thử nghiệm độc tính cấp tính của natri hypoclorit (naocl) trên một số loài cá sử dụng làm sinh vật cảnh báo sớm ô nhiễm môi trường nước

Xuất phát từ cơ sở lý luận và thực tiễn trên tôi tiến hành chọn đề tài: “Thử nghiệm độc tính xác định giá trị LC 50 của Natri hypoclorit NaOCl trên một số loài cá sử dụng làm sinh vật cả

KHOA SINH – MÔI TRƯỜNG

TRẦN THỊ HUỆ

HYPOCLORIT (NaOCl) TRÊN MỘT SỐ LOÀI CÁ SỬ

DỤNG LÀM SINH VẬT CẢNH BÁO SỚM

Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG NƯỚC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Đà Nẵng, tháng 5/2015

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA SINH – MÔI TRƯỜNG

TRẦN THỊ HUỆ

HYPOCLORIT (NaOCl) TRÊN MỘT SỐ LOÀI CÁ SỬ

DỤNG LÀM SINH VẬT CẢNH BÁO SỚM

Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG NƯỚC

Ngành: Quản lý Tài nguyên và Môi trường

Người hướng dẫn: Ths Nguyễn Văn Khánh

Đà Nẵng, tháng 5/2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được

ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả khóa luận

Trần Thị Huệ

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này tôi xin bày

tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Văn Khánh đã hướng dẫn cho tôi trong suốt thời gian qua Đồng thời tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Sinh – Môi Trường, trường Đại học Sư Phạm, Đại học Đà Nẵng

đã tạo điều kiện để tôi hoàn thành khóa luận này

Đà Nẵng, tháng 5 năm 2015

Sinh viên: Trần Thị Huệ

MỤC LỤC MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu đề tài 2

2.1 Mục tiêu tổng quát 2

2.2 Mục tiêu cụ thể 2

3 Ý nghĩa khoa học của đề tài 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

1.1 TÌNH HÌNH Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG NƯỚC Ở VIỆT NAM 3

1.2 GIỚI THIỆU VỀ SINH VẬT CẢNH BÁO 5

1.2.1 Sinh vật cảnh báo là gì? 5

1.2.2 Nguyên lí sử dụng 6

1.2.3 Tiêu chí lựa chọn 8

1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SINH VẬT CẢNH BÁO SỚM Ô NHIỄM 9

1.3.1 Tình hình nghiên cứu sinh vật cảnh báo sớm ô nhiễm trên thế giới 9

1.3.2 Tình hình nghiên cứu sinh vật cảnh báo sớm ô nhiễm ở Việt Nam 16

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 20

2.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 20

2.1.1 Các loài cá sử dụng làm thí nghiệm 20

2.1.2 Hóa chất NaOCl 23

2.2 THỜI GIAN, ĐỊA ĐIỂM, PHẠM VI THỰC HIỆN 23

2.2.1 Thời gian 23

2.2.2 Địa điểm 24

2.2.3 Phạm vi thực hiện 24

2.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 24

2.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24

2.4.1 Phương pháp hồi cứu tài liệu 24

2.4.2 Phương pháp thí nghiệm 24

2.4.3 Phương pháp xử lý số liệu 27

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 28

3.1 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM THĂM DÒ 28

3.2 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH LC50 29

3.2.1 Nhiệt độ, pH và oxy hòa tan trong thời gian làm thí nghiệm xác định LC 50 29

3.2.2 Biểu hiện của cá trong thời gian thí nghiệm và giá trị LC50 của NaOCl 32 3.3 SO SÁNH SỰ NHẠY CẢM CỦA CÁC LOÀI CÁ VỚI CHẤT Ô NHIỄM 37 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 39

1 KẾT LUẬN 39

2 KIẾN NGHỊ 39

TÀI LIỆU THAM KHẢO 41

PHỤ LỤC 48

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

systems)

lớn (Biological Monitoring Working Party)

Cooperation and Development)

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ

Số hiệu

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, nước ta đang trong thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa, mặc dù các cấp đã có nhiều cố gắng trong việc thực hiện chính sách và pháp luật về bảo vệ môi trường, nhưng tình trạng ô nhiễm môi trường nước do chất hóa học ngày càng gia tăng làm ảnh hưởng đến đời sống của người dân Do

đó, việc đánh giá, giám sát tình trạng ô nhiễm một cách nhanh chóng để có thể đưa ra những cảnh báo sớm và ngăn chặn kịp thời các sự cố là rất cần thiết

Trong khi đó, các phương pháp giám sát ô nhiễm bằng hóa – lý thì chính xác nhưng mất nhiều thời gian và phải được thực hiện liên tục với tần suất lớn mới xác định được nguyên nhân ô nhiễm, dẫn đến phản ứng của cơ quan quản lý là quá muộn trong các trường hợp bị đầu độc, cố ý phá hoại hay

sự cố môi trường khẩn cấp Trái lại, phương pháp sinh vật cảnh báo khắc phục được một số hạn chế của phương pháp trên

Phương pháp sinh vật cảnh báo dựa trên sự thay đổi hành vi bình thường của sinh vật do ảnh hưởng của sự phơi nhiễm chất độc ở nồng độ thấp,

mà không đủ để giết chết sinh vật Vì ô nhiễm môi trường trong các hệ sinh thái tự nhiên thường xảy ra ở nồng độ thấp hơn nồng độ gây chết, nhưng về lâu dài vẫn có thể gây tác hại cho hệ sinh thái Do đó việc đầu tiên là phải đánh giá độc tính sinh học bằng thử nghiệm độc tính cấp tính, nhằm xác định

mức độ nhạy cảm của sinh vật đối với hóa chất, để tìm ra loài thích hợp cho

điểm mấu chốt là sử dụng sinh vật rẻ tiền có sẵn tại địa phương để giám sát nhằm tăng cường đánh giá nhanh hơn và thường xuyên hơn [42] Nhưng ở Việt Nam hiện vẫn chưa có một nghiên cứu nào về hệ thống sử dụng sinh vật cảnh báo sớm ô nhiễm nguồn nước

Xuất phát từ cơ sở lý luận và thực tiễn trên tôi tiến hành chọn đề tài:

“Thử nghiệm độc tính xác định giá trị LC 50 của Natri hypoclorit (NaOCl) trên một số loài cá sử dụng làm sinh vật cảnh báo sớm ô nhiễm môi trường nước.” nhằm bước đầu nghiên cứu, lựa chọn những loài cá tại Việt Nam và

đánh giá sự nhạy cảm của chúng đối với độc chất để sử dụng làm sinh vật cảnh báo sớm ô nhiễm nguồn nước

trên 3 loài cá Ngựa vằn (Danio rerio), cá Tứ vân (Puntius tetrazona) và cá Hòa lan (Xiphophorus spp.) để so sánh độ nhạy cảm của chúng với NaOCl

3 Ý nghĩa khoa học của đề tài

Kết quả nghiên cứu góp phần tạo cơ sở sinh học, tuyển chọn những loài

cá thích hợp cho việc nghiên cứu hệ thống phát hiện và cảnh báo sớm các nguy cơ ô nhiễm nguồn nước dựa vào phân tích các phản ứng sinh học của sinh vật hay dựa trên thử nghiệm sinh học đánh giá độ độc của hóa chất tại Việt Nam

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 TÌNH HÌNH Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG NƯỚC Ở VIỆT NAM

Hiện nay ở Việt Nam, mặc dù các cấp, các ngành đã có nhiều cố gắng trong việc thực hiện chính sách và pháp luật về bảo vệ môi trường, nhưng tình trạng ô nhiễm nước vẫn là vấn đề rất đáng lo ngại

Tốc độ công nghiệp hoá và đô thị hoá khá nhanh cùng với sự gia tăng dân số gây áp lực ngày càng nặng nề đối với tài nguyên nước Môi trường nước ở nhiều đô thị, khu công nghiệp (KCN) và làng nghề ngày càng bị ô nhiễm bởi nước thải, khí thải và chất thải rắn Ở các thành phố lớn, hàng trăm

cơ sở sản xuất công nghiệp đang gây ô nhiễm môi trường nước do không có công trình và thiết bị xử lý chất thải

Hiện nay, hầu hết nước thải đô thị đều chưa được xử lý trước khi thải ra môi trường Khoảng 4,3% lượng nước thải công nghiệp được xử lý đảm bảo tiêu chuẩn Tại thành phố Hồ Chí Minh có 11 khu công nghiệp với trên 5 ngàn doanh nghiệp đang hoạt động, nhưng chỉ có 4 KCN xây dựng nhà máy

xử lý nước thải tập trung, xử lý được 38,8% lượng nước thải Lưu vực sông Cầu có hơn 2 ngàn doanh nghiệp sản xuất công nghiệp mỗi năm thải ra môi

cyanua, kim loại nặng, các chất tẩy màu Bên cạnh đó nước rỉ rác từ các bãi rác là một trong những nguồn gây ô nhiễm nước mặt nghiêm trọng [14]

Ngoài ra, các nhà máy chế biến bột giặt tổng hợp, các nước tẩy rửa chén bát hay các loại xà bông có chứa hoạt chất tẩy rửa cao Các chất tẩy rửa này lại rất có hại cho con người vì có chứa các thành phần gây độc hại được

sử dụng khi chế tạo như: canxi, nhôm, sắt, các chất bôi trơn, sơn, veni… Những người dân sống gần sông, hồ, kênh mương đã thải trực tiếp những chất này ra môi trường nước Lâu ngày hệ thống dòng chảy nơi đây chuyển màu vì

ô nhiễm Nhất là ở nông thôn khi mà người dân vẫn quen lấy nước ở các sông

hồ để phục vụ cho sinh hoạt thì đây là một vấn đề nguy hiểm Nguy hiểm này tiềm tàng khó nhận biết, vì các chất này khi hòa vào dòng chảy sẽ gây nhiễm độc dòng chảy bằng mắt thường khó mà nhận biết được Lâu ngày, cá và các sinh vật khác chết vì nhiễm độc nặng Các chất này khi đi vào cơ thể con người sẽ tích tụ và gây bệnh bất cứ lúc nào [4]

Ở khu vực thành phố Thái Nguyên, nước thải chủ yếu là nước thải công nghiệp và sinh hoạt, chiếm khoảng 15% lượng nước sông Cầu vào mùa cạn [11] Nước thải khu công nghiệp Thái Nguyên biến nước sông Cầu thành màu đen, mặt nước sủi bọt trên chiều dài hàng chục cây số Khu công nghiệp Việt Trì xả mỗi ngày hàng ngàn mét khối nước thải xuống sông Hồng làm nước bị nhiễm bẩn đáng kể Khu công nghiệp Biên Hòa và thành phố Hồ Chí Minh tạo ra nguồn nước thải công nghiệp và sinh hoạt rất lớn, làm nhiễm bẩn tất cả các sông rạch ở đây và cả vùng lân cận [12]

Đến nay, cả nước có trên 1000 bệnh viện, mỗi ngày thải ra hàng trăm

nước thải chưa nhiều thành phần nguy hiểm, gây ô nhiễm nghiêm trọng cho môi trường [14]

Trong sản xuất nông nghiệp, do lạm dụng các loại thuốc bảo vệ thực vật, các nguồn nước ở sông, hồ, kênh, mương bị ô nhiễm, ảnh hưởng lớn đến môi trường nước và sức khoẻ nhân dân Lượng hóa chất bảo vệ thực vật được

sử dụng trong nông nghiệp khoảng 0,5 – 3,5 kg/ha/vụ, dư lượng hóa chất bảo

vệ thực vật và phân khoáng gây phú dưỡng và nhiễm độc nước [4]

Lĩnh vực chăn nuôi, theo khảo sát của Cục Thú y tại TP Hồ Chí Minh chỉ có 47,5% số hộ chăn nuôi có xử lý nước thải, trong đó có 84,9% chỉ xử lý

sơ bộ, 52,5% số hộ chăn nuôi không có bất cứ biện pháp xử lý nào, nước thải được xả trực tiếp ra môi trường qua các con sông, kênh rạch Hoạt động của trên 1450 làng nghề trong cả nước, tạo ra lượng chất thải lớn không được xử

lý xả vào môi trường bừa bãi, gây nên tình trạng ô nhiễm trầm trọng nguồn nước, đặc biệt là các làng nghề làm giấy, dệt nhuộm, giết mổ gia súc [2]

Có thể nói, ô nhiễm môi trường nước là tình trạng chung của cả nông thôn và thành thị Vấn đề này chỉ khác ở chỗ là mức độ ô nhiễm ở mỗi nơi khác nhau tùy thuộc vào lượng chất thải độc hại ra môi trường

1.2 GIỚI THIỆU VỀ SINH VẬT CẢNH BÁO

1.2.1 Sinh vật cảnh báo là gì?

Sinh vật chỉ thị là loài mẫn cảm với điều kiện sinh lý và sinh hóa, nghĩa

là chúng hoặc hiện diện hoặc có những phản ứng khác thường hoặc thay đổi

số lượng cá thể các loài chỉ thị, do môi trường bị ô nhiễm hay môi trường sống bị xáo trộn Các sinh vật chỉ thị môi trường khác nhau có thể xếp thành các nhóm theo những tiêu chí như: (1) Tính nhạy cảm là các loài mẫn cảm đặc trưng có những phản ứng khác thường với những điều kiện môi trường không thích hợp có thể sử dụng như là công cụ cảnh báo sớm; (2) Như một công cụ thăm dò là những loài xuất hiện tự nhiên trong môi trường có thể dùng đo đạc sự phản ứng và thích nghi đối với sự thay đổi của môi trường; (3) Như một công cụ khai thác là các loài có thể chỉ thị cho sự xáo trộn hay ô nhiễm môi trường; (4) Như một công cụ tích lũy sinh học là các loài tích lũy sinh học bao gồm hóa chất trong mô của chúng; (5) Các sinh vật thử nghiệm

là các sinh vật chọn lọc đôi khi có thể được sử dụng như là các chất trong thí nghiệm để xác định sự hiện diện hoặc nồng độ các chất ô nhiễm [7]

Vậy sinh vật cảnh báo là những sinh vật mẫn cảm, có những biểu hiện phản ứng có thể đo được đối với ô nhiễm và do đó hoạt động như một chỉ thị cảnh báo sớm về sự có mặt các chất ô nhiễm trong môi trường Ví dụ: như hiện nay việc sử dụng báo hiệu của cá khi xuất hiện những nhiễu loạn sinh lý thông thường ở các loài cá mẫn cảm ô nhiễm đang được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi [7]

1.2.2 Nguyên lí sử dụng

Ở mỗi sinh vật sự căng thẳng là điều không thể tránh khỏi, nhưng phản ứng không đặc trưng của sinh vật đến bất kỳ yếu tố nào ảnh hưởng đến nó, ở giới hạn thấp hơn hoặc "ngưỡng căng thẳng" có thể được xác định Sự căng thẳng do các chất độc hại, ban đầu sẽ gợi lên một "phản ứng báo động" nhưng không một sinh vật nào có thể duy trì trạng thái mãn tính báo động đó và cuối cùng vào giai đoạn thích ứng hoặc phản kháng [51] Các biểu hiện bên ngoài của sự căng thẳng thường liên quan đến các phản ứng sinh lý bởi tác nhân hóa học và hệ thần kinh Một sinh vật phản ứng sự căng thẳng bằng nhiều cách, bao gồm cả những thay đổi trong mô hình chuyển động

Vận động là một tính năng đặc trưng không thể bỏ qua của nhiều sinh vật như là một yếu tố sinh lý quan trọng trong sự sống còn Những thay đổi trong hành vi di chuyển của sinh vật có thể được sử dụng như một chỉ số thích hợp trong đánh giá rủi ro độc học sinh thái [32] Sự thay đổi hành vi của sinh vật liên quan đến áp lực và tiếp xúc với độc tố cung cấp thông tin mới mà không thể được thu được từ phương pháp độc học truyền thống, trong đó bao gồm các hiệu ứng tiếp xúc gây chết trong thời gian ngắn và trung bình, khả năng tử vong [16]

Do đó mỗi sinh vật cảnh báo khi bị tác động bởi môi trường ô nhiễm sẽ biểu hiện các dấu hiệu sinh học Dựa vào việc phát hiện và đánh giá, giám sát các dấu hiệu sinh học đó, có thể phân tích được mức độ ô nhiễm của môi trường

Dấu hiệu sinh học thông thường được chia thành hai nhóm: dấu hiệu sinh học phơi nhiễm (biomarkers of exposure) và dấu hiệu sinh học tác động (biomarkers of effect) Chúng đóng những vai trò khác nhau trong việc giám sát và đánh giá môi trường

Dấu hiệu sinh học phơi nhiễm được dùng để đánh giá lượng chất độc hiện có trong cơ thể Nó cung cấp những thông tin về phơi nhiễm hóa học trong các cá thể, sự thay đổi nồng độ theo thời gian, và những biến đổi trong các quần thể khác nhau Nó cũng có thể cung cấp thông tin về tầm quan trọng tương đối của các con đường tiếp xúc khác nhau và những nguy cơ liên quan

Dấu hiệu sinh học tác động chỉ thị cho những thay đổi trong chức năng sinh học để phản ứng với sự phơi nhiễm hóa chất Vì vậy, nó giúp nghiên cứu sâu hơn, trực tiếp hơn những nguy cơ gây hại so với dấu hiệu sinh học tiếp xúc

Nguyên tắc cơ bản nhất của tất cả các hệ thống sinh học cảnh báo sớm

là chọn sinh vật phù hợp cho đối tượng cần được giám sát [20] Việc lựa chọn này dựa trên khả năng phản ứng của sinh vật đối với các điều kiện môi trường khác nhau để phản ánh chất lượng môi trường sống của chúng Những sinh vật bị các chất ô nhiễm hoặc các chất tự nhiên có mặt nhiều trong môi trường tác động và thông qua các biểu hiện, những thay đổi bất thường, chúng sẽ chỉ thị cho bản chất và mức độ gây ô nhiễm [7] Những sinh vật này được gọi là sinh vật chỉ thị ô nhiễm Trong hệ thống BEWS, sinh vật cảnh báo là cảm biến chính – có chức năng cung cấp những dấu hiệu để cảnh báo sớm sự biến động môi trường

Để ghi nhận những phản ứng nhanh chóng, chức năng sinh lí hay hành

vi của sinh vật sẽ được sử dụng như là những thông số đáp ứng Những thông

số này phải phản ánh được sự thay đổi điều kiện môi trường, đặc biệt là đối với sự gia tăng nồng độ của một hay nhiều chất độc hại trong nước Những phản ứng hành vi được lựa chọn bao gồm: sự di chuyển, lẩn trốn, các hành vi bất thường, trong khi những thông số sinh lí được quan tâm là: tốc độ hô hấp, nhịp tim, hoạt động quang hợp, sự phát quang Dữ liệu từ việc quan sát sẽ được ghi lại một cách tự động và liên tục Bộ phận cảm ứng sơ cấp thực hiện

chức năng này có thể là những thiết bị điện, điện từ, điện hóa, quang điện… Sau khi thu thập, dữ liệu được phân tích và đánh giá trên bằng những phần mềm cài đặt sẵn Khi phát hiện sự thay đổi đáng kể trong phản ứng sinh thái vượt khỏi tiêu chuẩn đã được định sẵn, hệ thống sẽ tự động đánh dấu và sinh

ra một báo động [20] Nhiều hệ thống sẽ tạo thành một mạng lưới và dấu hiệu bất thường sẽ được báo đến người quản lí ngay tức thì Nếu sự báo động được

sử dụng để kết luận về chất lượng một mẫu nước, phân tích hóa học có thể được tiến hành ngay sau đó để tìm ra nguyên nhân bằng cách định tính, định lượng những chất ô nhiễm

1.2.3 Tiêu chí lựa chọn

Việc lựa chọn những sinh vật cảnh báo phụ thuộc vào cả những khía cạnh thực tế lẫn tính logic Ngoài việc phải thỏa mãn các tiêu chuẩn để là một sinh vật chỉ thị, sinh vật cảnh báo còn phải đáp ứng được một số điều kiện sau [7]:

- Có phân bố rộng và phong phú quanh năm;

- Có ý nghĩa rộng về sinh thái, kinh tế;

- Phải ở trạng thái khỏe mạnh và không dễ bị nhiễm bệnh và kí sinh;

- Phải dễ bảo quản trong phòng thí nghiệm, có tính biến dị di truyền thấp Với những yêu cầu trên, những loài bản địa đặc trưng luôn là những sự lựa chọn hàng đầu cho các hệ thống giám sát [20]

1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SINH VẬT CẢNH BÁO SỚM Ô NHIỄM

1.3.1 Tình hình nghiên cứu sinh vật cảnh báo sớm ô nhiễm trên thế giới

Để phát hiện các chất ô nhiễm trong nguồn nước, người ta có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau, trong đó tập trung vào ba nhóm chính sau: phương pháp vật lí, phương pháp hóa học, và phương pháp sinh vật chỉ thị (bioindicator) Phương pháp vật lý cho phép đo đạc các tính chất vật lý bằng cảm biến (nhiệt độ, màu sắc, mùi,…), trong khi đó phương pháp hóa học

có thể giúp xác định về mặt định lượng (pH, BOD, DO,…) các chất khoáng

và hữu cơ gây ô nhiễm Tuy nhiên sử dụng hai phương pháp này có thể rất tốn kém do phải thường xuyên lấy mẫu nước và phân tích [24] Phương pháp thứ

ba có thể khắc phục được một số hạn chế của phương pháp trên như cung cấp các dẫn liệu về thời gian, tiện lợi trong sử dụng và cho kết quả nhanh, trực tiếp về ảnh hưởng của hiện trạng ô nhiễm đến sinh vật và thường là sử dụng các sinh vật mà sự có mặt của chúng trong nước cho phép kết luận về sự có mặt của các chất ô nhiễm [26], [52] và được nghiên cứu từ những năm 1900

Đầu tiên là Kolwwinz và Marsson (1909) cùng Forbs và Richardson (1913) đã công bố các phương thức phân loại sông ô nhiễm dựa trên sự có mặt hay không có mặt của các loài thích nghi [39], [27] Người ta cũng cho rằng sự có mặt hay vắng mặt của một sinh vật trong hệ sinh thái nước sẽ là một chỉ thị cho chất lượng môi trường phù hợp hơn so với mỗi chỉ tiêu hóa –

lý Do vậy, các nhà khoa học đã nổ lực tìm kiếm các sinh vật nhạy đối với các yếu tố và các thay đổi của môi trường trong nhiều năm Bên cạnh đó, họ còn nghiên cứu nuôi và thử nghiệm các sinh vật nhạy cảm ở quy mô phòng thí nghiệm Họ tin rằng các sinh vật được thử nghiệm dưới các điều kiện phòng thí nghiệm sẽ giúp cung cấp thêm các đánh giá về tác động quan sát được

trong hệ sinh thái tự nhiên và đựa ra được dự đoán cho các tác động mà tương lai có thể xảy ra [1]

Sự phát triển của độc học nước cho đến năm 1970 được tóm lược bởi Werren và Doudoroff (1971) Hầu hết các thử nghiệm độc học đầu tiên đều bao gồm các thí nghiệm cấp tính của một loài lên hóa chất hay nước thải sau

xử lý Các thử nghiệm nằm trong khoảng từ một vài phút đến nhiều giờ và đôi khi là 2 đến 4 ngày Một vài thử nghiệm độc cấp tính sớm nhất đã được thực hiện bởi Penny và Adams (1863), đây là những tác giả quan tâm về các hóa chất độc trong nước thải công nghiệp [50] Vào năm 1924, Kathleen Carpenter đã công bố một trong số các bài báo đầu tiên về ảnh hưởng của ion kim loại nặng có nguồn gốc từ mỏ chì và thiếc lên cá [19] Các thí nghiệm này được tiến hành sâu hơn bởi Jones (1939) và đã có hàng ngàn công bố trong nhiều năm tiếp theo về ảnh hưởng của các kim loại khác lên các đối tượng sinh vật [34]

Fry (1947) đã công bố nghiên cứu khảo sát tỷ lệ chuyển hóa của cá cũng như ảnh hưởng của nhiệt độ và oxy lên tỷ lệ chuyển hóa [28] Vào năm

1937, Ellis đã thực hiện một vài nghiên cứu sớm nhất đối với Daphnia magna

để đánh giá sự ô nhiễm suối [25] và Anderson (1946) đã mở rộng nghiên cứu này cũng như đưa ra nền tảng cho việc tiêu chuẩn hóa các quy trình thử nghiệm độc học với Daphnia magna Hart và cs (1945) cũng như Doudoroff

và cs (1951) đã sử dụng các thử nghiệm độc học với cá nhằm đánh giá độ độc của nước thải sau xử lý và các tác giả này đã góp phần phát triển và tiêu chuẩn hóa phương pháp này [33]

Hơn nữa, thử nghiệm sinh học đã được phát huy nhằm thay thế cho phương pháp giám sát hóa học Một số thử nghiệm sinh học đã được tiến hành một cách hiệu quả trong việc đánh giá độc tính của nước Bengtsson và Triet (1994) đã kiểm tra tính độc nước thải tinh bột sắn bằng thử nghiệm độc

tính trên vi khuẩn Microtox và bèo tấm Họ phát hiện ra rằng bèo tấm nhạy cảm hơn vi khuẩn phát sáng Microtox [17] Kim và cs (2007) nghiên cứu độc tính cấp tính trong nước của dược phẩm tại Hàn Quốc trên các loài vi khuẩn

biển (Vibrio fischeri), Daphnia magna, và cá medaka Nhật Bản (Oryzias

latipes), kết quả cho thấy Daphnia là loài nhạy cảm nhất [38]

Otte và cs (2008) công nhận sự cần thiết để phát triển, chuẩn hóa, và thực hiện các hệ thống thử nghiệm trong cơ thể động vật có xương sống Họ

đã áp dụng và thành lập một chỉ số đánh giá mới EROD của cá như một dấu hiệu sinh học trong đánh giá tính độc trầm tích và phát hiện nó là một phương pháp phù hợp để đánh giá độc hại sinh thái của nhiễm độc trong trầm tích [48] Ginebreda và cs (2010) thu được chỉ số tỷ lệ nguy hiểm với nồng độ chất ô

dụng trong chất độc môi trường, cụ thể là cá, Daphnia và tảo Họ tiến hành bằng cách tổng hợp các tỷ lệ nguy hiểm của tất cả các hợp chất có mặt và tính toán trung bình theo ba lần lấy mẫu và phát hiện ra rằng sinh vật thử nghiệm nhạy cảm nhất là tảo, tiếp theo là Daphnia và cá, trong khi mỗi thử nghiệm sinh học cho thấy sự nhạy cảm khác nhau giữa mỗi loài đối với các hợp chất nhất định [30] Watsona và cs (2012) cho rằng thử nghiệm sinh học có thể là công cụ giám sát đặc biệt hữu ích trong việc đánh giá độc tính phát sinh từ việc khử trùng bằng các sản phẩm (DBPs) hỗn hợp được hình thành trong nước thải clo, vì độc tính của DBPs nước thải không thể dự đoán bằng cách giám sát hóa học của các hợp chất trihalomethanes (THMs) và nitrosamines [53]

Theo nghiên cứu “Thử nghiệm độc học trên cá dùng để đánh giá độc tính và quản lý bền vững nước thải công nghiệp: Trường hợp của Đông Bắc Trung Quốc” của Liu J., và cs (2014) về sử dụng các loài cá như cá Ngựa vằn

(Brachydanio rerio) , Hòa lan (Xiphophorus maculatus), cá medaka (Oryzias

latipes), cá hồi lớn, cá Tứ vân (Tiger barb) và một số loài cá cảnh thương mại

địa phương khác làm sinh vật cảnh báo sớm ô nhiễm nhờ các thử nghiệm độc tính cấp tính đối với 48 loại nước thải công nghiệp khác nhau trên địa bàn nước Trung Quốc Kết quả cho thấy rằng trong các trường hợp thử nghiệm phát hiện độc tính trong các mẫu nước pha loãng, các thử nghiệm thay thế các loài cá có biểu hiện nhạy cảm hơn Trong các loài cá thì cá Ngựa vằn là loài

có sự nhảy cảm nhất Và những loài cá cảnh thương mại có những biểu hiện tương tự những loài cá tương ứng được thuần dưỡng trong phòng thí nghiệm như cá Ngựa vằn hay cá Hòa lan Những phát hiện này chỉ ra rằng cá cảnh thương mại có khả năng phát hiện ô nhiễm như các loài được thuần dưỡng trong phòng thí nghiệm, và trong khi các thử nghiệm thay thế cá có sự nhạy cảm hơn và chi phí rẻ hơn so với thử nghiệm tiêu chuẩn Do đó, các thử nghiệm giám sát trong tương lai có thể sử dụng các loài cá cảnh thị trường địa phương như là một nguồn sinh vật cảnh báo, bằng cách này có thể hạn chế kinh phí sử dụng nhữn nguồn vật liệu có sẵn, dễ dàng và chi phí thấp để tăng cường quản lý tình trạng khẩn cấp Các thử nghiệm thay thế cũng giúp thúc đẩy việc đánh giá cơ sở gây ô nhiễm nước do các tổ chức và các tình nguyện viên địa phương thực hiện để tăng cường phát hiện sớm các nhiễm độc và ngăn chặn thảm họa [42]

Và một nghiên cứu khác của Liu J và cs (2012) đã đề xuất sử dụng nhóm 5 loài cá cảnh đã được nghiên cứu là được sử dụng hiệu quả nhẩt để phát hiện độc tính cấp tính thông qua số lượng cá chết sau những khoảng thời

gian xác định của nước thải, là Cá Tứ vân (tiger barb Puntius tetrazona), cá chạch (horseface loach), snapper snow (Pseudotropheus zebra), red nose piranha (Hemigrammus rhodostomus), traffic lights fish (Parachenrodom

innesi) Trong một số thí nghiệm có thể phát hiện nhiễm độc cấp tính trong

một vài phút khi các nước đã có độc tính cao Cách tiếp cận của chúng tôi tiết

kiệm được một số tiền đáng kể thời gian, do đó cung cấp cơ hội quý giá để cảnh báo sớm cho sự can thiệp của quản lý tình trạng khẩn cấp [43]

Dựa trên những nghiên cứu độc tính đó các nhà khoa học còn phát hiện

ra được một hướng nghiên cứu phương pháp giám sát nguồn nước dựa vào hành vi của sinh vật trong các môi trường có ngưỡng độc tính dưới ngưỡng nồng độ gây chết Đánh giá độc tính thường được sử dụng thử nghiệm độc tính cấp tính vì nó tương đối đơn giản để thực hiện và cho kết quả nhanh, thường đánh giá nồng độ gây chết 50% sinh vật thử nghiệm Tuy nhiên, ô nhiễm môi trường trong các hệ sinh thái tự nhiên thường xảy ra ở nồng độ thấp hơn nồng độ gây chết người, nhưng về lâu dài vẫn có thể gây tác hại cho

hệ sinh thái Bằng cách này, kiểm tra độc tính cấp tính bỏ qua cái gọi là chết sinh thái (ecological death), đó là nồng độ hóa chất mặc dù ảnh hưởng của phơi nhiễm chất độc thấp không đủ để giết chết sinh vật, nhưng sẽ làm thay đổi hành vi bình thường của sinh vật Những thay đổi về hành vi có thể ảnh hưởng đến việc trốn tránh kẻ thù, khả năng khứu giác, hoạt động di cư… [41] Hành vi của một con vật là một liên kết giữa sinh lý và quá trình sinh thái Do

đó, nó là một chỉ số lý tưởng cho các nghiên cứu về ảnh hưởng của chất gây ô nhiễm trong môi trường và trong việc đánh giá mối nguy hại ảnh hưởng đến

hệ sinh vật

Việc phân tích hành vi của các sinh vật để xác định nguồn nước bị ô nhiễm hay không nhờ quan sát liên tục hành vi của vi sinh vật, ghi lại hình ảnh, xung điện và truyền về trung tâm xử lý ngày càng được quan tâm hơn Trong thập kỷ qua, một số hệ thống cảm biến sinh học là phát triển sử dụng phản ứng hành vi của sinh vật dưới nước như cá, rận nước, protozoans và các loài trai cho thực địa hoặc giám sát sinh học trong phòng thí nghiệm [21] Giám sát sinh học phản ứng hành vi có hiệu quả cho câu trả lời cảnh báo cho các chất ô nhiễm trong môi trường nước có thể được sử dụng để kiểm soát

chất lượng xử lý các chất thải nhà máy công nghiệp và để đánh giá chất lượng nguồn nước mặt cung cấp cho người dân

Trong số rất nhiều sinh vật có thể được sử dụng để thử nghiệm nước, loài cá cá Ngựa vằn (Danio rerio) được xem là đối tượng hiệu quả cho việc kiểm soát thông qua phân tích vì hành vi bơi của nó và có thể dễ dàng quan sát và định lượng trong các hệ thống kiểm soát Phát hiện hoạt động bất thường dựa trên so sánh phản ứng của cá tiếp xúc với hóa chất độc và quan sát cá đối chứng trong môi trường nước sạch [55] Magalha và cs đã nghiên cứu phản ứng hành vi của loài cá Ngựa vằn (Danio rerio Hamilton 1822) bởi chất độc sinh thái sodium hypochlorite (NaOCl) dựa vào hệ thống phân tích hình ảnh giám sát sinh học (IABS - image analysis biomonitoring system) như trong hình 1 Kết quả đánh giá phản ứng hành vi của cá Ngựa vằn (Danio rerio) khi tiếp xúc với nồng độ gây chết natri hypochlorite Các giới hạn của biến đổi bình thường trong bơi hoạt động của cá Ngựa vằn đã được xác định bằng cách giám sát tốc độ di chuyển của 40 mẫu đối chứng kiểm soát bằng cách sử dụng IABS Sau đó thử nghiệm độc tính cấp tính đã được thực hiện

độc hại trong hoạt động bơi, 32 mẫu cá đã được tiếp xúc với 40%, 30%, 20%,

đáng kể từ nhóm đối chứng bằng một phản ứng thoát (hoạt động bơi tăng

adverse effect level) Kết quả nghiên cứu giám sát sinh học hành vi đã được chứng minh là một công cụ hữu ích để phát hiện các chất độc trong môi trường nước [23]

Sau sự kiện ngày 11/9/2001 nước Mỹ đứng trước nguy cơ gia tăng các mối đe dọa an ninh đối với nguồn nước từ hoạt động khủng bố tại các mục

tiêu dân sự và căn cứ quân sự làm nổi bật nhu cầu phải có một công cụ giám sát hiệu quả các chất gây ô nhiễm tiềm năng Giám sát sinh học nguồn nước được quân đội Mỹ nghiên cứu phát triển có thể giám sát nguồn nước cấp liên tục theo thời gian thực và phản ứng nhanh (BEWS - Biological early warning systems), trong đó loài cá Vược mặt trời (Lepomis macrochirus) sử dụng làm sinh vật cảnh báo[54]

Hệ thống có thể được sử dụng để phát hiện một phổ rộng các chất độc gấy ô nhiễm bằng sự nhạy cảm của sinh vật chỉ thị Trong đó, đối với dư lượng Clo trong nước có thể phát hiện trong khoảng 0,015 đến 0,066 mg/L

Hệ thống áp dụng trong 9 tháng đối với nhà máy sản xuất nước và đã phát hiện các lỗi trong quá trình vận hành nhà máy làm gia tăng đáng kể dư lượng Clo trong nước cấp Công trình này được tài trợ của Quân đội Mỹ (USACEHR - U.S Army Center for Environmental Health Research) nằm trong chương trình mục tiêu “sáng tạo Chiến lược để đánh giá nguy cơ sức khỏe từ phơi nhiễm trong môi trường hóa chất độc hại” [54]

Serra Toro và cs sử dụng một bộ sưu tập các video được cung cấp bởi công ty EMUASA về phản ứng của loài Lepomis gibbosus dưới tác dụng của chất gây ô nhiễm chlorpyrifos với hàm lượng 0,075 mg/L Nghiên cứu nhắm đến phân biệt sự khác nhau trong hành vi của cá trong môi trường nước sạch

và trong môi trường nước ô nhiễm Kết quả hệ thống cuối cùng phải đáp ứng hai yêu cầu Đầu tiên, phải hạn chế tối đa tỷ lệ dương tính giả tức là phân loại sai ô nhiễm (báo động sai) và thứ hai, hệ thống phải tối đa hóa tỷ lệ dương tính thật [18]

Gần đây, các nhà nghiên cứu tại đại học Melbourne (Úc) cũng sử dụng

hệ thống cảm biến sinh học cho việc ghi nhận hành vi của sinh vật để nhận biết sự ô nhiễm của nguồn nước [29] với xử lý thời gian thực (real time) Đặc điểm nổi bật của nghiên cứu này là việc phát hiện ô nhiễm được kết hợp với

bản đồ số và hệ thống định vị để từ đó phát ra cảnh báo đến các địa điểm cần thiết Hệ thống này đã cho các kết quả bước đầu đầy hứa hẹn

Như vậy, ngày càng có nhiều nghiên cứu quan tâm đến việc dùng cá như một sinh vật chỉ thị (biomarker) cho việc giám sát ô nhiễm nguồn nước vì phương pháp này hạn chế được nhược điểm của các phương pháp trên nhanh chóng xác định được nguyên nhân ô nhiễm dẫn đến phản ứng của cơ quan quản lý kịp thời hơn trong các trường hợp bị đầu độc, cố ý phá hoại hay sự cố môi trường khẩn cấp

1.3.2 Tình hình nghiên cứu sinh vật cảnh báo sớm ô nhiễm ở Việt Nam

Vấn đề ô nhiễm nguồn nước là một bài toán quan trọng đặt ra đối với nước ta trong việc đảm bảo chất lượng nguồn nước Vấn đề này càng cấp thiết khi trong những năm gần đây báo chí đã đưa ra ánh sáng các vụ gây ô nhiễm nguồn nước nghiêm trọng liên quan đến chất thải từ các hoạt động sản xuất Chính vì thế giải quyết vấn đề ô nhiễm nguồn nước – trong bối cảnh ô nhiễm môi trường nói chung – đã nhận được nhiều sự quan tâm trong cả nước Nhiều nghiên cứu về việc phát hiện ô nhiễm nguồn nước đã được tiến hành tại các trung tâm nghiên cứu và các trường đại học trên cả nước, hay thông qua các tổ chức quốc tế [3], [8], [10] Nói chung các nghiên cứu này đều tập trung vào các phương pháp đo đạc lí hóa hay sử dụng vi sinh vật phân hủy để giám sát sự ô nhiễm của nguồn nước

Trong khi đó, việc phát hiện ô nhiễm nước bằng phương pháp phân tích hành vi của vi sinh vật vẫn còn mới mẻ ở Việt Nam Như đã nói ở phần trước, thật ra phương pháp phân tích hành vi của sinh vật chỉ thị đã được tiến hành nhiều nơi trên thế giới và đã cho những kết quả tốt Tuy nhiên, sinh vật được

sử dụng với các phương pháp này thường thích nghi với điều kiện sống bản địa; việc tìm ra các sinh vật giống hệt như vậy để áp dụng cho bài toán ở Việt

Nam là một vấn đề khó khăn bởi nhiều khả năng chúng không tồn tại trong điều kiện khí hậu ở Việt Nam

Các nghiên cứu giám sát sinh học ở Việt Nam có các nghiên cứu dựa trên khả năng tích lũy sinh học của sinh vật chỉ thị như các loài hai mảnh vỏ bước đầu cho kết quả khả quan về khả năng giám sát ô nhiễm các KLN cho môi trường cửa sông Nghiên cứu của Lưu Đức Hải và cs (2010) về tích lũy KLN thủy ngân ở cửa Đại (Hội An) cho thấy Trầm tích tại khu vực cửa Đại chưa có dấu hiệu ô nhiễm Hg Hàm lượng Hg tích lũy trong loài Ngao dầu (0,073±0,045µg/g) và loài Hến (0,066±0,044µg/g) nằm trong giới hạn TCCP của Bộ Y Tế Tuy nhiên, hàm lượng Hg tích lũy trong cơ thể hai loài này có

sự gia tăng rõ rệt theo khối lượng và kích thước Hàm lượng Hg trong trầm tích tương quan thuận với hàm lượng Hg tích lũy trong cơ thể của loài Ngao dầu ở mức “tương quan vừa” và ở loài Hến có mức độ tương quan thấp hơn ở mức “tương quan yếu” Kết quả cho thấy, ở khu vực cửa Đại có thể sử dụng loài Ngao dầu làm sinh vật chỉ thị ô nhiễm Hg Một nghiên cứu khác của Nguyễn Văn Khánh và cs (2010) về hàm lượng As, Pb tích lũy trong loài

Hến (Corbicula sp.) và Hàu sông (Ostrea rivularis Gould, 1861) tại cửa sông

Cu Đê, TP Đà Nẵng kết quả cho thấy tích lũy KLN As và Pb trong loài Hến

(Corbicula sp.) và loài Hầu sông (Ostrea rivularis G.) từ cửa sông Cu Đê, TP

Đà Nẵng Hàm lượng As ở cả hai loài Hến và Hầu sông đều vượt TCCP của

Bộ y tế (Hến: 15,45±5,30 µg/g và Hầu sông: 1,23±1,08 µg/g) Điều đáng chú

ý là mặc dù hàm lượng Pb trong bùn đáy của sông Cu Đê chưa có dấu hiệu ô nhiễm, nhưng hàm lượng Pb tích lũy trong loài Hến đã vượt TCCP 1,5 lần (3,58±2,69 µg/g) Hàm lượng Pb trong loài Hầu sông vẫn nằm trong TCCP (1,04±0,81 µg/g) Sự tương quan thuận giữa hàm lượng As, Pb trong bùn đáy

và trong loài Hến (Corbicula sp.) và loài Hầu sông (Ostrea rivularis G.) cho

thấy có thể sử dụng hai loài này làm sinh vật chỉ thị cho ô nhiễm As và Pb trong khu vực cửa sông Cu Đê, TP Đà Nẵng [6]

Bên cạnh đó, một số nghiên cứu sử dụng các loài động vật không xương sống (ĐVKXS) trong hệ thống BMWP làm sinh vật chỉ thị ô nhiễm môi trường nước như: Nguyễn Xuân Quýnh (1995) Ông đã đề xuất một hệ thống phân loại độ nhiễm bẩn các thủy vực có nước thải tại Hà Nội, dựa trên một số chỉ tiêu cơ bản về sinh học và lý hóa, quy định sự có mặt hay vắng mặt của một số loài hay nhóm loài ĐVKXS được coi như sinh vật chỉ thị, quy định sự phát triển về số lượng và khối lượng của chúng ở những mức độ khác nhau Từ những năm 1997, nhiều chương trình nghiên cứu với việc sử dụng ĐVKXS cỡ lớn làm sinh vật chỉ thị quan trắc và đánh giá chất lượng nước được thực hiện với sự tham gia của khoa Sinh học, trường Đại học Khoa học

Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội phối hợp với các tổ chức quốc tế như: Hội nghiên cứu thực địa (Field Studies Council) và Viện sinh thái nước ngọt Anh Quốc (Institute of Freshwater Ecology) Đến năm 1999, Steve Tilling và Clive Pinder tiến hành nghiên cứu các dữ liệu ban đầu và điều chỉnh hệ thống tính điểm BMWP sao cho phù hợp với điều kiện ở Việt Nam Từ kết quả nghiên cứu đạt được, đến năm 2001 một khóa định loại ĐVKXS cỡ lớn đến họ đã

đã được thiết lập Công việc này được thực hiện chủ yếu dựa vào sự điều

giám sát sinh học chất lượng môi trường nước tại Việt Nam Trong những năm qua hệ thống BMWP được áp dụng rộng rãi ở nhiều vùng trong nước, riêng khu vực miền Trung từ năm 2007 đến 2012 có các nghiên cứu của Nguyễn Văn Khánh và cs đã áp dụng hệ thống này giám sát ô nhiễm các

sông ở Quảng Nam và Đà Nẵng đã cho những kết quả nghiên cứu khả quan

về hiệu quả giám sát đối với chất lượng nước sông [46]

Ngoài ra, trong lĩnh vực nghiên cứu về hành vi của sinh vật đối với độc chất có nghiên cứu của Nguyễn Văn Công và cs về sự ảnh hưởng của hoạt chất Cypermethrin (nhóm thuốc bảo vệ thực vật) lên tỷ lệ sống, tần suất đớp khí trời và sinh trưởng cá rô đồng được thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm Nồng độ gây chết 50% cá rô đồng trong 96 giờ được triển khai theo

-96 giờ của Cyperrmethrin lên đớp khí trời được bố trí theo khối hoàn toàn ngẫu nhiên trong bể kiếng rồi dùng máy quay phim (Sony, Nhật) ghi lại hoạt động của cá trong 90 phút Ảnh hưởng của thuốc lên tăng trưởng của cá được

bố trí trong bể composit 600 L, cho cá tiếp xúc với Cypermethrin trong 4 ngày, sau đó thay 30% nước rồi cho ăn bằng thức ăn viên với lượng thỏa mãn Sau 15 ngày, cho cá tiếp xúc với thuốc theo tiến trình như được thực hiện

96 giờ là 23 µg/L Ở nồng độ 0,2 và 5,8 µg/L tần suất đớp khí trời của cá rô đồng tăng 1,7 và 2,4 lần so với đối chứng Tốc độ tăng trưởng tương đối, hệ

số chuyển hóa thức ăn ảnh hưởng không đáng kể [13]

Do đó, việc xây dựng mô hình để phát hiện ô nhiễm nguồn nước ở Việt Nam bằng cách sử dụng các sinh vật (cá) phù hợp với môi trường sống của nước ta sẽ có ý nghĩa hết sức to lớn