnh hưởng của động vật phù du 17

1.3.3 Khả năng điều chỉnh độ nông sâu của tảo lam ………… 19

1.3.4 Trạng thái nghỉ của tảo lam ……… 19

1.3.5 Nồng độ CO2 và pH ……… 20

1.3.6 Ảnh hưởng của kim loại vi lượng ……… 21

1.4 PHƯƠNG PHÁP KIỂM SOÁT TẢO LAM ……… 21

1.4.1 Xử lý dinh dưỡng trong thành phần nước ……… 21

1.4.2 Xử lý bùn đáy tại hồ và cố định phốtpho ……… 23

1.4.3 Các phương pháp kỹ thuật và vật lý 31

1.4.4 Kiểm soát sinh học 34

1.4.5 Thuốc diệt tảo 37

1.5 XỬ LÝ PHÚ DƯỠNG VÀ QUẢN LÝ PHÚ DƯỠNG BẰNG BENTONIT BIẾN TÍNH LANTAN ……… 44

1.5.1 Giới hạn dinh dưỡng ……… 44

1.5.2 Bentonit biến tính lantan là công cụ quản lý phú dưỡng hiệu quả ……… 45

1.6 BENTONIT VÀ BENTONIT BIẾN TÍNH LANTAN 47

1.6.1 Tổng quan về bentonit ……… 47

1.6.2 Bentonit biến tính lantan 50 1.7 TÌNH HÌNH PHÚ DƯỠNG CỦA CÁC THUỶ VỰC Ở

VIỆT NAM 51

1.7.1 Khái quát chất lượng nước ở các thuỷ vực ở Việt Nam 51

1.7.2 Tình hình phú dưỡng ở các hồ nghiên cứu ……… 52

PHẦN II THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 55

2.1 HOÁ CHẤT, DỤNG CỤ, THIẾT BỊ SỬ DỤNG ……… 55

2.1.1 Hoá chất ……… 55

2.1.2 Dụng cụ ……… 55

2.1.3 Thiết bị ……… 55

2.2 MẪU QUẶNG SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU …… 55

2.3 ĐIỀU CHẾ BENTONIT BIẾN TÍNH LANTAN ……… 55

2.3.1 Điều chế vật liệu bentonit biến tính lantan ……… 55

2.4 KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ PHỐTPHO CỦA BENTONIT BIẾN TÍNH LANTAN 57

2.4.1 Ảnh hưởng của thời gian 58

2.4.2 Ảnh hưởng của pH 58

2.4.3 Đường đẳng nhiệt hấp phụ 58

2.4.4 Động học hấp phụ 58

2.4.5 Nghiên cứu nhiệt động học ……… 59

2.4.6 Ảnh hưởng của một số ion cản đến quá trình hấp phụ 59

2.4.7 Khả năng lưu giữ phốtpho trên bentonit biến tính lantan 59

2.5 KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ PHỐTPHO TỪ DUNG DỊCH THỰC CỦA BENTONIT BIẾN TÍNH LANTAN ……… 59

2.6 KHẢO SÁT TRONG CỘT ……… 59

2.6.1 Cấu tạo cột ……… 60

2.6.2 Khảo sát với nước hồ phú dưỡng ……… 60

2.7 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU BENTONIT VÀ BENTONIT BIẾN TÍNH ……… 61

2.7.1 Phương pháp tán xạ năng lượng tia X ……… 61

2.7.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X ……… 61

2.7.3 Phương pháp xác định bề mặt riêng BET ……… 62

2.7.4 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét ……… 62

2.7.5 Phương pháp ICP-AES và ICP-MS ……… 62

2.7.6 Phương pháp phổ hồng ngoại ……… 62

2.8 PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CỦA VẬT LIỆU ……… 62

2.8.1 Động học hấp phụ ……… 63

2.8.2 Đường đẳng nhiệt hấp phụ ……… 65

2.8.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ và các tham số nhiệt động học … 66 PHẦN III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ……… 68

3.1 NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ BENTONIT BIẾN TÍNH

3.3 KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ PHỐTPHO CỦA

BENTONIT BIẾN TÍNH LANTAN ĐỐI VỚI DUNG

3.4 KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ PHỐTPHO TỪ

DUNG DỊCH THỰC CỦA BENTONIT BIẾN TÍNH

3.4.1 Khảo sát nước hồ bị phú dưỡng ……… 103 3.4.2 Khảo sát nước hồ bị phú dưỡng với liều lượng cao …… 111 3.4.3 Kết luận chung về khả năng hấp thụ phốtpho của vật liệu

3.5 KHẢO SÁT XỬ LÝ PHỐTPHO TRONG GIẾNG TẠI

3.5.1 Vật liệu và phương pháp nghiên cứu 115 3.5.2 Kết quả xử lý ……… 117 3.5.3 Kết luận chung về khả năng hấp thụ phốtpho trong giếng

3.6 XỬ LÝ TOÀN HỒ HOÀ MỤC BẰNG BENTONIT

3.6.1 Vật liệu và phương pháp ……… 126 3.6.2 Đặc tính lý hoá của hồ Hoà Mục trước khi xử lý ……… 128 3.6.3 Kết quả xử lý ……… 131 3.6.4 Kết luận chung về xử lý toàn hồ ……… 145 3.7 XÂY DỰNG QUY TRÌNH XỬ LÝ NGĂN CHẶN,

3.7.1 Cơ sở khoa học ……… 146

3.7.2 Các ưu điểm của vật liệu Bent-La ……… 148

3.7.3 Kỹ thuật sử dụng ……… 149

3.7.4 Tần suất và thời điểm xử lý thủy vực bằng Bent-La …… 151

3.7.5 Cách thức sử dụng Bent-La ……… 151

3.7.6 Kiểm tra, đánh giá ……… 152

3.7.7 Giải pháp sử dụng Bent-La phối hợp giải pháp khác quản lý thủy vực ……… 152

3.8 TÍNH TOÁN GIÁ THÀNH ……… 152

PHẦN IV QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ ……… 155

4.1 QUY TRÌNH SẢN XUẤT BENTONIT BIẾN TÍNH LANTAN LƯỢNG LỚN ……… 155

4.1.1 Cơ sở lý luận ……… 155

4.1.2 Sơ đồ công nghệ 156

4.1.3 Đánh giá sản phẩm 158

4.2 QUY TRÌNH XỬ LÝ, NGĂN CHẶN VÀ KIỂM SOÁT TẢO LAM Ở CÁC THUỶ VỰC BỊ PHÚ DƯỠNG 159

4.2.1 Cơ sở khoa học 159

4.2.2 Ưu thế của Bent-La ……… 161

4.2.3 Kỹ thuật sử dụng ……… 162

4.2.4 Tần suất và thời điểm xử lý thủy vực bằng Bent-La …… 164

4.2.5 Cách thức sử dụng Bent-La ……… 164

4.2.6 Kiểm tra, đánh giá ……… 165

4.2.7 Giải pháp sử dụng Bent-La phối hợp giải pháp khác quản lý thủy vực ……… 165

KẾT LUẬN ……… 166

KIẾN NGHỊ ……… 169

Lời cảm ơn ……… 170

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ 171

TÀI LIỆU THAM KHẢO 172

PHỤ LỤC 186

ABSTRACT

Ponds and lakes in Hanoi have been polluted seriously, so called

‘eutrophication’, and lead to form blooms of blue-green algae This impacted on aquatic organisms and population living around the eutrophic ponds and lakes The project studied on technology for treatment and control of forming blooms

of blue-green algae in eutrophic ponds or other small water bodies by solution using betonies material modified lanthanum, a rare earth element – environmentally friendly

Bentonite modified lanthanum material (bent-La) was prepared from Binh Thuan bentonite containing 40 and 90% MMT and Di Linh – Lam Dong bentonite The influence factors of the preparing process, namely time, ratio of

results of the investigations, a technical flowsheet for the preparation of bent-La material on scale of 40kg per batch was established The parameters of

of 10%, sweling time of 24 hours; modification time of 24 hours One kilo of bentonite needs 50 gram/L Bentonite after modification was filtrated, washed

amount of 1 tone bentonite modified lanthanum in order to meet the study contents of the project

The experiments in order to determine the phosphorous absorption of the bent-La material were carried out The results indicated that the phosphorous absorption of the bent-La material increases with growth of time and reaches balance state for 4 hrs The SPR absorption of B90-La, B40-La and CLa materials in conditions: P concentration in solution of 10mg/L, absorption time

of 4 hrs are 90%, 80% and 60%, respectively The SRP absorption capacity of the materials is not change in pH range from 3 to 6 and then decreases in pH range from 7 to 11

The experiments in order to determine the isothermal lines according to Langmuir and Freundlich model and the absorption kinetics according to

process of bent-La material were carried out in laboratory The studies on the P absorption of bent-La material determined the values of Langmuir equation with

12.19 mg/g, 9.19 mg/g and 6.92 mg/g for the B90-La, B40-La and Cla materials, respectively

The P absorption kinetics of the materials obey the quadratic kinetic

thermodynamic parameters of the P absorption on bent-La material were also determined on the base of the experimental data The P absorption on Bent-La

are – 5.742 kJ/mol, - 4.812 kJ/mol and – 4.402 kJ/mol, respectively, in

The study on SRP absorption of bent-La material in eutrophic water of Hoan Kiem, Hoa Muc and Kim Dong lakes on the laboratory scale; and of Hoa Muc and Kim Dong lakes on field work scale were carried out The study results affirmed that the bent-La material treated and controlled the forming blooms of blue-green algae in eutrophic ponds or other small water bodies The content of metal ions in the water and of rare earth metal, especially lanthanum, in fish, mud and aquatic organisms is not change Blue-green algae decrease, meanwhile the other algae are growing normally and the lake water is still green, odorless

The technical flowsheet for preparation of bent-La material on the scale of 40kg per batch and other for treatment and control of the forming blooms of blue-green algae in eutrophic water bodies have been established

TÓM TẮT

Nhiều thủy vực ở Việt Nam đang bị tình trạng phú dưỡng, dẫn tới sự bùng phát tảo lam độc gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến các loài sinh vật trong hồ và cuộc sống dân cư xung quanh Nội dung của đề tài nghiên cứu xử lý và kiểm soát sự bùng phát tảo lam độc hại ở các thủy vực bị phú dưỡng bằng giải pháp bentonite biến tính lantan

Đề tài đã thực hiện các khảo sát về ảnh hưởng thời gian, tỉ lệ

bentonit Bình Thuận chứa 40 và 90% MMT và bentonit Di Linh, Lâm Đồng và

đã đề xuất quy trình biến tính bentonit quy mô pilot gồm các thông số cơ bản

10%, thời gian ngâm bentonit là 24 giờ, thời gian biến tính 24 giờ với tốc độ nạp

phẩm Theo quy trình này, đề tài thực hiện biến tính > 1 tấn bentonit Bình Thuận với quy mô 40 kg/mẻ, cung cấp cho nghiên cứu xử lý thủy vực

Đề tài đã thực hiện nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ phốtpho của bentonit được biến tính Khả năng hấp phụ phốtpho của bentonit tăng theo thời gian, nhanh trong 1 giờ đầu, sau đó giảm dần và đạt cân bằng hấp phụ trong 4 giờ Khả năng loại bỏ phốtpho trên 90% (đối với B90-La), 80% (B40-La) và trên 60% (CLa) với dung dịch phốtpho là 10 mgP/L sau 4 giờ Dung lượng hấp phụ phốtpho của vật liệu hầu như không thay đổi trong khoảng

pH từ 3 đến 6, sau đó giảm khi pH tăng từ 7 đến 11

Đường đẳng nhiệt hấp phụ tuân theo đường đẳng nhiệt Langmuir với hệ

mg/g và 6,92 mg/g

Động học hấp phụ phốtpho tuân theo phương trình động học biểu kiến bậc

nhiệt độ khác nhau cho thấy quá trình hấp phụ phốtpho trên B90-La, B40-La và

Các nghiên cứu về khả năng hấp thụ phốtpho hòa tan đối với dung dịch thực của Hồ Hoàn kiếm, Hồ Hòa mục, Hồ Kim Đồng của vật liêu bentonit biến tính lantan được tiến hành ở phòng thí nghiệm với các cấp độ khác nhau: cốc hấp phụ có khuấy, cột trong suốt có chiếu sáng mô phỏng quá trình phun huyền phù bentonit biến tính với chiều cao 2m và ngoài hiện trường với bước thử nghiệm trong giếng bằng nhựa PP trong suốt, kín đặt ngay tại các hồ và thử nghiệm toàn hồ đối với Hồ Hòa mục

Các kết quả khảo sát ở các bước trên và đặc biệt quá trình theo dõi kết dài

1 năm đối hồ Hòa Mục, nơi xử lý toàn hồ, đã khẳng định rằng vật liệu bentonit biến tính lantan khi xử lý nước thủy vực có tốc độ lắng nhanh sau 3 giờ Bentonit biến tính lantan có khả năng hấp phụ phốtphat cao, sau 24 giờ hấp thụ

> 50% lượng phốtpho hòa tan, sau 12 ngày lượng phốtpho giảm hơn 75% (từ 0,205 mgP/L xuống còn 0,05 mgP/L) Đồng thời hàm lượng N cũng giảm, dẫn đến tỉ lệ N/P tăng lên Nồng độ chlorophyl giảm đã có tác dụng ngăn chặn sự bùng phát tảo lam độc hại Trong khi đó, hàm lượng các ion kim loại có trong nước và các kim loại hiếm có trong bùn, đất, cá thay đổi không đáng kể Đặc biệt hàm lượng lantan trong bùn đáy, các thuỷ sinh vật như cá, ốc,v.v hầu như không thay đổi Các loài tảo Lam giảm, các loại tạo không độc hại như tảo lục, tảo silic phát triển bình thường, hồ duy trì màu xanh, không có mùi

Trên cơ sở này, đề tài đề xuất quy trình kiểm soát bền vững tảo lam cho các thủy vực

MỞ ĐẦU

Ngày nay, sự thiếu hụt nước sạch là một trong những vấn đề nghiêm trọng nhất mà thế giới phải giải quyết Những tác động hủy hoại thiên nhiên của con người đã gây hậu quả nghiêm trọng cả đến chất lượng và số lượng nguồn nước sạch Bên cạnh những hóa chất độc hại, sự ô nhiễm dinh dưỡng, dẫn tới phát sinh phú dưỡng các thủy vực, là một trong số loại hình ô nhiễm mà rất nhiều

một vấn đề toàn cầu, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường nước và những hoạt động có sử dụng nước, đặc biệt là việc cung cấp nước sinh hoạt cho con người

Mặc dù sự phú dưỡng là một quá trình tự nhiên xảy ra ở những thủy vực lâu đời và một số cửa sông, nhưng hoạt động của con người đã đẩy nhanh tốc độ phú dưỡng lên nhiều lần bằng cách thải rất nhiều chất dinh dưỡng dưới dạng chất thải hữu cơ, vô cơ vào các thủy vực xung quanh mình Chất thải từ các hoạt động nông nghiệp, công nghiệp, hệ thống cống dẫn, làm gia tăng dòng dinh dưỡng chảy vào các thủy vực là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng phú dưỡng và hậu quả cuối là bùng nổ tảo lam ở các ao hồ, cửa sông cũng như các vùng biển ven bờ

Tảo lam là một loại tảo đã xuất hiện từ rất lâu trên Trái Đất, chúng là một loài vi khuẩn Hầu hết thành viên trong đại gia đình tảo lam đều có khả năng quang hợp tự dưỡng Tảo lam thường xuất hiện cả ở các thủy vực nước ngọt, nước lợ cũng như nước mặn, bao gồm cả những thủy vực được sử dụng làm nguồn nước cấp cho nhu cầu của con người Trong môi trường thủy vực chứa nhiều chất dinh dưỡng, Tảo lam có tốc độ sinh trưởng và phát triển sinh khối khá nhanh, gây ra hiện tượng bùng nổ tảo thường được gọi là “tảo nở hoa” Hiện tượng tảo nở hoa gây rất nhiều tác hại cho thủy vực như che khuất ánh sáng mặt trời chiếu xuống tầng đáy, tăng pH, giảm nồng độ oxy hòa tan trong nước (vì nhu cầu cần oxi cho sự hô hấp và phân hủy sinh khối tảo) và cuối cùng là sản

sinh trưởng của các loài thực vật thủy sinh, gây mất cân bằng sinh thái, ảnh hưởng đến lưới thức ăn của các sinh vật thủy sinh khác Mặt khác, nó cũng gây nhiều tác hại cho con người như gây mùi khó chịu và thải các chất độc hại vào nguồn cấp nước sinh hoạt Độc tố từ Tảo lam rất đa dạng và độc hại, bao gồm

cũng gây nhiều tác hại đến nền kinh tế như giảm giá trị bất động sản, tăng chi

phí xử lý nước sinh hoạt, gây bệnh, tốn nhiều tiền của để phục hồi thủy vực bị ô nhiễm [31]

Tảo lam có nhiều đặc điểm cấu tạo thuận lợi cho việc thích nghi trong nhiều môi trường nước khác nhau Trong đó đáng kể là khả năng cố định nitơ của không khí Một trong số những loài Tảo lam bùng nổ nhanh, sản sinh ra

nhiều chất độc hại nhất phải kể đến loài Tảo lam thuộc chi Microcystis, đặc biệt loài Microcystis Aeruginosa Do đó, đã có rất nhiều thí nghiệm nhằm tìm ra

phương pháp đối phó với loại tảo này trên toàn thế giới Chúng cũng có nhiều năng lực đặc biệt để chống lại các biện pháp xử lý nước hồ như tạo thành từng cụm lớn, bao bọc bằng một lớp dày chất nhầy, có khả năng sống lâu dài trong lớp bùn đáy trong điều kiện môi trường không thuận lợi và đặc biệt là khả năng điều chỉnh được độ sâu nông trong nước để sử dụng tối đa oxy cũng như ánh sáng trong thủy vực

Mặc dù có không ít phương pháp đã được đề xuất để kiểm soát sự nở hoa của tảo lam, nhưng để kiểm soát hiệu quả chúng mà không gây hại cho các loài sinh vật khác vẫn đang được nghiên cứu Hiệu quả của biện pháp được sử dụng vẫn phải phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như kích thước hồ, số lượng và thành phần bùn đáy, thời điểm xử lý trong năm, điều kiện lý hóa của nước, khu

hệ cá trong hồ,.v.v Không có một phương pháp nào có thể áp dụng hiệu quả cho tất cả các thủy vực Việc kết hợp vài phương pháp cho hiệu quả xử lý cao hơn là chỉ áp dụng một phương pháp

Một vấn đề quan trọng để ngăn chặn tảo nở hoa là kiểm soát dinh dưỡng trong thủy vực, đặc biệt là hàm lượng phốtpho do vốn có vai trò tối quan trọng trong hiện tượng tảo nở hoa Nguồn cấp phốtpho cho thủy vực thường rất đa dạng như các điểm xả nước thải công nghiệp/nông nghiệp, nước chảy tràn từ các vùng đô thị và những vùng bị phá rừng Nhiều phương pháp xử lý có thể giảm tức thì hàm lượng phốtpho trong thủy vực nhưng để đảm bảo duy trì hàm lượng thấp này trong một thời gian dài cũng như khôi phục cảnh quan thủy vực thì cần rất nhiều công sức và tiền của Việc sử dụng các hóa chất diệt tảo như muối đồng có thể đem lại hiệu quả ngắn hạn rất cao, gần như ngay lập tức tiêu diệt được hầu hết tảo lam trong thủy vực, nhưng nó cũng gây thiệt hại nặng nề đến các sinh vật thủy sinh khác, thậm chí cho cả con người sử dụng nước trong thủy vực Do đó, yêu cầu quan trọng của hóa chất xử lý nước là không làm ảnh hưởng đến các sinh vật có ích và con người

Ở Việt Nam, rất nhiều thủy vực ở nước ta, đặc biệt là ở những ao hồ nhỏ đóng kín chưa được quan tâm đúng mức đến quy hoạch và sử dụng tổng hợp

Điều đó dẫn đến việc rất nhiều ao hồ phát sinh ô nhiễm và dần suy thoái, mất đi giá trị sử dụng

Các nghiên cứu cho thấy rằng, một số hồ như hồ Hoàn Kiếm, hồ Thành Công, hồ Bảy Mẫu, hồ Ba Mẫu, hồ Kim Đồng,… đã bị tình trạng ô nhiễm dinh dưỡng - phú dưỡng - dẫn tới sự bùng phát Tảo lam độc gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến các loài sinh vật trong hồ và cuộc sống dân cư xung quanh Một trong vấn đề bức xúc hiện nay là vấn đề ô nhiễm môi trường của các hồ này, trong đó vấn đề ô nhiễm do Tảo lam độc gây ra là khá đặc trưng đối với các hồ lớn nhỏ hiện nay ở Hà Nội và nhiều nơi khác ở nước ta Sự ô nhiễm này ảnh hưởng đến sinh thái, đến thủy sinh vật, đến du lịch, cảnh quan và sức khỏe cộng đồng

Về phương pháp xử lý và ngăn chặn bùng phát tảo đã được các nhà nghiên cứu và quản lý môi trường quan tâm nhiều năm và thu được một số kết quả nhất định Một số biện pháp cơ học đã được thực hiện, chẳng hạn đối với các hồ chứa nước trong phạm vi nội thành và một số hồ khác ở ngoại thành Hà Nội, một số biện pháp được đưa ra như tách riêng đường nước thải và đường nước mưa vào hồ; xử lý sơ bộ nước thải; nạo vét, kè hồ hoặc dùng những biện pháp cơ học như hớt váng, vớt rác để loại bỏ bớt sự bùng nổ của Tảo lam Các biện pháp trên cũng có một hiệu quả nhất định, tuy nhiên chưa đủ để khắc phục triệt để tình trạng này Gần đây, chế phẩm LTH-100 đã được dùng để xử lý nước Hồ Văn và

đã có kết quả bước đầu Do thời gian ứng dụng còn ngắn chưa thể có đánh giá đầy đủ về hiệu quả của chế phẩm này, cũng như đánh giá khả năng loại bỏ chất dinh dưỡng N, P và khả năng ngăn chặn bùng phát trở lại của tảo độc Tính chất kiểm soát, ngăn chặn sự nở hoa trở lại của Tảo lam độc không được thể hiện rõ trong phương pháp xử lý này

Như đã đề cập, phốtpho là chất dinh dưỡng thiết yếu cho sự phát triển của sinh vật trong môi trường nước, nhưng nồng độ phốtpho dư thừa trong nước là nguyên nhân gây ra hiện tượng phú dưỡng cho các thủy vực, tác động xấu đến

hệ sinh thái nước Nếu hạn chế lượng lượng phốtpho hòa tan trong hệ sẽ gây nên thay đổi thành phần khu hệ tảo, khu hệ tảo trở lại loại Tảo lục lành tính Như vậy, nếu giảm được sự bùng phát của hệ sinh thái và trạng thái phú dưỡng, Tảo lục lành tính sẽ là nguồn thức ăn cho thủy sinh vật sống trong hồ Đối với các hồ mang giá trị văn hóa lịch sử cao, về cảnh quan, màu xanh của hồ không bị mất

đi, hồ không trở thành hồ chết Và như vậy, đảm bảo giá trị du lịch và bảo tồn các động vật thủy sinh của thủy vực Các nhà nghiên cứu đi đến kết luận rằng, kiểm soát photpho hòa tan chính là giải pháp kiểm soát, ngăn chặn và quản lý bền vững và lâu dài đối với sự phú dưỡng của thủy vực

Các nghiên cứu về sử dụng bentonit tự nhiên biến tính bằng lantan cho thấy loại vật liệu này đầy hứa hẹn giải quyết vấn đề kiểm soát tảo độc trong thuỷ vực Việt Nam phong phú về nguồn quặng đất hiếm và quặng bentonit Những thử nghiệm sơ bộ của chúng tôi về điều chế chế phẩm bentonit biến tính lantan

và xử lý ở phòng thí nghiệm đối với Tảo lam ở Hồ Hoàn Kiếm cho thấy khả năng hiện thực điều chế chế phẩm bentonit biến tính từ nguyên liệu trong nước

và sử dụng chúng cho xử lý, ngăn chặn và kiểm soát phú dưỡng của hồ Hàm lượng phốtpho giảm mạnh trong 3 giờ đầu sau xử lý và việc xử lý làm giảm đến

> 90% phốtpho hòa tan đến mức nghèo dinh dưỡng Trong quá trình xử lý, qua theo dõi hàng tháng, các thủy sinh vật vẫn sống bình thường Hiện chưa có nghiên cứu về sử dụng bentonit biến tính lantan từ nguồn quặng bentonit trong nước, để loại bỏ phốtpho nhằm kiểm soát bùng phát Tảo lam độc

Với mục đích chế tạo vật liệu và xây dựng quy trình kiểm soát Tảo lam,

Viện CNXH đã đề xuất nhiệm vụ môi trường: “Xây dựng quy trình xử lý ngăn

chặn và kiểm soát sự bùng phát tảo lam độc ở các thuỷ vực bị phú dưỡng bằng giải pháp bentonit biến tính” Nhiệm vụ này đăng ký thực hiện nội dung

chủ yếu sau:

lantan từ nguồn bentonit Việt Nam (bentonit Bình Thuận và bentonit Lâm Đồng) và xây dựng quy trình điều chế bentonit biến tính lantan lượng lớn (40-50 kg/mẻ), sử dụng làm chất hấp phụ và loại bỏ phốtpho trong nước

bentonit biến tính lantan như: thời gian đạt cân bằng, pH, nồng độ phốtpho, nhiệt độ, ảnh hưởng của các ion cản,.v.v

- Đánh giá khả năng hấp phụ phốtpho của vật liệu điều chế ở chế độ động

và chế độ tĩnh đối với nước hồ Hoàn Kiếm, hồ Hoà Mục và hồ Kim Đồng

- Đánh giá khả năng hấp phụ và loại bỏ phốtpho của bentonit biến tính lantan và sự thay đổi các chỉ tiêu sinh hoá của nước hồ Hoà Mục và hồ Kim Đồng theo phương pháp giếng trong hồ

- Thử nghiệm trên toàn hồ Hoà Mục với vật liệu bentonit biến tính lantan

- Xây dựng quy trình xử lý, ngăn chặn và kiểm soát sự bùng phát của tảo lam độc ở các thuỷ vực bị phú dưỡng bằng vật liệu bentonit biến tính lantan

PHẦN I TỔNG QUAN 1.1 Ngành Tảo lam (Cyanophyta) hay Vi khuẩn lam (Cyanobacteria)

(Theo trang internet: thuviensinhhoc.com)

Trong số các cơ thể tự dưỡng được thì Tảo lam được xem là nhóm nguyên thủy nhất Di tích hóa thạch của các tảo lam dạng sợi phát hiện được cách nay khoảng 3,5 tỷ năm Mặc dầu tế bào không có cấu trúc phức tạp so với các tảo khác nhưng tảo lam vẫn là đại diện có vai trò quan trọng ở các hệ sinh thái Tảo lam là sinh vật quang hợp đầu tiên tổng hợp chất hữu cơ và cũng là tế bào đầu

Nhiều loài tảo lam có khả năng cố định đạm, chuyển Nitơ trong khí quyển từ thể

hợp chất nitơ khác

Tảo lam thuộc nhóm tiền nhân, được xếp liền sau các vi khuẩn, riêng với các nhóm khác vì ngoài những đặc điểm như chưa có nhân điển hình, không có màng nhân, vật chất di truyền được tập trung trong chất nhân (nucleoid), không

có lưới nội sinh chất, ty thể, thể golgi, lạp thể và không mang roi, chỉ chứa diệp lục tố a, sắc tố phụ trội bản tính protein thường làm cho chúng có màu lam (có khả năng tự dưỡng) thì chúng cũng chưa có sự sinh dục hữu phái

Về tổ chức cơ thể, tảo lam có cấu tạo đơn giản, một số có dạng đơn bào, phần lớn dưới dạng tập đoàn hay đa bào hình sợi, hình chuỗi hạt đơn hay phân nhánh

Đại đa số tế bào tảo lam dạng sợi – chuỗi hạt thường có tế bào dị hình (dị bào) Dị bào là những tế bào đặc biệt, lớn hơn các tế bào bình thường khác, có màng đôi, dày, trong suốt, không có oxygen và không có hệ thống quang II do

đó không sản xuất ra oxy trong quá trình quang hợp Dị bào có 1 hoặc 2 lỗ (ở đầu tiếp xúc với tế bào dinh dưỡng) tùy theo vị trí ở đầu hay ở giữa sợi (đặc biệt trong phân loại) qua đó lưu thông tế bào chất với các tế bào nằm cạnh nó Khoảng cách của dị bào trên sợi chịu ảnh hưởng của các yếu tố môi trường Dưới KHV quang học, chất tế bào trông đồng nhất nhưng dưới KHV điện tử nó

có một hệ thống màng, thường có màu xanh vàng do có diệp lục tố a và caroten nhưng thiếu phycocyanin

Dị bào có vai trò trong việc cố định đạm trong điều kiện hiếu khí Trong sự phát triển của sợi, sợi có thể bị tách ra ở bên cạnh các dị bào này và tạo thành một nhánh mới đi ra từ sợi chính Đó là sự phân nhánh giả của sợi, phân biệt với

sự phân nhánh thật được bắt đầu từ một tế bào sinh dưỡng nào đó của sợi phân chia dọc và sau đó tế bào non mới hình thành tiếp tục phân chia tạo nhánh bên

Tế bào dị hình (*) ở Tảo Annabaena

1.1.1 Cấu tạo tế bào

Màng tế bào Tảo lam khá dầy, gồm 4 lớp, bên ngoài thường hóa nhầy, có khi tạo thành bao chuyên hóa, bao xung quanh tế bào hoặc nhóm tế bào hay toàn

bộ sợi

Chất nguyên sinh ở Tảo lam được phân biệt thành 2 phần:

- Phần ngoài tập trung các phiến mỏng quang hợp (lamen), thể ri bô và các thể hạt (hạt chất tế bào) khác

- Phần trong chứa chất nhân (nucleoprotein) Ở giữa ranh giới giữa 2 phần không rõ ràng chỉ nhận ra khi dùng phẩm Feulgen nhuộm trung bào chất chứa chất nhân

Các chất màu (sắc tố) phân bố trên các lamen ở phần ngoài nên phần này

có màu (xanh đen hoặc xanh lục)

Chất màu gồm có: diệp lục tố a (có màu lục); phycoxyanin màu lam và

phycoerythrin màu hồng, và các dẫn xuất của caroten, oxycaroten

Chất dự trữ của tế bào là glycogen, volutin, không có tinh bột

1.1.2 Sinh sản

Tảo lam không có sinh sản hữu tính, chỉ có sinh sản dinh dưỡng (bằng tảo đoạn) và vô tính (bằng bào tử)

Ở những Tảo lam đơn bào, sinh sản sinh dưỡng bằng cách phân đôi tế bào

ra làm 2,4,8 thẳng góc với chiều dài tế bào, hay theo 2 mặt phẳng thẳng góc

(Mersmopedia, cho ra cộng tộc phẳng) hay theo 3 chiều cho ra một khối dày

Ở các tảo đa bào dạng sợi thì tách thành từng dạng sợi gọi là tảo đoạn

(hormogonies): tản đứt ra nhiều đoạn ngắn, cử động được (trượt), rời tản mẹ và mọc thành sợi khác: các đoạn tản sinh sản dinh dưỡng ấy gọi là tảo đoạn Nhờ

cử động trượt mà tảo đoạn truyền lan loài rất xa

Cơ quan để làm gãy và làm rời tảo đoạn ấy là:

- Gián bào: một hay hai tế bào gần nhau, hóa nhầy thành một chất đều

hòa, màu lục vàng, chiết quang Tế bào cạnh đó nhờ vậy rời nhau dễ dàng và tản đứt nơi ấy

- Hoại bào: một tế bào trở nên vàng và vách ngang của chúng lõm Tế

bào ấy lần lần tan đi và làm cho tảo đoạn rời ra

Ở những dạng có bao, tảo đoạn chui ra khỏi bao, chuyển động trong nước theo nước theo hướng trục dài, sau đó dừng lại và nảy mầm thành sợi tảo mới

Sự hình thành tảo đoạn là một trong những dạng sinh sản phổ biến nhất của các tảo dạng sợi

Một số tảo lam sinh sản vô tính bằng bào tử không roi, nội sinh hay ngoại

sinh Bào tử được hình thành từ những tế bào sinh dưỡng và thường lớn hơn những tế bào này, có màng dày bảo vệ, tránh những điều kiện bất lợi bên ngoài

- Bì bào tử : là những tế bào đặc biệt, to, chất tế bào đậm đặc (nhiều chất dự trữ)

và có một vách rất dày, nâu, có khi chạm trổ Các tế bào này có thể tròn (như ở

Anabaena), tròn dài (như ở Cylindrospermum) hay rất dài (Anabaena)

Nhờ có vách dày mà bì bào tử có thể chịu đựng được thời tiết không thuận lợi Khi gặp điều kiện thuận hợp, bào tử nẩy mầm cho ra một tản mới

- Nội bào tử : là những bào tử thành lập ở trong nội bào tử phòng Ðặc

1.1.3 Phân bố và sinh thái

Tảo lam có sức sống rất dẻo dai, chúng phân bố rộng rãi trong tất cả các môi trường Đại bộ phận Tảo lam sống trong nước ngọt, ở các ao hồ có nhiều chất hữu cơ và góp phần hình thành hệ sinh vật nổi (plankton) của các thủy vực; một số phân bố trong nước mặn hoặc nước lợ, nơi bùn lầy hay đất ẩm ướt, trên

đá, trên vỏ cây ẩm, ngay cả những nơi có điều kiện rất khắc nghiệt như trong tuyết và ở những suối nước nóng đến 69°C

Tảo lam thuộc loại ưa nhiệt, có tính bền vững với nhiệt độ Nhiều loài có thể phát triển ở nhiệt độ cao, cả trong các suối nước nóng (70 - 80°C) Tảo lam

có thể chịu được nhiệt độ cao như vậy là nhờ trạng thái keo đặc biệt của chất nguyên sinh Mặt khác, một số tảo lam cũng có khả năng tồn tại ở nhiệt độ thấp

(những tảo sống trong băng tuyết, hay ở Nam cực, nhiệt độ tới -83°C vẫn tìm

thấy một lượng lớn tảo Nostoc)

Những Tảo sống trên núi cao ở Nam cực, ngoài nhiệt độ thấp, còn chịu ảnh hưởng của bức xạ Mặt trời rất mạnh Chính sự tiết nhày xung quanh tế bào là một trong những khả năng chống đỡ quan trọng của cơ thể đối với những tác hại của bức xạ Mặt trời

Vì chất nhày có khả năng hấp thụ và giữ nước lâu dài nên tảo lam có thể dinh dưỡng bình thường trong các vùng sa mạc khô cằn Để đảm bảo hoạt động sống, tảo cần phải đủ nước, chất nhày hấp thụ lượng nước tối đa vào ban đêm và lúc sáng sớm, còn ban ngày đoàn hay khối sợi bị khô và cứng lại, khi đêm đến lại bắt đầu hấp thụ độ ẩm

Tảo lam cũng gặp ở các hồ, vũng ven biển có độ mặn cao do quá trình bốc hơi nước Một số tảo lam có thể tiến hành quang hợp trong môi trường yếm khí tương tự như vi khuẩn

Tảo phát triển mạnh ở nhiệt độ cao (vào các tháng nóng trong năm) Với các tảo nước ngọt, nhiệt độ phát triển thích hợp là 30°C

Khi sinh trưởng phát triển mạnh, tảo gây nên hiện tượng “nước nở hoa”

Tuy nhiên, một số loài thuộc chi Oscillatoria lại gây “nước nở hoa” trên băng ở

nhiệt độ gần 0°C Khi có hiện tượng “nước nở hoa” do tảo lam gây ra thì nước không sử dụng được vì khi đó sinh khối của tảo đạt tới mức khá lớn (tối đa tới

khác, sau đó chúng chết hàng loạt và phân hủy Các chất do tảo tiết ra và các sản phẩm phân hủy của chúng khi chết đều gây hại

Một số Tảo lam sống cộng sinh bên trong cơ thể sinh vật khác Nhiều tảo lam cộng sinh đã tạo ra nguồn đạm cho vật chủ và cả chính mình Nhờ có khả năng cố định đạm đã giúp cho tảo lam sống thuận lợi hơn các loại tảo khác trong

môi trường các thuỷ vực có nồng độ nitơ thấp Ví dụ: cộng sinh với nấm tạo thành Ðịa y; giữa Anabaena azolla với bèo hoa dâu

1.1.4 Phân loại

Ngành Tảo lam có khoảng 1500 – 2000 loài, tập hợp thành một số bộ, họ khác nhau Hiện nay con số các bộ không thống nhất tuỳ theo tác giả Có người chia ngành này thành 3 lớp với nhiều bộ, có người lại chia thành 1 lớp với 4 bộ:

- Bộ Chroococcales: Tản đơn bào, đơn độc hay tập đoàn Tế bào tròn không phân biệt gốc và đỉnh, không có nội và ngoại bào tử

Tế bào đơn độc hay tập đoàn nhưng không sắp xếp thành hàng hay sợi (họ Chroococcaceae), thường gặp như: Chroococcus, Microcystis

- Bộ Dermocarpales: đơn bào

- Bộ Pleurocapsales: Tản đa bào dạng sợi đơn, có phân nhánh hoặc không, sinh sản cách phân chia tế bào hoặc nội bào tử

Các chi điển hình: Cyanocystis, Pleurocapsa

- Bộ Hormogonales: đa bào dạng sợi lông, hoặc phân nhánh, thường có tế bào dị hình, có khi sợi lại tập hợp thành tập đoàn

Các chi điển hình: Nostoc, Anabaena, Aphanizomenon,

Tác giả khác lại chia thành 2 bộ: Chroococcales với những dạng đơn bàn hay tập đoàn, và Hormogonales với những dạng đa bào

Một số đại diện phổ biến:

- Tảo lam cầu (Microcystis): với 20-25 loài rất khó xác định, tế bào hình

cầu bé tập hợp thành tập đoàn hình cầu hay hình trái xoan Phần lớn các loài sống trôi nổi trong nước ngọt hay nước mặn; trong các ao hồ có khi chúng tạo thành một lớp như phấn xanh rắc trên mặt nước Nước chứa nhiều tảo này có thể

làm chết cá vì một số loài tiết ra chất độc (M aeruginosa)

- Tảo bèo dâu (Anabaena azollae): tảo đa bào hình chuỗi hạt, thỉnh thoảng

có xen lẫn các tế bào dị hình Thường sống trong khoang lá bèo hoa dâu Tảo này có khả năng cố định đạm nên tổng hợp được nhiều nitơ cho bèo, dùng làm phân xanh và thức ăn nuôi gia súc rất tốt

Một số tảo lam thường gặp

a) Microcystis ; b) Nostoc; c) Oscillatoria Thuộc chi Anabaena có tới 100 loài phân bố rộng cả trong nước và trên

mặt đất, nhiều loài có khả năng cố định đạm khí quyển và gây nên hiện tượng

“nước nở hoa”

- Tảo chuỗi ngọc (Nostoc): có hình chuỗi hạt với các tế bào dị hình như

Anabaena Nhưng bên ngoài các chuỗi có bao chất nhày Thường gặp ở ruộng

lúa, trên bãi cỏ hay trên đất ẩm Có tới 50 loài khác nhau Nhiều loài cũng có khả năng cố định nitơ tự do

- Tảo dao động (Oscillatoria): sợi tảo cấu tạo bởi các tế bào hình chữ

nhật dẹt nối tiếp nhau, sợi không có bao, đầu sợi có sử động dao động Tảo sống thành từng đám màu lục đen ở trên đất ẩm hoặc các cống rãnh nước bẩn

Oscillatoria là 1 chi lớn có trên 100 loài, phân bố rộng cả ở nước mặn, ngọt

- Tảo lam xoắn (Spirulina): đa bào hình sợi xoắn ốc Loài S platensis

hiện đang được gây nuôi nhiều vì có hàm lượng protein rất cao (trên 60% khối lượng khô) với nhiều axit amin không thay thế và vitamin

1.1.5 Ý nghĩa thực tiễn

Trong thực tiễn, tảo lam có vai trò tích cực và tiêu cực

- Trong nông nghiệp, vai trò quan trọng của tảo lam là làm tăng độ phì cho đất nhờ khả năng cố định đạm Hiện nay người ta đã tìm thấy khoảng 50 loài, phần lớn thuộc họ Tảo chuỗi (Nostocaceae) có khả năng này Ðặc biệt đáng chú

ý là loài Anabaena azollae cộng sinh trong bèo hoa dâu, một loại cây dùng làm

phân xanh và làm thức ăn gia súc có ý nghĩa kinh tế rất lớn ở nước ta

Theo nhiều nghiên cứu cho thấy, nhờ sự phát triển của vi khuẩn lam trong ruộng lúa mà hằng năm mỗi hécta đất trồng lúa có thể lấy được thêm từ không khí khoảng 15 - 50 kg nitơ, trung bình là 20 - 25 kg, đôi khi thu được đến 80 kg hay nhiều hơn nữa

Những năm gần đây, một số tảo lam có hàm lượng protein cao như

Spirulina maxima, S platensis được nuôi trồng với quy mô công nghiệp để thu

sinh khối nhằm bổ sung nguồn protein cần thiết cho chăn nuôi và cho con người Tảo lam tích lũy ở đáy thủy vực, tham gia vào việc hình thành bùn sapropen được dùng làm phân bón, thức ăn gia súc giàu vitamin, chế biến làm than cốc, khí hơi và dùng chữa bệnh

Một số tảo lam được dùng làm thức ăn cho người như Nostoc commune,

Nostoc pruniforme Ðây là một loại thực phẩm ngon và quí đối với người Trung

Quốc, giàu protein và vitamin

Ngoài ra, cùng với vi khuẩn và các động vật nguyên sinh, tảo lam còn được dùng làm sạch sinh học các nguồn nước thải ra từ sản xuất công nghiệp

Tảo lam cũng có những tác dụng tiêu cực: khi phát triển mạnh chúng gây hiện tượng "nước nở hoa' làm giảm phẩm chất của nước, ảnh hưởng tới động vật đáy và biến đổi hệ sinh thái thủy vực

Tảo lam ít có ý nghĩa dinh dưỡng đối với động vật phù du, do chúng có cấu trúc màng nhầy, động vật thường không sử dụng được và chúng thường sinh ra độc tố Chỉ có một số ít cá sử dụng một số tảo lam để ăn

1.1.6 Nguồn gốc và tiến hóa

Nguồn gốc của Tảo lam với các nhóm sinh vật khác cho đến nay cũng chưa

rõ ràng

Cùng với vi khuẩn, chúng xuất hiện sớm nhất trên Trái Đất, cách nay ít nhất cũng khoảng gần 3 tỷ năm Vì mang nhiều đặc tính cổ xưa và dựa trên những di tích hóa thạch nên nhiều tác giả xem tảo lam bắt nguồn gần gũi nhất với thủy tổ sinh vật Quan hệ họ hàng của tảo lam với các ngành khác cũng không rõ ràng, do chúng có cấu tạo quá đơn giản Một số nhà Thực vật học cho rằng Tảo lam tiến hóa theo hướng từ đơn bào đơn giản tới tộc đoàn, nên có lẽ quan hệ với Tảo đỏ vì một số Tảo lam có sắc tố đỏ (phicoerythrin) của Tảo đỏ Tuy nhiên, nhiều người cho rằng Tảo lam có quan hệ với Vi khuẩn do chúng cùng chưa có cấu tạo nhân và có quá trình hình thành bào tử bảo vệ Di tích hóa thạch vẫn còn giữ lại trong địa khai, hơn nữa chúng xuất hiện với lượng lớn trên

bề mặt trái đất

Vào 1939 người ta đã tìm thấy dạng trung gian biểu hiện mối quan hệ giữa

tảo lam và vi khuẩn, đó là những đại diện của chi Caryophanon có cấu trúc rất giống với cấu trúc dạng sợi của Tảo Oscillatoria, nhưng lại có đặc điểm sai khác

là mang roi hình lông chim giống như vi khuẩn Oscillospira mà trước đó (1920)

đã được Simons mô tả và coi là dạng chuyển tiếp giữa Vi khuẩn và Tảo lam Với những dẫn liệu hóa thạch tìm được trong các kỷ địa chất, người ta cho ràng Tảo lam tiến hóa theo hướng từ đơn bào tới tập đoàn dạng nhầy không có hình dạng nhất định, tiến sang tập đoàn phức tạp dạng khối và dạng sợi đơn, rồi phân nhánh Do có đặc tính bền vững với những điều kiện bên ngoài, Tảo lam

đã không bị thay đổi và không có sự tiến hoá đáng kể nào, chúng tạo thành một nhánh cụt trong sự tiến hoá chung của sinh giới

1.2 HIỆN TƯỢNG PHÚ DƯỠNG

1.2.1 Khái niệm hiện tượng phú dưỡng

Phú dưỡng (eutrophication) là phát triển quá trình sinh học tự nhiên trong

hồ, ao, sông, biển,… do gia tăng chất dinh dưỡng (thường hợp chất của nitơ và phốtpho) thúc đẩy sự phát triển của tảo, thực vật thuỷ sinh và tạo ra những biến động lớn trong hệ sinh thái nước, làm chất lượng nước bị suy giảm và ô nhiễm [54] Hình 1.1 cho thấy một số thuỷ vực bị phú dưỡng

Hình 1.1 Một số thủy vực bị phú dưỡng

1.2.2 Nguyên nhân và cơ chế

Trong thực tế, hiện tượng phú dưỡng ở một số thuỷ vực xảy ra do điều kiện tự nhiên là không nhiều Một số ít thuỷ vực bị phú dưỡng tự nhiên, nhưng

đa số các thuỷ vực khác bị phú dưỡng là do các hoạt động của con người [15] Nguyên nhân chính gây hiện tượng phú dưỡng là từ các nguồn thải có hàm lượng nitơ, phốtpho cao được thải trực tiếp vào các thuỷ vực Nồng độ phốtpho hoà tan của nước mặt thường là chỉ thị để dự báo trạng thái dinh dưỡng của hệ nước Phốtpho là chất dinh dưỡng thiết yếu cho sự phát triển của tảo Nó được xem là yếu tố hạn chế năng suất sinh học trong hệ nước ngọt [111] Tuy nhiên, nếu dư thừa phốtpho trong nước là nguyên nhân gây ra hiện tượng phú dưỡng và nguồn thải phốtpho chủ yếu từ:

+ Các nguồn thải từ hệ thống cống rãnh trong các khu thị trấn, thành phố, các khu công nghiệp Nguồn thải này phụ thuộc rất nhiều vào mức sống của dân

số và tiêu chuẩn vệ sinh trong khu vực;

+ Nước thải từ các vùng canh tác, chăn nuôi, phân súc vật thối rữa,…; + Nước thải từ các khu vực sản xuất công nghiệp, chế biến các sản phẩm nông nghiệp và khu vực sản xuất nông nghiệp,…

Cơ sở sinh hóa của hiện tượng phú dưỡng là phản ứng quang hóa xảy ra theo nhiều bước: trước hết, các chất diệp lục và các sắc tố trong cây xanh hấp

trình biến đổi sinh hóa, tổng hợp lên các tế bào

Phản ứng quang hóa có thể chia thành 2 bước:

+ Quang năng được chuyển hóa thành hóa năng (biến đổi năng lượng) để thực hiện các phản ứng hóa học;

+ Cacbon vô cơ chuyển hóa thành cacbon hữu cơ (biến đổi chất) và dạng đầu tiên hình thành là gluco, sau đó chuyển thành phân tử của tế bào Thành phần chủ yếu của rong, tảo, cây xanh là C, H, O Thông thường lượng C, H, O trong cây xanh và rong tảo chiếm 98% khối lượng tươi, nguồn cung cấp của các

lượng và vi lượng khác cũng tham gia vào cấu trúc tế bào [55]

Phản ứng quang hợp của thực vật phù du (tảo) được trình bày ở phản ứng:

Từ phản ứng (1.1) cho thấy, tỷ lệ mol của C:N:P là 106:16:1, trong đó tỷ

lệ N:P được gọi là giá trị biên độ đỏ Dựa vào giá trị này trong môi trường nước,

có thể biết yếu tố nào hạn chế tiềm năng phát triển của tảo Nếu tỷ lệ hàm lượng (tính bằng mg/L) N : P > 7 thì phốtpho trở thành yếu tố hạn chế, ngược lại N : P

< 7 thì nitơ trở thành yếu tố hạn chế Tuy nhiên hầu hết tỷ lệ này ở các ao hồ khoảng 20 cho nên hầu như lúc nào phốtpho cũng là yếu tố hạn chế [26, 41] Ngoài ra, tảo lam có nhiều đặc điểm cấu tạo thuận lợi cho việc thích nghi với nhiều môi trường nước khác nhau Trong đó đáng kể là khả năng cố định nitơ của không khí Vì vậy, hầu như trong các thuỷ vực phú dưỡng, phốtpho là yếu tố hạn chế Do vậy, việc xử lý phốpho sẽ cho hiệu quả hơn xử lý nitơ

1.2.3 Phân loại trạng thái phú dưỡng

1.2.3.1 Phân loại theo hàm lượng phốtpho trong thuỷ vực

Dựa theo hàm lượng phốtpho và vai trò của phốtpho đối với phú dưỡng có

thể phân loại mức độ phú dưỡng trong thủy vực gồm 4 mức theo thứ tự hàm

Bảng 1.1 Nồng độ phốtpho và trạng thái phú dưỡng của thủy vực

Oligotrophic)

(Nguồn : OECD – 1982)

1.2.3.2 Phân loại dựa theo mật độ tảo

Dựa theo mật độ các loài tảo trong thủy vực có thể phân loại trạng thái

phú dưỡng theo 6 mức như trong Bảng 1.2

Bảng 1.2 Tương quan giữa mật độ tảo và trạng thái phú dưỡng

Oligo-mesotrophy 0,05-0,10 Mesotrophy 0,10-0,50 Trung dưỡng

Trong nhiều trường hợp, phú dưỡng làm tăng sinh khối, cung cấp thức ăn

cho cá, các sinh vật thủy sinh khác và góp phần vào sản xuất lương thực (xem

thêm trong mục 1.1.5)

loại tảo lam độc (hay vi khuẩn lam) khác (như microcystis) Hàm lượng chất

diệp lục cũng tăng lên đáng kể và khi bị thối rữa, phân hủy cần tiêu tốn một lượng lớn oxi, dẫn đến làm giảm nghiêm trọng hàm lượng oxi hòa tan trong nước, yếu tố cơ bản của quá trình tự làm sạch của môi trường nước, đặc biệt là ở những nơi có độ sâu lớn Sự phân hủy của tảo là một trong những nguyên nhân chính gây ra sự thiếu oxi nghiêm trọng trong nước Quá trình này xảy ra theo phương trình (1.2):

Từ phản ứng (1.2), cho thấy cứ 1 phân tử thực vật phù du thì sử dụng 276 nguyên tử oxi để tiến hành phản ứng phân hủy, đồng thời giải phóng một lượng

bị nhiễm bẩn, có mùi hôi thối, cá chết hàng loạt Đặc biệt là thải vào môi trường nước ao hồ một số chất chứa độc tố có hại, ảnh hưởng đến các thực vật thuỷ sinh khác và nguy hại đến sức khoẻ của con người

Quá trình phú dưỡng làm thay đổi thành phần khu hệ tảo trong thủy vực, làm bùng phát sự phát triển của loài tảo lam là một loài có thể sản sinh ra độc tố

Microcystin Đây là một loại độc tố gây tổn thương gan, chúng chứa những vòng

peptit với hợp chất phổ biến là Microcystin Hợp chất này đầu tiên được tách ra

từ loài vi khuẩn lam Microcystis aeruginosa, ngoài ra còn được tạo bởi những loài khác như Anaebaena, Nostoc, Osillatoria, Anaebaenopsis và Hapalosiphon

Các loại này có heptapeptit mạch vòng chứa 1 aminoaxit đặc hiệu (ADDA) chuỗi bên Cho đến nay, đây là những dạng cấu trúc đặc hiệu chỉ gặp ở

Microcystin và Nodularin - một loại pentapeptit vòng của vi khuẩn lam ở trong

môi trường nước lợ [30]

Cơ chế gây độc của Microcystin ở mức độ phân tử là ức chế hepatocyt

protein photphat PP1 và PP2A Từ đó gây ra siêu phốtphoryl hoá cytokeratin và dẫn đến sự phá vỡ các vi sợi, thoát dịch tế bào và chảy máu ở gan động vật Sự

tiếp xúc lâu dài với nồng độ microcystin thấp trong nước uống là nhân tố gây ra ung thư gan ở người Các nghiên cứu cơ chế độc học tế bào cho biết microcystin

ảnh hưởng đến các cấu trúc tế bào và quá trình nguyên phân và điều này giúp

hưởng xấu đến hai loại emzym là serin-phốtphat và threonin-phốtphat liên quan đến sự điều hoà phát triển các tế bào nhân thật (eukaryote) Phốtphat có chức năng điều khiển sự hoạt động của tế bào động thực vật trong quá trình phân chia, sinh trưởng, trao đổi chất, sao chép AND và sự biểu hiện các tính trạng có liên

quan Điều đó cho thấy microcystin có thể ảnh hưởng đến các chức năng của tế

bào nhân thật ở mức độ phân tử và từ đó ảnh hưởng tới các động thực vật thuỷ sinh sống trong môi trường khi tiếp xúc với loại độc tố này [30, 77]

Cụ thể, một số tác động tiêu cực của việc phú dưỡng thủy vực như sau:

- Phá vỡ hệ thủy sinh thái (che sáng, ngăn cản oxi không khí hòa tan vào nước, giải phóng chất độc, tiêu tốn oxi khi phân hủy, gây chết thủy sinh vật,…)

- Tác động trực tiếp đến con người, gây nhiễm độc tảo ở người, rối loạn đường ruột, đường hô hấp Về mức độ độc của tảo lam, nghiên cứu thế giới cho thấy nó độc gấp 50 – 100 lần so với hợp chất xyanua

- Gây nên nạn thủy triều đỏ, nhiễm độc cá da trơn và phát triển sán lá

- Tác động đến động vật bậc cao như gây ngộ độc động vật liên quan đến

sự nở hoa của tảo, các độc tố gây bệnh cho chim nước

- Tác động đến giá trị sử dụng thủy vực cho các mục đích sinh hoạt, công nghiệp, nuôi trồng thủy sản, giải trí du lịch và nghỉ dưỡng Giảm chất lượng đầu vào cho nguồn nước uống và nước sinh hoạt Gây tắc nghẽn bộ lọc trong các nhà máy, xí nghiệp Tăng chi phí xử lý nước uống, cũng như nước sinh hoạt Gây mất thẩm mỹ, gây mùi khó chịu do tảo phát triển, khi tảo chết đi và bị phân hủy

Sự phú dưỡng nước hồ đô thị và các dòng sông, kênh dẫn nước thải gần các thành phố lớn đã trở thành hiện tượng phổ biến và là vấn đề bức xúc ở hầu hết các nước trên thế giới (Úc, Trung Quốc, Nam Phi, Mỹ,…) [63] Phú dưỡng thủy vực tác động tiêu cực tới hoạt động văn hoá của dân cư đô thị, làm biến đổi hệ sinh thái nước hồ, tăng thêm mức độ ô nhiễm không khí của đô thị

1.3 BẢN CHẤT QUÁ TRÌNH PHÚ DƯỠNG

Nhiều giả thiết được đề xuất để giải thích sự chiếm ưu thế của tảo lam

nguồn giới hạn Tuy nhiên, bản chất của sự thay đổi nguồn giới hạn trong quá trình phú dưỡng, thúc đẩy tảo lam có khả năng cạnh tranh cao so với các loài động thực vật khác là thuyết phục nhất [41, 64]

1.3.1 Sinh lý dinh dưỡng và tầm quan trọng của tỉ lệ N:P

Tảo lam nở hoa thường phát triển trong hồ phú dưỡng, ban đầu giả định rằng, tảo lam thường đòi hỏi nồng độ phốtpho và nitơ cao, nhưng sự nở hoa tảo cũng thường xảy ra ngay cả khi nồng độ phốtpho ở mức thấp Dữ kiện thực nghiệm chỉ ra rằng, tảo lam có ái lực đối với nitơ và phốtpho cao hơn so với các loại thực vật quang hợp khác Điều này cho thấy chúng có thể canh tranh vượt trội so với các thực vật phù du khác dưới điều kiện giới hạn nitơ và phốtpho Ngoài ra, ái lực dinh dưỡng cao của chúng, tảo có dung lượng lưu giữ một lượng lớn phốtpho trong cơ thể Chúng có thể lưu giữ phốtpho để thực hiện sự phân chia từ 2 đến 4 tế bào, tương ứng với sự tăng lên từ 4–32 lần sinh khối [26] Nồng độ phốtpho dưới 0,1 mg/L là đủ để gây ra sự nở hoa vi khuẩn lam [154] Sinh lý dinh dưỡng của tảo lam không bị giới hạn so với các loại tảo khác, trong đó có nhiều loài thực vật dị hình cố định nitơ trong các vùng nước giàu oxi

(oxic well-lit waters), chẳng hạn Aphanizomenon và Nodularia [41] Khả năng

này cho phép chúng cố định nitơ để duy trì tốc độ tăng trưởng cao trong điều kiện hạn chế nitơ, làm cho nó có khả năng cạnh tranh vượt trội so với loài tảo khác

1.3.2 Ảnh hưởng của động vật phù du

Động vật phù du trong thuỷ vực, điển hình loài Daphnia, là hiếm khi xuất

hiện trong suốt thời kì nở hoa tảo lam Điều này cho thấy rõ ràng khi tảo lam

chiếm ưu thế trong hồ thì loài Daphnia ở mức thấp bởi vì chúng có khả năng

loại trừ động vật phù du hiệu quả hoặc sinh khối động vật phù du giảm do các yếu tố khác cho phép tảo lam chiếm ưu thế trong nước phú dưỡng [73]

Bùn phát tảo độc

Tỉ lệ N:P thấp = chủ yếu tảo xanh độc

Tỉ lệ N:P cao = hàm lượng tảo độc nhỏ hoặc không có

PHT Bùn phát tảo độc

Tỉ lệ N:P thấp = chủ yếu tảo xanh độc

Tỉ lệ N:P cao = hàm lượng tảo độc nhỏ hoặc không có

Bùn phát tảo độc

Tỉ lệ N:P thấp = chủ yếu tảo xanh độc

Tỉ lệ N:P cao = hàm lượng tảo độc nhỏ hoặc không có

Tỉ lệ N:P thấp = chủ yếu tảo xanh độc

Tỉ lệ N:P cao = hàm lượng tảo độc nhỏ hoặc không có

PHT Bùn phát tảo độc

Tỉ lệ N:P thấp = chủ yếu tảo xanh độc

Tỉ lệ N:P cao = hàm lượng tảo độc nhỏ hoặc không có

Bùn phát tảo độc

Tỉ lệ N:P thấp = chủ yếu tảo xanh độc

Tỉ lệ N:P cao = hàm lượng tảo độc nhỏ hoặc không có

Có nhiều lý do để nói lên tại sao tảo lam có khả năng loại trừ động vật phù

du Daphnia, vì chúng có thể tồn tại trong môi trường hạn chế dinh dưỡng [73]

và hình dạng của chúng, đặc biệt là tảo lam sợi có thể can thiệp vào cơ chế lọc

của động vật phù du Động vật phù du cỡ lớn như loài Daphnia thúc đẩy mật độ

cụm tảo lam độc tăng lên bằng cách ăn chọn lọc các loài thực vật phù du cạnh tranh khác [57]

Mặc dù tảo lam thường chiếm ưu thế trong cộng đồng sinh vật phù du ở hồ Trummen, nhưng có một năm chúng không chiếm ưu thế, mặc dù tỉ lệ N:P thấp Smith [121] kết hợp điều này với sự thay đổi trong chuỗi thức ăn có thể dẫn đến

sự gia tăng loài Daphnia, cũng như vào mùa đông trong năm này cá chết hàng loạt Goble [49] đưa ra ngưỡng mật độ Microcystis ức chế động vật phù du

Daphnia Khi Daphnia được chăn thả trong hồ Agawam, có nghĩa là mật độ Microcystis và tỉ lệ phần trăm của Microcystis có mặt trong tổng số cộng đồng

tảo là thấp hơn đáng kể về mật độ và tỉ lệ phần trăm có mặt khi không phát hiện

vật phù du Daphnia được phát hiện

lệ N:P trong cơ thể thấp, sau khi chết chúng tái sinh dinh dưỡng ở tỉ lệ N:P cao

gây ảnh hưởng bất lợi cho khu hệ tảo lam trong hồ [110] Bởi vì loài Daphnia

tái sinh N trở lại môi trường nước với tốc độ nhanh hơn P, dự đoán chu trình lý thuyết cho khu hệ tảo lam trở nên hạn chế P trong sự có mặt của động vật phù

du có tỉ lệ N:P thấp [9] Mackay & Elser [73] sử dụng thực nghiệm thực tế để

kiểm tra chu trình dinh dưỡng khác nhau ở Daphnia với tỉ lệ N:P thấp ảnh

hưởng đến sinh lý dinh dưỡng của tảo lam, bao gồm tốc độ cố định nitơ khi so

với loài Epischura và động vật phù du có tỉ lệ N:P cao Nồng độ amoni trong

Daphnia xử lý cao gấp 2 lần so với Epischura xử lý và đối chứng, làm cho tỉ lệ

N:P cao hơn nhiều so với Daphnia xử lý Nguyên nhân làm cho tảo lam giới hạn

là do tỉ lệ N:P cao Với điều kiện này, tốc độ cố định N là thấp hơn 50% so với

Daphnia làm giảm lợi thế của tảo lam so với các loài thực vật phù du Quan sát

thấy động vật phù du Daphnia không thể tồn tại trong nước hồ phú dưỡng nở

hoa, chúng có thể ngăn chặn hiệu quả sự xuất hiện nở hoa tảo lam hơn là trong kiểm soát sự nở hoa chúng

Còn theo WHO [154], “yếu tố giới hạn” được xác định dựa trên tỷ số TN/TP (biểu diễn bằng khối lượng/khối lượng) đối với nước ngọt và nước vùng cửa sông/nước biển ven bờ chỉ ra trong Bảng 1.3 Khi phốtpho là yếu tố giới hạn thì nồng độ phốtphat ở mức 0,01 mg/L sẽ duy trì sự phát triển của sinh vật phù

du, nhưng khi nồng độ phốtphat từ 0,03 đến 0,1 mg/L hoặc lớn hơn thì sinh vật phù du phát triển bùng nổ, tức là sự phú dưỡng xảy ra

Bảng 1.3 Yếu tố giới hạn đối với sự phú dưỡng, WHO [154]

1.3.3 Khả năng điều chỉnh độ nông sâu của tảo lam

Tảo lam có túi khí không bào có khả năng điều chỉnh độ di động và di chuyển lên xuống trong cột nước là yếu tố quan trọng cho sự chiếm ưu thế của tảo lam trong thuỷ vực Lợi thế của tảo lam có túi khí có thể giảm thiểu số lượng

tế bào bị mất ở bề mặt lớp bùn đáy Chúng di cư đến nơi cung cấp đủ ánh sáng ở lớp nước bề mặt và khả năng điều chỉnh cân bằng nguồn cung cấp ánh sáng giới hạn bằng cách thay đổi vị trí tế bào trong cột nước, chẳng hạn để khắc phục sự tách biệt ánh sáng và dinh dưỡng thường xuất hiện trong hệ nước phân tầng [90] Điều này đặc biệt quan trọng trong các hồ nông, nơi có khoảng cách độ sâu của cột nước ngắn làm cho tảo lam có túi khí di chuyển đến định cư ở bề mặt lớp bùn, cho phép các tế bào dành thời gian nhiều ngày trên bề mặt hồ để quang hợp [41]

1.3.4 Trạng thái nghỉ của tảo lam

Một số loài thực vật phù du có các giai đoạn nghỉ khi điều kiện môi trường khắc nghiệt và chúng sống sót trong thời gian dài ở bề mặt lớp bùn Khi điều kiện môi trường thuận lợi chúng phát sinh và quay trở lại cột nước, tiếp tục

phát triển Một số loài tảo lam như Microcystis, Anabaen và Aphanizomenon,

hình thành các giai đoạn nghỉ và thường xuất hiện khi tảo lam nở hoa [125,

136] Takamura [134] cho thấy số lượng Microcystis trong lớp bùn đáy cao gấp nhiều lần so với tổng số Microcystis trong cột nước, thậm chí ngay khi chúng nở

hoa, có nghĩa khả năng sống sót của chúng rất lâu ở bề mặt lớp bùn Sự nở hoa tảo thường xảy ra trong thời gian ngắn (vài ngày) và không được giải thích bởi

sự phát triển khu hệ tảo tồn tại trong cột nước gây ra Điều này cho thấy rằng tốc

độ quay trở lại cột nước của tảo lam từ lớp bùn đáy có thể là yếu tố quan trọng trong sự bùng phát nở hoa tảo [124]

Verspagen và cộng sự [148] khảo sát sức sống và cơ chế nghỉ của cụm

Microcystis lớp bùn đáy Trong suốt năm nghiên cứu, khu hệ Microcystis tầng

đáy có hoạt động quang hoá và đủ khả năng sống sót để gây ra nở hoa tảo Do

vậy Microcystis có khả năng sống sót trong điều kiện thiếu oxi [80] và có thể

quang hợp ngay cả khi nồng độ sunfua trong lớp bùn đáy cao Khả năng quang

hợp của Microcystis tại bề mặt lớp bùn ở phần sâu của hồ giảm xuống, nhưng ở

phần nông của hồ trong thuỷ vực phú dưỡng khả năng quang hợp cao Sự nhiễu loạn sinh học bởi quần thể động vật cỡ lớn có thể dẫn đến sự quay trở lại của

Microcystis tầng đáy [124] Như vậy Microcystis nằm ở bề mặt lớp bùn ở phía

phần nông của hồ có khả năng tái sinh vào cột nước và gây ra sự nở hoa tảo

1.3.5 Nồng độ CO 2 và pH

lam trong thuỷ vực ban đầu được đề xuất bởi King (1970) Ông cho thấy khởi

tảo lam trở nên chiếm ưu thế Shapiro [114] nghiên cứu bổ sung, kết quả cho

tảo có chứa một số lượng lớn tảo lục, nhưng chiếm ưu thế vẫn là tảo lam, khu hệ này thay đổi và tảo lam chiếm ưu thế trong khoảng 10 ngày Kết quả tương tự

trong môi trường nhiều hơn Bổ sung chất dinh dưỡng là nguyên nhân gây ra sự gia tăng phát triển tảo lam và độ pH của thuỷ vực

và pH cao là điều kiện tiên quyết cho sự hình thành nở hoa tảo lam, ít nhất đối

với loài tảo quan trọng như Aphanizomenon flos-aquae và Anabaena flos-aquae

khi ông thực hiện nghiên cứu toàn bộ hồ Squaw vào năm 1993 Khu vực phía

loại bỏ các tảo lam thường xuyên nở hoa trong mùa hè Khu vực phía Bắc không

lam gần như cùng lúc và cuối cùng đạt được khối lượng như nhau với các loại

tảo chiếm ưu thế trong cả hai khu vực khảo sát với Aphanizomenon flos-aquae

và Anabaena flos-aquae Do vậy, tảo lam tăng trưởng mạnh ở pH cao bởi vì khi

phát triển, hầu hết các loại tảo xanh được kiểm tra có khả năng sử dụng nồng độ

1.3.6 Ảnh hưởng của kim loại vi lượng

Kim loại có vai trò quan trọng cho hiệu quả hấp thu cacbon và quá trình chuyển hoá nitơ trong tảo lam Sắt là nguyên tố quan trọng tham gia vào quá trình quang hợp cũng như phân bố năng lượng trong tế bào Khi bổ sung sắt vào

hệ nước, kết quả làm tăng khả năng quang hợp của tảo lam, do đó kích thích tốc

độ tăng trưởng và thúc đẩy sự nở hoa tảo Trong nghiên cứu của Takeda [135],

bổ sung đồng thời sắt và nitrat làm kích thích sự tăng trưởng nhanh hơn so với khi bổ sung một mình nitrat Cả sắt và molypden có liên quan đến giảm nồng độ nitrat và cố định nitơ Molypden giàu trong hồ California kích thích khả năng cố định cacbon và tốc độ hấp thu nitơ có ảnh hưởng lớn khi nitrat là nguồn nitơ chiếm ưu thế Nhìn chung, sự phát triển của tảo lam trong nước phụ thuộc vào kim loại vi lượng và có thể góp phần dẫn đến sự bùng phát khi tảo sử dụng hiệu quả ánh sáng giới hạn, cố định nitơ và sản xuất các hợp chất sắt liên kết ngoại bào

1.4 PHƯƠNG PHÁP KIỂM SOÁT TẢO LAM

Hiện nay có một số nhóm phương pháp kiểm soát tảo lam Với phương pháp xử lý bùn đáy (hút bùn, cô lập và oxy hóa tầng đáy) và phương pháp kết tủa là những phương pháp truyền thống để loại bỏ nguồn phốtpho trong nước Một số hướng đi khác là cố gắng loại bỏ sinh khối tảo lam trong nước, chống phân tầng nhân tạo, sử dụng sóng siêu âm,.v.v đều có tác động đáng kể đến sự hiện diện của tảo Một trong số giải pháp đang được phát triển là sử dụng các sinh vật cạnh tranh và các kiểu tương tác sinh học khác (sử dụng cá, cây thủy sinh, động vật nguyên sinh, vi khuẩn, virus) Hướng đi cuối cùng, mặc dù có vô

số bất cập nhưng cũng được sử dụng là dùng các chất hóa học nhằm diệt tảo như các chất diệt tảo hữu cơ/vô cơ, chất keo tụ, các chất nhạy sáng,

Việc kiểm soát dinh dưỡng để ngăn chặn tảo lam phát triển thường được chú trọng vào phốtpho (vì phốtpho thường là yếu tố hạn chế trong hệ nước phú dưỡng) Do đó, bước đầu tiên cũng là bước quan trọng trong việc cải thiện chất lượng nước hồ là kiểm soát và hạn chế thành phần dinh dưỡng này trong nước, ngăn chặn chúng quay trở lại bằng các chu trình tự nhiên Hiệu quả xử lý phụ thuộc vào nhiều yếu tố môi trường và sự hiểu biết của người xử lý Mục đích chính của phần này là đưa ra các thông tin chi tiết và so sánh ưu nhược điểm của các loại hình xử lý

1.4.1 Xử lý dinh dưỡng trong thành phần nước

Đối với hầu hết các thủy vực phú dưỡng với sự nở hoa tảo, nhiệm vụ quan trọng nhất của các nhà môi trường là phải xử lý được thành phần dinh dưỡng

trong nước Nguồn dinh dưỡng này có thể là nguồn điểm hoặc nguồn diện (nguồn không điểm)

Nguồn diện phát thải phốtpho chủ yếu là nước thải chảy ra từ các hoạt động nông nghiệp, nước chảy tràn từ thành phố hoặc các vùng đất rừng bị phá Hiện tượng xói mòn có thể mang chất dinh dưỡng cả dạng hòa tan và dạng huyền phù vào trong thủy vực Do đó, phương pháp để ngăn chặn nguồn dinh dưỡng cũng tương tự như các phương pháp dùng để ngăn chặn lụt Nước mang dinh dưỡng

có thể bị hạn chế bằng cách tái sử dụng thay vì lấy nước mới từ sông suối, điều chỉnh lại cộng đồng sống ở vùng ven sông, khôi phục các vùng đất ngập nước Một lượng lớn chất dinh dưỡng có thể bị giữ lại bởi các ao sinh học và các vùng đất ngập nước Về cơ bản, khu vực càng đa dạng sinh thái thì càng có tính đệm cao Chất dinh dưỡng thoát ly từ các cánh đồng có thể được kiểm soát bằng các biện pháp nông nghiệp bao gồm chuyển đổi mục đích sử dụng đất, luân canh, quản lý tốt nguồn phân bón,.v.v.[31]

thành phố Có thể giảm nguồn phốtpho này bằng cách xây dựng thêm các cơ sở

xử lý nước thải, nâng cấp các cơ sở xử lý sẵn có, ví dụ như thêm công đoạn kết tủa, keo tụ và điều chỉnh công đoạn xử lý sinh học để tối ưu hóa khả năng loại

bỏ phốtpho Một yếu tố không kém phần quan trọng khác là việc cấm sử dụng các hóa chất tẩy rửa chứa phốtphat Tập trung vào vấn đề chính là sự nở hoa của tảo lam, không chỉ mỗi hàm lượng phốtpho trong nước cao mà tỉ lệ N:P thấp cũng làm cho tảo lam phát triển mạnh hơn [121] Những trạm xử lý nước thải không có “quy trình thứ ba” thường ưu thế trong khả năng loại bỏ nitơ hơn phốtpho, do đó tỉ lệ N:P bị giảm Hơn nữa, các gốc nitrat trong nước hồ đóng vai trò tác nhân oxy hóa, do đó sự thiếu hụt chúng sẽ làm tăng tốc độ phân hủy các chất hữu cơ tầng đáy, gây phát tán thêm phốtpho trong lớp bùn đáy vào nước Vì vậy, các trạm xử lý nước thải lạc hậu thậm chí còn làm tăng nguy cơ phát triển của tảo lam

Một lượng lớn các chất dinh dưỡng có thể được xử lý loại bỏ tại những nơi cấp nước cho hồ chứa Chúng thường là các hồ nhỏ, nông, khả năng lưu trữ nước ngắn và có vị trí nằm gần các hồ chứa chính với chất lượng nước cao hơn Phốtpho tại các hồ cấp nước được loại bỏ bằng các biện pháp sinh học hay kết tủa bằng các vật liệu hạt Hiệu quả của phương pháp xử lý tại hồ cấp nước phụ thuộc nhiều vào việc thiết kế hồ chứa và khả năng quản lý của cơ quan có thẩm quyền [100, 109]

1.4.2 Xử lý bùn đáy tại hồ và cố định phốtpho

Do đó, bùn đáy là nguồn phốtpho nội tại cực lớn Vì lý do này, thủy vực vẫn có thể bị phú dưỡng trở lại sau vài năm xử lý loại bỏ phốtpho Sự giải phóng phốtpho vào nước thậm chí còn tăng mạnh nếu nước hồ xảy ra sự phân tầng rõ rệt và tầng đáy ở trong tình trạng thiếu oxy Trong lớp bùn đáy yếm khí, quá trình phân hủy của các hợp chất hữu cơ biến các gốc sunfat thành hyđro sunfua

1.4.2.1 Xử lý bùn đáy

Xử lý bùn đáy là một phương pháp xử lý hiệu quả nguồn dinh dưỡng trong

hồ chứa Người ta hút và loại bỏ lớp bùn trên cùng giàu phốtpho nhất, để lại lớp bùn dưới có khả năng cố định phốtpho cao Việc làm này cũng loại bỏ các bào

tử tảo lam, vốn thường nằm ở bề mặt lớp bùn này

Rất nhiều ca xử lý hồ đã sử dụng phương pháp hút bùn đáy này với nhiều

cỡ hồ từ 2 - 1050 ha với thể tích nước từ vài trăm đến 7 triệu mét khối [31, 92] Những lần ứng dụng thực tế của phương pháp này cho nhiều kết quả khác nhau Việc quyết định xử lý hút bùn phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố (số lượng và chất lượng bùn đáy, thành phần các chất dinh dưỡng, các chất độc hại, công tác xử lý lớp bùn hút được, giá thành, ) Những yếu tố này cần được nghiên cứu kỹ trước khi tiến hành xử lý Việc tìm chỗ đổ bỏ bùn hút được là vấn đề lớn Nếu chúng không chứa các hợp chất độc hại thì có thể dùng làm phân bón cho nông nghiệp

- trong một vài trường hợp, bùn đáy được đổ thẳng ra ruộng [31, 97]

Mặc dù là phương pháp có hiệu quả cao với giá thành cao, phương pháp hút bùn vẫn không được ưu tiên sử dụng, đặc biệt là trong trường hợp lượng phốtpho trong nước vẫn còn đủ lớn để tảo nở hoa Một ví dụ cho trường hợp này

là lần xử lý hồ Vajgar, diện tích 40 ha (Cộng hòa Séc) cho hiệu quả ban đầu khá khả quan Tuy nhiên, do các dòng thải vào hồ vẫn chứa quá nhiều dinh dưỡng nên tình trạng của hồ chỉ giữ được 5 năm cho đến khi tảo lam lại bùng phát trở lại [97]

1.4.2.2 Che phủ đáy

Một phương pháp rẻ tiền khác được sử dụng để thay thế hút bùn là che phủ đáy Kỹ thuật này đặc biệt được sử dụng khi bùn đáy chứa nhiều chất độc hay kim loại nặng Nguyên tắc chính là dùng vật liệu che phủ đáy hồ, giảm thiểu tối

đa chất ô nhiễm phát tán vào nước Vật liệu che phủ có thể đơn thuần là rào chắn vật lý hoặc cũng có thể là một loại hợp chất hoạt động đóng vai trò rào chắn hóa học Hợp chất che phủ cơ học có thể là một loại vật liệu sạch đơn thuần như cát hay sỏi Lớp vật liệu này phải có độ dày ít nhất 30 - 40 cm để có thể ngăn chặn được bùn đáy tiếp xúc với nước do các yếu tố tự nhiên như gió và sóng [145] Đây là một phương pháp đơn giản nhưng khá khó khi ứng dụng vì sự khó khăn khi phải rải một lớp đều đặn và liên tục trong nước

1.4.2.3 Rút nước tầng đáy

Phương pháp này chỉ có thể được sử dụng trong các hồ nước sâu phân tầng, khi tầng nước đáy chứa nồng độ phốtpho lớn giải phóng từ lớp bùn trong tình trạng yếm khí Phương pháp này dựa trên sự loại bỏ nước có chọn lọc đối với nước tầng đáy vốn thiếu oxy và có hàm lượng dinh dưỡng cao giải phóng từ bùn Sự giảm phốtpho và tăng hàm lượng oxy sẽ hạn chế tảo lam trong hồ phát triển Đây là một trong những bước cần làm khi phục hồi hồ sau khi đã cô lập các nguồn phốtpho chảy vào hồ

Nước tầng đáy có thể loại bỏ bằng cách dùng ống bơm hay các cửa cống đặc biệt trong hồ chứa Một cách đơn giản nhất là dùng loại ống có tên là Olszewski để xi phông nước hồ ra vùng đất thấp hơn xung quanh Trong quá trình rút nước tầng đáy, mọi hoạt động tác động đến sự phân tầng nước phải tránh vì nó sẽ làm các nguyên tố dinh dưỡng di chuyển sang tầng nước khác Lượng nước rút ra đồng thời cũng phải có dòng bổ sung hợp lý [31]

Lợi thế lớn nhất của phương pháp này là giá thành rẻ, tuy nhiên, nó chỉ sử dụng được ở những hồ chứa nhỏ và sâu Đối với các hồ lớn hơn (thể tích > 2,5 triệu mét khối), việc rút nước đơn thuần không đủ để giảm lượng phốtpho và các thành phần yếm khí khác [88] Một trường hợp áp dụng ở Séc khi nước tầng đáy được rút một cách tình cờ để sản xuất điện, tuy nhiên hàm lượng phốtpho không

thay đổi nhiều Các trường hợp thành công hơn xảy ra ở rất nhiều hồ tại các nước như Mỹ, Canada, Phần Lan, Đức, Ba Lan [31, 88]

Hiệu ứng tiêu cực của phương pháp thường xảy ra tại cuối dòng nơi thải nước rút khỏi hồ Nước đổ ra trong tình trạng nhiệt độ thấp, hàm lượng dinh dưỡng cao, hyđro sunfua, amoniac, các hợp chất độc hại khác cao, có thể gây nhiều tác hại lên các loài sinh vật nhạy cảm, sự phát triển của tảo cũng như các sinh vật lớn khác Hiệu ứng tiêu cực có thể giảm một phần bằng cách thêm hóa chất kết tủa phốtpho hóa học vào dòng nước thải [26]

1.4.2.4 Sục khí và bổ sung oxy vào lớp nước tầng đáy

Mô hình hệ thống sục khí đơn giản nhất là phải làm sao duy trì một hàm lượng oxy lớn nhất định tại đáy hồ Do đó, sắt sẽ tồn tại ở dạng rắn, lượng phát tán của phốtpho vào nước từ bùn đáy sẽ bị giảm thiểu, đồng thời quá trình sục khí sẽ tăng tốc quá trình phân hủy hiếu khí các vật chất hữu cơ tầng đáy bởi các

vi sinh vật hiếu khí

và ống dẫn Các bóng khí trong quá trình nổi lên cũng đồng thời đẩy vùng nước yếm khí lên phía trên mặt để tiếp nhận oxy từ mặt nước Tuy nhiên, phương pháp này sẽ phá vỡ tình trạng phân tầng sẵn có trong hồ và mang lớp nước giàu dinh dưỡng lên tầng mặt - hoạt động này có thể khiến phát sinh một đợt bùng phát tảo lam mới

Phương pháp chung của các biện pháp sục khí tầng đáy được miêu tả bởi Cooke và cộng sự [31] Phương pháp thứ nhất đơn thuần là rút nước tầng đáy,

bổ sung thêm oxy rồi bơm trở lại độ sâu của nó mà không làm thay đổi nhiệt độ Một biện pháp khác là bơm không khí trực tiếp xuống tầng nước đáy Nếu các bóng khí đủ nhỏ (d < 1 mm), bóng khí có thể hòa tan hoàn toàn trong nước tầng đáy trước khi kịp nổi lên [156] Hiệu quả của quá trình sục khí sẽ cao hơn nếu sử dụng oxy nguyên chất thay thế không khí, thậm chí trong một vài trường hợp, người ta sử dụng ozon để tránh tảo và nấm phát triển trong ống sục khí Một trường hợp khác là sử dụng nước bão hòa oxy thay cho khí để sục

Phương pháp sục khí này rất khó sử dụng nếu thủy vực quá nông (kể cả có xuất hiện phân tầng), phương pháp này không nên sử dụng nếu độ sâu hồ nhỏ hơn 12-15 m [31] Tốt nhất nên sục khí vào mùa xuân và sục khí liên tục cho đến mùa thu Nếu cần thiết, có thể thực hiện đến mùa đông cho đến khi nước mặt hồ bị phủ băng Thiết bị và quy trình sục khí luôn phải được nghiên cứu thiết kế kỹ, phù hợp với thủy vực tiến hành Cuối cùng, do có sử dụng một lượng điện lớn nên giá thành của phương pháp này cũng khá đắt đỏ

1.4.2.5 Cố định và kết tủa phốtpho

Kỹ thuật này tập trung vào việc làm giảm thành phần phốtpho trong nước

hồ bằng cách loại bỏ P hoạt động trong nước và ngăn chặn P giải phóng từ lớp bùn đáy Nguyên lý của phương pháp này là dùng chất keo tụ Những hợp chất được thêm vào nước và kết tủa dưới dạng bông keo Trong quá trình hình thành bông keo, phốtpho bị liên kết một cách hiệu quả và chuyển thành dạng không thể tiêu thụ bởi thực vật phù du Một số chất keo tụ còn có thể cố định cả những vật chất dạng hạt nhỏ như tế bào tảo hay tảo lam vào trong bông keo tụ Sau đó, bông keo tụ chìm xuống đáy và loại bỏ phốtphat và tế bào tảo lam ra khỏi cột nước Tại đáy hồ, chất keo tụ tiếp tục liên kết với các thành phần phốtpho trong bùn đáy, gia tăng khả năng cố định phốtpho

Cố định phốtphat hoạt hóa sinh học thành dạng bông keo tụ đạt hiệu suất cao hơn rất nhiều so với việc cố định phốtphat dưới dạng hạt (chất hữu cơ, nằm trong tế bào,…) Do đó, đây là một biện pháp xử lý rất hợp lý cho khoảng thời gian từ cuối mùa thu đến đầu mùa xuân, khi hàm lượng phốtphat hoạt hóa sinh học trong nước ở mức cao nhất, ngay trước khi chúng được tảo sử dụng để phát triển sau mùa xuân Quá trình này thường được sử dụng tại những hồ nông bị bùng phát tảo lam Hiệu suất của quá trình xử lý phụ thuộc vào độ sâu của hồ và các hoạt động sóng/gió Nếu mục tiêu của quá trình xử lý chỉ là giảm hàm lượng

P hòa tan trong nước, phương pháp này có thể có tác dụng trong một thời gian dài (> 1 năm), với những hồ có tiềm năng giải phóng P từ bùn đáy Nếu sử dụng tại những vùng thích hợp, phương pháp này sẽ có hiệu quả rất lâu dài [154]

thay thế hoàn toàn phương pháp sử dụng thuốc diệt tảo hóa học Có rất nhiều hợp chất có thể sử dụng được với vai trò chất keo tụ như - muối nhôm, sắt, canxi hoặc hỗn hợp của chúng và một số loại đất sét Nhôm, sắt, canxi đã được dùng hàng trăm năm nay để làm chất keo tụ trong công tác xử lý nước cấp hoặc nước thải Lund [72] là người đầu tiên đề xuất sử dụng chất keo tụ gốc nhôm trong việc kiểm soát bùng phát tảo lam trong nước hồ Những chất được đề cập bên trên có khá nhiều tác động đến môi trường thủy sinh; các yếu tố lợi hại của chúng được phân tích kỹ trong các đề mục dưới đây:

a) Nhôm

Loại muối nhôm được sử dụng rộng rãi nhất làm chất keo tụ là phèn nhôm

tủa nhôm hyđroxit không độc và khối này sẽ kéo theo các chất lơ lửng trong nước xuống tầng đáy Trong quá trình khối keo tụ hình thành và lắng xuống đáy, những hạt vật chất nhỏ sẽ bị kéo xuống theo Holz và Hoagland [60] kết luận

rằng, phèn cực kỳ hiệu quả trong việc kiểm soát phốtpho từ bùn đáy phát tán trở lại cột nước, cải thiện chất lượng nước, giảm sinh khối thực vật phù du, chuyển đổi cơ cấu từ chỗ tảo lam chiếm ưu thế thành nhóm ngành tảo silic và ngành tảo lục chiếm ưu thế, gia tăng sinh khối rong tảo khiến cá có thêm thức ăn

thụ P trong quá trình lắng xuống:

Phốtphat hữu cơ hòa tan được kết hợp trực tiếp với nhôm qua phản ứng hóa học, hoặc hấp thụ vật lý vào khối keo tụ của nhôm hyđroxit [153]:

hoạt động quang hợp cực mạnh), độ tan của khối keo tạo thành sẽ tăng lên do

mức 50 µg/L Đồng thời, tại pH < 6 thì nước hồ cũng có những tác động có hại nhất định đối với sinh vật thủy sinh ngay cả khi nó không làm gia tăng nồng độ

Chất đệm ở đây có thể là natri hyđroxit, canxi hyđroxit hay natri cacbonat Natri aluminat cũng có thể được sử dụng làm chất đệm, thậm chí còn tiện hơn vì nó chứa sẵn thành phần nhôm trong cấu tạo [123]

Để có thể loại bỏ hoàn toàn cả P hòa tan và P kết tủa dạng hạt cùng với sự bất hoạt P có sẵn trong bùn đáy, phương pháp xử lý là dùng càng nhiều nhôm càng tốt trong ngưỡng an toàn của môi trường Theo Cooke [31] có một vài quy trình có thể tính toán ra lượng nhôm cần thiết phải dùng dựa trên số lượng P vô

cơ hoạt hóa trong bùn đáy, tốc độ phát tán P ra cột nước, hay độ kiềm của nước

153] P vô cơ bị loại bỏ dễ hơn là P hữu cơ dạng không tan (chứa trong các tế bào, sinh khối) [128], điều này cho thấy việc xử lý vào đầu mùa xuân sẽ đem lại hiệu quả cao nhất vì lúc này hàm lượng P hòa tan trong nước là lớn nhất

đã được áp dụng tại vài hồ chứa nước ở Séc để kết tủa các tế bào tảo lam trong

tháng 6 năm 2005 Việc xử lý tại các hồ khác ở Séc gần như không hiệu quả Tuy vậy, người ta cũng không nhận thấy bất kỳ tác động có hại nào của phương pháp xử lý này lên môi trường

b) Sắt

dụng với mật độ ít hơn Trong quá trình xử lý nước với muối sắt, khối keo tụ sắt hyđroxit được hình thành, nó cũng có thể là hỗn hợp của sắt oxit và sắt hyđroxit

trường và sắt cũng không có dạng tồn tại gây hại Mặc dù vậy, pH thích hợp

phú dưỡng, đặc biệt là các hồ có hàm lượng thực vật phù du cực cao Phốtpho có thể bị giải phóng trở lại khi pH bị đẩy lên cao Giống như trong quá trình xử lý

hại đến một số loài cá nhạy cảm với môi trường pH thấp khi nó kéo pH môi trường xuống thấp hơn 6 [123]

oxy hóa - khử của sắt Nếu oxy hòa tan trong nước tại tầng đáy giảm xuống thấp

tan và nó sẽ giải phóng P trở lại cột nước Quá trình này xảy ra cực nhanh, thậm chí người ta có thể mô tả chính xác hàm lượng oxy tầng đáy dựa theo lượng phốtpho giải phóng ra Để ngăn tình trạng này, công tác sục khí cũng thường được tiến hành song song với việc sử dụng sắt để xử lý Sử dụng liên tục sắt trong mùa hè cùng với việc sục khí đã ngăn cản tảo bùng phát tại hồ nước Bautzen của Đức Dùng sắt kết hợp với các loại hình xử lý nitơ bùn đáy dưới dạng chất nhận điện tử cũng mang lại kết quả rất khả quan [34]

Một điểm trừ cho việc sử dụng sắt là chúng chỉ có hiệu quả đối với phốtpho

vô cơ hòa tan Nó không thể sử dụng dưới dạng keo để hấp thụ phốtpho trong tế bào Do đó, việc xử lý nước hồ với sắt chỉ nên tiến hành từ cuối thu đến đầu

thủy sinh, ít nhất là tại nồng độ mà chúng được áp dụng để xử lý Tuy nhiên,

một vài trường hợp hiếm cho thấy việc xử lý bằng sắt khiến tảo mọc mạnh hơn

Tuy vậy, các sinh vật thủy sinh có thể chịu đựng được đến nồng độ 500 mg/l Trong quá trình xử lý, nước có thể tạm thời biến thành màu nâu và các hoạt động bơi lội sẽ bị cấm cho đến khi quá trình xử lý hoàn tất [123]

c) Canxi

thể được sử dụng để kết tủa phốtpho trong nước hồ Canxi hấp thụ phốtpho đặc biệt tốt ở pH = 9 và sẽ giảm được đáng kể hàm lượng phốtpho hòa tan trong nước Phốt phát được hấp phụ trên bề mặt hay trong lòng tinh thể canxit tạo

dạng chất phủ đáy, nhằm ngăn chặn phốtpho từ bùn đáy tan vào cột nước [79]

hyđroxyapatit

Hyđroxyapatit kém tan ở pH > 9,5 và có ái lực lớn với phốtpho ở pH cao [31] Tuy nhiên, nếu pH giảm thì hợp chất này sẽ ngay lập tức phân hủy và giải phóng phốtpho hòa tan Quá trình này có thể thấy dễ dàng tại những điểm tảo hô hấp mạnh trên nền tầng đáy [37]

Liều lượng hợp lý khi sử dụng vôi nằm trong khoảng 25 – 300 mg/l Ca Ưu điểm của nó là giá thành rẻ mà lại không độc Tuy nhiên, việc sử dụng vôi sẽ làm tăng pH nước rất nhanh Với nước mềm, pH có thể tăng đến 11 Đồng thời,

xử lý bằng canxi cũng làm tăng mạnh độ đục tạm thời [79, 159] Thêm một ưu điểm nữa của vôi và canxit là có thể được sử dụng để bắt giữ cả những tế bào tảo lam trong nước [159]

d) Đất sét

zeolit, đất sét biến tính hay kaolanh Loại đất sét biến tính lantan, đặc biệt là

Vasse ở Úc [104] Khả năng cố định phốtpho của chúng được sử dụng hiệu quả trong khu vực hồ điều hòa của chu trình xử lý nước thải

Đất sét có thể dễ dàng keo tụ và mang theo các tế bào tảo lam Trong một nghiên cứu của Sengco [113], 25 loại đất sét đã được thử nghiệm và cho thấy hiệu quả vượt trội khi so sánh với phèn hay nhôm clorua polyme Một trường hợp thực địa khác được báo cáo là ở sông Swan (Úc), hỗn hợp bentonit và poly