Xây dựng phương pháp đánh giá chất lượng nước dựa vào động vật không xương sống cỡ lớn ở đáy cho hạ lưu hệ thống sông đồng nai

Theo cách tiếp cận mới này, việc thực hiện đề tài “Xây dựng phương pháp đánh giá chất lượng nước dựa vào động vật không xương sống cỡ lớn ở đáy cho hạ lưu hệ thống sông Đồng Nai” sẽ giúp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

VIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN

-

PHẠM ANH ĐỨC

XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC DỰA VÀO ĐỘNG VẬT KHÔNG XƯƠNG SỐNG CỠ LỚN Ở ĐÁY CHO HẠ LƯU HỆ THỐNG SÔNG ĐỒNG NAI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

MỞ ĐẦU

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Lưu vực sông Đồng Nai nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, bắt nguồn của hai nhánh Đa Dung và Đa Nhim – Vùng sơn nguyên Đà Lạt đến hết đồng bằng miền Đông Nam Bộ với dân số ước tính khoảng 20 triệu người Tổng diện tích tự nhiên khoảng 43.450 km2

(không kể phần diện tích thuộc lãnh thổ Campuchia) nằm

ở vị trí địa lý: từ 105030'21'' đến 109001'20" kinh độ Đông và từ 10019'55" đến

12020'38" vĩ độ Bắc [29], [45] Hạ lưu hệ thống sông Đồng Nai (HTSĐN) bao gồm các sông Đồng Nai đoạn từ ngã ba Hiếu Liêm (cửa sông Bé), sông Sài Gòn đoạn từ chân đập Dầu Tiếng, gần như toàn bộ sông Vàm Cỏ Đông và sông Vàm Cỏ Tây, và vùng phụ cận ven biển [25]

Tài nguyên nước đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình phát triển kinh tế - xã hội (KT-XH), bảo vệ môi trường, tạo ra các vùng sinh thái cảnh quan khác nhau trong lưu vực Tiềm năng kinh tế phần hạ lưu của lưu vực sông Đồng Nai được đánh giá là rất lớn, quyết định đến sự phát triển của nhiều ngành nghề, lĩnh vực – Khu vực có tốc độ phát triển KT-XH mạnh nhất nước Tuy nhiên, với nhu cầu phát triển hiện nay, chất lượng nước phần hạ lưu HTSĐN đang chịu áp lực ngày càng gia tăng do tiếp nhận lượng rất lớn nước thải sinh hoạt, nước thải sản xuất công nghiệp (SXCN), sản xuất nông nghiệp (SXNN), chất thải đô thị,… với hàm lượng các chất

ô nhiễm cao làm giảm đáng kể khả năng tự làm sạch và đe dọa nghiêm trọng nguồn nước Nhiều kênh, rạch chảy qua trung tâm các đô thị lớn có thể xem là dòng nước thải có màu đen và rất hôi

Kết quả quan trắc của các cơ quan liên quan trong những năm gần đây cho thấy ô nhiễm hữu cơ trên diện rộng, đặc biệt là khu vực hạ lưu Hàm lượng oxy hòa tan (DO) đo ở hầu hết các vị trí thu mẫu sông Sài Gòn và sông Đồng Nai (bao gồm các khu vực thu nước thô phục vụ cấp nước) không đạt Quy chuẩn kỹ thuật về Chất lượng nước mặt (QCVN 08:2008) – Chất lượng nước loại A1 Đối với những vị trí thu mẫu trên kênh rạch nội thành thành phố Hồ Chí Minh (Tp.HCM) cho thấy mức

độ ô nhiễm hữu cơ ở mức rất cao, vượt QCVN – Chất lượng nước loại B1 từ 3 – 15 lần [2] Ô nhiễm vi sinh ở mức cao, hầu hết các kết quả đo Coliform ở sông Sài Gòn

và sông Đồng Nai đều vượt QCVN – Chất lượng nước loại A1 từ 2 – 100 lần, đặc biệt ở các hệ kênh rạch nội thành Tp.HCM (Kênh Tân Hóa – Lò Gốm, Tham Lương – Vàm Thuật, Tàu Hũ – Bến Nghé,…) có khi vượt tiêu chuẩn loại B đến 10.000 lần Ngay cả những khu vực lấy nước thô phục vụ cấp nước, kết quả đo Coliform cũng vượt QCVN – Chất lượng nước loại A1 từ 2 – 31 lần [2] Ô nhiễm dầu mỡ ở nhiều khu vực, kết quả đo cho thấy tất cả các vị trí quan trắc đều vượt QCVN – Chất lượng nước loại B1 [2] Tác động tiềm ẩn của các sự cố tràn dầu ở khu vực Cát Lái, Nhà Bè, Cần Giờ, Vũng Tàu là rất lớn [41] Ngoài ra, hạ lưu HTSĐN chịu ảnh hưởng mạnh của thủy triều biển Đông, nhiều khu vực bị nhiễm mặn cao và không thể sử dụng cho mục đích cấp nước sinh hoạt và tưới tiêu Môi trường nước ở nhiều khu vực thuộc huyện Bình Chánh, Củ Chi, Hóc Môn,… nhiễm phèn cao, ảnh hưởng đến nhiều mục đích sử dụng nước [41] Theo kết quả quan trắc chất lượng môi trường của Chi cục BVMT Tp.HCM năm 2011, chất lượng nước ở các vị trí quan trắc sông Đồng Nai, Sài Gòn và kênh rạch nội thành vẫn chưa được cải thiện rõ nét Trong khi đó, ô nhiễm dầu mỡ còn có xu hướng tăng [3] Ngoài ra, các ghi nhận cho thấy tài nguyên nước đang bị khai thác với tốc độ nhanh [25]

Nhằm góp phần quản lý tài nguyên nước và hoàn thiện các phương pháp quan trắc chất lượng môi trường, bên cạnh các phương pháp dựa vào thông số hóa-lý, việc sử dụng sinh vật trong đánh giá chất lượng nước, phục vụ giám sát sức khoẻ sinh thái đang được coi là phương pháp ứng dụng có nhiều ưu điểm Nếu các thông số hóa-lý phản ảnh hiện trạng môi trường thì các yếu tố sinh học thể hiện áp lực mà môi trường đang phải chống chịu Phương pháp nghiên cứu dựa vào thủy sinh vật giúp đánh giá đầy đủ hơn các tác động ô nhiễm đến môi trường, những đặc tính cũng như sự biến đổi của chất lượng nước theo không gian, thời gian hay dưới ảnh hưởng tổng hợp của các tác nhân gây ô nhiễm

Trên thế giới, động vật không xương sống cỡ lớn ở đáy (ĐVKXSCL) được ứng dụng phổ biến nhất trong các chương trình sinh quan trắc do những ưu điểm nổi bật

như (1) thành phần loài phong phú và phân bố rộng khắp hệ thống sông; (2) dễ thu mẫu; (3) tương đối dễ định danh; (4) thường sống cố định ở đáy, do đó chỉ thị tốt cho sự thay đổi chất lượng nước; (5) có đời sống đủ dài (> 6 tháng) nên không cần thu mẫu thường xuyên; (6) đa dạng khoảng nhạy cảm với ô nhiễm; (7) tổng hợp các ảnh hưởng của ô nhiễm trong thủy vực; (8) số lượng loài trong một lần thu mẫu khá cao, do đó có ít nhất vài loài sẽ bị tác động của thay đổi chất lượng nước; và, (9) tài liệu nghiên cứu phong phú [6], [63], [95] Cho đến nay, việc ứng dụng ĐVKXSCL đánh giá chất lượng nước ở các thủy vực với những điều kiện sinh thái khác nhau ở Việt Nam còn rất hạn chế và chưa được kiểm chứng nhiều Đặc biệt, hệ thống hóa

để đưa ra phương pháp quan trắc thống nhất cho Việt Nam nhằm đánh giá sức khoẻ sinh thái các hệ thống sông chính hay những dạng thủy vực khác ít được đề cập đến Trong khi đó, với điều kiện sinh thái đặc trưng của Việt Nam, việc sử dụng hệ thống điểm số đang được phổ biến ở Châu Âu, Bắc Mỹ và các quốc gia khác trên thế giới, được coi là thiếu chính xác, nên nghiên cứu ứng dụng ĐVKXSCL là rất cần thiết trong tình hình diễn biến ô nhiễm nguồn nước ngày một phức tạp hơn

Theo cách tiếp cận mới này, việc thực hiện đề tài “Xây dựng phương pháp đánh giá chất lượng nước dựa vào động vật không xương sống cỡ lớn ở đáy cho hạ lưu hệ thống sông Đồng Nai” sẽ giúp các nhà nghiên cứu và quản lý trong lĩnh vực

sinh thái, tài nguyên và môi trường có thêm công cụ quan trắc sinh học để giám sát sức khỏe sinh thái hạ lưu HTSĐN nói riêng và toàn lưu vực sông Đồng Nai hay các lưu vực sông trên cả nước nói chung

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Xây dựng phương pháp đánh giá chất lượng nước dựa vào động vật không xương sống cỡ lớn ở đáy cho hạ lưu hệ thống sông Đồng Nai nhằm mục đích phát triển và ứng dụng những phương pháp mới xây dựng để đánh giá, phân loại chất lượng nước các thủy vực ở hạ lưu HTSĐN

3 PHẠM VI VÀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Khu vực nghiên cứu: Hạ lưu HTSĐN bao gồm sông Sài Gòn – Khu vực từ thị trấn Dầu Tiếng đến ngã 3 Cát Lái (Đèn Đỏ), sông Đồng Nai – Khu vực từ Tân Uyên đến

các cửa sông Từ các thông tin và dữ liệu, các điểm, tuyến khảo sát trong khu vực nghiên cứu được chọn dựa trên những mục đích như khu vực ít hoặc không bị ảnh hưởng trực tiếp của các nguồn ô nhiễm; khu vực bị tác động của các hoạt động phát triển KT-XH; khu vực có các nhu cầu nước riêng biệt (cấp nước cho các nhà máy nước, nước thủy lợi, nuôi thủy sản, nước sử dụng đa mục đích,…)

Thời gian nghiên cứu: Thu mẫu ĐVKXSCL 4 đợt/năm (mùa khô, chuyển mùa khô sang mùa mưa, mùa mưa, chuyển mùa mưa sang mùa khô) kéo dài từ tháng 03/2007 đến 09/2009 phục vụ xây dựng phương pháp, và thu mẫu 2 đợt vào tháng

03 và tháng 09 năm 2010 để kiểm định phương pháp

Đối tượng nghiên cứu: Các nhóm loài ĐVKXSCL

4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Để đạt những mục tiêu đặt ra, những nội dung dưới đây cần được thực hiện:

1 Thu mẫu và phân tích mẫu chất lượng nước;

2 Thu mẫu và phân tích mẫu ĐVKXCL;

3 Đánh giá hiện trạng môi trường và ĐVKXSCL ở hạ lưu HTSĐN;

4 Xác định mối quan hệ giữa các chỉ số sinh học của ĐVKXSCL và các thông số môi trường;

5 Xây dựng phương pháp đánh giá và phân vùng chất lượng nước dựa vào ĐVKXSCL ở hạ lưu HTSĐN;

6 Kiểm định phương pháp đã xây dựng;

7 Cải tiến mạng lưới quan trắc sinh học phần ĐVKXSCL cho hạ lưu HTSĐN;

8 Phát triển bộ chỉ báo ĐVKXSCL cho mục tiêu đánh giá nhanh chất lượng nước Nội dung nghiên cứu của luận án gồm 3 chuyên đề sau:

Chuyên đề 1: Tổng quan tài liệu về ĐVKXSCL và khả năng sử dụng quan trắc chất

lượng nước cho hạ lưu HTSĐN

Chuyên đề 2: Xây dựng phương pháp đánh giá chất lượng nước hạ lưu HTSĐN dựa

vào các chỉ tiêu sinh học trên cơ sở ĐVKXSCL

Chuyên đề 3: Đánh giá chất lượng hạ lưu HTSĐN dựa vào các chỉ tiêu sinh học của

ĐVKXSCL

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

Ý nghĩa khoa học: Dựa trên cơ sở số liệu có hệ thống, đầy đủ của nhóm ĐVKXSCL thuộc khu vực nghiên cứu, thông tin đa dạng sinh học của ĐVKXSCL, tương quan giữa ĐVKXSCL với các điều kiện sinh thái và môi trường khác nhau, luận án xây dựng phương pháp đánh giá chất lượng nước dựa vào ĐVKXSCL cho hạ lưu HTSĐN

Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu sẽ đóng góp một công cụ quan trắc sinh học

có độ tin cậy cao trong điều kiện sinh thái của Việt Nam Góp phần hoàn thiện các công cụ quan trắc chất lượng nước ở hạ lưu HTSĐN vì hiện nay trong nhiều chương trình quan trắc thường chỉ sử dụng các thông số hóa-lý để đánh giá chất lượng nước Trong một số chương trình quan trắc đã có phân tích và đánh giá các chỉ tiêu sinh học, nhưng các phương pháp sử dụng còn nhiều hạn chế và ít được kiểm chứng

6 NHỮNG LUẬN ĐIỂM KHOA HỌC MỚI CẦN GIẢI QUYẾT

Luận án xây dựng cơ sở khoa học, phương pháp luận đánh giá chất lượng nước dựa vào ĐVKXSCL phù hợp với điều kiện sinh thái và môi trường của khu vực nghiên cứu nhằm hoàn thiện các phương pháp đánh giá chất lượng nước hạ lưu HTSĐN cũng như những hệ thống sông tương tự

Dựa trên phương pháp xây dựng Điểm số ô nhiễm (Tolerance Score – TS) của Ủy hội Quốc tế Sông Mekong (MRC), luận án đã cải tiến những điểm hạn chế của phương pháp này để xây dựng TS cho từng loài ĐVKXSCL ở hạ lưu HTSĐN trên

cơ sở khoa học và và khách quan hơn, từ đó tính toán điểm số ô nhiễm trung bình theo cá thể từng loài (average tolerance score per individuals – ATSPI) tại mỗi vị trí quan trắc

Hơn nữa, luận án còn xây dựng thang điểm đánh giá cho ATSPI và các chỉ số sinh học sử dụng phổ biến để đánh giá chất lượng nước ở hạ lưu HTSĐN Đây là cũng là một trong những điểm mới của luận án vì trước đây hầu như chưa có tác giả nào ở Việt Nam xây dựng thang điểm đánh giá cho các chỉ số sinh học này

Chương 1

TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ QUAN TRẮC SINH HỌC DỰA VÀO ĐỘNG VẬT KHÔNG XƯƠNG SỐNG CỠ LỚN Ở ĐÁY TRÊN THẾ GIỚI

VÀ VIỆT NAM

1.1.1 Các khái niệm về quan trắc sinh học

Quan trắc sinh học là công cụ quan trọng để đánh giá các điều kiện của hệ sinh thái nước Để hiểu rõ thêm, cần xem xét các khái niệm về quan trắc sinh học

Quan trắc sinh học (Biomonitoring): Cho đến nay, có nhiều định nghĩa về quan trắc

sinh học, tuy nhiên định nghĩa được nhiều độc giả đồng ý và chọn lựa nhất là “Quan trắc sinh học là việc sử dụng có hệ thống các phản ứng sinh học để đánh giá sự thay đổi các điều kiện môi trường trong chương trình quan trắc chất lượng nước Trong đó những thay đổi này thường là do các nguồn tác động của con người,…”

[108] Quan trắc sinh học thực sự là một công cụ thích hợp bởi vì nó sử dụng tổng hợp những thông tin về một hệ sinh thái Việc lựa chọn kỹ các công cụ có thể cung cấp một hình ảnh của chất lượng nước hay tổ hợp hệ sinh thái nhanh hơn, rẻ hơn, và tổng hợp hơn so với quan trắc hóa nước [6], [57]

Đánh giá sinh học (Bioassessment): là hình thức đánh giá một số đặc điểm của sông ngòi (trong đó có chất lượng nước) dựa vào các nhóm sinh vật sống trong đó [109]

Tổ hợp sinh thái (Biotic integrity) đôi khi được gọi sức khỏe sinh thái (Ecosystem

health) và là “khả năng của một hệ sinh thái nhằm hỗ trợ và đảm bảo một quần xã sinh vật cân bằng, hợp nhất và thích nghi có hệ chức năng và thành phần loài đa dạng so với điều kiện sống tự nhiên của vùng” [109] Nói cách khác, phép đo tổ hợp sinh học là một phép đo sự hiểu biết về một hệ thống như sông suối, là tính “tự nhiên” trong khu hệ sinh vật và các chức năng của nó [57]

Chỉ thị sinh học (Bioindicator): là nhu cầu sinh thái của loài và phản ứng của nó với các chất ô nhiễm khác nhau tương ứng với một giá trị chỉ thị nào đó Dùng chỉ thị sinh học có các ưu điểm chính là: (1) Các quần xã sinh vật có chức năng giống như

“lính canh” liên tục chất lượng nước, ngược lại với thu mẫu gián đoạn của phân tích

hóa học; (2) Sự phản ứng của sinh vật là kết quả của sự thay đổi các điều kiện môi trường Nếu một vài chất thải công nghiệp thải vào sẽ làm tăng tính phức tạp lên nhiều lần Các quần xã sinh vật không phản ứng với một yếu tố riêng lẻ mà phản ứng với toàn bộ các tác động của môi trường [6], [62]

Loài chỉ thị (Indicator species): là những sinh vật có yêu cầu nhất định về điều kiện sinh thái liên quan đến nhu cầu dinh dưỡng, hàm lượng oxy cũng như khả năng chống chịu đối với hàm lượng nhất định các yếu tố độc hại trong môi trường sống

và do đó sự hiện diện của chúng biểu thị điều kiện sinh thái của môi trường sống nằm trong giới hạn nhu cầu và khả năng chống chịu của sinh vật đó [6], [62]

Sinh vật cảm ứng (Bio-sensor): là những sinh vật chỉ thị có thể tiếp tục hiện diện trong môi trường ô nhiễm, nhưng có ít nhiều biến đổi như giảm tốc độ sinh trưởng, giảm khả năng sinh sản, biến đổi tập tính do tác động của chất ô nhiễm [6], [62]

Cá thể sinh vật chỉ thị (Individuals as an indicator): là những dấu hiệu mang tính chỉ thị về sinh lý, sinh hóa, tập tính, tổ chức tế bào của cá thể sinh vật chỉ thị [6], [62] Quần thể sinh vật chỉ thị (Population as an indicator): thể hiện cấu trúc quần thể của các loài chỉ thị [6], [62]

Cấu trúc quần xã chỉ thị (Community structure as an indicator): bao gồm thành phần cấu trúc quần xã sinh vật, tùy theo chất lượng nước mà thành phần của quần xã và mật độ của từng quần thể sẽ khác nhau [6], [62]

Quan trắc sinh học chỉ thật sự hữu ích khi hiểu biết đầy đủ những kiến thức về khu

hệ sinh vật để có thể chuyển tải những dữ liệu thu thập được thành kết quả Hiện nay, những kỹ thuật này đang trở nên phổ biến để có thể đạt được những phản ánh đầy đủ về sinh học các hệ thống sông và chuyển tải thành kết quả Và, việc sử dụng bất cứ những kỹ thuật nào, cần thiết phải thử nghiệm đối với các nhóm sinh vật và điều kiện địa phương nhằm đạt kết quả hữu ích [60]

1.1.2 Tổng quan đánh giá chất lượng nước bằng phương pháp sinh học

Hầu hết các nhóm sinh vật sống trong một thủy vực là nhạy cảm với những thay đổi của môi trường, cả về tự nhiên (như tăng độ đục trong mùa lũ) hay gây ra bởi con

người (như nhiễm bẩn hóa chất hay giảm DO do tiếp nhận nguồn nước thải đô thị) Các nhóm sinh vật khác nhau phản ứng theo những cách khác nhau Những phản ứng nghiêm trọng nhất bao gồm sinh vật bị chết hay di cư đến các nơi khác Những phản ứng ít hơn gồm có khả năng sinh sản giảm và ức chế một số hệ thống enzyme nào đó cần thiết cho sự trao đổi chất thông thường Một khi đã xác định được những phản ứng của các nhóm sinh vật đặc biệt nào đó đối với những biến đổi của môi trường, có thể sử dụng chúng để đánh giá chất lượng nước [6], [57]

1.1.2.1 Mục đích của quan trắc sinh học

Dưới đây là những mục đích chính của quan trắc sinh học [6], [57]:

 Đôi khi các chất ô nhiễm tác động lên hệ sinh thái ở nồng độ thấp hơn so với ngưỡng ảnh hưởng của chất đó;

 Tác động của các chất ô nhiễm tổng hợp khác với khi chúng nằm riêng lẻ;

 Ảnh hưởng của độc chất lên hệ sinh thái còn tùy thuộc vào các đặc tính của điều kiện tự nhiên

Ngày nay quan trắc sinh học được thiết lập như một phần của quan trắc chất lượng nước Có hai loại quan trắc chính rất quan trọng đối với môi trường nước là thử nghiệm sinh học (bioassay) và đánh giá sinh học (bioassessment) Thử nghiệm sinh học bao gồm các loại xét nghiệm độc chất sinh thái, tích tụ sinh học, suy thoái sinh học, phú dưỡng hoá Đánh giá sinh học bao gồm các phương pháp luận liên quan đến phân tích các quần xã sinh vật, các chức năng của chúng để cảnh báo, dự đoán

xu hướng biến đổi và giám sát môi trường

1.1.2.2 Những thuận lợi của các phương pháp sinh học

Đánh giá sinh học thường chỉ ra những ảnh hưởng đến hệ sinh thái do các hoạt động nào đó diễn ra trong thủy vực Nó còn hỗ trợ để xác định phạm vi của thiệt hại sinh thái Một số loại thiệt hại có thể rất dễ nhận biết như màu bất thường của nước, độ đục tăng hay cá chết Tuy nhiên, có rất nhiều hình thức thiệt hại không thể nhận biết nếu không kiểm tra chi tiết khu hệ thủy sinh vật Các nhóm sinh vật được nghiên cứu có thể chỉ ra những ảnh hưởng tổng hợp của tất cả tác động đến thủy vực, và có thể sử dụng để so sánh những biến đổi chất lượng nước từ vị trí này với vị trí kia,

hay trong một khoảng thời gian Do đó, chúng có thể phản ánh hiện trạng điều kiện sống trước khi nó có xu hướng nghiêm trọng hơn Điều đó có thể giúp các nhà sinh học đánh giá tình trạng quá khứ cũng như hiện tại của môi trường Chiều dài thời gian đánh giá tùy thuộc vào các nhóm sinh vật sử dụng trong điều tra Những nhóm

vi sinh vật như động vật nguyên sinh (protozoa), tảo bám (periphytic algae) hay vi khuẩn (bacteria) phản ánh chất lượng nước chỉ trong một hay hai tuần trước khi phân tích và thu mẫu chúng Trong khi đó, ấu trùng côn trùng, giun, nhuyễn thể và các nhóm ĐVKXSCL khác phản ánh chất lượng nước trong thời gian một tháng hay

có thể đến vài năm [6], [57]

Phương pháp sinh học có thể được tiến hành rất nhanh với chi phí thấp, và được kết hợp trong các nghiên cứu tổng hợp khác So với phương pháp hóa-lý, dụng cụ thu mẫu và trang thiết bị yêu cầu trong quan trắc và phân tích sinh học ít tốn kém hơn

và một vùng nghiên cứu lớn có thể hoàn thành khảo sát trong thời gian ngắn Trong những năm gần đây việc sử dụng sinh vật để quan trắc chất lượng nước ứng dụng ở nhiều quốc gia trên thế giới, điển hình như các quốc gia châu Âu, Bắc Mỹ, Trung Quốc, Ấn Độ, Thái Lan, Nhật Bản Do số lượng các chất ô nhiễm xả vào thủy vực ngày càng nhiều và phức tạp Vì vậy, chi phí cung cấp cho phương pháp hóa-lý là rất lớn, nên phương pháp sinh học được đề nghị nhằm tiết kiệm chi phí Tuy nhiên,

sự thuận lợi của phương pháp sinh học không phải để loại trừ sự cần thiết của phân tích hóa-lý Những cơ quan và các cá nhân liên quan chịu trách nhiệm thiết lập chương trình đánh giá nên kết hợp phương pháp sinh học và hóa-lý để cung cấp những thông tin cần thiết nhằm đạt hiệu quả cao nhất [6], [57]

Đặc biệt, thử nghiệm độc tính cấp là rất hữu ích trong những trường hợp ô nhiễm tai biến và khẩn cấp, vì nó có thể giảm thiểu khối lượng phân tích hóa học Khi khảo sát hiện tượng cá chết, thường người ta lấy mẫu nước phân tích các chỉ tiêu hóa-lý

để xác định nguyên nhân và thường phải phân tích rất nhiều mẫu Tuy nhiên, nếu thử nghiệm độc tính (thường sử dụng một nhóm thủy sinh vật) ngay lập tức, có thể biết chính xác nguyên nhân gây chết cá và nồng độ các chất gây độc có mặt ở trong nguồn nước hay không [57]

1.1.2.3 Phân loại phương pháp đánh giá sinh học

Hiện nay phương pháp đánh giá sinh học dựa trên 6 phương pháp chính sau: (1) Phương pháp sinh thái học; (2) Phương pháp vi sinh vật học; (3) Phương pháp sinh

lý học và sinh hóa; (4) Phương pháp độc chất học; (5) Phương pháp tích tụ sinh học;

và (6) Phương pháp hình thái học và mô học [6], [57] Phạm vi nghiên cứu của luận

án là nghiên cứu phương pháp sinh thái học dựa vào ĐVKXSCL để đánh giá chất lượng nước

Phương pháp sinh thái học gồm 02 kiểu chính là Phương pháp dựa vào cấu trúc quần xã, và Phương pháp dựa vào các nhóm chỉ thị Phương pháp sinh thái học được xây dựng chủ yếu dựa vào những đặc tính dưới đây của các nhóm thủy sinh vật [6], [57]:

- Phân tích cấu trúc các quần xã sinh vật trong thủy vực tự nhiên;

- Phân tích các quần xã sinh vật thu ở nền đáy nhân tạo đặt trong thủy vực;

- Nghiên cứu sự vắng mặt hay có mặt của các loài đặc trưng

Bất cứ loài nào cũng có thể là chỉ thị cho vài đặc tính nào đó của môi trường Do

đó, phải chọn những nhóm loài có tiềm năng hữu ích nhất cho từng vấn đề riêng biệt để giám sát chất lượng nước như cung cấp nước sinh hoạt, quản lý và kiểm soát chất thải, bảo vệ tài nguyên thủy sản, bảo tồn thiên nhiên… Các tiêu chí/đặc điểm của loài sinh vật chỉ thị lý tưởng cho môi trường [63], [79], [109], gồm:

- Nhạy cảm đối với những tác động;

- Khoảng nhạy cảm hẹp đối với từng điều kiện môi trường;

- Dễ định danh;

- Dễ thu mẫu;

- Phân bố rộng, tốt nhất là phân bố toàn cầu;

- Có nhiều dẫn liệu sinh thái của cá thể;

- Có giá trị kinh tế khi sinh vật là tài nguyên hay vật gây hại;

- Có khả năng tích tụ các chất ô nhiễm;

- Dễ dàng nuôi trong phòng thí nghiệm;

- Ít biến dị;

- Chi phí thấp dễ chấp nhận trong việc thu mẫu và phân tích

Trong thực tế chỉ rất ít loài đạt được các tiêu chí trên, do đó một loài nào đó đạt được đa số các tiêu chí trên thì là sinh vật chỉ thị tốt cho môi trường [63]

Để đánh giá mức độ ô nhiễm của thủy vực một cách chính xác, hiệu quả và đơn giản,… người ta đã xây dựng các hệ thống chỉ số hay điểm số sinh học Có thể kể ra các hệ thống chỉ số thông dụng: chỉ số ô nhiễm – S (Saprobic indices), chỉ số sinh vật – B (Biotic indices), chỉ số đa dạng – D (Diversity indices), chỉ số dinh dưỡng –

Q (Trophic indices), điểm số ô nhiễm – TS (Tolerance score) Mỗi chỉ số, điểm số đều có những ưu nhược điểm riêng, thích ứng với những dạng nghiên cứu hay đánh giá khác nhau [62]

Đánh giá chung:

Quan trắc sinh học có nhiều thuận lợi trong đánh giá chất lượng nước của các loại hình thủy vực khác nhau Quan trắc chất lượng nước bằng phương pháp sinh học đã phát triển rất nhanh với nhiều phương pháp đa dạng và được tiêu chuẩn hóa ở nhiều quốc gia và vùng lãnh thổ

Trong đó, phương pháp sinh thái học được ứng dụng phổ biến nhất nhờ có nhiều ưu điểm, đặc biệt là chi phí thấp do không yêu cầu cao về phòng thí nghiệm, thời gian thực hiện khảo sát và đưa ra kết quả đánh giá rất nhanh

1.1.3 Vai trò của động vật không xương sống cỡ lớn ở đáy trong đánh giá chất lượng nước

Động vật không xương sống cỡ lớn ở đáy (Benthic macroinvertebrates): là các nhóm sống ở nền đáy hoặc ít nhất có một giai đoạn trong chu kỳ phát triển sống ở nền đáy Kích thước của ĐVKXSCL lớn hơn 200 m, mặc dù ở các giai đoạn phát triển ban đầu có thể nhỏ hơn kích thước này Chúng có thể sống trên mặt hoặc vùi trong lớp bùn đáy hoặc bơi trong tầng nước Hầu hết các nhóm ĐVKXSCL có kích thước lớn hơn 500 m, vì vậy trong các chương trình quan trắc thường sử dụng dụng cụ thu mẫu có kích thước mắt lưới 500 m Với các chương trình nghiên cứu chuyên sâu cần thu đầy đủ thành phần loài, thường sử dụng dụng cụ có kích thước mắt lưới 250 m [6], [109]

Các chương trình giám sát (Surveillance) dựa vào ĐVKXSCL là kiểu quan trắc sinh học được sử dụng thường xuyên nhất, bao gồm các khảo sát thực hiện trước và sau khi một dự án hoàn thành hay trước và sau khi một chất độc bị tràn ra Hơn nữa, có thể còn sử dụng ĐVKXSCL để đánh giá các chương trình quản lý tài nguyên nước đang thực hiện hay xem xét những dự án bảo vệ nguồn nước có thành công hay không Việc sử dụng ĐVKXSCL để dự đoán những tác động môi trường ưu tiên ở thời điểm khởi đầu của dự án là một hình thức đặc biệt của giám sát Quan trắc sinh học lịch sử (Historical biomonitoring) hay giám sát dài hạn có thể cung cấp những chứng cứ cần thiết để đánh giá các vấn đề môi trường đã có hay nảy sinh Quan trắc sinh học lịch sử có thể kéo dài từ vài năm đến vài thập kỷ [109]

Kiểu thứ hai của quan trắc sinh học là để đảm bảo sự tuân thủ hay đáp ứng ngay lập tức những quy định hay để kiểm soát chất lượng nước dài hạn Có thể sử dụng ĐVKXSCL để xét nghiệm những ảnh hưởng và đảm bảo các tiêu chuẩn chất lượng nước, hay có thể sử dụng chúng để đảm bảo rằng những tiêu chuẩn được duy trì trong suốt quá trình xây dựng và kết thúc của một dự án [109]

Trong danh sách trên 100 chỉ số sinh học được dùng để giám sát chất lượng nước sông suối có đến 2/3 là dựa vào ĐVKXSCL [63] Hellawell (1986) đã tổng kết các tài liệu chuyên ngành và nhận thấy rằng ĐVKXSCL là nhóm thông dụng nhất cho đánh giá sức khỏe sinh thái sông ngòi (bao gồm chất lượng nước), tiếp theo là vi tảo

và động vật nguyên sinh (Bảng 1-1) [22], [79]

Bảng 1-1 So sánh sử dụng các nhóm sinh vật trong việc quan trắc chất lượng nước

Nói chung, các nhóm đều có thể sử dụng để làm sinh vật chỉ thị sinh học, tuy nhiên mỗi nhóm đều có ưu và nhược điểm nhất định Các nghiên cứu do các quốc gia cộng đồng châu Âu (Đức, Anh, Italia, Bỉ,…) thực hiện đã chứng minh rằng phương pháp đánh giá chất lượng nước thành công nhất là dựa vào quần xã ĐVKXSCL

Hệ thống định loại phát triển;

Dễ quan sát và thu mẫu;

Thời gian sống đủ dài để có thể chỉ thị cho những tác động ô nhiễm tổng hợp;

Nhạy cảm với ô nhiễm;

Khả năng thực nghiệm tốt;

Dụng cụ thu mẫu đơn giản

Khó thu mẫu định lượng ở những nơi có nền đáy rắn, gồ ghề

Phải có kiến thức đánh giá chu

kỳ sinh trưởng và phát triển của loài

Vi khuẩn (Bacteria) Phương pháp phòng thí nghiệm

tốt;

Phản ứng nhanh với những thay đổi của môi trường, bao gồm ô nhiễm;

Chỉ thị cho ô nhiễm phân;

Dễ thu mẫu;

Dụng cụ thu mẫu đơn giản

Các tế bào có thể không có nguồn gốc từ điểm thu mẫu; Quần thể được phục hồi nhanh chóng từ các nguồn ô nhiễm không liên tục;

Khó định loại;

Sự biến đổi tạm thời cao;

Sự hiểu biết về nhóm này không nhiều;

Yêu cầu một số trang thiết bị chuyên biệt

(Primary production);

Chỉ thị hữu ích cho phú dưỡng hóa và tăng độ đục;

Có thể đếm tự động;

Dụng cụ thu mẫu đơn giản

Biến đổi theo mùa lớn

Tảo silic (Diatoms) Dễ thu mẫu;

Vi tảo được ứng dụng nhiều trong nghiên cứu sinh trưởng và phát triển;

Dụng cụ thu mẫu đơn giản

Tương đối ít nhạy cảm

Dụng cụ thu mẫu đơn giản

Dễ quan sát và thu mẫu;

Thời gian sống đủ dài để có thể chỉ thị cho những tác đổng ô nhiễm tổng hợp;

Nhiều thông tin;

Tương đối dễ định loại;

Tương đối ít nhạy cảm;

Khó thu mẫu lặp định lượng

Cá Hệ thống phân loại phát triển

tốt;

Nhiều thông tin;

Tương đối dễ định loại;

Đóng vai trò quan trọng trong chuỗi thức ăn;

Tác động sinh lý có thể thấy ngay

Các loài có thể di cư để tránh ô nhiễm;

Khó phân biệt tác động là do khai thác thủy sản hay nhiễm bẩn

Chim, thú Nhạy cảm với ô nhiễm nhiệt;

Tác động đến chuỗi thức ăn có thể thấy được;

Ngoại suy đến con người

Rất khó thu mẫu

Nguồn: [6], [63]

Sử dụng ĐVKXSCL để giám sát chất lượng nước có những thuận lợi sau [63], [109]:

- Thành phần loài phong phú và phân bố rộng khắp hệ thống sông, vì vậy chúng có thể chỉ thị cho những rối loạn của nhiều kiểu môi trường sống khác nhau;

- Sống tương đối cố định ở đáy, do đó hạn chế về khả năng di cư nên chỉ thị tốt cho sự thay đổi chất lượng nước, và có đời sống đủ dài nên không cần thu mẫu thường xuyên;

- Dễ thu mẫu;

- Tương đối dễ định danh;

- ĐVKXSCL là những sinh vật thứ cấp, vì vậy cho phép xác định phạm vi không gian của những rối loạn;

- Số lượng taxa (loài) trong một lần thu mẫu tương đối cao, do đó có ít nhất vài loài sẽ bị tác động do sự thay đổi chất lượng nước Biểu hiện là sự phản ứng của các loài đối với các kiểu ô nhiễm hay các đặc tính thủy vực khác nhau;

- Có nhiều chọn lựa các phương án xử lý số liệu (chỉ số ô nhiễm, chỉ số sinh học, chỉ số đa dạng, chỉ số dinh dưỡng, điểm số ô nhiễm,…)

Gần đây, với sự phát triển đa dạng của kỹ thuật đánh giá dựa vào ĐVKXSCL đã làm tăng thêm nhiều thuận lợi cho nhóm này trong chương trình quan trắc Đầu tiên, thu mẫu định tính và phân tích mẫu có thể được thực hiện rất đơn giản với trang thiết bị rẻ tiền Thứ hai, hệ thống phân loại và các khóa định loại của nhiều nhóm loài ĐVKXSCL phát triển rất tốt Thứ ba, nhiều phương pháp phân tích số liệu dựa vào cấu trúc quần xã phát triển mạnh và đã được sử dụng rộng rãi như các chỉ số đa dạng và chỉ số sinh học Thứ tư, đã thiết lập những phản ứng của nhiều nhóm loài đối với các kiểu ô nhiễm khác nhau Thứ năm, ĐVKXSCL là đặc biệt thích hợp cho nghiên cứu thực nghiệm Có thể kể đến một thuận lợi khác là tiến hành đo sinh hóa và sinh lý các cá thể ĐVKXSCL để đánh giá mức độ các tác động đến thủy vực [57]

Đánh giá chung:

Kết quả nghiên cứu cho thấy đánh giá chất lượng nước bằng phương pháp sinh học thành công nhất là dựa vào quần xã ĐVKXSCL vì có nhiều thuận lợi hơn cả Hellawell (1986) đã tổng kết các tài liệu chuyên ngành và nhận thấy ĐVKXSCL là nhóm loài thông dụng nhất cho đánh giá sức khỏe sinh thái sông (bao gồm chất lượng nước) Đến nay, trên thế giới đưa ra hơn 100 chỉ số sinh học được dùng để giám sát chất lượng nước sông suối có đến 2/3 là dựa vào ĐVKXSCL

1.1.4 Tình hình nghiên cứu động vật không xương sống cỡ lớn ở đáy đánh giá chất lượng nước ở trên thế giới và Việt Nam

1.1.4.1 Trên thế giới

Quan trắc sinh học được biết đến từ đầu thế kỷ 20, trong đó các phương pháp đánh giá chất lượng nước dựa vào ĐVKXSCL phát triển mạnh vào nửa sau của thế kỷ này [109]

 Quan điểm châu Âu

Khái niệm chỉ thị sinh học của các đặc tính môi trường nước xuất phát từ nghiên cứu của Kolkwitz và Marsson [128] Hai tác giả này đã phát triển ý tưởng độ nhiễm

bẩn “saprobity” trong các hệ thống sông bằng cách đo mức độ nhiễm bẩn do các

chất hữu cơ và đưa ra kết quả là nồng độ DO giảm Năm 1908 quan điểm này được phát triển cho thực vật và năm 1909 đã mở rộng cho động vật Sau đó hệ thống phân loại mức độ nhiễm bẩn dựa vào các loài chỉ thị phát triển cho nhiều nhóm loài sinh vật, bao gồm ĐVKXSCL Hệ thống gốc phân loại ở đơn vị Lớp, sau đó Richardson và Gaufin phân loại tới Bộ, Họ [109] Mỗi nhóm chỉ thị chất lượng nước ứng với 4 giai đoạn oxy hóa từ nghèo dinh dưỡng hay ít bẩn (Oligosaprobic), bẩn vừa ở hai mức độ β và α (β-Mesosaprobic và α-Mesosaprobic) đến rất bẩn với

hàm lượng chất hữu cơ rất cao (Polysaprobic) (Bảng 1-3)

Bảng 1-3 Nhóm loài chỉ thị ô nhiễm sử dụng trong hệ thống phân loại ban đầu

Nhóm loài chỉ thị

Phân loại Richardson

(1925)

Richardson (1929)

Gaufin (1958)

Tubificidae, một số ấu trùng

họ Chironomidae, một số loài

lớp Gastropoda Nhiễm bẩn Nhiễm bẩn

Chịu đựng được nhiễm bẩn

Sphaeriidae, Hirudinea, ấu

trùng họ Chironomidae

Nhiễm bẩn nhẹ, chịu đựng được ô nhiễm

Ấu trùng họ Chironomidae Nhiễm bẩn nhẹ,

nghi ngờ Chironomidae, Sphaeridae,

một số loài lớp Oligochaeta Nhiễm bẩn nhẹ, chịu đựng kém Tùy nghi

Hệ thống này ngày càng được ứng dụng và phát triển để xây dựng nên chỉ số ô nhiễm S (Saprobic Index) và chỉ số biến đổi (Modified Index) bao gồm các giá trị ô nhiễm [6], [109] Đến năm 1973, Sladecek đã tổng kết và phát triển các phương pháp đánh giá chất lượng nước trên quan điểm sinh học Ông đã xuất bản một ấn

phẩm “Danh mục các loài chỉ thị cho ô nhiễm nước ngọt“, bao gồm danh sách các

nhóm thủy sinh vật chỉ thị của ô nhiễm, trong đó có ĐVKXSCL Hiện nay hệ thống này vẫn đang được ứng dụng ở nhiều quốc gia châu Âu [6], [109] Sử dụng mức độ nhiễm bẩn hữu cơ và nồng độ DO để phân vùng sinh học khá phổ biến ở các lục địa; đến nay khái niệm này vẫn chưa lỗi thời và không chỉ giới hạn ở châu Âu

Khái niệm “độ nhiễm bẩn” có ảnh hưởng sâu sắc đến sự phát triển của các bộ luật

và quy định quản lý nước mặt ở châu Âu Ví dụ, Đạo luật Bảo vệ Môi trường của Đan Mạch (the Danish Environmental Protection Act) năm 1973 đã ghi rõ 4 kiểu phân loại sinh học dựa vào hệ thống độ nhiễm bẩn cổ điển, DO, BOD và chỉ thị sinh

học làm tham chiếu cho chất lượng nước (Bảng 1-4) Tương tự, ở Anh, từ năm 1995

Ủy ban Hoàng gia về Xả nước thải (the Royal Commission on Sewage Disposal) đã hạn chế tải lượng thải BOD và TSS [6], [108] Thực tế, những đối tượng xả thải rất tán thưởng nếu chương trình quan trắc sinh học không được chấp nhận Lý do là đánh giá chất lượng nước bằng phương pháp sinh học sẽ thấy rõ hơn những biến đổi của môi trường và các hệ sinh thái nước theo chiều hướng xấu dần do xả thải từ các nhà máy công nghiệp so với các ngưỡng định lượng theo tiêu chuẩn hóa-lý [79]

Bảng 1-4 Phân loại chất lượng nước dựa các nhóm loài chỉ thị ở Đan Mạch

Mức Phân loại nồng độ nhiễm bẩn Các nhóm loài chỉ thị

Các nhóm loài thích ứng được với ô nhiễm phát

triển phong phú về số loài, nhưng Chironomus

và Tubifex không chiếm ưu thế

III -mesosaprobic

(Bẩn vừa mức )

Các nhóm loài chỉ thị cho nước nhiễm bẩn gồm

Chironomus, Tubifex, Asellus, Erpobdella

IV Polysaprobic

(Rất bẩn)

Chỉ gồm các nhóm loài Eristalis, Tubifex,

Chirnomus phát triển với số lượng cao

Nguồn: [109]

Một số chỉ số được phát triển dựa trên các đặc tính chung như sự chịu đựng của các

nhóm, sự phân bố và giá trị chỉ thị (Bảng 1-5) Những chỉ số này tính toán định

lượng và bán định lượng để đánh giá điều kiện sinh học và gần với những ứng dụng sinh học ĐVKXS ở Bắc Mỹ [6], [109]

Bảng 1-5 Những chỉ số được chọn sử dụng trong quan trắc sinh học

phân loại Ghi chú

Tương đối cao (2)

Tương đối cao (10)

Chỉ số tổ hợp sinh

học IBI

Nguồn: [6], [109] Ghi chú: Các loài chỉ thị và chỉ số đa dạng là những điểm số có tính liên tục, trong khi chỉ

số sinh học là điểm số có tính rời rạc (1) Pantle and Buck (1955); (2) Simpson (1949); (3) Shannon và Weaver (1949); (4) Brillouin (1951); (5) Margalef (1958); (6) Cairns and Dickson (1971); (7) Woodiwiss (1964); (8) Armitage et al (1983); (9) De Pawn and Vanhooren (1983); (10) Ohio EPA (1987); (11) Karr et al (1986) 2Biological Monitoring Working Party 3Belgian Biotic Index

Bảng 1-6 thống kê các chỉ số chính đang sử dụng ở các quốc gia châu Âu Ngoại trừ

Hy Lạp, những quốc gia khác xây dựng hệ thống chỉ số dựa vào ĐVKXSCL và hiện đang được sử dụng phổ biến Ở 7 quốc gia (Bỉ, Đan Mạch, Pháp, Đức, Ai Len, Luxxemburg và Anh), chỉ số sinh học hay phương pháp cho điểm được chấp nhận ở cấp tiêu chuẩn quốc gia Các phương pháp đánh giá ở Hà Lan và Italia được chấp nhận ở cấp vùng Một số quốc gia như Bồ Đào Nha và Tây Ban Nha chưa được đồng ý sử dụng ở cấp quốc gia, mặc dù họ đã có những phương pháp đánh giá rõ

ràng [6], [63] Những chỉ số đánh giá cần định danh đến loài gồm có Chỉ số ảnh hưởng sinh học (BEOL – Biological Effect of Orgi Load), Chỉ số sinh học xu hướng (TBI – Trent Biotic Index), Chỉ số chất lượng (K135), Chỉ số tổ hợp sinh học đáy (BILL – Benthic Index of Biotic Integrity), Chỉ số sinh học của Chandler (CBI – Chandler’s Biotic Index),… trong khi Chỉ số sinh học Bỉ (BBI – Belgium Biotic Index), Chỉ số sinh học xu hướng mở rộng (EBI – Extended Trent Biotic Index), Chỉ số sinh học toàn cầu (IBG – Global Biotic Index), Nhóm làm việc quan trắc sinh học (BMWP – Biological Monitoring Working Party),… chỉ yêu cầu định danh đến giống hoặc họ Bên cạnh những chỉ số mô tả các đặc điểm sinh thái chung của sông suối, còn phát triển một số chỉ số chuyên đánh giá chất lượng nền đáy như Chỉ

số giun ít tơ (IOBS – Oligochaeta), Chỉ số ấu trùng côn trùng họ muỗi lắc (Chironomidae), Chỉ số nhuyễn thể (DEFP – Mollusca) [6], [63]

Bảng 1-6 Ứng dụng những phương pháp chỉ số chính dựa vào ĐVKXSCL phục vụ đánh giá nước chảy ở các quốc gia châu Âu

Quốc gia Chỉ số Thu mẫu Phân tích Định danh Tiêu

chuẩn

Xếp loại

Đan Mạch DBI Định tính Định tính Họ/Giống/Loài Quốc gia 1 – 4

Ai Len Q-rating Định tính Định tính Họ/Giống/Loài Quốc gia 0 – 5

Hà Lan K135 Định tính Định tính Họ/Giống/Loài Vùng 100 – 500

Guhl (1987) cho rằng sự hạn chế của các chỉ số cho điểm này là do chỉ định danh đến họ, trong khi sức chống chịu của các loài trong một họ có nhiều khác biệt Vì vậy, muốn phát triển hệ thống này cho các vùng khác phải có các điều chỉnh phù hợp từng vùng [6], [109]

Như đã nói ở trên, các hệ thống này chỉ ứng dụng cho quan trắc sinh học nước ngọt Hiện nay hướng nghiên cứu sinh học để đánh giá ô nhiễm môi trường nước mặn (biển, vùng ven biển, cửa sông, vùng nước mặn ăn sâu vào nội địa,…) ở châu Âu và Bắc Mỹ đều dựa vào hệ thống các chỉ số đa dạng, cấu trúc quần xã, thành phần loài, mật độ cá thể, sinh khối

Các nhà sinh thái học cơ bản và ứng dụng ở Bắc Mỹ đánh giá các tác động dựa trên

lý thuyết cân bằng sinh thái và các phép đo đa dạng (vd: Shannon và Weaver, 1949) Một loạt các chỉ số kết hợp số loài và mật độ (tuyệt đối và tương đối) ra đời

và chúng được chấp nhận ngay trong các phương pháp đánh giá chất lượng nước

Từ khi tính chính xác của định loại không cần thiết (chỉ yêu cầu phân riêng các taxa), các chỉ số đa dạng đã chứng minh tính thiết thực của nó Một số chỉ số được ứng dụng khá rộng rãi (Simpson, 1949; Margalef, 1958; Shannon và Weaver, 1949; Menhinick, 1964; Cairns and Dickson, 1971), và những thuộc tính của nó đã được Green (1979), Washington (1984) và Hellawell (1986) tổng kết Wilhm và các nhà khoa học khác đã đưa ra thang đánh giá các chỉ số đa dạng tương ứng với loại chất lượng nước và môi trường sống Việc tính toán các chỉ số không yêu cầu định loại

đã chứng minh trong chỉ số so sánh liên tục – Sequential Comparison Index (Cairns and Dickson, 1971) Những chỉ số này có thể tính toán chính xác mà không cần

những người được đào tạo chuyên nghiệp [6], [109] Gần đây, các nhà sinh học về đáy quay trở lại phân tích cấu trúc quần xã để đánh giá mối quan hệ trong đó

Ở Hoa Kỳ, các cơ quan điều hành nhà nước đặt niềm tin đáng kể vào các kết quả khảo sát ĐVKXSCL để đánh giá sức khỏe sinh thái, tất cả 50 tiểu Bang đã tiêu chuẩn hóa phương pháp sử dụng ĐVKXSCL để đánh giá chất lượng nước Metcalfe (1989) đã sử dụng điểm số Chandler có chỉnh sửa (Modified Chandler Score – MCS) phục vụ cho công việc nghiên cứu và quan trắc chất lượng hệ thống sông suối ở New York [6], [109] Ngoài ra, sau thời gian dài sử dụng hệ thống các chỉ số

đa dạng, họ đã quay lại việc lấy mẫu định lượng kết hợp với quy chuẩn đánh giá sinh học nhanh (USEPA Rapid Bioassessment Protocols – RBP) Hiện nay, các chương trình đánh giá nhanh đang được ứng dụng phát triển cho cộng đồng ở nhiều quốc gia trên thế giới

Những phát triển gần đây ở Hoa Kỳ dựa trên hai khái niệm Một là, việc phân định ranh giới các vùng địa vật lý (Physiographic region) dựa vào địa chất đáy đá, thổ nhưỡng, và thảm thực vật tự nhiên có tính đồng nhất bên trong vùng hay còn gọi là khái niệm vùng sinh thái – Ecoregion concept (Hughes và Larsen, 1987; Omernik, 1987) Đó là, các quần xã bên trong những vùng đã phân định có tính đồng nhất hơn

so với các quần xã từ các vùng khác Thứ hai, trong một vùng đồng nhất hơn (Rather homogeneous region), có thể xác định được cấu trúc tự nhiên và tính biến dị của quần xã hay còn gọi là ý tưởng vị trí tham chiếu – Reference site idea (Karr et

al, 1986) Cần thận trọng khi chọn vị trí tham chiếu cho nghiên cứu, nó nên được thực hiện để xác định một loạt những mong muốn về thành phần loài và mật độ (ví dụ: nhóm loài chỉ thị) trong vùng Nếu xác định được khu hệ động vật và thực vật trong nước sạch thì có thể xây dựng một tiêu chuẩn để so sánh với những khu vực

bị tác động [6], [109] Những khái niệm này được ứng dụng để xác định các nhóm loài chỉ thị ở vùng Tây Bắc Hoa Kỳ (Whittier et al, 1988), ở Arkansas (Rohm et al, 1987), ở Ohio (Ohio EPA, 1987), và các vùng khác Các hệ sinh thái khỏe mạnh và bình thường sẽ có những hệ động vật như mong đợi Còn một con sông không có hệ

động vật như mong đợi, rõ ràng đã chịu tác động của chất thải đô thị, các nguồn ô nhiễm, bồi lắng phù sa hay nạo vét kênh rạch [6], [109]

Ở Ohio, chỉ số ICI (Chỉ số quần xã ĐVKXS) và chỉ số IBI (Chỉ số tổ hợp sinh học; Karr et al, 1986) được sử dụng để đánh giá hệ thống sông suối Chỉ số sinh học được xây dựng dựa trên sự hiểu biết về khu hệ động vật tiềm năng và chỉ định sử dụng cho sông suối Khi nơi cư trú của sinh vật không khỏe mạnh (biến mất một số loài hay xuất hiện các loài chịu đựng với ô nhiễm), thì có thể không chỉ thực hiện những hành động để quản lý các nguồn điểm mà cả những nguồn không điểm, và các cấu trúc quần xã trong môi trường trong sông suối Do đó, sinh học đáy có thể đưa ra một công cụ pháp lý để đánh giá các quần xã sinh học mong đợi nhằm hỗ trợ việc sử dụng đa mục đích nguồn nước Hiện nay chỉ số IBI được sử dụng khá rộng rãi ở Bắc Mỹ [6], [109]

Metcalfe (1989) đã tổng kết việc ứng dụng của quan trắc quần xã ĐVKXSCL, trong

đó một số ý kiến cho rằng cấu trúc quần xã ĐVKXSCL chưa đủ nhạy cảm để phân biệt các điều kiện môi trường và phân loại các mức độ ô nhiễm Tuy nhiên, các nghiên cứu cho thấy nhiều lợi ích và tính hiệu quả khi sử dụng ĐVKXSCL để đánh giá các phản ứng của hệ sinh thái, những thay đổi chất lượng nước dù nhỏ cũng dẫn đến sự chọn lựa cấu trúc quần xã phù hợp với hệ sinh thái đó Vì vậy, cần kết hợp giữa phương pháp cấu trúc quần xã và loài chỉ thị để cho kết quả đánh giá hiệu quả nhất [6], [109]

 Ở các quốc gia châu Á

Các quốc gia châu Á chủ yếu ứng dụng lại những nghiên cứu của châu Âu và Bắc

Mỹ, điển hình là:

Ở Nhật Bản, quan trắc sinh học dựa vào ĐVKXSCL đã được chấp nhận và họ ứng dụng các phương pháp sử dụng ở Đức vào cuối những năm 50 của thế kỷ trước Đến năm 1962, Nhật Bản đưa ra danh sách các loài chỉ thị, và giới thiệu hệ thống ô nhiễm và chỉ số sinh học Những năm 80, các chỉ số được thử nghiệm để đánh giá ô nhiễm hữu cơ ở các thủy vực Tiếp theo, các chỉ dẫn định loại được phát hành vào năm 1985 và năm 2005 Hiện nay, Nhật Bản đang thực hiện một chương trình phổ

biến quan trắc sinh học cho 800.000 tình nguyện viên và sử dụng 30 loài ĐVKXSCL làm sinh vật chỉ thị ở các thủy vực trong toàn quốc Chương trình đã tiến hành ở 109 sông với sự tham gia đông đảo của 23% tổ chức phi chính phủ và 74% trường học [95], [107]

Chương trình khảo sát quốc gia về các chỉ tiêu sinh học thủy vực và thông số môi trường nhằm phục vụ quản lý tài nguyên nước đã bắt đầu ở Trung Quốc vào cuối những năm 50 Và từ cuối những năm 70, đã sử dụng các chỉ số sinh học và chỉ số

đa dạng loài để đánh giá chất lượng nước sông Dương Tử, Hoàng Hà, Châu Giang

và các sông khác Tiếp theo, năm 1982, các cơ quan chính phủ đã sử dụng chỉ số Shannon-Wiener hiệu chỉnh vào các chương trình quan trắc Đến năm 1993, Trung

Quốc đã phát hành sổ tay “Hướng dẫn quan trắc sinh học chất lượng nước” và “Sự hữu ích của côn trùng nước trong quan trắc chất lượng nước ở Trung Quốc” năm

1994; cùng thời gian này đã tổ chức nhiều hội thảo tại một số trường đại học và các nhóm tình nguyện viên quan trắc được thiết lập Đến giai đoạn 2004 – 2005, giá trị

ô nhiễm theo loài ở vùng Đông Trung Quốc và Chỉ số tổ hợp sinh học đáy được phát triển Hiện nay, các nhà nghiên cứu sử dụng viễn thám (remote sensing) trong các chương trình quan trắc sinh thái Tuy nhiên, đến nay những ứng dụng công nghệ viễn thám phục vụ quan trắc sinh học vẫn còn rất hiếm [95], [107]

Các chỉ số quần xã sinh vật đã được giới thiệu ở Hàn Quốc vào những năm 70 Đến năm 1995, Hàn Quốc chỉnh sửa và đưa ra chỉ số sinh học Hàn Quốc và chỉ số loài

ưu thế năm 2005 Gần đây, Bộ Môi trường Hàn Quốc yêu cầu nghiên cứu sử dụng ĐVKXSCL phục vụ ĐTM và họ hỗ trợ kinh phí cho những chương trình quan trắc dài hạn ở những hệ thống sông nước ngọt chính Ngoài ra, Hàn Quốc đang phổ biến chương trình quan trắc sinh học ở các cấp phổ thông hoặc phát triển chương trình quan trắc sinh học có sự tham gia của cộng đồng [95], [107]

Ở Malaysia, John Bishop đã nghiên cứu ĐVKXSCL phục vụ quan trắc sinh học trong các sông vùng nhiệt đới vào năm 1973 Đến năm 2004, chỉ dẫn về ĐVKXSCL được phát hành và những nhóm nghiên cứu của các trường đại học đã nghiên cứu tác động khác nhau của những rối loạn đến phân bố ĐVKXSCL Năm 2005, họ đã

nghiên cứu so sánh các khu hệ ĐVKXSCL ở những suối vùng đô thị và vùng ít bị tác động, và cũng trong năm này một số loài ĐVKXSCL được xác định như là những chỉ thị tiềm năng cho các tác động Hiện nay, quan trắc sinh học không phổ biến ở Malaysia, hầu hết các chương trình tập trung vào nghiên cứu đa dạng sinh học [95], [107]

Ở Mông Cổ, nghiên cứu sinh học thủy vực đã được thực hiện bởi các nhà khoa học Nga và Mông Cổ vào cuối thế kỷ 19 Tuy nhiên, phải đến cuối những năm 1990, họ mới sử dụng côn trùng để quan trắc chất lượng nước Hiện nay, chương trình quan trắc sinh học do Viện Khí tượng và Thủy văn Quốc gia thực hiện để điều tra đa dạng sinh học và đánh giá chất lượng nước, hệ sinh thái Những nghiên cứu về côn trùng nước phục vụ quan trắc sinh học do Viện Khoa học Mông Cổ và Viện Khí tượng và Thủy văn Quốc gia thực hiện, dưới sự bảo trợ của Ngân hàng Thế giới và Quỹ Tài trợ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ Ngoài ra, còn hai dự án nghiên cứu lớn thực hiện ở các hồ phía Tây và lưu vực sông Selenge đã điều tra khu hệ côn trùng nhằm mục đích thiết lập cơ sở dữ liệu sinh học phục vụ các chương trình quan trắc sinh học [95], [107]

Ở Thái Lan, hệ thống giám sát ô nhiễm sử dụng ĐVKXSCL đã khởi xướng dọc theo sông Ping vào năm 1996 Để phù hợp với điều kiện Bắc Thái Lan, qua quá trình nghiên cứu quần xã ĐVKXSCL tại 23 vị trí thu mẫu ở Mae Ping, Mustow (1997) đã đưa ra những điều chỉnh trong thang điểm Ông đã hợp nhất 10 họ bổ sung vào hệ thống BMWPANH được sửa đổi và gọi nó là điểm số BMWPTHAI [95], [100] Năm 1997, Quỹ Tài trợ Thế giới xanh bắt đầu dự án khảo sát sông và suối cho giới trẻ với sự tham gia của 58 trường học Đến năm 2005, Cơ quan Kiểm soát

Ô nhiễm Thái Lan đã công bố báo cáo về chất lượng nước của 48 sông chính, trong

đó có 51% số sông này thuộc loại nhiễm bẩn vừa [95], [100] Hiện nay, các chương trình quan trắc chất lượng nước dựa vào các thông số hóa-lý, còn quan trắc sinh học chỉ bao gồm tổng coliform và fecal coliform Bước đầu, các nghiên cứu sử dụng quy chuẩn của USEPA trong các chương trình đánh giá nhanh chất lượng nước ở vùng Bắc và Đông Bắc, và họ đã có các kế hoạch sử dụng chỉ số BMWPANH thay

đổi cho từng lưu vực [95], [100] Ngoài ra, Thái Lan đang bắt đầu thiết lập chương trình phổ biến quan trắc sinh học cho tình nguyện viên [95], [107]

Năm 2003, Ủy hội Quốc tế Sông Mekong (MRC) đã bắt đầu một chương trình 5 năm để phát triển hệ thống quan trắc phù hợp với các thành viên của MRC (Cambodia, Lào, Thái Lan và Việt Nam) Mục tiêu của chương trình (i) để xác định các nhóm động vật và thực vật phù hợp cho tiến trình quan trắc sinh học; (ii) tính toán điểm số ô nhiễm (TS), sau đó tính điểm số ô nhiễm cho từng vị trí theo cá thể (ATSPI) và điểm số ô nhiễm cho từng trí theo taxa (ATSPT); (iii) chọn các vị trí tham chiếu làm tiêu chuẩn so sánh với những vị trí khác ở lưu vực sông Mekong, (iv) để chỉ rõ các đặc điểm của các nhóm thực vật và động vật có thể chỉ ra những tổn hại đối với hệ sinh thái nước (chỉ thị sinh học), (v) để sử dụng các giá trị của chỉ thị sinh học đo tại vị trí tham chiếu để phát triển một loạt chỉ dẫn để phân loại tất cả

các vị trí quan trắc, và (vi) để chuẩn bị một “bộ chỉ báo” (report card) cung cấp cho

những người không chuyên và thông tin cho cộng động về mục đích của phương pháp quan trắc sinh học, và chỉ ra điều kiện hiện nay của các hệ sinh thái sông [94], [95] Những vị trí tham chiếu phải thỏa mãn các tiêu chí sau (i) pH: 6,5 – 8,5, (ii)

EC < 70 mS/m, (iii) DO > 5 mg/L, (iv) không hoặc ít bị xáo trộn do ảnh hưởng bởi các hoạt động KT-XH của con người, (v) cách các thành phố lớn hay đập nước ít nhất 20 km về phía hạ lưu và (vi) không bị ảnh hưởng của các hình thức chuyển nước trong lưu vực Sau khi phân tích thống kê các chọn lựa gồm số loài, mật độ, mức độ chịu đựng ô nhiễm để xác định sự tổn hại đối với các điều kiện sinh thái của sông Những chỉ thị này được tính toán cho 4 nhóm sinh vật, tổng cộng có 12 chỉ thị Dựa trên các giá trị của 12 chỉ thị và các vị trí tham chiếu để phân loại tình trạng các vị trí, có thể chia thành 4 nhóm sau: Mức A (Rất tốt) đáp ứng 10 – 12 chỉ thị; Mức B (Tốt) đáp ứng 7 – 9 chỉ thị; Mức C (Trung bình) đáp ứng 4 – 6 chỉ thị; Mức

D (Xấu) đáp ứng 0 – 3 chỉ thị [95], [96], [97]

Tuy nhiên, chương trình quan trắc sinh học của MRC có những hạn chế cần phải xem xét trong phương pháp chọn vị trí tham chiếu và phương pháp tính toán TS các nhóm loài thủy sinh vật Các chuyên gia sinh học của MRC đã chọn được một số vị

trí thu mẫu thỏa mãn 6 điều kiện nêu trên làm vị trí tham chiếu và hầu hết nằm khu vực trung lưu sông Mekong nơi ít chịu tác động của các hoạt động phát triển KT-

XH Tuy nhiên, nhiều chuyên gia môi trường cho rằng chỉ có thể sử dụng những vị trí này làm tham chiếu cho những khu vực nghiên cứu thuộc vùng phía trên của sông Mekong và các chi lưu Trong khi đó, không thể sử dụng những vị trí tham chiếu này cho vùng hạ lưu nơi ảnh hưởng mạnh của thủy triều, đặc biệt là bị xâm nhập mặn hoặc khu vực cửa sông – Khu vực có đặc tính sinh thái khác hoàn toàn so với vùng trung lưu

Đối với tính toán TS, phương pháp xây dựng của MRC có 3 hạn chế cần cải tiến gồm: kích thước mẫu tính toán, tần suất thu mẫu và và điểm số tác động quan sát được (VAS) Kích thước tính toán sử dụng số lượng cá thể/0,1 m2

, thường giá trị thu được của từng mẫu rất thấp, điều này cho kết quả phân tích sai lệch lớn giữa các

vị trí khảo sát và có thể đưa ra TS của từng loài quá thấp hay quá cao Đối với tần suất thu mẫu, chỉ mẫu một lần trong năm vào tháng 3 hoặc tháng 4, điều này có thể dẫn đến thiếu thông tin đầy đủ của quần xã ĐVKXSCL trong chu kỳ sinh trưởng và phát triển trong năm Một nhược điểm cần xem xét nữa là tính toán TS dựa vào điểm số VAS được đánh giá định tính, chủ yếu dựa vào kinh nghiệm của nhóm nghiên cứu, vì vậy cần bổ sung điểm số chất lượng nước mang tính định lượng để đạt được kết quả tính toán TS khác quan và chính xác hơn

1.1.4.2 Ở Việt Nam

Ở Việt Nam, nghiên cứu sử dụng các nhóm sinh vật để đánh giá chất lượng nước mới chỉ thực hiện trong những năm 90 của thế kỷ trước, nhưng các nghiên cứu chỉ ở mức khởi đầu áp dụng phương pháp của các nước châu Âu và Bắc Mỹ chủ yếu thông qua ĐVKXSCL để đánh giá chất lượng nước sông suối nước chảy vùng núi

Từ năm 1988, Phạm Văn Miên và cs đã sử dụng các nhóm thực vật phiêu sinh, động vật phiêu sinh và ĐVKXSCL để đánh giá chất lượng nước Dựa vào việc mẫu vật thu thập trong nhiều năm kết hợp cùng các chỉ tiêu hóa-lý ở HTSĐN và vùng Đồng Bằng Sông Cửu Long (ĐBSCL), ông đã tìm ra các nhóm loài thực vật phiêu sinh, động vật phiêu sinh và ĐVKXSCL đặc trưng cho từng vùng có đặc tính môi

trường khác nhau, có thể xem như sinh vật chỉ thị Vì những đặc điểm của hạ lưu HTSĐN và vùng ĐBSCL chịu ảnh hưởng mạnh của thủy triều từ biển Đông với biên độ triều cao (2,5 – 4,0 m) sâu vào nội địa Các loài gốc biển phân bố khá phong phú, đôi khi còn chiếm ưu thế ở những vùng nước ngọt hoàn toàn, không thể đưa hệ thống các chỉ số sinh học của châu Âu đang dùng áp dụng cho vùng này Từ kết quả nghiên cứu này, ông cho rằng loài ưu thế là một trong những thành phần quan trọng nhất và kết hợp với các yếu tố cấu trúc quần xã, mật độ, các loài ưu thế, loài đặc trưng, loài chỉ thị, mối quan hệ giữa các nhóm loài, các chỉ số sinh học để đánh giá chất lượng nước vùng này [6], [25] Những chương trình hay dự án nghiên cứu tiếp theo đi theo hướng nghiên cứu này [24]

Một hướng nghiên cứu khác ở Việt Nam là ứng dụng điểm số BMWP Điển hình, Steve Tilling và Clive Pinder (1999) điều chỉnh hệ thống cho điểm BMWPANH

(Biological Monitoring Working Party) cho phù hợp với điều kiện Việt Nam để đánh giá chất lượng nước sông suối miền núi Dựa vào hệ thống tính điểm BMWP-aspt, Nguyễn Xuân Quýnh (2001) đã xây dựng quy trình quan trắc và đánh giá chất lượng nước ngọt bằng ĐVKXSCL ở Việt Nam [22], [102] Tham chiếu các hệ thống điểm số BMWP sử dụng ở Anh và Thái Lan để xây dựng một hệ thống điểm BMWP mới phù hợp với khu hệ ĐVKXSCL và điều kiện tự nhiên của Việt Nam, gọi là điểm số BMWPVIỆT Điểm số này có thể sử dụng để đánh giá chất lượng nước

ở một số thủy vực nước chảy của Việt Nam như Tam Đảo, Đà Lạt, Mê Linh, Tô Lịch Có thể đưa ra một số nhận xét sau (1) có thể sử dụng BMWPVIỆT để đánh giá nhanh chất lượng nước của một số thủy vực nước chảy ở Việt Nam Cần nghiên cứu

và phát triển thêm để có thể ứng dụng đánh giá chất lượng nước ao, hồ và hồ chứa; (2) cần thay đổi điểm số BMWP phù hợp cho những khu hệ ĐVKXSCL ở mỗi khu vực, lưu vực sông, quốc gia hay vùng địa lý; (3) điểm số BMWP có thể ứng dụng rộng rãi ở Việt Nam vì việc định danh chỉ yêu cầu ở mức họ, những người không chuyên có thể thực hiện được Chính vì chỉ phân loại đến họ, chỉ số này chỉ nên phổ biến trong những chương trình tình nguyện để đánh giá nhanh tình trạng chất lượng nước của địa phương [80] Đến nay, có khá nhiều chương trình và luận văn cao học

ứng dụng điểm số BMWPViệt để đánh giá chất lượng nước các thủy vực Trong đó, một nghiên cứu đã bổ sung thêm các họ ở khu vực khảo sát nhưng việc cho điểm không có cơ sở khoa học [22], [31], [39]

Hệ thống phân loại độ nhiễm bẩn các thủy vực dựa vào sự vắng mặt hay có mặt của một số loài hay nhóm loài ĐVKXSCL 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 cũng đã được nghiên cứu ở Hà Nội, Tp.HCM hay HTSĐN [6], [22], [25] Ngoài ra, nhiều nghiên cứu tập trung vào xem xét các quần xã ĐVKXSCL ở thủy vực khác nhau Những nghiên cứu này đánh giá sự phân bố cấu trúc quần xã, mối quan hệ giữa thành phần loài và mật độ cá thể, loài ưu thế, loài đặc trưng, loài chỉ thị, mối quan

hệ giữa các nhóm loài của khu hệ thủy sinh vật trong đó có ĐVKXSCL và các chỉ

số sinh học để đánh giá chất lượng nước hệ thống sông rạch ở Tp.HCM [25], [80] Đối với các thủy vực nước lợ và mặn, những nghiên cứu sử dụng nhóm ĐVKXSCL nguồn gốc cửa sông, ven biển để đánh giá chất lượng nước còn nhiều hạn chế Năm

1995, Trung tâm Nghiên cứu Phát triển An toàn và Môi trường Dầu khí – Cơ quan phụ trách quan trắc sinh học (bao gồm ĐVKXSCL) ở vùng biển Việt Nam đã ứng dụng chỉ số đa dạng Shannon-Wiener và chỉ số môi trường sống nền đáy biển (Benthic Marine Habitats – ESI) để giám sát môi trường các khu vực thăm dò và khai thác dầu khí Đến năm 2009, đã xây dựng bộ Atlas một số loài ĐVKXCL vùng biển Nam Việt Nam, được sử dụng trong định loại ĐVKXSCL ở biển, phục vụ công tác giám sát môi trường [16] Một nghiên cứu nữa, Phạm Anh Đức (2004) đã nghiên cứu sự phân bố thành phần loài, cấu trúc quần xã, mật độ cá thể, mối quan

hệ giữa thành phần loài và mật độ, loài ưu thế, loài đặc trưng, loài chỉ thị, mối quan

hệ giữa các nhóm loài ĐVKXSCL và các chỉ số sinh học phù hợp với đặc tính môi trường của hệ thống sông rạch huyện Cần Giờ để đánh giá chất lượng nước Trong nghiên cứu này, tác giả cùng tham gia đề xuất một chỉ số Po (Chỉ số Polychaeta) cho ĐVKXSCL phục đánh gía chất lượng nước vùng cửa sông, ven biển [6]

Ngoài ra, còn một số nghiên cứu phân tích thành phần loài, mật độ, loài ưu thế và chỉ số đa dạng để đánh giá chất lượng nước ngọt hay vùng cửa sông hay khu vực

NTTS ở An Giang, Cà Mau, Thừa Thiên Huế [4], [5], [30]… Trong khi đó, các tài liệu nước ngoài về đánh giá chất lượng nước được các nhà khoa học trong nước sử dụng không phù hợp với điều kiện môi trường ở nước ta

Đánh giá chung:

Quan trắc sinh học bắt đầu ở châu Âu và Bắc Mỹ từ đầu thế kỷ 20 và phát triển mạnh vào nửa sau của thế kỷ này Họ đã thiết lập các tiêu chuẩn về quan trắc sinh học, hầu hết các quốc gia sử dụng ĐVKXSCL để đánh giá chất lượng nước trong hệ thống quan trắc quốc gia Tuy vẫn chưa còn nhiều tranh luận xung quanh các phương pháp đánh giá dựa vào cấu trúc quần xã và loài chỉ thị nhưng đã cho thấy nhiều lợi ích và tính hiệu quả khi sử dụng ĐVKXSCL để đánh giá những phản ứng của hệ sinh thái

Ở các quốc gia châu Á như Nhật Bản, Trung Quốc, Ấn Độ, Hàn Quốc, Malaysia,… chủ yếu ứng dụng những nghiên cứu đã thực hiện ở châu Âu và Bắc Mỹ, nhưng có những thay đổi phù hợp với điều kiện tự nhiên của từng quốc gia Hiện nay, họ đang phát triển các chương trình quan trắc sinh học dựa vào cộng đồng

Tổng quan các tài liệu nghiên cứu và bài báo khoa học của các tạp chí quốc tế trong những gần đây (2005 – 2011) cho thấy những nghiên cứu về lĩnh vực quan trắc sinh học chủ yếu phục vụ các dự án ĐTM hay chương trình quan trắc chất lượng nước [53], [54], [56], [67], [69], [72], [74], [75], [76], [87], [90], [99], [103], [119] Ngoài

ra, các nhà khoa học ở nhiều quốc gia còn hướng tới phát triển phương pháp quan trắc sinh học để hoàn thiện các chương trình quan trắc của vùng, quốc gia hay các chương trình quan trắc dựa vào tình nguyện viên ở địa phương [107], [112]

Ở Việt Nam, quan trắc sinh học đã được phát triển trong những năm 90 của thể kỷ

20 Tuy nhiên, các nghiên cứu hay chương trình quan trắc sinh học gần như áp dụng các chỉ số được nghiên cứu và sử dụng đánh giá các thủy vực ở châu Âu và Bắc

Mỹ, nơi mà có điều kiện sinh thái khác biệt hoàn toàn so với Việt Nam Một số khác đưa ra các kết quả đánh giá dựa vào kinh nghiệm cá nhân mà chưa có những nghiên cứu mang tính khác quan Cho đến nay, quan trắc sinh học chưa được thống nhất thực hiện trong các chương trình quan trắc môi trường của các tỉnh, thành

Thậm chí nhiều Tỉnh/Thành lớn (bao gồm Tp.HCM) cũng không đưa quan trắc sinh học vào trong chương trình quan trắc môi trường của địa phương

Dựa trên dữ liệu tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, điểm mới của luận án tiến sỹ này hướng tới cải tiến các phương pháp: (1) xây dựng TS để đánh giá chất lượng nước cho hạ lưu HTSĐN; (2) thiết lập thang điểm đánh giá cho các chỉ số sinh học đã và đang được sử dụng phổ biến ở khu vực này; và, (3) phát triển bộ chỉ báo ĐVKXSCL cho mục tiêu đánh giá nhanh chất lượng nước cho hạ lưu HTSĐN Đây là những khía cạnh chưa có nghiên cứu nào thực hiện

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ QUAN TRẮC SINH HỌC DỰA VÀO ĐỘNG VẬT KHÔNG XƯƠNG SỐNG CỠ LỚN Ở ĐÁY HẠ LƯU HỆ THỐNG SÔNG ĐỒNG NAI

1.2.1 Những nghiên cứu về khu hệ động vật không xương sống cỡ lớn ở đáy hạ lưu hệ thống sông Đồng Nai

Khu hệ ĐVKXSCL ở hạ lưu HTSĐN được nghiên cứu từ khi người Pháp đặt chân đến Việt Nam, bắt đầu bằng những công trình nghiên cứu về trai ốc nước ngọt ở Nam Việt Nam và Campuchia (Crosse và Fischer, 1863) và sau đó là Morlet (1875), Rochebrune (1881, 1882) đã công bố 168 loài trai ốc nước ngọt ở Nam Việt Nam

và Campuchia, Rathbun (1902-1906) nghiên cứu mẫu cua nước ngọt ở bảo tàng tự nhiên Paris đã xác định 15 loài, trong đó 12 loài ở Nam Việt Nam Kemp (1923) bổ sung 5 loài cua ở Nam Việt Nam Bouvier (1925) công bố 3 loài tôm nhỏ họ

Atyidae đầu tiên tìm thấy ở Nam Bộ là Caridina weberi sumatrensis, Caridina nilotica typica, Caridina tonkinensis Từ đó đến năm 1975, công tác nghiên cứu khu

hệ ĐVKXSCL ở khu vực này bị gián đoạn [25], [28]

Sau năm 1975, công tác nghiên cứu được tiếp tục, có rất nhiều chương trình thu mẫu và định danh các nhóm loài ĐVKXSCL ở hạ lưu HTSĐN Tuy nhiên việc khảo sát ĐVKXSCL được tiến hành trong các dự án đánh giá tác động môi trường (ĐTM) cùng với các nhóm loài khác như thực vật phiêu sinh, thực vật bám, thực vật lớn thủy sinh, động vật phiệu sinh hay cá nhằm phục vụ đánh giá chất lượng nước Hầu như chưa có nhiều những công trình nghiên cứu thực sự cơ bản về khu hệ

ĐVKXSCL ở hạ lưu HTSĐN Một số dẫn liệu điển hình, Đặng Hữu Ngọc và cs đã công bố một danh mục động vật và thực vật, trong đó có 186 loài động vật nổi và ĐVKXSCL Tài liệu này được coi là cơ bản và đầu tiên về khu hệ ĐVKXSCL ở các thuỷ vực Tp.HCM [26] Tiếp theo, Phạm Văn Miên và cs (2000, 2004) công bố lần lượt 51 và 62 loài ĐVKXSCL ở các thủy vực Tp.HCM và HTSĐN [24], [25] Số

loài phong phú nhất được ghi nhận trong đề tài nghiên cứu “Bảo tồn đa dạng sinh học ở Tp.HCM” hoàn thành tháng 12/2005, Phạm Văn Miên và cs với 501 loài

ĐVKXSCL Tuy nhiên, danh mục loài trong đề tài này mang tính chất thống kê là

chính [34] Ngoài ra, báo cáo “Kết quả Khảo sát Khu hệ Thủy sinh sật Hệ thống Sông Đồng Nai” do Cục Bảo vệ Môi trường Việt Nam chủ trì và được thực hiện bởi

Phạm Anh Đức và cs vào các năm 2002 – 2003, 2005 – 2006 và 2006 – 2011, đã phát hiện được 103 loài ĐVKXSCL Còn ở khu vực hợp lưu HTSĐN gồm Cần Giờ

và các vùng lân cận, Phạm Văn Miên cs (1997) đã phát hiện được 57 loài ĐVKXSCL; và Phạm Anh Đức (2004) công bố 102 loài [6], [27] Những ghi nhận trên đây được coi là tập hợp đầy đủ nhất về thành phần loài ĐVKXSCL dưới nước

ở Tp.HCM cũng như vùng hợp lưu HTSĐN

Những nghiên cứu về khu hệ ĐVKXSCL trong 10 năm trở lại cũng ghi nhận, không thu được loài ĐVKXSCL nào ở một kênh rạch thuộc nội thành Tp.HCM như các hệ thống kênh Tham Lương – Bến Cát – Vàm Thuật (đoạn từ đầu kênh 19/5 đến cầu

An Lộc); Nhiêu Lộc – Thị Nghè (đoạn từ đầu kênh đến cầu Nguyễn Hữu Cảnh); Đôi – Tẻ (đoạn từ Quận 6 đến khu vực cầu Tân Thuận mới); và Tàu Hũ – Bến Nghé

và Tân Hóa Lò Gốm (Toàn tuyến kênh) Kết quả này là do chất thải đô thị gây ô nhiễm nguồn nước đã hủy diệt khu hệ ĐVKXSCL ở các hệ thống kênh này [5], [11], [24], [25]

Hiện nay chưa có những thống kê đầy đủ và chính xác các nhóm loài ĐVKXSCL ở

hạ lưu HTSĐN, các nhóm chính thường được dùng để đánh giá chất lượng nước các thủy vực nội địa (sông, suối, ao, hồ, hồ chứa nước, đầm lầy và đất ngập nước đặc biệt), chất lượng nước biển và chất lượng bùn đáy ở khu vực khảo sát hạ lưu HTSĐN, gồm: giun nhiều tơ (Polychaeta – Annelida), giun ít tơ (Oligochaeta –

Annelida), chân bụng (Gastropoda – Mollusca), hai mảnh vỏ (Bivalvia – Mollusca), giáp xác (Crustacea – Arthropoda), côn trùng (Insecta – Arthropoda),… vì chúng có lối sống rất khác nhau (nền đáy bùn, cát, cát – bùn, bùn – cát, bùn đã và đang phân hủy, đất phèn, đất mặn, đất phèn mặn,…) [25]

Cấu tạo cơ thể phù hợp với các điều kiện sinh thái khác nhau Cụ thể, các loài sống

ở môi trường nước chảy mạnh có hình dáng cơ thể thuôn dẹp; chân khỏe với đùi bám chắc vào đá hoặc hàm khỏe và sắc; có thể đào hang hay làm tổ ẩn mình trong

đó như nhiều loài thuộc các bộ Ephemeroptera, Odonata, Plecoptera… Các loài không có những đặc điểm kể trên thì tuyến nước bọt tiết chất keo gắn vào bờ đá hoặc cây cỏ ven suối (Trichoptera) hoặc tiết các chất dính cơ thể vào giá thể (Mitylidae, Arcidae – Bivalvia) Các loài ĐVKXSCL thuộc nhóm này thường chỉ thị cho chất lượng nước sạch, ít bẩn [25] Các nhóm loài sống trong môi trường bùn, bùn – cát hoặc mùn bã thực thực vật được chia thành hai nhóm, gồm: (1) Nhóm loài sống trên mặt bùn (epifauna) gồm các loài giun nhiều tơ sống tự do

Errantia – Polychaeta; các loài ốc, hai mảnh vỏ như Aloididae, Viviparidae, Thiaridae, Corbiculidae, Amblemidae,…; giáp xác Amphipoda, Isopoda,

Tanaidacea; một số loài ấu trùng chuồn chuồn Odonnata, ấu trùng Trichoptera; ấu

trùng hai cánh họ Chironomidae (Hình 1-1); (2) Nhóm loài sống trong bùn hoặc

cắm cơ thể sâu vào lớp bùn (infauna) gồm giun giun nhiều tơ sống định cư

Sedentaria – Polychaeta; giun ít tơ họ Tubificidae (Hình 1-2) Nhóm loài sống cắm

trong bùn có nhu cầu oxy thấp hơn nhóm loài sống trên mặt bùn Các nhóm loài này thường chỉ thị cho chất lượng bị nhiễm bẩn ở mức bẩn vừa đến bẩn nặng [25]

Hình 1-1 Nhóm loài ĐVKXSCL sống trên mặt bùn (a) Viviparidae; (b) Gomphidae

Hình 1-2 Nhóm loài ĐVKXSCL sống cắm trong bùn (a) Maldanidae;

(b) Tubificidae

Về mặt phân bố theo các vùng địa lý tự nhiên thì các loài nguồn gốc biển có phân

bố rộng ở vùng Ấn Độ - Tây Thái Bình Dương Nhiều loài thuộc giun nhiều tơ, trai

ốc, động vật da gai, giáp xác (Amphipoda, Isopoda, Tanaidacea, Decapoda) phân bố

ở cả vùng cửa sông Bắc và Nam Việt Nam Trong khi đó, các loài nước ngọt phân

bố hẹp hơn thể hiện qua sự phân bố các loài tôm cua họ Palaemonidae,

Parathelphusidae, Potamidae,… ở Bắc và Nam Việt Nam rất khác nhau [25] Đèo

Hải Vân – Vĩ tuyến 16 là giới hạn phân sinh thái cho sự phân bố tự nhiên của các

nhóm loài này [25]

1.2.2 Định hướng xây dựng phương pháp đánh giá chất lượng nước hạ lưu hệ

thống sông Đồng Nai dựa vào động vật không xương sống cỡ lớn ở đáy

1.2.2.1 Đánh giá những chỉ số dựa vào động vật không xương sống cỡ lớn ở đáy

đã sử dụng đánh giá chất lượng nước hạ lưu hệ thống sông Đồng Nai

 Thành phần loài và mật độ cá thể

Cuối những năm 80 của thế kỷ 20, các nhà sinh thái học ở Việt Nam bắt đầu nghiên

cứu và ứng dụng các nhóm thủy sinh vật, trong đó có ĐVKXSCL để đánh giá chất

lượng nước [7], [22], [25] Thành phần loài và mật độ cá thể là hai chỉ tiêu sinh học

ban đầu và cơ bản nhất của ĐVKXSCL được sử dụng để đánh giá chất lượng nước,

nhờ dựa trên những tính chất sinh học sau: (1) khi điều kiện phù hợp thì quần xã có

số lượng loài lớn và số lượng trong mỗi loài nhỏ và (2) khi điều kiện không phù hợp thì quần xã có số lượng loài thấp, song số lượng trong mỗi loài cao [85]

 Loài ưu thế và chỉ số ưu thế

Các loài ưu thế đóng vai trò quan trọng trong quần xã do số lượng, cỡ lớn, thể hiện trong tác động của chúng Có thể sử dụng các chỉ số ưu thế ở trên để phân tích

và đánh giá sự ưu thế của loài trong quần xã [6], [25] Trong những nghiên cứu của Phạm Văn Miên và cs đã xem loài ưu thế như là loài chỉ thị [6], [25]

Trong các chương trình quan trắc ở HTSĐN và hệ thống sông rạch ĐBSCL, Từ năm 2002, Phạm Anh Đức đã sử dụng chỉ số ưu thế Berger-Parker để đánh giá chất lượng nước, chỉ số này được Berger và Parker xây dựng năm 1970 và ưu điểm lớn nhất của chỉ số này là tính toán rất đơn giản [114] Phạm Anh Đức (2004) đã bước

đầu đề nghị thang điểm đánh giá cho chỉ số ưu thế Berger-Parker (Bảng 1-7)

Bảng 1-7 Thang điểm đề xuất cho chỉ số ưu thế Berge –Parker

Giá trị D Thang đánh giá mức độ bền

D < 0,3 Quần xã sinh vật rất bền vững Ít bẩn (Oligosaprobic)

0,3 < D < 0,5 Quần xã sinh vật bền vững Bẩn vừa (-Mesosaprobic) 0,5 < D < 0,7 Quần xã sinh vật kém bền vững Bẩn vừa (-Mesosaprobic)

D > 0,7 Quần xã sinh vật rất kém bền vững Rất bẩn (Polysaprobic)

Nguồn: [6]

 Loài chỉ thị

Dựa vào kết quả nghiên cứu trong nhiều năm ở những vùng sinh thái khác nhau về thành phần loài, cấu trúc quần xã, mật độ cá thể, mối quan hệ giữa thành phần loài

và mật độ cá thể, loài ưu thế, mối quan hệ giữa các nhóm loài,… kết hợp cùng một

số thông số thủy văn, hóa-lý, Phạm văn Miên và cs (2001) đã chọn các loài chỉ thị cho mỗi loại nước, gồm: nhóm loài chỉ thị cho chất lượng nước giàu dinh dưỡng và nhiễm bẩn chất hữu cơ, nhóm loài chỉ thị cho môi trường acid, nhóm loài đặc trưng cho các thủy vực nước chảy hay nước tĩnh, nhóm loài nguồn gốc biển di nhập nội địa [6], [12], [24], [25] Việc chọn các loài ĐVKXSCL đặc trưng cho mỗi loại môi trường nước có thể xem là sinh vật chỉ thị theo các bước sau:

- Từ kết quả phân tích, thiết lập thành phần loài và mật độ cá thể của mỗi loài trong từng trạm thu mẫu, từng vùng sinh thái hay hệ thống quan trắc;

- Xác định nguồn gốc loài;

- Thiết lập thành phần loài đặc trưng cho từng vị trí thu mẫu hay hệ thống sông hay vùng sinh thái Từ đó chỉ ra được tình trạng của chất lượng nước Phạm Anh Đức (2004), Phạm Văn Miên và Lê Trình (2004) đã thiết lập các loài chỉ thị dựa trên hệ thống 4 bậc cho các thủy vực thuộc Tp.HCM, gồm: (1) ít bẩn (oligosaprobic); (2) bẩn vừa ở mức  (-mesosaprobic); (3) bẩn vừa ở mức  (-mesosaprobic) và (4) bẩn nặng (polysaprobic) [6], [25]

 Hệ thống các chỉ số đa dạng

Từ đầu những năm 90 của thế kỷ 20, Phạm Văn Miên và cs đã ứng dụng chỉ số đa dạng Menhinick (Menhinick, 1964) trong các chương trình quan trắc sinh học để đánh giá tính đa dạng của quần xã và chất lượng nước [25]

Để đánh giá tính đa dạng một cách chính xác và khách quan hơn, phải hợp nhất cả

sự giàu có về số loài và sự phong phú về mật độ Năm 2000, Nguyễn Thị Mai Linh

đã đề nghị sử dụng chỉ số đa dạng của Shannon-Wiener (Shannon và Weaver, 1949)

trong chương trình ”Đánh giá hiện trạng và diễn biến hệ sinh thái dưới nước ở khu vực tiểu dự án Hóc Môn – Bắc Bình Chánh” [23] Phạm Anh Đức (2004) đã bước đầu đề nghị thang điểm đánh giá cho chỉ số đa dạng Shannon-Wiener (Bảng 1-8) Bảng 1-8 Thang điểm đề xuất cho chỉ số đa dạng Shannon-Wiener dựa vào nghiên cứu của Phạm Anh Đức (2004)

Giá trị H’ Thang đánh giá mức độ đa dạng Thang đánh giá ô nhiễm

H’ > 2 Quần xã sinh vật rất đa dạng Ít bẩn (Oligosaprobic)

2 > H’ > 1,5 Quần xã sinh vật đa dạng Bẩn vừa (-Mesosaprobic)

1 < H’ < 1,5 Quần xã sinh vật kém đa dạng Bẩn vừa (-Mesosaprobic) H’ < 1 Quần xã sinh vật rất kém đa dạng Rất bẩn (Polysaprobic)

Nguồn: [6]

Ngoài ra, dựa vào các dữ liệu quan trắc ĐVKXSCL sông suối ở Hàn Quốc, Bae và Lee (2001) đã đề nghị thang điểm đánh giá cho chỉ số đa dạng Shannon-Wiener

(Bảng 1-9)

Bảng 1-9 Thang điểm đề xuất cho chỉ số đa dạng Shannon-Wiener dựa vào nghiên cứu của Bae và Lee (2001)

Giá trị H’ Thang đánh giá ô nhiễm Các nhóm ĐVKXSCL đại diện

3,0 – 4,5 Ít bẩn (Oligosaprobic) Drunella, Plecoptera, Rhyacophila 2,0 – 2,9 Bẩn vừa (-Mesosaprobic) Hydropsyche kozhantschikovi,

Uracanthella rufa, Epeorus latifolium

1,0 – 1,9 Bẩn vừa (-Mesosaprobic) Chironomus yoshimatsui – group

0 – 0,9 Rất bẩn (Polysaprobic) Tubificidae

Nguồn: [81]

Trong chương trình quan trắc sinh học các thủy vực thuộc tỉnh Đồng Nai, Đỗ Thị Bích Lộc và cs (2005) đã ứng dụng chỉ số mật độ Simpson (Simpson, 1949) [43] Hiện nay, chỉ số này vẫn đang được sử dụng khá phổ biến trong các chương trình quan trắc sinh học

 Chỉ số TUCH

Phạm Anh Đức và Nguyễn Thị Mai Linh (2008) đã xây dựng phương pháp đánh giá nhanh sức khỏe và chất lượng nước các thủy vực nước ngọt, trong đó có chỉ tiêu sinh học dựa vào ĐVKXSCL là chỉ số TUCH [8], [9], [10] Chỉ số này dựa trên khả năng thích ứng và chống chịu được với môi trường giàu chất dinh dưỡng và nhiễm bẩn chất hữu cơ của giun ít tơ họ Tubificidae (Oligochaeta) và ấu trùng muỗi lắc họ Chironomidae (Insecta) Phạm Anh Đức và Nguyễn Thị Mai Linh đã bước đầu đề

nghị thang điểm đánh giá cho chỉ số TUCH (Bảng 1-10)

Bảng 1-10 Thang đánh đề xuất cho chỉ số TUCH

số Po để đánh giá hiệu quả và chính xác hơn [12]

 Hệ thống điểm số BMWP

Một số nhà sinh thái học cũng đã đề nghị sử dụng chỉ số BMWPVIỆT và tính điểm số trung bình (ASPT) để đánh giá chất lượng nước cho hạ lưu HTSĐN Năm 1997, Cơ quan môi trường Anh (UK Environmental Agency) đã Xếp loại mức độ ô nhiễm các

thủy vực theo hệ thống điểm BMWP (Bảng 1-11)

Bảng 1-11 Xếp loại mức độ ô nhiễm các thủy vực theo hệ thống điểm BMWP

I 10 – 8 Không ô nhiễm, nước sạch

II 7,9 – 6 Ô nhiễm nhẹ (Oligosaprobic)

III 5,9 – 5 Ô nhiễm trung bình (-Mesosaprobic)

IV 4,9 – 3 Ô nhiễm vừa (-Mesosaprobic)

 Chỉ số tương đồng và phân tích nhóm

Từ đầu những năm 90 của thế kỷ 20, trong các chương trình quan trắc sinh học ở HTSĐN, Phạm Văn Miên và cs đã ứng dụng chỉ số tương đồng Sorensen (Sorensen, 1949) để phân vùng các quần xã sinh vật [6], [24], [25], [33] Phạm Anh Đức

(2004) đã đề nghị thang điểm đánh giá cho chỉ số này (Bảng 1-12)

Bảng 1-12 Thang điểm đề xuất cho chỉ số tương đồng Sorensen

S > 0,7 Rất tương đồng 0,5 < S < 0,7 Tương đồng 0,3 < S < 0,5 Kém tương đồng

 Phân tích tương quan và phân tích sắp xếp tương đồng

Năm 2004, Phạm Anh Đức đã sử dụng công cụ thống kế phân tích tương quan (correlation analysis) thông qua biểu đồ phân tán để xác định mối tương quan giữa các chỉ tiêu ĐVKXSCL và các thông số chất lượng nước [6] Sự thuận lợi của

phương pháp này là đơn giản trong việc phân tích tương quan giữa hai thông số

Tuy nhiên để phân tích mối quan hệ giữa sinh vật và nhiều thông số môi trường cùng lúc, Phạm Anh Đức và Nguyễn Thị Mai Linh (2005) đã đề nghị phương pháp phân tích sắp xếp tương quan Phương pháp này cho thấy sự hiệu quả trong việc phân nhóm vùng phân bố khu hệ sinh vật và xác định rõ nét mối quan hệ giữa khu

hệ sinh vật với các thông số môi trường

 Điểm số ô nhiễm

Việc thiết lập thang điểm đánh giá chất lượng nước dựa vào TS của từng loài thủy

sinh vật là hướng nghiên cứu ứng dụng đã và đang được thực hiện ngày càng phổ biến tại các nước vùng châu Âu, Bắc Mỹ [7] Trong chương trình quan trắc sức khỏe sinh thái sông Mekong, nhóm nghiên cứu đa quốc gia đã xây dựng phương pháp này để đánh giá sức khỏe sinh thái sông Mekong và các chi lưu [95] Tại Việt