Tiểu luận chỉ thị sinh học môi trường

chỉ thị sinh học môi trường nghiên cứu môi trường nước không khí bản đầy đủ hoàn chỉnh tìm kiếm chỉ thị sinh học môi trường tiểu luận chỉ thị sinh học môi trường đề tài nghiên cứu dành cho sinh viên

A MỞ ĐẦU

Môi trường có tầm quan trọng đặc biệt đối với sự tồn tại và phát triển của đờisống con người, sinh vật và sự phát triển kinh tế, văn hóa, xã hội của đất nước, củadân tộc và nhân loại Nhưng hiện nay môi trường sống của con người và các loàisinh vật đang ở trong tình trạng báo động về ô nhiễm môi trường và biến đổi khíhậu toàn cầu Ô nhiễm môi trường làm thay đổi thành phần và cấu trúc của môitrường nó ảnh hưởng đến các hoạt động sống của các sinh vật cũng như ảnh hưởngđến hoạt động sản xuất và phát triển của con người Làm cho môi trường sống củacác loài sinh vật bị thu hẹp lại dẫn đến sự cạnh tranh về môi trường sống của cácloài sinh vật diễn ra ngày càng mạnh mẽ Một số loài sinh vật không có khả năngcạnh tranh thì sẽ bị đào thải và bị tuyệt chủng làm cho sự suy giảm đa dạng sinhhọc của các hệ sinh thái ngày càng trầm trọng Đối với con người thì không giansống bị thu hẹp và các hoạt động sản xuất, phát triển, giải trí,du lịch của conngười bị đình trệ làm cho nền kinh tế của đất nước bị thiệt hại nặng nề và phát triểnchậm chạp Đồng thời ô nhiễm môi trường cũng ảnh hưởng mạnh đến sức khỏe vàtuổi thọ của con người.Chính vì vậy hiện nay công nghệ xử lý ô nhiễm môi trườngđược con người đặc biệt quan tâm phát triển với những cộng nghệ xử lý ô nhiễmhiện đại và có hiệu quả; song việc xử lý ô nhiễm môi trường vẫn chưa thể đạtđược kết quả như con người mong đợi,và để áp dụng nhữn công nghệ hiện đại nàyvào xử lý môi trường thì đòi hỏi về thời gian và chi phí là rất nhiều Hiện nay conngười đã tìm ra một phương pháp mới để xử lý ô nhiễm môi trường đó phươngpháp sử dụng sinh vật chỉ thị Phương pháp này sử dụng các loài sinh vật có khảnăng tích tụ các chất ô nhiễm để làm sinh vật chỉ thị cho chất gây ô nhiễm vànhững sinh vật có khả năng phân hủy các chất ô nhiễm để xử lý chất gây ônhiễm.Đây là phương pháp ít tốn kém về kinh tế và thời gian đồng thời nó cũng

không đòi hỏi cao về trình độ của con người Chính vì thế mà các “sinh vật chỉ thị” đang được quan tâm rất nhiều vì nó có vai trò và ý nghĩa rất lớn trong phương

pháp xử lý môi trường bằng phương pháp xử dụng sinh vật

1.1 Những khái niệm về sinh vật chỉ thị sinh học

1.1.1 Khái niệm sinh vật chỉ thị sinh học môi trường

Những đối tượng sinh vật có yêu cầu nhất định về điều kiện sinh thái liênquan đến nhu cầu dinh dưỡng, hàm lượng oxy, khả năng chống chịu một hàmlượng nhất định các yếu tố độc hại trong môi trường sống Do đó, sự hiện diện haykhông của chúng biểu thị một tình trạng điều kiện sinh thái của môi trường sốngnằm trong hay vượt giới hạn nhu cầu và khả năng chống chịu của đối tượng sinhvật đó

Đối tượng sinh vật: là sinh vật chỉ thị môi trường, có thể là các loài sinh vậthoặc các tập hợp loài

Các đối tượng sinh thái chủ yếu là các yếu tố vô sinh, hàm lượng các chấtdinh dưỡng, nhu cầu oxy, chất độc và các chất gây ô nhiễm khác

1.1.2 Cơ sở của chỉ thị sinh học môi trường

a Cơ sở của việc sử dụng sinh vật chỉ thị làm chỉ thị môi trường

Thành phần loài của 1 quần xã sinh vật được xác định bởi các yếu tố môitrường

Tất cả các cơ thể sống đều chịu tác động của các yếu tố môi trường sống, môitrường sống này cũng có thể bị ảnh hưởng từ môi trường xung quanh đặc biệt bịtác động mạnh bởi các điều kiện vật lý và hóa học

Yếu tố tác động vào môi trường có thể hay không gây hại cho sinh vật nào đó,thì sinh vật này sẽ bị hoặc không bị loại trừ ra khỏi quần thể, làm nó trở thành sinhvật chỉ thị cho môi trường

Hiểu biết về tác động của các yếu tố môi trường lên cơ thể sống xác định sựu cómặt và mức độ có của nhiều chất trong môi trường

Như vậy cơ sở cho việc sử dụng sinh vật làm vật chỉ thị môi trường dựa trênhiểu biết về khả năng chống chịu của sinh vật với các yếu tố của điều kiện sinh thái( yếu tố vô sinh) với tác động tổng hợp của chúng

Các yếu tố sinh thái vô sinh của môi trường có thể là: ánh sáng, nhiệt độ, nước hay

độ ẩm, các chất khí, các chất dinh dưỡng dễ tiêu

b Tác động của các yếu tố vô sinh lên sinh vật

 Ánh sáng

Ánh sáng cần cho các hoạt động sống bình thường của động vật , cung cấp một

số chất cần thiết cho động vật Ánh sáng có vai trò đặc biệt quan trọng đối với thựcvật: cường độ và thời gian tác động của ánh sáng có ảnh hưởng rất lớn đến quátrình quang hợp, tổng hợp và tích lũy các chất trong cây

Theo phản ứng với ánh sáng sinh vật được chia thành 2 nhóm: ưa sáng và ưa tối

Ưa sáng: phi lao, bồ đề, thuốc lá, cà rốt, lúa, ngô

Hình 1 :Rừng phi lao chắn cát Hình 2 : Cây bồ đề

Ưa tối: cà độc dược, hành, dương xỉ, rêu, tảo silic ( có khả năng quang hợp

khi ánh sáng ở ngưỡng tối thiểu)

Hình 3 : Cà độc dược Hình 4 : Dương xỉ

Theo phản ứng của cây trồng với ánh sáng có thể chia ra cây nhiệt đới, cây ônđới, cây á nhiệt đới

Theo phản ứng của cây trồng với thời gian chiếu sáng có thể chia ra: cây có phảnứng ngày ngắn và ngày dài

Theo phản ứng của cây trồng với nhiệt độ có thể chia ra cây nhiệt đới, cây ôn đới,cây á ôn đới

 Nước và ẩm độ

Nước có vai trò rất quan trọng đối với sinh vật Phân loại sinh vật theo mức độphụ thuộc vào nước:

- Sinh vật ở nước: cá, thực vật thủy sinh

- Sinh vật ưa ẩm cao: lúa, cói, lác

Hình 5: Hệ sinh vật dưới nước Hình 6 : Hình ảnh thu cói ở Phú Yên

- Sinh vật ưa ẩm vừa: tếch, các cây họ Bạch đàn, trầu không …

- Sinh vật ưa ẩm thấp, chịu hạn: xương rồng, bỏng nẻ, thầu dầu, trúc đào, sú,vẹt dù, cà phê, chè, phi lao, tiêu, rêu, địa y…

 Các chất khí

Khí quyển cung cấp O2, CO2 ch sinh vật, xử lý một phần các chất khí ô nhiễm Khithành phần, tỷ trọng các chất khí trong khí quyển thay đổi, có thể có hại cho sinhvật Thực vật có vai trò quan trọng trong xử lý các chất khí gây ô nhiễm môitrường ( CO2, SO2 )

 Các chất khoáng hòa tan

Chất khoáng có vai trò quan trọng trong cơ thể sinh vật, giúp điều hòa các quátrình sinh hóa, áp suất thẩm thấu của dịch mô và các hoạt động chức năng khác.Sinh vật có khả năng hấp thu các chất khoáng khác nhau

- Đối với cây trồng dinh dưỡng khoáng quyết định đến tình trạng sinh trưởng,năng suất, chất lượng sản phẩm cây trồng

- Theo yêu cầu dinh dưỡng của thực vật có 14 chất khoáng là dinh dưỡng thiếtyếu cần cung cấp, được chia thành 3 nhóm theo nhu cầu: đa lượng, trunglượng và vi lượng

Môi trường mất cân đối hàm lượng các chất khoáng có thể dẫn đến gây rối loạnquá trình trao đổi chất làm sinh vật mắc bệnh

c Khả năng biến đổi để thích nghi của sinh vật khi môi trường thay đổi

 Sự phản hồi của sinh vật đối với tác động từ môi trường

Sinh vật phản ứng lên tác động của môi trường bằng 2 phuong thức: chạy trốnhoặc thích nghi Sự thích nghi của sinh vật có thể thích nghi hình thái hoặc thíchnghi di truyền

- Thích nghi hình thái xảy ra trong suốt thời gian sống của cơ thể sinh vậtdưới tác động của các yếu tố môi trường

- Thích nghi di truyền xuất hiện trong quá trình phát triển cá thể, không phụthuộc vào sự có hay vắng mặt của các trạng thái môi trường , được xác định

và củng cố bởi các yếu tố môi trường

 Biến động số lượng

Quá trình biến đổi xảy ra do tác động ngẫu nhiên của các yếu tố môi trường, chủyếu là do yếu tố thời tiết và khí hậu Qúa trình ảnh hưởng lên số lượng cũng nhưchất lượng cá thể trực tiếp hay gián tiếp qua sự thay đổi trạng thái sinh lý của cây,thức ăn, hoạt tính của thiên địch…

 Diễn thế sinh thái và tác động đến sinh vật chỉ thị môi trường: tác động làmbiến đổi môi trường sống gây thay đổi quần xã sinh vật

Tất cả các hoạt động kinh tế liên quan đến hệ sinh thái luôn chịu ảnh hưởng và tácđộng vào quá trình diễn thế sinh thái

Nguyên nhân sảy ra diến thế:

- Nguyên nhân bên trong: gây nên nội diễn thế nằm trong tính chất của chính

hệ sinh thái, sự sinh sản và sinh tồn của các sinh vật

- Nguyên nhân bên ngoài: bao gồm các yếu tố từ bên ngoài tác động lên hệsinh thái làm thay đổi nó, gây nên ngoại diễn thế

Tác động làm biến đổi của môi trường gây ảnh hưởng lên cơ thể sống có thể quansát:

- Những thay đổi về thành phần loài hoặc các nhóm ưu thế

- Những thay đổi về đa dạng

- Tăng tỷ lệ chết trong quần thể

- Thay đổi sinh lý và tập tính trong các cá thể

- Những khiếm khuyết về hình thái và tế bào trong các cá thể

- Sự tích lũy dần các chất gây ô nhiễm trong các mô của những cá thể

Do ảnh hưởng của diễn thế sin thái mà chỉ các chỉ thị sinh học có thể sử dụng đểđánh giá tình trạng sinh thái, đặc biệt là khu cần bảo tồn

1.1.3 Phân nhóm chỉ thị sinh vật

Các sinh vật chỉ thị có thể phân nhóm theo tác dụng :

- Công dung để giải đoán môi trường là các loài sinh vật chỉ thị mẫn cảm vớiđiều kiện môi trường không thích hợp, có thể sử dụng chúng làm công cụ đểnhận biết tình trạng môi trường

- Công cụ thăm dò là những loài sinh vật chỉ tị thích nghi đối với môi trườngnhất định, sự xuất hiện của chúng có thể dùng để đo phản ứng và thích nghiđối với sự thay đổi của môi trường

- Công cụ khai thác là các loài sinh vật chỉ thị có thể chỉ thị rõ cho sự xáo trộnhay ô nhiễm môi trường

- Công cụ tích lũy sinh học- các loài sinh vật chỉ thị có khả năng tích lũy cáchóa chất trong mô của chúng

- Sinh vật thử nghiệm – các sinh vật được chọn lọc để nghiên cứu trong điềukiện thí nghiệm nhằm xác định các chất ô nhiễm

1.1.4 Tính chất của sinh vật chỉ thị

Khả năng chống chịu của sinh vật với các yếu tố vô sinh của môi trường và tácđộng tổng hợp của chúng Đặc điểm phản hồi lên tác động của nhân tố môi trườngbằng 2 hình thức chạy trốn hay thích nghi Tính chỉ thị môi trường của sinh vật chỉthị được thể hiện ở các bậc khác nhau:

lý hóa học

1.1.5 Tiêu chuẩn để chọn sinh vật làm sinh vật chỉ thị sinh học

- Sinh vật đã được định loại rõ ràng

- Dễ thu mẫu trong tự nhiên, kích thước vừa phải

- Có phân bố rộng

- Có nhiều tài liệu về sinh thái cá thể

- Có giá trị kinh tế hoặc là nguồn dịch bệnh

Hình7 : địa y , vật chỉ thị cho môi trường đất

Đặc tính của các nhóm thực vật phát triển trên đất secpentine thường chỉ có cácnhóm cây phát triển rời rạc và lùn Một số loài cây không thể chống chịu được sựxáo trộn môi trường và có thể là các cây chỉ thị cho tuổi của rừng cây

Các sinh vật chỉ thị có thể sử dụng trong đánh giá sinh thái, đánh giá môi trường

và lập bản đồ về sựu mẫn cảm đối với môi trường

1.3 Khái niệm mở rộng

1.3.1 Sinh vật cảm ứng

Sinh vật chỉ thị có thể tiếp tục tồn tại trong môi trường ô nhiễm dù có thể biến đổi

do tác động của chất ô nhiễm.Nhờ đặc điểm này của sinh vật cảm ứng mà có thểnhận biết về đặc điểm môi trường

1.3.2 Sinh vật tích tụ

Sinh vật chỉ thị không bị biến đổi trong môi trường bị ô nhiếm do có khả năngđặc biệt trong việc tích tụ những loại chất gây ô nhiễm nhất định trong mô với hàmlượng cao hơn nhiều so với môi trường.Vì vậy sinh vật tích tụ không chỉ có khảnăng chỉ thị cho môi trường nhất định mà còn dễ bị phát hiện hơn qua những phântích hóa học.Trong số các sinh vật loại này rêu thường được sử dụng rộng rãi nhất,tảo, thực vật lớn cũng thường được sử dụng, cá và động vật không xương sốngcũng co thể sử dụng

1.3.3 Sinh vật thăm dò và cảnh báo

Sinh vật thăm dò và cảnh báo là những loài sinh vật ban địa đơn lẻ, có khả năngthể hiện phản ứng có thể đo được đối với chất ô nhiễm.Sinh vật này được sử dụngnhư một chỉ thị cảnh báo sớm về sự có mặt các chất ô nhiễm trong môi trường.Chúng được xâm nhập một cách thận trọng vào một môi trường, nơi bình thườngkhông thể phát hiện được chúng và hoạt đông như các hệ sinh học cảnh báo sớmhoặc xác định sự lan rộng của ô nhiễm.Ví dụ điển hình là một số loài cá để chỉ thị

sự suy giảm chất lượng nước

1.4 Dấu hiệu sinh học

Dấu hiệu sinh học là những thể hiện sự phản ứng của sinh vật đối với tác động củachất ô nhiễm trong môi trường Dấu hiệu sinh học có 2 loại chính:

- Dấu hiệu sinh lý – hóa sinh

- Dấu hiệu sinh thái

1.4.1 Dấu hiệu sinh lý – hóa sinh

Đây là dấu hiệu dễ nhận biết , có nhiều ý nghĩa, nhất là các chỉ số liên quan tới khảnăng sống sót, sự sinh trưởng của cá thể, sự sinh sản của quần thể

1.4.2 Dấu hiệu sinh thái

Thể hiện sự biến đổi của cấu trúc quần thể hoặc quần xã sinh vật dưới tác động củachất ô nhiễm Khó nhận biết hơn, có thể nhận biết đánh giá bằng một số chỉ số:thiếu hụt loài, đa dạng sinh học, loài ưu thế:

- Chỉ số thiếu hụt số loài: được xác định trong trường hợp có số liệu khảo sátđịnh kỳ về thành phần loài có mặt trong một khu sinh cư

- Chỉ số đa dạng sinh học: là chỉ số mang tính chất tổng hợp số lượng loài và

số cá thể vào một giá trị chung, để đơn giản hóa sự phức tạp của cấu trúcquần xã sinh vật

- Chỉ số loài ưu thế: khi mức độ ô nhiễm nặng, một số loài phát triển ưu thế về

số lượng

1.5 Chỉ số sinh học

Chỉ số sinh học là các chỉ số dựa trên ảnh hưởng của ô nhiễm môi trường và tácđộng của sự phân hủy chất hữu cơ lên sinh vật để đo đạc các tính chất của môitrường, đánh giá sinh thái môi trường Trong quan trắc chất lượng nước thì các loàichỉ thị và mức mẫn cảm của chúng với ô nhiễm; Số lượng nhóm sinh vật chỉ thị cóhoặc vắng mặt được dùng để tính toán chỉ số sinh học Chỉ số sinh học được sửdụng đa dạng theo vùng địa lý Thang tính điểm của của tổ chức nghiên cứu quantrắc sinh học (BMWP- Biological Monitoring Working Party) được biến đổi để sửdụng ở nhiều nước).Các chỉ số sinh học được sử dụng khá đa dạng và phổ biến ởAnh để đánh giá ô nhiễm

1.6 Chỉ số đa dạng

Chỉ số đa dạng biểu thị độ phong phú loài trong môi trường đã chọn ở dạng giá trịđơn loài Có ý nghĩa gián tiếp chỉ ra sự tăng ô nhiễm của một hệ sinh thái, làm chocác loài mẫn cảm sẽ giảm thiểu và dẫn đến việc suy giảm tính đa dạng tổng thể củaquần xã SV ( Ví dụ, hiện tượng tăng số lượng một số loài sinh vật trong những hồkiệt dưỡng tự nhiên khi hồ bị tác động do ô nhiễm hữu cơ từ chất thải )

Sử dụng chỉ số đa dạng để đánh giá 3 khía cạnh của cấu trúc quần xã:

- Số lượng loài hoặc độ phong phú

- Tổng lượng sinh vật của mỗi loài

- Tính đồng nhất phân bố các cá thể giữa các loài khác nhau

Hiện có một số phương pháp thông dụng tính chỉ số đa dạng là: Shannon- Weiner(H') ; Simpson (D); Malgalef (DMg)

1.7 Chỉ số tương đồng

Chỉ số tương đồng là sự so sánh độ phong phú loài tại 2 điểm thu mẫu khác nhau,trong đó một điểm được xem là đối chứng Có nhiều kiểu tính chỉ số tương đồng,nhưng thông dụng nhất là phương pháp tính:Chỉ số Sorensen (C), Hế số Jaccard(J), Chỉ số tương đồng quần xã Pinkham và Pearson (P) Sử dụng các chỉ số đadạng và tương đồng có những mặt mạnh, mặt hạn chế

Bảng 1: Các chỉ số đa dạng và những mặt mạnh, mặt yếu của chúng

Chỉ

số đa

dạng

- Đơn giản khi tính toán

- Sự đa dạng dược biểu

- Sự diễn giải các giá trị chỉ thị liên quan tớicác mức ô nhiễm không áp dụng cho mọitrường hợp

- Không thể phân biệt giữa các quần xã chốngchịu và không chống chịu ô nhiễm hiện có

- Sự phản hồi của quần xã với ô nhiễm khôngthường xuyên tuyến tính và một số loài có thểtăng tính đa dạng

- Phản ứng kém đối với các trường hợp ít bị ônhiễm

chống chịu của loài

- Không đòi hỏi định

- Đòi hỏi điểm không ô nhiễm làm đối chứng

- Không cần phân biệt giữa các quần xã chốngchịu và không chống chịu

- Không cung cấp thông tin về bản chất cácchất ô nhiễm hiện có

1.8 Chỉ thị hình thái và mô

Các thông số về hình thái, cung cấp những dấu hiệu có thẻ đo được hoặc nhìn thấy

rõ tác hại do chất gây ô nhiễm gây nên cho sinh vật Khác nhau giữa thực vật vàđộng vật

 Đối với thực vật:

Các thông số thường sử dụng trong chỉ thị hình thái và mô

-Tốc độ sinh trưởng tương đối, trọng lượng tươi, chỉ số diện tích lá…

- Sự hư hại thực vật như: lá bị đốm, lá bị vàng hoặc hoại sinh

Trong nhiều trường hợp thì chỉ thị hình thái mô của một số loài thực vật mẫn cảmđược sử dụng để phát hiện sự có mặt một số chất gây ô nhiễm không khí

 Đối với động vật

Các thông số thường sử dụng trong hình thái và mô:

- Tuổi, kích thước, tốc độ tăng trọng, tỷ lệ sinh sản

- Sinh trưởng không đối xứng ( bất thường về một phía của cơ thể so vớiphía khác) và những thay đổi hình thái không do bệnh lý

- Sự xuất hiện các đặc tính bệnh lý như: lở loét, bướu u, viêm tấy, hoại tử…

II.VAI TRÒ, Ý NGHĨA CỦA CHỈ THỊ SINH HỌC MÔI

TRƯỜNG.

2.1 Quá trình phát triển nghiên cứu và sử dụng chỉ thị sinh học môi trường

Con người đã sử dụng các thủy vực, đất làm nơi đổ rác thải ngay từ khi mớibắt đầu định cư Thường thấy các dấu vết ô nhiễm rác thải trong các hồ và biến đổi

tự nhiên của chúng qua nhiều thế kỉ.Vào cuối thế kỷ 19, nghiên cứu về ô nhiễm hồ

đã bắt đầu phát triển như một bộ phận quan trọng trong nghiên cứu môi trườngnước.Vào đầu thế kỷ 20, trong quan trắc môi trường đã bắt đầu sử dụng những sinhvật ở nước, mọc trên đất làm những sinh vật chỉ thị cho sự ô nhiễm

a) Đối với môi trường nước

Đầu tiên một số tác giả đã sử dụng động vật không xương sống cỡ lớn để đánhgiá ô nhiễm hữu cơ các thủy vực Ưu điểm: dễ thu thập, dịnh lượng, bảo quản,thuận lợi cho giám định…

Sau đó nhiều nhà nghiên cứu khác đã dung các nhóm sinh vật khác làm SVCT

ô nhiễm hữu cơ nguồn nước thành công

+ Liebman (1942) coi trọng việc sử dụng các sinh vật, đặc biệt là vi sinh vậttrong đánh giá ô nhiễm hữu cơ nguồn nước

+ Butcher (1946) đã sử dụng tảo làm SVCT cho ô nhiễm hữu cơ và ô nhiễmkim loại nặng (chính xác hơn) nguồn nước

+ Kabler (1957) đã sử dụng nhóm vi khuẩn Ecoli làm chỉ thị cho ô nhiễm nướcuống

+ Lackey (1957) đã chỉ ra rằng, nếu xả trực tiếp nước thải vào sông, suối Dẫnđến hàm lượng O2 sẽ giảm mạnh, gây chết nhiều loài, trừ một số loài trùng tiêmmao kị khí và trùng roi không màu (là SVCT)

+ Dondoroff (1957) sử dụng loài cá (có khả năng chống chịu nhiệt, hàm lượng

O2, độ pH) làm SVCT

+ Patrich (1963) chỉ rõ: có thể dung tảo sillic để xác định mức ô nhiễm nước,

do chúng rất nhạy cảm với tính chất vật lý và hóa học của nước

b) Đối với môi trường đất

Việc phân tích cây trồng như một phương pháp xác định nhu cầu về phân bón

đã được ứng dụng từ khá lâu.Việc “nhìn cây biết đất” đối với nhiều tác giả trở nênquen thuộc Ann Mc Cauley và Clain Jones, năm 1999 cho biết, nhiều dấu hiệu rấtđặc trưng xuất hiện trên lá cây khi đất thiếu hoặc thừa một nguyên tố dinh dưỡngnào đó và việc chẩn đoán dinh dưỡng thực vật qua lá thường cho kết quả đáng tincậy

Trong suốt thế kỷ 20,nhờ hiểu biết về ảnh hưởng của ô nhiễm hữu cơ lên cácquần xã sinh vật (trong nước, đất) và phản ứng cảu chúng ngày càng phát triển màviệc ứng dụng quan trắc sinh học môi trường ngày càng được mở rộng, là mộttrong những cơ sở làm công nghệ xử lý rác thải có nhiều tiến bộ

Sự tăng sử dụng các hóa chất tổng hợp tạo ra nhiều nguồn ô nhiễm Nhiều loạihóa chất, chỉ ở nồng độ thấp cũng tác động nghiêm trọng lên HST Nhiều nghiêncứu cho thấy, nhiều loại hóa chất có khă năng phá vỡ chức năng nội tiết ở quần thểđộng vật và chức năng trao đổi ở thực vật Đây là cơ sở cho việc phát triển sử dụngchỉ thị sinh học trong nghiên cứu đánh giá ô nhiễm hóa chất

Hiện nay, nhiều loài sinh vật đã được sử dụng làm chỉ thị sinh học môi trường

để đánh giá mức độ ô nhiễm, xác định nguồn ô nhiễm, địa điểm ô nhiễm và thờigian ô nhiễm.Nhiều loài thực vật ( cây thuốc lá, lúa mạch, rêu, tảo…) và động vật (nhuyễn thể hai mảnh vỏ, cá, chim…) được sử dụng rộng rãi để đánh giá mức độ ômhieemx KLN trong nước, đất và không khí.Và ở nhiều nước đã hình thànhphương pháp sử dụng hiệu quả các SVCT để giám sát và quan trắc môi trường

Ở Nhật Bản, Mỹ, Úc và Ấn Độ đã dung trai nước ngọt, trai nước mặn, rêu và

cỏ biển để kiểm soát chất lượng nước, không khí về mức độ ô nhiễm KLN, cácchất gây hiệu ứng nhà kính, dư lượng thuốc BVTV và các chất phóng xạ

Ở Đan Mạch, Ý, Úc đã và đang sử dụng rộng rãi loài cỏ lươn (Zastera marina)

và loài trai (Mytilus edulis ) trong phát hiện nguồn phát thải và đánh giá mức độ ônhiễm KLN của các thủy vực

Ở Việt Nam, việc nghiên cứu và sử dụng SVCT để đánh giá chất lượng môitrường nước cũng đã được tiến hành

- Lập được khóa định loại động vật không xương sống cỡ lớn, quy trình lấymẫu và hệ thống tính điểm cho quan trắc sinh học ở các thủy vực nước chảytại Việt Nam.

- Sử dụng một số loài thực vật tích tụ: rau muống, ngổ nước, bèo tây…đểnghiên cứu ô nhiễm KLN

- Thực hiện khóa nhận diện biểu hiện trên thực vật khi môi trường đất thiếudinh dưỡng

Nhìn chung việc sử dụng các SVCT để quan trắc, đánh giá môi trường còn rấtmới đối với nước ta

2.2 Vai trò của chỉ thị trong đánh giá môi trường

Sự thiếu hay thừa dinh dưỡng gây ảnh hưởng lớn đến tình trạng sinh trưởng

và sức sản xuất của thực vật làm trên lá thực vật xuất hiện những dấu hiệu bấtthường có thể quan sát được bằng mắt ( cây còi cọc, lá vàng, mất màu, hoại tử).Ngộ độc làm thực vật có những dấu hiệu dị thường ( thấp lùn, lá bị mất màu xanh,vàng lá, hoại tử, cây có thể chết) Dựa vào những dấu hiệu nêu trên ở thực vật chophép đánh giá nhanh, rẻ tiền và hiệu quả về những chất ô nhiễm ở các nồng độkhác nhau Trong những trường hợp cần thiết, bổ sung phương pháp phân tích đất,nước và thực vật tuy nhiên đối với những chuyên gia CTSH môi trường khôngnhất thiết phải tiến hành phân tích thêm Trong nhiều trường hợp sử dụng CTSHmôi trường còn là bước khởi đầu cho việc sử dụng hiệu quả các phương phápnghiên cứu và đánh giá môi trường khác Đặc biệt thông qua việc khai thác khảnăng tích tụ các chất ô nhiễm trong SVCT và giá trị biểu thị tác động tổng hợp củacác yếu tố môi trường lên các sinh vật tích tụ làm cho CTSH môi trường là chỉ dẫnquan trọng cho việc thực hiện các phương pháp lý hóa học

2.3 Vai trò CTSH trong xử lý ô nhiễm môi trường

Xử lý môi trường bị ô nhiễm là một quá trình phức tạp ( công nghệ, cơ chế,chuyển hóa, chi phí cao, ) Có nhiều phương pháp để xử lý ô nhiễm kim loại nặngtrong đất ( đào đất bị ô nhiễm, đi chôn lấp chỗ khác, rửa đất, xử lý nhiệt,…) nhưngcác phương pháp trên đều rất tốn kém về kinh phí, giới hạn về kỹ thuât và hạn chế

về diện tích Do đó khả năng làm sạch môi trường đất và nước bị ô nhiễm ( bởicác kim loại, hợp chất hữu cơ, chất phóng xạ) bằng thực vật đang được coi nhưmột loại công nghệ mới đơn giản và rất hiệu quả

III GIÁM SÁT VÀ QUAN TRẮC SINH HỌC MÔI TRƯỜNG

3.1 Khái niệm về giám sát và quan trắc sinh học môi trường

Giám sát sinh học bao gồm các khảo sát giống nhau tiến hành trên cùng mộtmôi trường theo thời gian Trong đó khảo sát sinh học ( điều tra sinh học) là sựkiểm kê tĩnh các sinh vật, các biến đổi và những quá trình xảy ra trong cùng mộtmôi trường đã chọn

Quan trắc sinh học là việc giám sát sinh học với mục đích đặc trưng để đảmbảo sự tuân thủ những giới hạn của các chất gây ô nhiễm trong môi trường theo bộtiêu chuẩn đã được luật pháp quy định

3.2 Ý nghĩa của quan trắc sinh học

Nghiên cứu các phương pháp giám sát sinh học cho việc quan trắc chấtlượng môi trường có thể thay thế các phương pháp phân tích hóa học đắt tiền cácphương pháp quan trắc sinh học có thể tạo ra những ưu việt đáng kể so với phântích hóa học Quan trắc ô nhiễm dụa vào việc thu mẫu vật để phân tích hóa học tạinhững khoảng thời gian khác nhau vừa tốn tiền lại khó thực hiện đặc biệt trongđiều kiện môi trường thay đổi nhưng lại vẫn có thể thực hiện bình thường bằngphương pháp quan trắc sinh học Nhiều chất gây ô nhiễm có thể có mặt trong môitrường nhưng không phát hiện được bằng phân tích hóa học trong khi đó lại có thểphát hiện bằng quan sát sinh học Tuy nhiên khi sử dụng quan trắc sinh học đểđánh giá ô nhiễm cũng cần chú ý tới khả năng ảnh hưởng xấu tới kết quả của cácyếu tố liên quan Ví dụ môi trường dù môi trường nước có ô nhiễm hay không thì

sự khác nhau về đặc điểm vật lý hóa học của 2 con sông có thể ảnh hưởng khácnhau lên quần xã sinh vật đáy làm cho kết quả quan trắc có thể khác nhau đáng kể

3.3 Phương pháp quan trắc sinh học

Trong thực tế có thể sử dụng nhiều phương pháp quan trắc sinh học môitrường trong mỗi phương pháp có đặc điểm khác nhau về: loại giám sât, sinh vậtchính được sử dung, loại chất ô nhiễm chính được đánh giá, ưu nhược điểm cácphương pháp quan trắc sinh học cụ thể trong bảng

Bảng 2: Đặc điểm các phương pháp quan trắc sinh học

cầu cao về thiết

bị và kiến thứcchuyên gia

cục bộ, không đặctrưng

Dễ sử dụng, giá

rẻ, không cầnthiết bị chuyêndụng

Vẫn cần kiến thứcchuyên gia sử dụngcục bộ, không đặctrưng

Cần thiết bị và kiếnthức chuyên gia

Chỉ thị các chất

ô nhiễm liênquan đến sứckhỏe con người

Tốn thời gian, đắt,đòi hỏi thiết bị vànhân lực được đàotạo

Cho kết quảnhanh, chínhxác, giá tươngđối thấp có thểnghiên cứu đadạng

Cần các nghiên cứutiếp theo trong thực

tế, cần kiến thức vềthí nghiệm sinh học

3.4 Lựa chọn sinh vật chỉ thị để quan trắc sinh học

Cần dựa vào tiêu chuẩn SVCT để lựa chọn cho phù hợp với những trườnghợp cụ thể Cần xác định sinh vật lựa chọn đê chỉ thj cho môi trường có đặc điểmnhư thế nào Một số khuyến cáo cụ thể như sau

 Đối với nước ngọt

- Nhiều loại tảo có thể sử dụng để đánh giá môi trường nước tự nhiên ( pháttriển trong các nguồn nước chứa nhiều chất dinh dưỡng)

- Ngoài tảo các loài thực vật lớn ( bèo, lau , sậy) có thể làm SVCT cho hiệntượng phú dưỡng

- Động vật nguyên sinh ( sử dụng chất hữu cơ rắn làm thức ăn) sử dụng làmsinh vật chỉ thị liên quan đến thức ăn

- Một số loài cá có thể sử dụng làm chỉ thị sinh học đánh giá chất lượng nước

và ô nhiễm nguồn nước của thủy vực

 Đối với nước mặn

Việc thay đổi độ mặn của nguồn nươc có thể đánh giá qua việc xác định sựtồn tại và phát triển các thủy sinh vật theo độ mặn như sau:

Hình ảnh thể hiện sự thay đổi về mặt sinh thái các loại thủy sinh theo độ mặn

 Đối với nước ô nhiễm do phân bắc

- Có 3 nhóm VSV chỉ thị: coliform( đại diện là escherichia coli –Ecoli),Steptococci ( đại diện là Steptococcus faecalis), Clostridia (đại diện làClostridium perfringents)

- Sự có mặt của các VSV này chỉ thị tình trạng nước bị ô nhiễm phân và ngượclại

- Trong 3 nhóm VSV chỉ thị trên nhóm coliform thường sử dụng, là nhómVSV quan trọng nhất trong việc đánh giá vệ sinh nước và dễ xác định, có đầy

đủ các tiêu chuẩn của loài vi sinh chỉ thị

Đánh giá tác động của ô nhiễm đến hệ sinh thái nước cần quan trắc bổ sung về cácthông số thủy sinh:

- Động vật đáy không xương sống ( ốc, hến, tôm, cua,ấu trùng ) có khả năngchỉ thị ô nhiễm hữu cơ, các chất dinh dưỡng, kimloaij năng và hóa chất bảo vệthực vật (

- Tương đối cố định tại đáy, chịu ảnh hưởng liên tục chất lượng nước, dễ thumẫu, dễ phân loại) ,

- Thực vật nổi: có khả năng chỉ thị ô nhiễm chất hữu cơ, phú dưỡng hóa, ônhiễm do hóa chất độc (kim loại nặng, hóa chất BVTV), ô Nhiễm do dầu mỡ

PHẦN II CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CHỈ

THỊ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG

I CÁC PHƯƠNG PHÁP GIÁM SÁT SINH HỌC

1.1 Nhóm phương pháp loài đơn lẻ

Sử dụng phản ứng của những loài đơn lẻ: loài chỉ thị, sinh vật nhạy cảm, sinh vậttích tụ

- Sử dụng loài chỉ thị: Đánh giá tác động của các chất gây ô nhiễm dựa trên sự

có mặt của các lòai chỉ thị đặc trưng Thường dùng trong đánh giá môi trườngđất, ít dùng trong đánh giá môi trường nước

- Sử dụng sinh vậy nhạy cảm: Đánh giá tác động của chất ô nhiễm qua ảnhhưởng của chúng tới mật độ, sư phát triển và đặc điểm sinh lí của các SV nhạycảm Có khả năng phát hiện ảnh hưởng của các chất ô nhiễm ở những nồng độkhác nhau Có thể áp dụng trong những nghiên cứu liên quan đến những biểuhiện khác thường về hình thái sinh vật- khi chất ô nhiễm đã phá vỡ sự pháttriển bình thường

- Sử dụng sinh vật tích tụ: đánh giá tác động của chất gây ô nhiễm thông quacác sinh vật có khả năng tích tụ các chất gay ô nhiễm trong cơ thể chúng

1.2 Phương pháp đa loài

Sử dụng những phản ứng của nhiều loài SV( quần thể, quần xã) thông qua cácchỉ số sinh học, chỉ số đa dạng Thường dùng trong quan trắc MT nước và sử dụngnhững nhóm sinh vật hay những quần xã sinh vật Có thể thực hiện tho 4 hìnhthức:

- Đo mức độ phong phú: dựa vào số lượng đơn vị phân loại có mặt tại một địađiểm

- Liệt kê: ghi nhận tổng số các cá thể không cần nhận dạng, các cá thể bị tácđộng môi trường

- Đo đếm các nhóm sinh vật theo chức năng dinh dưỡng: Nhằm xác định tỷ lệgiữa số lượng động vật trong những nhóm dinh dưỡng đặc biệt nhờ đó có thểlàm rõ những nhóm chống chịu với những dạng tác động nào đó( từ môitrường) tốt hơn

- Các chỉ cố kết hợp: kết hợp các chỉ số có được từ những phép đo trên để đo

độ tin cậy cho kết quả nghiên cứu

1.3 Phương pháp quan trắc cấu trúc quần xã

Trong thực tế không thể giám sát quần xã sinh vật, thường chỉ chọn một sốphân đoạn hoặc lát cắt của quần xã sinh vật để giám sát, quan trắc Sinh vật nổi vàsinh vật đáy đối với hệ sinh thái nước Động vật KXS cỡ lớn hoặc thực vật lớn đốivới các hệ sinh thái trên cạn Thường dùng chỉ số đa dạng hoặc chỉ số tương đồnghoặc độ phong phú loài để nghiên cứu

1.4.Phương pháp phân tích đa biến

Sự thiếu tính khách quan trong nghiên cứu có thể khắc phục bằng việc sử dụngphân tích đa biến Liên kết những số liệu môi trường thích hợp đã biết về các mức

ô nhiễm tại những điểm khác nhau để có thể suy đoán và tạo ra các giả thuyết Gộpnhóm số liệu theo các cách khác nhau có thể phát hiện những gián đoạn trong cácquần xã sinh vật từ các địa điểm khác nhau

II.PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG CHỈ THỊ SINH HỌC TRONG Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG

2.1 Sử dụng chỉ số sinh học

2.1.1 Sử dụng chỉ số sinh học trong giám sát môi trường

Shannon – Weiner sử dụng chỉ số đa dạng H’ và Sargaleft sử dụng chỉ số đa dạng(D) để đánh giá mức độ ô nhiễm hữu cơ nguồn nước Việc tính toán và xếp hạngchất lượng nước theo chỉ số đa dạng được thể hiện ở bảng

Bảng 3 Đánh giá chất lượng nước theo chỉ số đa dạng

- Mẫu vật thu ( tại các thủy vực) được phân loại

- Dựa vào các chỉ thị tương ứng với họ để tính điểm cho từng ho

- Cộng tất cả các điểm từ mỗi họ tại từng điểm nghiên cứu được tổng điểm sốBMWP

- Tính điểm số trung bình cho các đơn vị phân loại (ASPT) là chỉ số sinh họctương ứng với một mức ô nhiễm ( chất lượng) nước bằng cách chia tổng sốđiểm (BMWP) cho tổng số họ đã lấy để tính điểm

Bảng 4: Đánh giá chất lượng nước theo điểm

Thứ hạng Chỉ số ô nhiễm Đánh giá chất lượng nước

2.1.2 Sử dụng CSSH trong quan trắc môi trường

Các số liệu được sử dụng để ấn định giá trị đánh số đối với các chỉ thị sinh học

cá thể Tổng các giá trị đánh số của tất cả các loài CTSH tại mỗi điểm thu mẫu(xác định) sẽ cho kết quả biểu thị kiểu ô nhiễm tại điểm đó Tổng các giá trị hoạisinh của tất cả các CTSH tại một điểm chia cho tổng các giá trị tần số gặp cho chỉ

số hoại sinh hay chỉ số ô nhiễm bẩn tại một điểm ( bảng)

CSSH được sử dụng đầu tiên trong quan trắc môi trường là hệ hoại sinh ( dungquan trắc ô nhiễm hữu cơ trong các sông)

Bảng 5 Chỉ số hoại sinh hay chỉ số ô nhiễm bẩn

S = z(s.h)/zh với: S: chỉ số hoại sinh cho điểm

s: giá trị hoại sinh đối với mỗi loài chỉ thị

h: tần số gặp của mỗi loài

1: Hoại sinh nhẹ hay yếu 1 Gặp tình cờ

4: Hoại sinh mạnh

Dãy chỉ số hoại sinh

3,5 – 4,0 Hoại sinh mạnh Ô nhiễm hữu cơ rất mạnh Các chỉ số sinh học khác tuần tự được phát triển, chủ yếu để quan trắc tác độngcác chất hữu cơ trong nước chảy Phổ biến nhất là chỉ số sinh học TRENT ở Anh,điểm số sinh học CHANDLER (CBS)

Nhiều nước sử dụng rổng rãi điểm số BMWP của nhóm động vật đáy cỡ lớn đểquan trắc môi trường nước Hệ hoại sinh được cải tiến, mới nhất được dùng đểđánh giá chất lượng nước ở cộng hòa liên bang Đức Các chỉ số sinh học đều cóhạn chế là phải sử dụng cùng với những số liệu có sẵn về lý hóa học Nhưng có ưuviệt và tính toán đơn giản, cung cấp thông tin dễ hiểu về mức độ ô nhiễm.

 Sự tích lũy này có thể diễn ra trong suốt vòng đời của sinh vật mà không cótác động phụ xuất hiện

 Hàm lượng tích lũy trong mô của SVTT có thể gấp 103 đến 106 lần so vớitrong môi trường – “ khuếch đại sinh học”

Khả năng tích tụ chất ô nhiễm ở sinh vật tích tụ được sử dụng rộng rãi trongnghiên cứu, quan trắc, xử lý môi trường Từ sau những năm 1970 bắt đầu nghiêncứu việc sử dụng thực vật tích tụ để xử lý các đất bị ô nhiễm kim loại nặng Đặcđiểm của các loài thực vật này là chỉ hấp thụ một hoặc một số KLN đặc trưng trongcác bộ phận trên mặt đất ( chồi, cành, lá) Vì vậy để xử lý các chất ô nhiễm người

ta thu hoạch và tiêu hủy các bộ phận tích lũy Cho đến năm 2002 đã phát hiện 420

có khả năng tích tụ kim loại cao, trong đó: một số là nguồn thực phẩm, nhiều thựcvật lớn và nhuyễn thê, địa y, rêu Rêu được sử dụng rộng rãi trong quan trắc cácKLN Lựa chọn SVTT trong nghiên cứu môi trường phải theo tiêu chuẩn củaSVCT Trong thực tế thì khó có loài đơn le nào đáp ứng được đủ các tieu chuẩncủa sinh vật chỉ thị về tích tụ và ta phải khắc phục theo 2 cách: quan trắc thụ động

và thu mẫu từ nơi cư trú đặc biệt của những sinh vật bản địa, quan trắc chủ độngcác sinh vật có ở vùng không ô nhiễm

2.3 Phép thử sinh học

Sử dụng sinh vật ở những điều kiện thí nghiệm ( có đối chứng) để nghiên cứu,đánh giá môi trường Nhiều phép thử sinh học đã được phát triển để sử dụng trongphòng thí nghiệm hay ngoài hiện trường Khả năng sử dụng phép thử sinh họctrong nghiên cứu các vấn đề môi trường:

- Xác định các tác động ngắn hạn của liều lượng lớn đến cá thê, quần thể vàquần xã

- Xác định tác động tiềm năng của các chất gây ô nhiễm đến cá thê, quần thể vàquần xã

- Xác định sự đa dạng của ngưỡng độc hại và giới hạn chuẩn của các chất ônhiễm

- Xác định rõ tính mẫn cảm của những sinh vật điển hình đối với các chất ônhiễm đặc trưng

- Cung cấp tín hiệu về sự ô nhiễm gây hại tiềm ẩn

- Các mô hình tác động và cách xâm nhập của các chất ô nhiễm vào hệ sinh thái

- Nghiên cứu phát triển các biện pháp xử lý và chống ô nhiễm

 Tiêu chuẩn lựa chọn sinh vật trong thử nghiệm sinh học

- Các tiêu chuẩn như đối với SVCT môi trường

- Ngoài ra còn tiêu chuẩn khác: mẫn cảm và bền vững trong phản hồi với cácchất gây ô nhiễm, ở trạng thái khỏe mạnh không dễ bị nhiễm bệnh và ký sinhCác loại thông số dùng để theo dõi sinh vật thử nghiệm khá đa dạng và thường là:những thay đổi trong tập tính, hình thái, sinh lý và sinh hóa

Bảng 5 Những chỉ tiêu chính sử dụng trong phép thử sinh học

Vi khuẩn, nấm, động vật nguyên sinh Tính đột biến

BOD, nitrat hóaKhả năng phân hủyTảo và những thực vật khác Tốc độ sinh trưởng

Tốc độ tái sinhKhả năng quang hợp, hô hấpHàm lượng chất diệp lụcTính đột biến

Tác động hình thái và môĐộng vật KXS và động vật có XS Hiệu ứng gây chết

Tốc độ tái sinhPhát triển tính dị thườngKhả năng sinh trưởng hô hấp

Tỷ lệ thức ănBiến đổi sinh hóaTác động hình thái và môBiến đổi tập tính

2.4 Xây dựng bản đồ ô nhiễm

Sử dụng sinh vật chỉ thị xây dựng bản đồ phân bố loài để đưa ra các chỉ dẫn

về phân bố ô nhiễm Địa y mẫn cảm nhất đối với các chất gây ô nhiễm khí quyển

đặc biệt là sufua dioxit Căn cứ vào biến đổi ( không gian và thời gian) trong phân

bố địa y theo khả năng chống chịu của các loài đặc trưng có thể xây dựng bản đồ

về nồng độ gây ô nhiễm SO2 ở cấp độ vùng và quốc gia

Rêu, vi nấm và 1 loài ve ( Humerobates rostrrolamellatus) cũng được sửdụng để xây dựng bản đồ ô nhiễm chất khí

2.5 Phương pháp so sánh

Hiện nay phát triển phương pháp so sánh CTSHMT đối với các hệ thốngnước ngọt Trong đó xác định kiểu sinh thái đặc trưng và các phương pháp đo chọnlọc nhằm so sánh những thủy vực cùng kiểu nhưng không bị tác động Kết quảbiểu thị ra tình tương đồng theo % của các điểm nghiên cứu, điểm số % > 90%chứng tỏ điểm đó không bị ô nhiễm

2.6 Sử dụng vi sinh vật

Vsv là hợp phần quan trọng của các hệ sinh thái mà tính đa dạng của các hệ sinhthái mà tính đa dạng và độ phong phú của chúng bị chi phối bởi những thay đổicủa các yếu tố môi trường và có thể trở thành chỉ thị cho những kiểu ô nhiễm nhấtđịnh

- Sự có mặt của quần xã nấm nước thả là chỉ thị ô nhiễm mức độ cao

- Sự có mặt của các vi khuẩn sống trong ruột người và động vật ( Coliform,Streptococci và Clostridium ) là chỉ thị cho ô nhiễm nước sinh hoạt ( dophân )

Sử dụng thủy tinh, cốc nhựa khử trùng khi lấy mẫu phân tích Nên phân tích mẫutrong vòng 1 giờ Mẫu cần bảo quản ở 40C từ 24 – 30 giờ

2.7 Sử dụng các loài đặc hữu, quý hiếm

Các loài đặc hữu là các loài phân bố hẹp, thích hợp với môi trường sinh tháinhất định Khi các yếu tố môi trường bị xâm hại, thì quần thể các loài đặc hữu đó

bị suy giảm số lượng cá thể hoặc không còn hiện diện ở đó – là cơ sở cho việcđánh giá tình trạng và việc bảo vệ môi trường

2.8 Phương pháp diễn thế

Sự phát triển của quần xã sinh vật theo thứ bậc liên quan đến những biến đổicấu trúc loài , các quá trình tiến triển quần xã sinh vật theo thời gian và hướng xácđịnh ( tính kế tiếp của các quần xã có sự thay thế cho nhau trong từng vùng) được

gọi là diễn thê Diễn thế xảy ra do môi trường vật lý thay đổi dưới sự tác động củaquần xã và có thể dự đoán được

Phương pháp dự báo diễn thế sinh thái:

- Mô hình tính toán kinh nghiệm ( diễn thế dinh dưỡng môi trường thủy vực)

- Lập bảng ma trận với các tham số là các tác dộng từ môi trường bên ngoài vàcác diễn biến co thể xảy ra tương ứng trong hệ ( môi trường, đặc trưng sinhhọc )

PHẦN III CHỈ THỊ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG

NƯỚC

I.ĐẶC ĐIỂM MÔI TRƯỜNG NƯỚC

1.1 Điểm chung

- Chất phổ biến, duy nhất gặp với khói lượng lớn ở 3 trạng thái rắn, lỏng, khí

- Chất chủ yếu của hệ sinh thái, nhu cầu của mọi sự sống, cần cho các hoạt độngkinh tế xã hội

- Gồm các tài nguyên tái tạo: nước khí quyển, nước mặt, nước dưới đất, nước biển

và đại dương

- Phân biệt 2 loại thủy vực với các đặc điểm khác nhau: O2, CO2, pH, toC, chấthưuz cơ

- Phân vùng sinh thái: ngọt, lợ , mặn

1.2 Đặc điểm vật lý của nước tự nhiên

Nhiệt độ (do mặt trời phân hủy hữu cơ) biến đổi theo vùng địa lý, mùa, thời tiết(ngày đêm) ảnh hưởng lớn đến sinh sản, sinh trưởng và di cư của động vật sốngtrong nước

Độ trong, độ đục (do phù sa, chất lơ lửng, chất hòa tan và thủy sinh vật) ảnhhưởng đến phát triển của sinh vật trong nước

Màu: phú sa (đỏ gạch) chất hòa tan (vàng da cam) chất lơ lửng (trắng đục bùn,nâu đen và chất hữu cơ) thủy sinh vật (xanh nhạt_tảo lục xanh đậm, tảo lam).Mùi: tanh và hôi (vi khuẩn), tanh (sắt), trứng thối (H2S)

Vị: mặn (NaCl), ngọt (CO2), đắng chát (Mg2+), chua (Fe, Al)

PH: tính chất đất, phân hủy chất hữu cơ, do hô hấp của sinh vật, quang hợp củathực vật.

1.3 Đặc điểm hóa học của nước.

Các nguyên tố hóa học tồn tại dưới dạng ion, nồng độ ppm: Cl-, Na+, (SO4)2-,

Mg2+, Ca2+, K+, (HCO3)-, Br, Sr2+

Các nguyên tố nồng độ ppb: Ba, Sr, N, P, Mo, Zn, Fe, Mn,…

Oxy hòa tan: (do không khí và quang hợp của thực vật) cần cho hoạt độngsống của thủy sinh vật > 0.5 ppb (bão hòa) tốt cho tôm cá, biến đổi theo mùa, thờitiết, ngày đêm, độ sâu, nhiệt độ và độ mặn

CO2 hòa tan (do hô hấp của sinh vật và phân hủy chất hữu cơ) rất cần choquang hợp tạo ra các chất hữu cơ cho các thủy vực, nhưng nồng độ > 10mg/l ứcchế thủy sinh vật

H2S (phân hủy pv, phản sunfat hóa, yếm khí) phụ thuộc vào: PH, nhiệt độ, rấtđộc với thuỷ sinh vật

CH4 (phân hủy chất hữu cơ yếm khí) nhhiều CH4 nước nhiều chất hữu cơ, chấtlượng nước kém

NH3 (N hữu cơ, phân bón) hàm lượng NH3 tăng khi PH và nhiệt độ tăng, rấtđộc với các loại sinh vật

NH4+: thức ăn tự nhiên của nhiều thực vật phù du phát triển quá mức

(NO3): (nitrit hóa) là dinh dưỡng dễ tiêu của thực vật, thức ăn cho tôm củathủy vực, nồng độ quá cao làm cho tảo phát triển quá mức

P: (H2PO4-, HPO42-, PO43-) dinh dưỡng của thực vật bậc cao, nguyên sinh độngvật, vi sinh vật

Si: (nham thạch) cần cho tảo khuê, động vật

BOD: (tiêu hao oxy sinh học) lượng oxy cần cho hô hấp của thủy sinh vật(trong điều kiện nhất định) xác định ở diều kiện t0=200C trong 3 hoặc 5 ngày Nước

có mật độ sinh vật cao thì BOD càng cao, dung đánh giá mức độ giàu dinh dưỡnghay nhiễm bẩn của thủy vực

COD: (tiêu hao oxy hóa học) lượng oxy tiêu tốn cho sự phân hủy hữu cơ theophản ứng: (CHO)n + O2 → CO2 + H2O + Q Môi trường càngnhiều chất hữu cơ thì COD càng cao dung đánh giá mức độ dinh dưỡng cuả môitrường nước

1.4 Các chất gây ô nhiễm môi trường nước

Theo nguồn gốc tự nhiên (mưa, tuyết, gió, bão), nhân tạo (xả thải nước sinhhọt, nước thải công nghiệp … vào môi trường nước)

Theo bản chất: vô cơ, hữu cơ, kim loại nặng, chất dinh dưỡng sinh vật, tácnhân vật lý (lý nhiệt, tia bức xạ… )

Hình8 : nước thải chưa qua xử lý , xả thải trưc tiếp ra sông

II HỆ THỐNG SINH VẬT CHỈ THỊ ĐÁNH GIÁ Ô NHIỄM HỮU

CƠ NGUỒN NƯỚC

2.1 Đặc điểm hệ thống sinh vật nước

Một quần xã sinh vật nước gồm các nhóm sinh vật: sản xuất-tạo ra các chất hữu cơ,tiêu thu-sử dụng các chất hữu xơ, phân hủy- phân hủy các chất hữu cơ.Ở nơi bìnhthường, các loài sinh vật tụ hợp; mối tương tác sẽ phát triển giữa các loài, sau mộtthời gian sẽ tạo ra quần xã sinh vật có đặc trưng rõ ràng.Quần xã sinh vật có thểthay đổi khi điều kiện môi trường sống thay đổi Do mối quan hệ tương tác mà chỉ

1 sự thay đổi trong những điều kiện môi trường tạo ra 1 hoặc nhiều thay đổi trongquần thể.Môi trường tại một điểm quyết định phần lớn các cá thể có thể cư trú ởđiểm đó , và những sinh vật ở đó sẽ là những chỉ thị sinh học cho những thay đổimôi trường

 1 ≤ H’ ≤ 2 : ô nhiễm.

 2 < H’ ≤ 3 : chớm ô nhiễm

 3 < H’ ≤ 4.5: sạch

 H’ > 4 : rất sạch

Bảng 6 Chỉ số sinh học tổ hợp (intergrated biological index – IBI)

58 – 60 MT rất tốt Không có tác động con người, đầy đủ các thế hệ,

cấu trúc DD ổn định

48 – 52 Môi trường tốt Giàu thành phần loài, mất đi các loài nhạy cảm

MT, cấu trúc DD bị ức chế

39 - 48 MT trung bình Dấu hiệu suy thoái, cấu trúc DD bị thu hẹp

28 - 39 Môi trường xấu Đặc trưng bởi loài cá ăn tạp, cá chịu đựng tốt với

2.3 Sinh vật chỉ thị ô nhiễm hữu cơ nguồn nước

2.3.1 VSV chỉ thị ô nhiễm phân trong nước:

• Nhóm Coliform : đặc trưng là Escherichia coli.

• Nhóm Streptococci: liên cầu, đặc trưng là Streptococcus faecalis nguồn gốc

từ người, S.bovis từ cừu, S.equinus từ ngựa

• Nhóm Clostridia: khử sunfit đặc trưng là Clostridium perfringens

Hình 9 : VSV chỉ thị ô nhiễm phân 2.3.2 VK gây bệnh: chỉ thị nguồn nước ô nhiễm không thể sử dụng.

2.3.3 Tảo:

Sinh vật phù du, có khả năng tự dưỡng, sử dụng C dạng :

CO2/ CO32+ phosphat + nitơ + vi lượng

Phát triển mạnh trong điều kiện nước ấm, giàu chất hữu cơ Nitơ và Photpho từnguồn nước thải sinh hoạt, công nghiệp thực phẩm, phân bón Có sức chịu đựngvới các chất hữu cơ, đồng nhưng không chỉ thị được cho môi trường ô nhiễm thuốctrừ sâu, kim loại nặng Tảo là sinh vật chỉ thị để đánh giá chất lượng nước tự nhiên

- Chỉ thị chất lượng nước hay sự phú dưỡng hóa nguồn nước

- Chỉ thị cho thủy vực bị ô nhiễm nặng chất hữu cơ:

▫ Tảo lam: Phormidium, Anabacna, Oscilatoria, Anacystis, Lyngbia,Spirulina

▫ Tảo lục: Careia, Spirogyra, Teraedron, cocum, Chlorella,Stigeoclonium, Chlamydomonas, Chlorogonium, Agmenllum

▫ Tảo Silic: Nitochia, Gomphonema

▫ Tảo mắt: Pyro botryp – Phacus, Lepocmena – Eugrema

Hình 11 Hình ảnh một số loài tảo chỉ thị cho thủy vực bị ô nhiễm nặng chất hữu

cơ

Tảo Sphaerolituschỉ thị cho môi trường giàu protein, glucid, chất

hữu cơ

2.3.4 Thực vật:

- TV phù du/ phiêu sinh thực vật( phytoplankton): chỉ thị ô nhiễm nguồn nước do:

▫ Ô nhiễm hữu cơ (gây kiệt oxy hòa tan)

▫ Phát triển trong vùng nước tù hãm, giàu dinh dưỡng: bèo

▫ Chỉ thị cho vùng nước phú dưỡng hoá

▫ Thời gian phát triển lâu

▫ Dễ thu mẫu

▫ Tích luỹ các chất BVTV, kim loại nặng trong mô

▫ Chỉ số quan trắc sinh học BMWP (Biological Monitoring WorkingParty)- châu Âu dựa vào số lựong loài và phân bố động vật đáy khôngxương sống để đánh giá chất lượng nguồn nước

- Động vật đáy

Các quốc gia ở Châu Âu dùng ĐV đáy không xương sống (nghêu, sò, ốc,hến…) làm chỉ thị sinh học quan trắc ô nhiễm nước do các nguyên nhân:

• Ô nhiễm hữu cơ với sự suy giảm oxi hòa tan.

• Ô nhiễm do các chất dinh dưỡng

• Ô nhiễm do kim loại nặng và thuốc bảo vệ thực vật

Hình 12 Động vật đáy không xương sống

2.4 Yêu cầu chung để chọn động vật đáy làm chỉ thị sinh học nguồn nước

- Phổ biến trong sông, hồ

- Sự phát triển của chúng đặc trưng cho điều kiện thủy văn, cấu trúc nền đáy vàchất lượng nước.

- Tương đối cố định tại đáy sông, hồ, chịu sự thay đổi liên tục chất lượng nước vàchế độ thủy văn trong ngày

- Thời gian phát triển khá lâu( vài tuần đến vài tháng), dễ thu mẫu và dễ phân loại

• Ấu trùng chuồn chuồn

• Trai nước ngọt lớn > 5cm( Unionidae)

• Tôm nước ngọt( Ganimaridae)

• Ấu trùng ruồi đỏ( Chironomidae)

• Giun nhiều tơ(Tubificcidae)

• Ấu trùng Eristalis

• Động vật nguyên sinh (Protozoa): dễ thu mẫu và thích nghi cao trong môi

trường giàu hữu cơ

Hình 14 Động vật không xương sống chỉ thị nguồn nước

• Phiêu sinh động vật (zooplantonk):

▫ Là thức ăn giàu dinh dưỡng cho nhiều loại cá ở giai đoạn ấu trùng

▫ là chỉ thị cho nước ô nhiễm hữu cơ

• Cá:

▫ Các loại cá khác nhau về hình thể, nguồn thức ăn, nơi sinh sản và khảnăng thích nghi với môi trường

▫ Dùng để xác định lượng nước và ô nhiễm nguồn nước

2.5 Khái niệm về ô nhiễm nước và hệ hoại sinh

Nếu nước thải không qua xử lý được xả vào nguồn nước có thể làm cho nó dầndần bị ô nhiễm Do trong nước thải thường giàu chất hữu cơ, chúng sẽ làm thay đổiđiều kiện môi trường tạo ra sự diễn thế các quần xã của thủy vực tùy thuộc vàokhoảng cách tới nguồn xả.Các quần xã sinh vật của thủy vực bị ảnh hưởng củanước thải có đặc điểm chung là hệ thống các sinh vật sống phụ thuộc vào mức độphân hủy của các chất hữu cơ – hệ thống sinh vật hoại sinh

Chất lượng nước liên quan đến hệ hoại sinh: Những sinh vật có trong nước bị ônhiễm khác với những sinh vật ở nước sạch Do mỗi một mức ô nhiễm được đặctrưng bởi những loài động, thực vật đặc trưng và cả quá trình tự làm sạch nước bởicác sinh vật có trong quần xã hoại sinh.Chúng chỉ sử dụng các chất hữu cơ làmthức ăn, nên tạo ra hiện tượng tự làm sạch dần nguồn nước – tự làm sạch sinh học

Để phân chia các đoạn sông nơi tiếp nhận các chất thải hữu cơ, đã có nhiều ý kiếnkhác nhau về cách gọi và định ranh giới vùng nhưng giống nhau về nguyêntắc.Thường chia đoạn sông bị ảnh hưởng của dòng thải thành các phụ vùng sau:

- Nước sạch( chưa ô nhiễm) – liên quan đến các sinh vật hoại sinh yếu – dòngnước phía trước dòng thải xâm nhập

- Nước suy thoái( thoái hóa – hiện đang ô nhiễm – nhiễm trùng – rất bẩn) –liên quan tới các sinh vật hoại sinh mạnh – vùng nước nơi dòng thải bắt đầuxâm nhập vào, có quá trình khử chiếm ưu thế

- Nước phân hủy mạnh – liên quan tới các sinh vật hoại sinh trung bình α –nơi quá trình khử vẫn còn chiếm ưu thế

- Nước phục hồi liên quan tới các sinh vật hoại sinh trung bình β – nơi quátrình khử từ từ chấm dứt và chuyển qua quá trình oxy hóa

- Nước sạch hơn liên quan tới các sinh vật hoại sinh yếu Vùng chỉ có nhữngquá trình oxy hóa.

Vì vậy nghiên cứu ô nhiễm hữu cơ nguồn nước và các sinh vật chỉ thị cho sựu ônhiễm này là nghiên cứu hệ sinh vật hoại sinh trong nước

2.6 Đặc điểm của đoạn sông nơi bị ô nhiễm hữu cơ do nguồn xả

Có thể chia đoạn sông nơi bị ô nhiễm ra các phụ vùng có đặc điểm theo thời giantính ra ngày và khoảng cách tính ra dặm

Hình 15 Quan hệ giữa tính đa dạng và độ phong phú sinh vật ở nước khi bị ô

nhiễm hữu cơ

2.6.1 Phụ vùng nước sạch – hoại sinh yếu

Vùng nước phía trước dòng thải xâm nhập thường không ô nhiễm, nơi nước sạchtrước khi bị ô nhiễm Có khoảng cách 12-24 dặm ngược về phía nguồn và thời giantrước 1-2 ngày tính từ nơi và thời điểm dòng sông bắt đầu bị nước thải đổ vào Môitrường sống của sinh vật ổn định với hàng loạt các yếu tố vật lý và hóa học đặctrưng cho nước chưa bị ô nhiễm hữu cơ Có nhiều loài sinh vật với chức năng đadạng cùng tồn tại, nhưng không một loại nào chiếm ưu thế và đều là sinh vật hoạisinh yếu

Hình 16 Hình ảnh về loài Daphina longispina

2.6.2 Phụ vùng thoái hóa – hoại sinh mạnh

Vùng còn có thể gọi là rất bẩn – ô nhiễm rất nặng Vùng có những qúa trình khửchiếm ưu thế nên chỉ có các sinh vật hoại sinh mạnh Vùng mới bắt đầu bị ô nhiễm

do nước thải cùng lượng lớn các chất hữu cơ – thức ăn cho các sinh vật hoại sinhmạnh Có khoảng cách 12 dặm xuôi theo dòng sông và thời gian sau 1 ngày tính từnơi và thời điểm dòng sông bắt đầu bị nước thải bẩn đổ vào Các tính chất vật lýcủa môi trường thay đổi mạnh Số lượng loài có xu hướng giảm, do ô nhiễm mạnhlàm nhiều loài sinh vật có thể bị chết ngạt hoặc bị che lấp bởi chất lơ lửng Sốlượng cá thể những loài sinh vật hoại sinh có xu hướng tăng mạnh và chiếm ưu thếhoàn toàn do thích ứng với môi trường Các sinh vật bị chết cung cấp thêm thức ănlàm vi sinh vật họa sinh phát triển mạnh và làm giảm mạnh nông độ oxy hòa tantrong nước

2.6.3 Phụ vùng phân hủy mạnh – hoại sinh trung bình α

Vùng còn có thể gọi là bẩn nhiều – ô nhiễm cao, với các sinh vật hoại sinh trungbình α Có khoảng cách 12-48 dặm xuôi theo dòng sông và thời gian sau 1-2 ngàytính từ nơi và thời điểm dòng sông bắt đầu bị nước thải bẩn đổ vào Vùng này cóquá trình khử vẫn còn chiếm ưu thế Sự thiếu oxy hòa tan làm cho hầu hết động vàthực vật cỡ lớn và nhiều vi sinh vật hảo khí chết và lại bổ sung khối lượng xác hữu

cơ Các loài sinh vật hoại sinh kỵ khí chiếm ưu thế Các sinh vật hoại sinh kỵ khítiếp tục sử dụng thức ăn hữu cơ cho đến hết, làm cho số loài sinh vật hoại sinhmạnh trong môi trường còn ở mức tối thiểu, nhưng số lượng của các loài sinh vậthoại sinh kỵ khí lại đạt đến cực đại

Hình 1 7 Một số động vật nguyên sinh chỉ thị nguồn nước

2.6.4 Phụ vùng phục hồi – hoại sinh trung bình β

Vùng còn có thể gọi là – nhiễm bẩn- ô nhiễm trung bình: với các sinh vật hoại sinhtrung bình β ( gần với hoại sinh yếu).Có quá trình khử vẫn còn chiếm ưu thế Cókhoảng cách 48-96 dặm xuôi theo dòng sông và thời giansau 4-8 ngày tính từ nơi

và thời điểm dòng sông bắt đàu bị nước thải bẩn đổ vào Mức độ ô nhiễm hữu cơgiảm, thức ăn( chất hữu cơ) của các sinh vật hoại sinh giảm làm cho các số lượngcác sinh vật kỵ khí và sinh vật chống chịu ô nhiễm khác nhau cũng giảm, tạo khảnăng thay đổi về điều kiện sinh thái Nồng độ oxy hòa tan trong nước tăng dần làmxuất hiện những sinh vật hiếu khí Vật liệu lơ lửng giảm, hoạt động phân giải của

vi sinh vật hảo khí làm tăng chất ding dưỡng dễ tiêu để tảo( sinh vật sản xuất) bắtđầu phát triển và tăng mạnh Động vật( sinh vật tiêu thụ) bắt đầu phát triển mạnhhơn do có tương đối đủ oxy để hô hấp và nhiều tảo để ăn Cuối cùng dòng sông cóthể bước vào thời kỳ có hệ sinh vật phong phú (sinh vật sản xuất) cho đến khi dựtrữ năng lượng hoặc thức ăn dễ tiêu hêt

2.6.5 Phụ vùng nước sạch hơn

Vùng có tên gọi thống nhất – chỉ có những quá trình oxy hóa với các sinh vậthoại sinh yếu Có khoảng cách lớn hơn 100 dặm xuôi theo dòng sông và theo thờigian sau 9 ngày tính từ nôi và thời điểm dòng sông bắt đầu bị nước thải bẩn đổ vào

Những đặc điểm ( vật lý, hóa học) của nước sạch được xác lập, làm cho tảo (sinhvật sản xuất) chuyển về trạng thái ở nước sạch ( ở mức ít hơn về số lượng loài)

Hệ động thực vật nước lập lại thế cân bằng Các tính chất chung: giống với nướcsạch đầu nguồn ngoai trù trường hợp hiện tại nó là 1 dòng sông rộng lớn hơn Khu

hệ sinh vât đặc trưng: giống với khu hệ sih vật nước sạch đầu nguồn, ngoại trừ cácloài bản địa lớn hơn

2.4.6 Một số đặc điểm chung của đoạn sông bị ô nhiễm hữu cơ do nguồn xả thải

Cladophora

Khu hÖ thùc vËt

n íc s¹ch Asellus Chironomus

Tubificidae

N íc s¹ch Phôc håi

Tho¸I ho¸

N íc

s¹ch

Ph©n huû m¹nh

ChÊt th¶I ®I vµo

Kho¶ng c¸ch vÒ cuèi n guån

của đoạn sông

Về đặc điểm hóa, lý học

- Nhu cầu oxy sinh hóa: BOD đạt cao nhất ở thời điểm dòng nước xả vào; rồi

có xu hướng giảm dần và đạt cưc tiểu ở phụ vùng nước sạch hơn

- Nồng độ oxy – O2 trong nước giảm rất mạnh khi nước thải xâm nhập vàodòng sông rồi tăng dần và đạt cực đại nơi nước sạch hơn

- Chất rắn lơ lửng có nhiều nhất khi nước thải xâm nhập vào dòng sông rồigiảm dần và đạt cực tiểu nơi nước sạch hơn

- Chất rắn hòa tan có nhiều nhất khi nước thải xâm nhập vào dòng sông rồigiảm dần và đạt cực tiểu nơi nước sạch hơn

- Các chất ding dưỡng khoáng dễ tiêu có xu hướng tăng dần và đạt cực đại ởcuối vùng thoái hóa đối với N, P còn đối với NH3 đạt muộn hơn ở cuối vùngphân hủy mạnh sau đó đều giảm

Về sinh vật

- Ở vùng yếm khí hoàn toàn chỉ có sinh vật và động vật nguyên sinh còn cácloài động vật không xương sống cỡ lớn giảm mạnh

- Những loài có khả năng chống chịu nồng độ oxy thấp trở nên rất phong phú

về số lượng do nhiều thức ăn và ít có cạnh tranh không gian

- Cuối cùng, khi những điều kiện sinh thái nước sạch được duy trì, số lượngcác loài sinh vật tăng các loài đặc trưng cho nước bị ô nhiễm hữu cơ có xuthế biến mất

2.7 Chỉ thị sinh học ô nhiễm hữu cơ môi trường nước

2.7.1 Chỉ thị sinh học ô nhiễm hữu cơ môi trường nước theo hệ hoại sinh

a Hệ hoại sinh – chỉ thị sinh học môi trường nước đầu tiên

- Trong đánh giá chất lượng nước không nên dựa vào những cá thể sinh vật,

mà phải là quần xã sinh vật

- Kolkwitz Marsson Liebmann là những người đầu tiên nêu danh mục cácsinh vật chỉ thị ( gồm động vật và thực vật) cho môi trường nước bị ô nhiêmhữu cơ ở các mức độ khác nhau liên quan đến hệ hoại sinh Trong đó: ônhiễm rất nặng có 31 sinh vật chỉ thị, ô nhiễm cao có 17 sinh vật chỉ thị, ônhiễm trung bình có 22 sinh vật chỉ thị, không ô nhiễm có 22 sinh vật chỉthị

Hình 1 9 Hình dạng các SVCT cho nước bị ô nhiễm rất nặng (thoái hóa – hoại sinh

mạnh)

Bảng 7 Danh sách những SVCT cho nước bị ô nhiễm rất nặng

10 Colpoda cucullus

11 Anthophysa vegetans12.

Herpobdella atomaria17.

11 Synura uvella

12 Tabellaria fenestrata13.

Paramaecium bursaria

Hình 22 Hình dạng các SVCT cho nước không ô nhiễm (hoại sinh yếu)

Bảng 10 Danh sách các CTSH cho nước không bị ô nhiễm