Đánh giá ảnh hưởng và mức độ tích lũy của đồng, kẽm, cacdimi trên cây bèo tấm (LEMNA GIBBA L.) Trong thử nghiệm độc cấp tính

Cácnghiên cứu không chỉ tập trung vào việc giải mã bộ gen mà còn giải quyết rấtnhiều các vấn đề khác như nghiên cứu bản chất của quá trình hình thành chồi ngủ turion, khả năng đáp ứng

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

KHOA MÔI TRƯỜNG

- -KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG VÀ MỨC ĐỘ TÍCH LŨY CỦA

ĐỒNG, KẼM, CACDIMI TRÊN CÂY BÈO TẤM (LEMNA

GIBBA L.) TRONG THỬ NGHIỆM ĐỘC CẤP TÍNH

Người thực hiên : NGUYỄN HỒNG NHUNG

Giáo viên hướng dẫn : THS NGUYỄN THỊ THU HÀ

HÀ NỘI - 2016

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan khóa luận tốt nghiệp với đề tài: “Đánh giá ảnh hưởng

và mức độ tích lũy của Đồng, Kẽm, Cadimi trên cây Bèo tấm (Lemnagibba L.) trong thử nghiệm độc cấp tích” là công trình nghiên cứu của bản thân Những

phần sử dụng tài liệu tham khảo trong khóa luận đã được nêu rõ trong phần tàiliệu tham khảo Các số liệu và kết quả trình bày trong khóa luận hoàn toàn trungthực, nếu có sai sót em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Hà Nội, ngày tháng năm 2016

Sinh viên

Nguyễn Hồng Nhung

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian thực tập và thực hiện khóa luận tại Phòng thí nghiệm bộmôn Công nghệ môi trường, Học viện Nông nghiệp Việt Nam, em đã hoàn

thành đề tài khóa luận tốt nghiệp: “Đánh giá ảnh hưởng và mức độ tích lũy

của Đồng, Kẽm, Cadimi trên cây Bèo tấm (Lemnagibba L.) trong thử nghiệm độc cấp tích” Để hoàn thành khóa luận này, ngoài sự nỗ lực của bản thân, em

đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô, bạn bè và gia đình

Trước tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới ThS Nguyễn ThịThu Hà, Giảng viên bộ môn Công nghệ môi trường, khoa Môi trường, đã trựctiếp hướng dẫn và chỉ bảo tận tình cho em trong suốt quá trình thực hiện đềtài Em xin chân thành cám ơn cô Nguyễn Thị Khánh, anh Trần Minh Hoàngcán bộ quản lý Phòng thí nghiệm bộ môn Công nghệ môi trường, cùng quýthầy cô đang giảng dạy tại bộ môn Công nghệ môi trường đã giảng dạy và tạođiều kiện thuận lợi, giúp đỡ em trong quá trình học và thực tập tốt nghiệp

Em xin gửi lời tri ân sâu sắc tới quý thầy, cô trong khoa Môi trường đãtận tình hướng dẫn, chỉ bảo kiến thức trong suốt quá trình em học tập tại Họcviện

Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến toàn thể bạn bè, người thân, gia đình

đã luôn bên cạnh và ủng hộ em trong suốt thời gian qua

Kính chúc quý thầy, cô dồi dào sức khỏe và gặt hái được nhiều thànhcông trong công tác cũng như trong cuộc sống

Hà Nội, ngày 23 tháng 5 năm 2016

Sinh viên:

Nguyễn Hồng Nhung

MỤC LỤC

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Mục lục iii

Danh mục bảng v

Danh mục hình vi

Danh mục các từ viết tắt vii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4

1.1 Hiện trạng nhiễm bẩn kim loại nặng trong môi trường nước 4

1.1.1 Khái niệm và nguồn gốc kim loại nặng trong môi trường 4

1.1.2 Hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng tại Việt Nam 8

1.1.3 Tác động của kim loại nặng đến môi trường và sinh vật 9

1.2 Đặc điểm sinh học và sinh thái học của Bèo tấm (Lemna gibba L.) 11

1.2.1 Đặc điểm sinh học và sinh thái học của Bèo tấm 11

1.2.2 Những ứng dụng bèo tấm trong các nghiên cứu hiện nay 16

1.3 Phương pháp thử nghiệm độc tính của kim loại đối với thủy sinh vật 22

1.3.1 Nguyên lý của phương pháp thử nghiệm độc tính 22

1.3.2 Phương pháp tiến hành thử nghiệm độc tính 24

1.3.3 Hiện trạng thử nghiệm độc tính của kim loại nặng 26

Chương 2 ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 28

2.1 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 28

2.2 Nội dung nghiên cứu 28

2.3 Phương pháp nghiên cứu 28

2.3.1 Thí nghiệm 1: thí nghiệm độc cấp tính 28

2.3.2 Thí nghiệm 2: thí nghiệm độc mãn tính 31

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 34

3.1 Ảnh hưởng cấp tính của kim loại Đồng, Cadimi, Kẽm đến sinh trưởng Bèo tấm 34

3.1.1 Ảnh hưởng của các kim loại Đồng,Cadimi, Kẽm đến tốc độ tăng sinh khối của Bèo tấm 34

3.1.2 Ảnh hưởng của các kim loại Đồng, Cadimi, Kẽm đến tốc độ ra lá của Bèo tấm 37

3.2 Ảnh hưởng ngộ độc cấp tính trên bèo tấm tiếp xúc với kim loại Đồng, Cadimi, Kẽm 39

3.2.1 Các dạng biểu hiện bất thường trong thử nghiệm cấp tính 39

3.2.2 Thay đổi biển hiện ngộ độc của Bèo tấm theo thời gian tiếp xúc 41

3.2.3 Nồng độ gây ảnh hưởng của các kim loại Đồng, Cadimi, Kẽm trên Bèo tấm 46

3.3 Ảnh hưởng mãn tính của kim loại Đồng, Cadimi, Kẽm đến Bèo tấm 49

3.3.1 Nồng độ đảm bảo không gây ảnh hưởng mãn tính trên Bèo tấm 49

3.3.2 Mức độ tích lũy các kim loại nặng Đồng, Cadimi, Kẽm trong Bèo tấm 52

Chương 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 57

4.1 Kết luận 57

4.2 Kiến Nghị 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

PHỤ LỤC 65

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Khối lượng phân tử và khối lượng riêng của một số kim loại

nặng 5

Bảng 1.2: Sự phát thải toàn cầu của một số kim loại nặng 7

Bảng 1.3 So sánh độc tính của các kim loại nặng đối với sinh vật 11

Bảng 2.1: Môi trường nuôi cấy Bèo tấm Hoagland-arnon 29

Bảng 2.2: Dãy thí nghiệm độc tính của các kim loại nặng đối với Bèo tấm 29

Bảng 3.1: Tốc độ sinh trưởng của Bèo tấm dưới ảnh hưởng của nồng độ 34

Bảng 3.2: Tốc độ sinh trưởng của Bèo tấm dưới ảnh hưởng của nồng độ 36

Bảng 3.3 Tốc độ ra lá của Bèo tấm dưới ảnh hưởng của nồng độ kim 38

Bảng 3.4: Nồng độ ảnh hưởng (EC) của các kim loại đến Bèo tấm 47

Bảng 3.5: Các dải nồng độ kim loại Đồng, Cadimi, Kẽm trong thử nghiệm mãn tính 50

Bảng 3.6: Nồng độ tối đa cho phép của các kim loại (MATC) 52

Bảng 3.7: Nồng độ các kim loại sử dụng tính toán BCF 53

Bảng 3.8: Hệ số tích lũy các kim loại ở các nồng độ thử nghiệm có trong 56

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Các loài đại diện của 5 chi bèo tấm với kích thước hệ gen tương

12

Hình 1.2: Bản đồ phân bố địa lý của bèo tấm năm 1986 15

Hình 1.3: Số lượng các công trình khoa học liên quan đến bèo tấm được 17

Hình 3.1: Các biểu hiện của Bèo tấm trong thử nghiệm tiếp xúc cấp tính 40

Hình 3.2: Sự thay đổi tỷ lệ biểu hiện của Bèo tấm tiếp xúc kim loại Đồng theo thời gian 42

Hình 3.3: Sự thay đổi tỷ lệ biểu hiện của Bèo tấm tiếp xúc kim loại 44

Hình 3.4: Sự thay đổi tỷ lệ biểu hiện của Bèo tấm tiếp xúc kim loại Kẽm 46

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ASS Phương pháp phổ hấp thu nguyên tử (Atomic Absorption

Spectrometer)

BCF Hệ số tích lũy (Bioconcentration factor)

EC Nồng độ ảnh hưởng cho sinh vật thí nghiệm (Effective

LOEC Nồng độ thử nghiệm thấp nhất nhận thấy sự ảnh hưởng

(Lowest observed effects concentration)

NOEC Nồng độ thử nghiệm cao nhất không nhận thấy sự ảnh hưởng

(No observed effects concentration)

USEPA Cơ quan bảo vệ Môi trường Mỹ (United States Environmental

Protecti on Agency)

WHO Tổ chức Y tế Thế giới (World Health Oganization)

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết

Trong những năm gần đây, khi thế giới đang trên con đường phát triển ở mức toàn cầu hóa thì vẫn đề ô nhiễm môi trường được đặt ra hết sức cấp thiết Tốc độ ô nhiễm ngày càng tăng nhanh, mức độ ngày càng trầm trọng đã ảnh hưởng lớn đến hệ sinh thái toàn cầu, một trong những chất xúc tác đẩy nhanh tốc độ ô nhiễm môi trường đó là sự dư thừa kim loại nặng trong môi trường Hầu hết các kim loại nặng như Pb, Hg, Cd, As,

Cu, Zn, Fe, Cr, Co, Mn, Se, Mo tồn tại trong nước ở dạng ion Chúng phátsinh từ nhiều nguồn khác nhau, trong đó chủ yếu là từ các hoạt động côngnghiệp Khác với các chất thải hữu cơ có thể tự phân hủy trong đa số trườnghợp, các kim loại nặng khi đã phóng thích vào môi trường thì sẽ tồn tại lâudài Chúng tích tụ vào các mô sống qua chuỗi thức ăn mà ở đó con người làmắt xích cuối cùng Quá trình này bắt đầu với những nồng độ rất thấp của cáckim loại nặng tồn tại trong nước hoặc cặn lắng, rồi sau đó được tích tụ nhanhtrong các động vật và thực vật sống trong nước Tiếp đến là các động vật khác

sử dụng các thực vật và động vật này làm thức ăn, dẫn đến nồng độ các kim

loại nặng được tích lũy trong cơ thể sinh vật trở nên cao hơn Cuối cùng ở sinh vật cao nhất trong chuỗi thức ăn, nồng độ kim loại sẽ đủ lớn để gây ra

độc hại Con người, xét theo quan điểm sinh thái, thường có vị trí cuối cùngtrong chuỗi thức ăn, vì thế con người vừa là thủ phạm vừa là nạn nhân của ônhiễm kim loại nặng

Việc loại trừ các thành phần chứa kim loại nặng độc ra khỏi các nguồnnước, đặc biệt là nước thải công nghiệp là mục tiêu môi trường quan trọngbậc nhất phải giải quyết hiện nay Đã có nhiều giải pháp được đưa ra nhằmloại bỏ kim loại nặng trong nước thải trước khi thải ra môi trường Bên cạnhcác phương pháp hóa - lý với những ưu thế không thể phủ nhận được người ta

đã bắt đầu nghiên cứu sử dụng các biện pháp sinh học vì nhiều loài sinh vật

có khả năng hấp thu kim loại nặng Xử lý kim loại nặng dựa trên hiện tượnghấp thu sinh học (biosorption) có thể là một giải pháp công nghệ của tươnglai Trong số các sinh vật có khả năng đóng vai trò là chất hấp thu sinh học(biosorbent) thì loài Bèo tấm (Lemna gibba L.) được đặc biệt chú ý

Bèo tấm có tên khoa học là Lemna gibba L là nhóm thực vật một lá mầm

thủy sinh có phổ phân bố rất rộng cùng với tốc độ sinh trưởng nhanh, có tiềm

năng kinh tế cao Ngoài ra, Bèo tấm là thực vật thủy sinh ưa thích được sử

dụng để làm sạch các nguồn nước thải Chính vì những đặc điểm khác biệt sovới các đối tượng thực vật khác mà Bèo tấm ngày càng nhận được sự quantâm nghiên cứu của các nhà khoa học ở nhiều quốc gia trên thế giới Cácnghiên cứu không chỉ tập trung vào việc giải mã bộ gen mà còn giải quyết rấtnhiều các vấn đề khác như nghiên cứu bản chất của quá trình hình thành chồi

ngủ (turion), khả năng đáp ứng với điều kiện bất lợi và quan trọng hơn là vai

trò của chúng trong sản xuất nhiên liệu sinh học, làm thực phẩm cho conngười, thức ăn cho chăn nuôi, xử lý nước thải…

Việc tích tụ các kim loại nặng là một vấn đề đáng quan tâm trong xử lýnước thải Tất cả các loài Bèo tấm đều có khả năng hấp thụ và tích lũy trong

cơ thể một hàm lượng rất cao các kim loại nặng như Cd, Cr, Pb… Vì thế,chúng có tiềm năng to lớn trong việc sử dụng để xử lý các nguồn nước thảihoặc các khu vực bị ô nhiễm bởi kim loại nặng như công nghệ thuộc da, hầmmỏ… để hạn chế tối đa sự có mặt của các kim loại này trong chuỗi thức ăn.Theo nhiều công bố thì Bèo tấm có khả năng hấp thụ được Cd, N, Cr, Zn, Sr,

Co, Fe, Mn, Cu, Pb, Al và thậm chí là Au (FAO,1999) Khả năng hấp thụ Fecủa L minor đã mở ra triển vọng cho việc sử dụng Bèo tấm để giải quyết hiệntượng nước nhiễm Fe ở những khu vực mỏ than bỏ hoang (Teixeira S vàcs,2014) Bên cạnh đó, loài này còn có khả năng hấp thụ Bo, As, Cd, Cu và

Si L gibba cũng là loài phù hợp để sử dụng trong xử lý nước thải sinh hoạt,

đồng thời chúng còn có hàm lượng protein và carbonhydrate cao, phù hợp chosản xuất nhiên liệu sinh học (Verma R và Suthar S,2014).

Trước tình hình đó, tôi thực hiện đề tài: “Đánh giá ảnh hưởng và mức độ

tích lũy của Đồng, Kẽm, Cadimi trên cây Bèo tấm (Lemnagibba L.) trong thử nghiệm độc cấp tích”

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Đánh giá ảnh hưởng cấp tính và mãn tính của các kim loại Đồng,

Kẽm, Cadimi đến Bèo tấm (Lemna gibba L.)

- Xác định mức độ tích lũy các kim loại Đồng , Kẽm , Cadimi trên

Bèo tấm (Lemnagibba )

Chương 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Hiện trạng nhiễm bẩn kim loại nặng trong môi trường nước

1.1.1 Khái niệm và nguồn gốc kim loại nặng trong môi trường

Kim loại nặng là kim loại có nguyên tử lượng lớn và thường có khốilượng riêng lớn hơn 5g/cm3 Chúng có thể tồn tại trong mọi thành phần củamôi trường Trong khí quyển ở dạng hơi, trong thủy quyển ở dạng muối hòatan Trong địa quyển ở dạng rắn, không tan, khoáng quặng… trong sinhquyển chúng tồn tại trong cơ thể con người và các loài động thực vật ( LêHuy Bá, 2000)

Kim loại nặng không phân hủy sinh học (Tam & wong, 1995), khôngđộc khi ở dạng nguyên tố tự do nhưng nguy hiểm đối với sinh vật sống khi ởdạng cation do khả năng gắn kết với các chuổi cacbon ngắn dẫn đến sự tích tựtrong cơ thể sinh vật sau nhiều năm (Shahidul & Tanaka, 2004) Đối với conngười, có khoảng 12 nguyên tố kim loại nặng gây độc như chì (Pb), thủy ngân(Hg), nhôm (Al), asen (As), cadimi (Cd), niken (Ni)… Một số kim loại nặngđược tìm thấy trong cơ thể và thiết yếu cho sức khỏe con người chẳng hạnnhư sắt (Fe), kẽm (Zn), magan (Mn), coban (Co), magie (Mg), Molip đen(Mo) và đồng (Cu) mặc dù tồn tại với số lượng rất ít nhưng chúng lại hiệndiện trong quá trinh chuyển hóa Tuy nhiên, ở mức thừa các nguyên tố thiếtyếu có thể gây nguy hại đến đời sống của sinh vật (Foulkes, 2000)

Bảng 1.1 Khối lượng phân tử và khối lượng riêng của một số kim loại nặng

Tên kim loại Khối lượng phân tử

& Adriano, 1995) Nguồn kim loại nặng đi vào đất và nước do tác động củacon người bằng các con đường chủ yếu như phân bón, bã bùn cống và thuốcbảo vệ thực vật và các con đường phụ như khai khoáng và kỹ nghệ hay lắngđọng từ không khí.Cụ thể các hoạt động bao gồm:

- Hoạt động sản xuất công nghiệp

+ Công nghiệp nhựa: Co, Cr, Cd, Hg

+ Công nghiệp dệt: Zn, Al, Ti, Sn

+ Công nghiệp sản xuất vi mạch: Cu, Ni, Cd, Pb

+ Công nghiệp bảo quản gỗ: Cu, Cr, As

+ Thủ công mỹ nghệ: Pb, Ni, Cr

- Hoạt động khai thác quặng có chứa kim loại

+ Đào, xơi và cặn thải, nhiễm bẩn thông qua phong hóa, xói mònthải ra As, Cd, Pb, Hg.

+ Vận chuyển qua quá trinh tuyển quặng, khai khoáng – nhiễmbẩn do bụi thải ra As, Cd, Sb, Se

+ Công nghiệp sắt thép thải ra Cu, Ni, Pb

- Do trầm tích từ không khí

+ Nguồn từ đô thị và khu công nghiệp, bao gồm chất thải thiêuhủy cây trồng: Cd, Cu, Pb, Hg

+ Công nghiệp luyện kim: As, Cd, Cr, Cu, Mn, Pb

+ Đốt cháy xăng dầu: As, Pb, Sb, Se, Cd

- Kim loại từ khai thác

Có nhiều con đường xâm nhập của kim loại nặng vào môi trường nước

có thể do lắng đọng của bụi trong không khí, qua quá trinh rửa trôi các kimloại nặng trong đất, mưa axit hòa tan các muối của kim loại nặng rồi xâmnhập vào nước ngầm sau đó theo dông chảy ra các thủy vực, hoặc cũng có thể

do hoạt động đổ thải trực tiếp của các nghành công nghiệp đã kể đến trực tiếpvào các thủy vực nhận thải

Theo Galloway và Freedmas (1982) sự phát thải toàn cầu một số kim loạinặng do tự nhiên và nhân tạo

Bảng 1.2: Sự phát thải toàn cầu của một số kim loại nặng

(Nguồn: Galloway và Freedmas,1982)

Theo nghiên cứu của Galloway và Freedmas năm 1982 về sự phát thảitoàn cầu của kim loại nặng Sự phát thải trong nghiên cứu là do hai nguồn là

tự nhiên và nhân tạo, chủ yếu nguồn phát thải nhân tạo của các kim loại lớnhơn rất nhiều lần nguồn phát thải tự nhiên Cu và Zn là hai kim loại có nguồnphát thải tự nhiên tương đối lớn, Zn có số lượng phát thải 8400x108 tấn/nămđứng sau kim loại Pb trong bảng 1.2 có lượng phát thải là 20000x108 tấn/năm;đứng sau Pb, Zn, Mn là Cu với lượng phát thải là 2400x108 tấn/ năm; nhưvậy Zn đứng thứ 2 và Cu đứng thứ 4 trên tổng số 16 kim loại nặng dùng phátthải nhiều Trong nghiên cứu trên, tuy Cd có lượng phát thải nằm trong nhómkim loại phát thải ít nhất, nhưng ngày này Cd đang được quan tâm rất nhiều vì

nó có mặt trong hầu hết các hoạt động sản xuất, khai thác

1.1.2 Hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng tại Việt Nam

Theo nghiên cứu của tác giả Nguyễn Nhật Quang (2003) thì hàm lượngkim loại nặng trên một số con sông khu vực Hà Nội cũng đã tăng khá nhiều

lần so với quy chuẩn, các mẫu nước mặt ở các dòng sông Hà Nội đa số ônhiễm nặng về Cr gấp từ 1 – 8 tiêu chuẩn cho phép Cụ thể khu vực sông Sétđoạn qua Đại Học Bách Khoa Hà Nội hàm lượng Asen đã vượt quá so vớiquy chuẩn từ 1,5 đến 1,7 lần nguyên nhân được nhận định ở đây là nước thải

từ các hoạt động nghiên cứu khoa học, các xưởng thực nghiệm của trường.Đối với kim loại Crom đa số các khu vực sông Tô Lịch vượt chuẩn từ 1 đến 9lần, sông Sét gấp từ 6 đến 8 lần, hàm lượng Crom trong sông Hồng thì tươngđối thấp do lưu lượng dòng sông quá lớn Nguyên nhân là do trên địa bànthành phố Hà Nội có quá nhiều nhà máy mạ điện và nước thải của các nhàmáy xả thẳng vào lòng các con sông nên tình trạng ô nhiễm kim loại nặngmới lớn như hiện nay Nồng độ Kẽm của hầu hết các sông nội thành Hà Nộiđều cao hơn tiêu chuẩn cho phép chỉ riêng vị trí phố Định Công trên sông Lừ

là vượt quá tiêu chuẩn cho phép (gấp 1,5 lần) Cũng trong nghiên cứu này củatác giả, nước mặt trên địa bàn thành phố Hà Nội đang bị nhiễm kim loại Chìnghiêm trọng trên các địa điểm lấy mẫu tại sông Tô Lịch, nồng độ kim loạiChì cao gấp 6 đến 12 lần tiêu chuẩn, trên sông Sét vượt 9 đến 10 lần tiêuchuẩn cho phép (TCVN1995)

Nghiên cứu của tác giả Nguyễn Viết Thành khi phân tích hàm lượngkim loại nặng trong môi tường nước lưu vực sông Nhuệ Đáy cũng chỉ ra rằng.Kết quả phân tích cũng thể hiện đã có sự gia tăng hàm lượng kim loại nặngtrong nước sông Nhuệ so với kết quả phân tích năm 2010 trong báo cáo tổnghợp kết quả ‘‘Quan trắc môi trường nước lưu vực sông Nhuệ Đáy năm 2010”

Theo kết quả phân tích trong nước sông Nhuệ năm 2011-2012 cho thấymột số điểm lấy mẫu nước đã có hàm lượng kim loại nặng Đồng, Chì, Kẽmvượt quá tiêu chuẩn cho phép đối với chất lượng nước mặt cột A2 QCVN08/2008/BTNMT Điểm Phú Diễn: 1,213 mgZn/l vượt 1,213 lần; điểm WS5(Thanh Liệt): 0.328 mg Cu/l vượt 1,64 lần; 0,045 mg Pb/l vượt 2,25 lần (theoNguyễn Viết Thành, 2012)

1.1.3 Tác động của kim loại nặng đến môi trường và sinh vật

Cũng như các nguyên tố khác kim loại nặng có thể cần thiết cho sinhvật, cây trồng hoặc động vật và cũng có thể là không cần thiết Những kimloại cần thiết cho sinh vật thì chỉ cần hàm lượng vừa đủ nếu ít hơn hoặc nhiềuhơn sẽ gây tác động ngược lại Những kim loại không cần thiết thì dù chỉ vớimột hàm lượng rất nhỏ ngay cả ở dạng vết cũng gây độc đối với sức khỏe conngười và sinh vật Các kim loại có thể là cần thiết đối với loài này nhưng lại

là yếu tố gây độc hại đối với loài khác (Đặng Đình Bách, 2006) Ví dụ nhưniken đối với thực vật thì đây là nhân tố gây độc và không cần thiết nhưng đốivới động vật thì niken lại là một yếu tố rất quan trọng

Với những kim loại cần thiết cho sinh vật cần lưu ý về hàm lượng củachúng Nếu quá ít sẽ gây ảnh hưởng đến quá trinh trao đổi chất, nếu quá nhiềulại gây tác dụng ngược lại, gây độc cho cơ thể Như vậy sẽ luôn tồn tại mộthàm lượng tối ưu của kim loại mà chỉ nằm trong khoảng giá trị đó nó tác độngtích cực lên cơ quan, cơ thể của sinh vật, thúc đấy quá trình sinh trưởng vàphát triển Trong môi trường kim loại không bị phân hủy mà tích tụ trong cơthể sinh vật, tham gia chuyển hóa sinh học tạo thành các hợp chất độc hạihoặc ít độc hại hơn Kim loại nặng cũng có thể tồn tại trong môi trường đấtnước, trầm tích và được chuyển hóa nhờ sợ biến đổi các kim loại nặng và lànguyên nhân gây biến đổi vòng tuần hoàn vật chất hóa, địa, sinh học củanhiều loài

Các nguyên tố kim loại còn lại là các nguyên tố không thiết yếu và cóthể gây độc tính cao khi hiện diện trong cơ thể, tuy nhiên tính độc chỉ thể hiệnkhi chúng đi vào chuổi thức ăn, các nguyên tố này bao gồm Hg, Ni, Cd, Al, Pt

và Cu ở dạng ion kim loại Chúng đi vào cơ thể qua các con đường hấp thụcủa cơ thể như hô hấp, tiêu hóa hay qua da Nếu kim loại nặng đi vào cơ thể

và tích lũy bên trong tế bào lớn hơn sự phân giải chúng thì chúng sẽ tăng dần

và sự ngộ độc thể hiện (Foulkes, 2000) Do vậy người ta bị ngộ độc không

những với hàm lượng cao của kim loại mà cả khi với hàm lượng thấp và thờigian kéo dài sẽ đạt đến hàm lượng gây độc Tính độc hại của các kim loạinặng được thể hiện qua:

Một số kim loại nặng có thể bị chuyển từ độc thấp sang dạng độc caohơn trong một vài điều kiện môi trường, ví dụ thủy ngân

Sự tích lũy và khuếch đại sinh học của các kim loại nặng này qua chuổithức ăn có thể làm tổn hại các hoạt động sinh lý bình thường và sau cũng gâynguy hiểm cho sức khỏe của con người

Tính độc của các nguyên tố này có thể ở một nồng độ rất thấp khoảng0,1-10mg.L-1 (Alkorta et al, 2004)

Ảnh hưởng sinh học và hóa học của kim loại nặng trong môi trườngcòn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ hòa tan của các muối, tính khử, tínhoxy hóa, khả năng tạo phức và khả năng tích tụ sinh học Muối của các kimloại nặng dễ tan hơn muốn của các kim loại kiềm, kiềm thổ nên chúng dễdàng đi vào môi trường nước hơn Ion của các kim loại nặng Zn, Co, Fe… dễdàng kết hợp với các dẫn xuất của N, S tạo thành các phức chất bền vữngtrong môi trường Một số kim loại nặng lại có thể tạo nên các bậc oxy hóakhác nhau bền vững trong điều kiện môi trường để tham gia phản ứng oxyhóa khử chuyển thành các hợp chất ít độc hơn (Fe2+/Fe3+) Nhiều kim loại cókhả năng chuyển hóa sinh học với các thành phần hữu cơ trong cơ thể tạothành các hợp chất hữu cơ – kim loại như metyl thủy ngân tích tụ trong cơ thểsinh vật và có tác động độc hại

Bảng 1.3 So sánh độc tính của các kim loại nặng đối với sinh vật

Nấm (Fungi)

Thực vật bậc cao (Plants)

Ag > Hg > Cu > Cd > Cr > Ni > Pb > Co > Zn

Hg > Pb > Cu > Cd > Cr > Ni > Zn

Nguồn: Richardson và Nieboer, 1980

Trong môi trường các kim loại phân bố không đồng đều nhau ở cácthành phần môi trường Và ngay cả khi trong cùng một thành phần thì chúngcũng có sự phân bố không giống nhau Do đó nắm bắt được thành phần kimloại ở một số địa phương có ý nghĩa quan trọng trong việc kiểm soát sự giatăng và quá trình tuần hoàn của kim loại (Sách hóa học môi trường) Từ tổngkết của bảng 1.3 cho thấy Hg, Ag, Cu là ba kim loại xếp hàng đầu trong vấn

đề độc tính đối với hệ sinh thái sinh vật; xếp kế tiếp theo độc tính giảm dầnđối với sinh vật là các kim loại Pb, Cd cuối cùng là kim loại Ni

1.2 Đặc điểm sinh học và sinh thái học của Bèo tấm (Lemna gibba L.)

1.2.1 Đặc điểm sinh học và sinh thái học của Bèo tấm

a Khái niệm và phân loại thực vật.

Bèo tấm có tên khoa học là Lemna gibba L thuộc họ Ráy- Araceae (cùng

họ với với cây ráy và khoai nước) Bèo tấm là nhóm thực vật một lá mầm thủysinh có phổ phân bố rất rộng cùng với tốc độ sinh trưởng nhanh, có tiềm năng kinh

tế cao và được quan tâm trong các nghiên cứu cơ bản Hiện nay, phân họ Bèo

tấm (Lemnoideae) có 37 loài thuộc 5 chi: Spirodela, Landoltia, Lemna, Wolffiella và Wolffia (Cao H.X và cs ,2015).

Kích thước bộ gen của các loài rất khác biệt (từ khoảng 150 Mbp ở Spirodela

polyrhiza đến 1881 Mbp ở Wolffia arrhiza (hình 1.1)

Hình 1.1: Các loài đại diện của 5 chi bèo tấm với kích

thước hệ gen tương ứng

(Nguồn: Cao và cộng sự, 2015)

Cùng với tốc độ tăng sinh khối cao, sinh khối từ Bèo tấm có chứa hàmlượng protein cao là nguồn thức ăn quan trọng cho vật nuôi Đặc biệt, Bèotấm được nuôi trồng trên ao hồ trở thành một thành phần trong mô hình vườn

- ao - chuồng mà không làm ảnh hưởng đến diện tích đất trồng cây lương thựctruyền thống Ngoài ra, Bèo tấm là thực vật thủy sinh ưa thích được sử dụng

để làm sạch các nguồn nước thải Chính vì những đặc điểm khác biệt so vớicác đối tượng thực vật khác mà Bèo tấm ngày càng nhận được sự quan tâmnghiên cứu của các nhà khoa học ở nhiều quốc gia trên thế giới Các nghiêncứu không chỉ tập trung vào việc giải mã bộ gen mà còn giải quyết rất nhiềucác vấn đề khác như nghiên cứu bản chất của quá trình hình thành chồi ngủ

(turion), khả năng đáp ứng với điều kiện bất lợi và quan trọng hơn là vai trò

của chúng trong sản xuất nhiên liệu sinh học, làm thực phẩm cho con người,thức ăn cho chăn nuôi, xử lý nước thải…

b Đặc điểm sinh học

Bèo tấm có cấu trúc cơ thể vô cùng đơn giản gồm lá, thân có độ phân

hóa thấp và có rễ như Spirodela, Landoltia, Lemna hoặc không có rễ như

Wolffiella và Wolffia (Cao H.X và cs,2015)

Bên cạnh sự khác nhau về kích thước hệ gen, số lượng bộ nhiễm sắcthể (NST) của các loài Bèo tấm cũng rất thay đổi, đa số các loài có bộ NST 2n

= 40 (số lượng NST của các loài dao động trong khoảng 20 - 126 (Landolt E,1987) (Wang W và cs, 2011)

Theo R A Leng và cs, 1995 thì Bèo tấm có cấu trúc đơn giản hóa bởichọn lọc tự nhiên Lá của Bèo tấm có dạng phẳng và hình trứng, rễ của một sốloài Bèo tấm có xu hướng dài ra khi nguồn dinh dưỡng hay khoáng chất đangcạn kiệt Theo Trần Thị Kim Dung (2009) thì Lemnaceae thuộc nhóm câymột lá mầm nhỏ nhất, phần lớn có cả lá, rễ, hoa, quả, những cây trưởng thànhkhông có thân cây; lá (cánh bèo) có kích thước khác nhau phụ thuộc vào từngchi, từng loài

Kích thước và số lượng rễ trên một cánh bèo ở các loài Bèo tấm khônggiống nhau và phụ thuộc vào từng loài Đa số những loài thuộc họ Lemna chỉ

có một rễ, S.polyrrhiza có từ 7-12 rễ hoặc nhiều hơn và có thể dài đến 10 mm,Landoltia có 2-3 rễ và có thể lên tới 5 rễ với chiều dài tối đa có thể đạt được 6

mm Ngoại trừ điều kiện khắc nghiệt, trong điều kiện thiếu nitơ, phosphatehay các khoáng chất sẽ dài hơn Trong khi đó, trong môi trường dinh dưỡngthuận lợi, rễ ngắn hơn thậm chí có loài không hình thành rễ Cấu trúc rễ củaBèo tấm cũng hết sức đơn giản, không có các rễ con và không phản ánh sựtăng trưởng cũng như sự tạo nhánh Vì lẽ đó rễ của Bèo tấm rất mảnh và nhỏ.Cũng giống như các loại rễ phổ biến khác, rễ Bèo tấm có cấu tạo gồm 4 phầnchính: Đỉnh rễ, vùng mô phân sinh, vùng kéo dài và vùng các tế bào thuầnthục (Trần Thị Kim Dung, 2009)

Hoa và các loài Bèo tấm đã được nghiên cứu tương đối kĩ Chúngthường hình thành và tồn tại trong thời gian ngắn và hiếm khi quan sát thấy.Hoa các loại Bèo có thể hình thành trong thời gian ngắn hay dài khác nhau

tùy thuộc vào loài Mỗi hoa thường có 2 nhị hoa và 1 vòi nhụy hoa duy nhất.

các nhụy hoa thường ngắn và khó quan sát hơn Hoa của chi Wolffia là nhỏ

nhất trong thế giới các loài hoa, nó chỉ dài 0,3 mm ( Landolt E 1986)

Quả của Bèo đa phần là nhỏ, có lớp vỏ ngoài khô, một số trong đó cóthể được quan sát thấy bằng mắt thường Quả Bèo thường có dạng như mộttúi có răng cưa, đôi khi có dạng dọc hơi phẳng, và thường chứa từ 1-6 hạt.Quả có dạng túi nhỏ chứa không khí và hạt, nhằm mục đích giúp cây có thểnổi được trên mặt nước ( Landolt E 1986)

Bèo tấm có hai phương thức sinh sản để duy trì nòi giống là sinh sảnhữu tính và sinh sản vô tính Sinh sản vô tính chiếm ưu thế hơn so với sinh sảnhữu tính Hình thức sinh sản hữu tính của Bèo tấm chỉ xảy ra khi chúng gặp điềukiện bất lợi để bảo tồn nòi giống (Trần Thị Kim Dung, 2009) Bèo tấm sinh sản

vô tính bằng hình thức nảy chồi từ vùng đỉnh phân sinh nằm trong xoang ở vùnggốc cánh Ở điều kiện tối ưu, tốc độ sinh sản vô tính của Bèo tấm gần đạt mứctăng theo hàm số mũ Lượng cánh Bèo có thể tăng gấp đôi chỉ sau 24 giờ nuôicấy ở các loài sinh trưởng nhanh như L aequimoctialis, W microscopica Vớisinh sản vô tính thì thời gian một vòng đời của cánh Bèo chỉ vài tuần

c Phân bố địa lý

Sự phân bố địa lý của Bèo tấm được thể hiện qua kết quả nghiên cứu củaLandolt vào năm 1986 (hình 1.2) Dễ dàng thấy rằng, từ cách đây 30 năm, các nhàkhoa học đã phát hiện ra sự có mặt của Bèo tấm ở tất cả các châu lục, trừ các địacực Đặc điểm đó thể hiện khả năng thích nghi của Bèo tấm với các vùng khí hậukhác nhau, từ vùng lãnh nguyên của Siberia cho đến rừng mưa nhiệt đới Amazon

mà không có sự sai khác đáng kể về kiểu hình (Lam E, Appenroth K.J, Michael T,Mori K, Fakhoorian T; 2014) (Landolt E, 1986)

Bèo tấm phân bố trên khắp thế giới nhưng phổ biến và đa dạng nhất là

ở các khu vực nhiệt đới và cận nhiệt đới Còn ở các vùng ôn đới và hàn đới thìchúng chủ yếu phát triển mạnh trong các tháng hè Bèo tấm thường xuất hiện

ở các khu vực nước đọng hoặc có dòng chảy chậm Sự tăng trưởng nhanhthường được ghi nhận ở các ao hồ nhỏ, đầm lầy vì đây là những khu vực cónguồn dinh dưỡng dồi dào Đặc biệt là ở khu vực có cá sấu sinh sống thì tốc

độ tăng trưởng của bèo tấm là cực đại Một vài loài cũng tồn tại trong môi

trường nước nhiễm mặn (tối đa 2,5% NaCl đối với Lemna minor), tuy nhiên

chúng không tích lũy ion Na+ trong quá trình sinh trưởng (FAO,1999)

Hình 1.2: Bản đồ phân bố địa lý của bèo tấm năm 1986

(Nguồn: Landolt,1986)

Ở điều kiện sinh trưởng tối ưu (về nhiệt độ nước, pH, chiếu sáng,nguồn dinh dưỡng), Bèo tấm có thể tăng gấp đôi sinh khối trong vòng 16-24giờ Theo tính toán lý thuyết, với tốc độ sinh trưởng như vậy thì chỉ sau 50ngày, Bèo tấm có thể mọc kín 1 ha nuôi trồng với lượng ban đầu chỉ 10 cm2

và sau 60 ngày thì sẽ phủ kín toàn bộ diện tích 32 ha (.FAO,1999)

1.2.2 Những ứng dụng bèo tấm trong các nghiên cứu hiện nay

a Các nghiên cứu hiện nay trên Bèo tấm

Cách đây 40 năm, William Hillman đã có một bài bình luận rất thuyếtphục về việc sử dụng Bèo tấm - đối tượng thực vật thuộc họ Lemnaceae làmcây mô hình cho các nghiên cứu về sinh học thực vật Chu kỳ sinh trưởngnhanh, kích thước cơ thể nhỏ, cấu trúc đơn giản và việc dễ dàng đánh dấuphóng xạ trên toàn bộ cơ thể là những ưu điểm vượt trội của Bèo tấm so vớicác đối tượng thực vật khác Vì vậy, dựa trên các luận điểm của Hillman, Bèotấm đã được sử dụng rất rộng rãi trong nghiên cứu sinh học thực vật và đãgiúp các nhà khoa học khám phá ra quá trình sinh tổng hợp auxin cũng nhưcon đường đồng hóa sulfur từ thập niên 60 đến 80 của thế kỷ XX (Lam E,Appenroth K.J, Michael T, Mori K, Fakhoorian T;2014).

Trong thập kỷ vừa qua, vấn đề phát triển nông nghiệp bền vững là mộtyêu cầu cấp thiết để hạn chế những tác động của sự biến đổi khí hậu cũng nhưcung cấp các nguồn thức ăn chăn nuôi mới Và một lần nữa, Bèo tấm lại đượcquan tâm đến như một đối tượng thực vật mô hình vì các điểm khác biệt sovới các đối tượng thực vật khác Bèo tấm có thể được sử dụng để xử lý nướcthải, cung cấp nguồn nguyên liệu mới cho sản xuất nhiên liệu và khí đốt sinhhọc với rất ít yêu cầu về đất trồng (Lam E, Appenroth K.J, Michael T, Mori

K, Fakhoorian T; 2014)

Hình 1.3: Số lượng các công trình khoa học liên quan đến bèo tấm được

thống kê bởi ISI Web of Science

(Nguồn: ISCDRA, 2015)

b Các ứng dụng hiện đại của Bèo tấm

 Nguồn nhiên liệu sinh học

Do tốc độ gia tăng dân số cũng như sự phát triển của các khu côngnghiệp lớn nên nhu cầu về năng lượng trên toàn thế giới tăng rất nhanh Dầuthô và khí tự nhiên (nhiên liệu hóa thạch), nguồn nhiên liệu chính hiện nayvới trữ lượng có hạn, sẽ cạn kiệt trong tương lai không xa Để đáp ứng chonhu cầu nhiên liệu ngày càng tăng cao thì việc tìm ra nguồn nhiên liệu mới đểthay thế là vô cùng cấp bách Ethanol, butanol và biogas là những nguồnnhiên liệu mới, có khả năng tái sinh sẽ dần thay thế dầu thô và khí tự nhiên.Trong vòng 10 năm qua, sản lượng bioethanol đã tăng rất nhanh và đạt 85,2triệu lít trong năm 2012 Nguồn nguyên liệu để sản xuất bioethanol rất đadạng như hạt ngô (ở Mỹ), củ cải đường (ở Brazil, Ấn Độ), khoai lang, khoaimì… Tuy nhiên, đây không phải là những nguồn nguyên liệu tối ưu vì tốn

diện tích đất canh tác, gây ra các ảnh hưởng đối với môi trường (hiện tượngxói mòn đất) cũng như đây đang là những loại cây lương thực chính chongười và gia súc (Cui W và Cheng J.J, 2015).

Với những ưu điểm của mình (thực vật thủy sinh, tốc độ sinh trưởngnhanh, có thể phát triển được trong môi trường nước ô nhiễm, khả năng hấpthụ N, P cao, hàm lượng tinh bột nhiều…), Bèo tấm là một lựa chọn tiềmnăng làm nguồn nguyên liệu thay thế để sản xuất nhiên liệu sinh học Dướiđây là một số nghiên cứu về khả năng ứng dụng của Bèo tấm trong sản xuấtnhiên liệu sinh học:

Sử dụng bèo tấm để sản xuất bioethanol và biobutanol: Bèo tấm rất

dễ nuôi trồng, chỉ chứa một lượng rất nhỏ lignin, trong khi đó lại tích lũy cácthành phần cao năng lượng khác trong phần tinh bột dễ lên men (chiếm 40-70% tổng sinh khối) (Wang W and Messing J, 2015) Với các kỹ thuật nuôitrồng bèo tấm hiện nay, hàm lượng tinh bột được tổng hợp nhờ quá trìnhquang hợp là rất lớn, vì thế các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào việc hạn chếcác quá trình phân giải tinh bột (Cui W và Cheng J.J, 2015)

Các nghiên cứu chính bao gồm:

(1) Sự thiếu hụt P, K và N là nguyên nhân làm giảm quá trình dị hóa, từ

đó gia tăng hàm lượng tinh bột tích lũy trong cây Năm 2009, Cheng vàStomp đã nghiên cứu và thấy rằng khi cấy chuyển Bèo tấm từ môi trườnggiàu dinh dưỡng sang môi trường chỉ có nước máy thì hàm lượng tinh bột tích

lũy trong S polyrhiza tăng lên từ 20-45,8% sau 5 ngày;

(2) Năm 2011, Cui và cộng sự đã công bố điều kiện nhiệt độ thấp và thờigian chiếu sáng kéo dài sẽ gia tăng sự tích lũy tinh bột ở S polyrhiza Cụ thể,khi nhiệt độ ban ngày không thay đổi thì nhiệt độ thấp vào ban đêm sẽ kíchthích sự tích lũy tinh bột Ngược lại, hàm lượng tinh bột không khác biệttrong điều kiện thay đổi nhiệt độ ban ngày và giữ nguyên nhiệt độ ban đêm;

(3) Năm 1976, McLaren và Smith đã nghiên cứu và thấy rằng: sau 6ngày nuôi cấy L minor trong môi trường có mặt 10-6M ABA thì trọng lượngtươi giảm 60% nhưng sinh khối khô tăng 220% và tinh bột trong sinh khốikhô tăng gần 500%.

Su và cộng sự (2014) đã chỉ ra rằng Bèo tấm là một cơ chất có tiềm năngtrong quá trình lên men vì dưới tác động của nấm men chúng không nhữngđược chuyển hóa thành ethanol mà còn tạo ra các alcohol cao năng lượngkhác để sản xuất nhiên liệu sinh học

Bên cạnh đó, việc thử nghiệm sản xuất sinh khối trên quy mô lớn cũng

đã được thực hiện Năm 2011, Cui và cs đã xây dựng hệ thống nuôi và thusinh khối Bèo tấm đầu tiên để sản xuất ethanol tại North Carolina, Mỹ Năm

2012, Farrell đã nuôi Bèo tấm trong một đầm rộng 23 ha và thấy rằngtrongđiều kiện thiếu dinh dưỡng thì hàm lượng tinh bột gia tăng từ >10% lên đếntrung bình 19% Các yếu tố chính cần quan tâm khi nuôi trồng là: mật độ Bèo,thời gian thu hoạch và bổ sung dinh dưỡng

Sử dụng Bèo tấm để sản xuất khí sinh học (biogas): sử dụng quá trình

lên men kỵ khí các chất thải nông nghiệp và chăn nuôi để sản xuất khí sinhhọc đã được nghiên cứu từ nhiều năm nay Năm 1996, Clack đã thấy rằng bổsung thêm Bèo tấm trong giá thể lên men đã làm gia tăng đáng kể lượng khísinh học tạo ra (hơn 44% so với đối chứng) Triscari và cộng sự cho thấy chỉcần bổ sung 0,5-2,0% Bèo tấm thì tổng lượng khí sinh học và methanol giatăng rất lớn, nhưng nếu bổ sung hơn 2% thì sự gia tăng không còn tiếp tục.Nghiên cứu tiếp theo của Huang và cộng sự (2013) cũng tiếp tục khẳng địnhvai trò của bèo tấm trong quá trình lên men tạo biogas Trong nghiên cứu củamình, Cu T.T.T và cộng sự (2015) đã tiến hành đề tài khảo sát sự hình thànhbiogas từ các nguồn nguyên liệu phổ biến tại Việt Nam: phân gia súc, chất

thải lò mổ, phế phụ phẩm nông nghiệp… Kết quả nghiên cứu cho thấy,S.

polyrhiza cho hàm lượng CH4 (340 l/kg) cao hơn so với cỏ (220 l/kg) và rau

muống (110,6 l/kg)

 Xử lý nước thải

Nước là một nguồn tài nguyên thiên nhiên có hạn, trong khi đó nhu cầu

về nước phục vụ cho con người và sản xuất nông nghiệp ngày càng tăng Bêncạnh đó, việc sử dụng quá mức phân bón và thuốc bảo vệ thực vật trong sảnxuất nông nghiệp đã dẫn đến tình trạng ô nhiễm nguồn nước ngầm Thựctrạng thiếu hụt nguồn nước sạch sinh hoạt đã và đang trực tiếp ảnh hưởng đếnhơn 1 tỷ người trên toàn thế giới Việc sử dụng một số loài thực vật thủy sinh

có khả năng hấp thụ và chuyển hóa các chất trong nước thải được xem như làliệu pháp sinh học có nhiều hứa hẹn để giải quyết vấn đề ô nhiễm nước thải

và tái sử dụng nguồn nước này (Muradov N và cs ,2014)

Do có khả năng sinh trưởng trong môi trường nước thiếu oxy và hấp thụcác chất dinh dưỡng cần thiết như PO43- và NO3- nên Bèo tấm được sử dụng

có hiệu quả cho việc xử lý nước thải Vì thế, đây là loài thực vật được sử dụngtrong các phương pháp phân tích sinh học để đánh giá chất lượng nước, để xử

lý các loại nước thải bị nhiễm kim loại nặng (Appenroth K.J Crawford D.J vàLes D.H,2015)

Việc tích tụ các kim loại nặng là một vấn đề đáng quan tâm trong xử lýnước thải Tất cả các loài Bèo tấm đều có khả năng hấp thụ và tích lũy trong

cơ thể một hàm lượng rất cao các kim loại nặng như Cd, Cr, Pb… Vì thế,chúng có tiềm năng to lớn trong việc sử dụng để xử lý các nguồn nước thảihoặc các khu vực bị ô nhiễm bởi kim loại nặng như công nghệ thuộc da, hầmmỏ… để hạn chế tối đa sự có mặt của các kim loại này trong chuỗi thức ăn.Theo nhiều công bố thì bèo tấm có khả năng hấp thụ được Cd, N, Cr, Zn, Sr,

Co, Fe, Mn, Cu, Pb, Al và thậm chí là Au (FAO,1999) Khả năng hấp thụ Fecủa L minor đã mở ra triển vọng cho việc sử dụng bèo tấm để giải quyết hiệntượng nước nhiễm Fe ở những khu vực mỏ than bỏ hoang (Teixeira S vàcs,2014), Bên cạnh đó, loài này còn có khả năng hấp thụ Bo, As, Cd, Cu và

Si L gibba cũng là loài phù hợp để sử dụng trong xử lý nước thải sinh hoạt,

đồng thời chúng còn có hàm lượng protein và carbonhydrate cao, phù hợp chosản xuất nhiên liệu sinh học (Verma R và Suthar S,2014).

Zhao và cộng sự (2015) đã so sánh tiềm năng ứng dụng của 4 dòng bèotấm thuộc 4 chi khác nhau để xử lý nước thải trong các pilot thử nghiệm trongvòng hơn 1 năm Kết quả nghiên cứu cho thấy, các dòng bèo tấm có những ưuđiểm riêng rất khác biệt:

(1) Lemna japonica 0223 và Landoltia punctata 0224 sinh trưởng quanh năm, trong khi S polyrhiza 0225 và Wolffia globosa 0222 lại không sống sót

trong điều kiện lạnh;

(2) L japonica 0223 có sinh khối khô, hàm lượng protein thô, amino acid tổng

số và phốt pho là cao nhất, khả năng tích lũy N và P tổng số cũng rất cao;

(3) Trong điều kiện nghèo dinh dưỡng thì L punctata 0224 có hàm

lượng tinh bột, sinh khối khô và khả năng tích lũy tinh bột là cao nhất;

(4) S polyrhiza 0225 và W globosa 0222 có tỷ lệ và hàm lượng

flavonoid tổng số cao Vì thế, dựa trên kết quả của nghiên cứu này, có thể lựachọn các dòng bèo tấm phù hợp cho mục đích sản xuất

Ví dụ: L japonica 0223 là dòng có khả năng xử lý nước thải và sản suất sinh khối tốt nhất, trong khi L punctata 0224 lại là đối tượng thích hợp để sản

xuất tinh bột

Nguồn thực phẩm cho con người và thức ăn chăn nuôi

Vì có hàm lượng N, P, K cũng như một số chất khoáng và protein cao,Bèo tấm được nuôi trồng để cung cấp nguồn dinh dưỡng quan trọng trongkhẩu phần ăn của lợn, cá và gia cầm (FAO, 1999) Các thử nghiệm cho thấy,bèo tấm có thể được sử dụng thay thế cho đậu nành và cá trong khẩu phần ăncủa cả gà trống, gà mái và gà con Gà mái sử dụng 40% bèo tấm trong khẩuphần hàng ngày cho trứng nhiều hơn với chất lượng tốt hơn.( Skillicorn P vàcs,1993)

1.3 Phương pháp thử nghiệm độc tính của kim loại đối với thủy sinh vật

1.3.1 Nguyên lý của phương pháp thử nghiệm độc tính

Theo Lê Quốc Tuấn (2010), độc chất học môi trường là ngành khoahọc nghiên cứu “số phận” và ảnh hưởng của các hóa chất trong môi trường.Độc chất học môi trường có thể chia ra thành 2 chuyên ngành: độc chất họcsức khỏe môi trường và đôck chất học sinh thái Trong đó, độc học sinh tháiliên quan đến ngành nghiên cứu ảnh hưởng của độc chất lên nhiều loại sinhvật cấu thành nên hệ sinh thái từ vi sinh vật cho đến động vật ăn thịt Để đánhgiá ảnh hưởng của hóa chất trong môi trường cần phải sử dụng kiến thứcchuyên ngành của nhiều ngành khoa học khác nhau Mục đích cuối cùng củanhững đánh giá này là giải thích ảnh hưởng của hóa chất có mặt trong môitrường (đánh giá quá khứ nguy hại) và dự đoán ảnh hưởng của các hóa chấttrước khi chúng được thải vào môi trường (đánh giá tiềm năng nguy hại) Hóachất gây nên các mối nguy hiểm cho môi trường thường có 3 đặc điểm sau:bền vững trong môi trường, dễ tích lũy trong cơ thể và độc tính cao

Mối quan hệ giữa liều lượng của một hợp chất và độc tính của hợp chất

là vấn đề quan trọng nhất trong độc học hoặc độc chất môi trường Paracelsus(1493-1541) – người đặt nền tảng cho độc học là người đã mô tả mối quan hệnày, khi đó, ông viết: “ Mọi hóa chất đều có tính độc, không có chất nàokhông độc Một liều lượng đúng sẽ phân biệt một chất độc với một loạithuốc”, và đó là nguyên tắc của độc học để đánh giá mức độ độc, sử dụngmột công cụ gọi là dấu hiệu sinh học (biomarker) bao gồm các dạng:

+ Phơi nhiễm (Exposure) sử dụng những biểu hiện của sinh vật khi tiếpxúc với hóa chất (từ không khí, nước, dược phẩm, thức ăn ) khi đó, nhữngbiểu hiện này có thể là sự thay đổi trong thành phần hóa học của máu, của tếbào Nghiên cứu dạng này sử dụng kết quả thống kê trong tự nhiên ( ví dụ đốitượng là con người) tuy nhiên nghiên cứu ảnh hưởng tới con người hoặc sinhvật trong môi trường Nghiên cứu này sử dụng đồng thời nồng độ trong cơ thể

và nồng độ trong môi trường phơi nhiễm

+ Đáp ứng ( Response) sử dụng những biểu hiện bên ngoài của sinh vậtkhi bị ảnh hưởng bởi hóa chất (từ sự thay đổi sinh lý, hành vi cho tới bị bệnh).

Do đó, có rất nhiều loại biểu hiện cần được liệt kê và xác định trong nghiêncứu (ví dụ: tăng hoặc giảm chức năng enzym, chức năng trao đổi chất, cấutrúc và hình thái tế bào, bệnh học, )

+ Mẫn cảm (Susceptibitily) sử dụng sự thay đổi về nồng độ của cácenzyme hoặc chuyển trạng thái của các enzyme Ngoài ra, thuật ngữ này cònxác định bằng phản ứng của cả quần thể ( thay vì một cá thể)

Trước tiên cần thảo luận rõ ràng về biểu hiện của chất độc đến sinh vậtbao gồm: biểu hiện hóa sinh, biểu hiện sinh lý và biểu hiện bệnh lý sau đâygọi chung là các biểu hiện sẽ gia tăng khi liều lượng gia tăng Tuy nhiên, đốivới phần lớn các chất độc không phải tất cả các sinh vật đều có biểu hiệngiống nhau hoặc tất cả các cơ quan của sinh vật đều có biểu hiện giống nhau

Ở một cá thể hoặc một cơ quan được theo dõi ảnh hưởng của chất độc là cóhoặc không (được xác định bằng xác suất xuất hiện của sự kiện biểu hiện) do

đó cũng gọi là đáp ứng hữu hạn (quantal) Trong trường hợp này, sự tăng liềulượng đồng nghĩa với việc tăng tỷ lệ sinh vật thử nghiệm thể hiện phản ứng

a Độc cấp tính

Độc cấp tính được định nghĩa là độc tính diễn ra trong thời gian phơinhiễm ngắn Độc cấp tính trong môi trường thường liên quan đến tai nạn (vídụ: sự rò rỉ của hóa chất vào trong một con sông do tai nạn của một tàu chở hóachất) hoặc sự bất cẩn trong việc sử dụng hóa chất (ví dụ: sự phun hóa chất củacác máy bay nhưng không đúng mục tiêu) Các giới hạn xả thải được đưa radựa vào chất thải công nghiệp hoặc chất thải sinh hoạt, khi được tuân thủ,thường thành công trong việc bảo vệ sinh vật trong các vùng tiếp nhận khỏi bịđộc tính cấp

Độc cấp tính của các chất môi trường được xác định qua thí nghiệm với

sự lựa chọn các loài đại diện trong hệ thống sinh thái (ví dụ: động vật có vú,

chim,cá, động vật không xương sống, thực vật có mạch, tảo Cụ thể, USEPAyêu cầu các kiểm nghiệm độc cấp tính với ít nhất 8 loài nước ngọt và nướcmặn khác nhau (16 kiểm nghiệm) bao gồm cá, động vật không xương sống,

và thực vật khi thành lập các tiêu chuẩn về một chất nào đó trong môi trườngnước Sinh vật thử nghiệm được lưu trong môi trường hoặc tiếp xúc ngắn hạnvới chất độc có nồng độ khác nhau, thời gian lưu có thể là 24h, 48h, 96h tùytừng loại

b Độc mãn tính

Độc mãn tính được định nghĩa như là độc tính do kết quả của sự phơinhiễm lâu dài của sinh vật đối với một độc chất nào đó Độc tính lâu dàithường liên quan đến các quá trình sinh sản, đột biến, nội tiết và rối loạn chứcnăng phát triển Tuy nhiên, phơi nhiễm mãn tính cũng có thể dẫn đến cái chếttrực tiếp không quan sát được trong quá trình phơi nhiễm cấp tính Ví dụ,phơi nhiễm mãn tính xủa các chất ái lực cao với lipid có thể dẫn đến sự tíchlũy sinh hoăc chất đó đến nồng dộ có thể gây chết sinh vật Hoặc, sự dichuyển các chất độc có ái lực với lipid giữa các thành phần lipid trong quátrình sinh sản có thể dẫn đến cái chết Về lý thuyết, điều quan trọng là nhận rarằng tất cả các chất gây nên độc tính cấp ở một nồng độ đủ cao, thì hầu nhưkhông gây nên độc tính mãn tính

1.3.2 Phương pháp tiến hành thử nghiệm độc tính

Để tiến hành đánh giá độc tính của một chất độc chỉ định, tiến hành lựachọn sinh vật thử nghiệm Theo Lê Văn KHoa (2007), sinh vật thử nghiệmphải đảm bảo phần lớn các tiêu chí sau: phổ biến, thông dụng, rẻ tiền hoặc dễkiếm trong tự nhiên; có nhiều dẫn liệu về đặc diểm sinh lý, sinh sản tự nhiên;

có vòng đời ngắn

Thử nghiệm được tiến hành bằng tiếp xúc nhân tạo các chất độc, quansát các biểu hiện ngộ độc của sinh vật trong thời gian đó, đánh giá chi tiết sau

thời gian tiếp xúc chất độc (phản ứng sinh lý, hóa sinh) và sau đó lập đườngcong liề lượng – phản ứng, xác định các thong số đánh giá mức độ Trong đó:

Liều lượng: là đơn vị tiếp xúc của một hóa chất đối với sinh vật đượcbiểu diễn bằng nồng độc hoặc liều lượng tiếp xúc;

Nồng độ tiếp xúc: khối lượng/thể tích môi trường tiếp xúc;

Liều lượng tiếp xúc: khối lượng/trọng thể; khối lượng/diện tích bề mặttiếp xúc

Phản ứng: là biểu hiện của một hoặc một vài bộ phận hoặc toàn bộ cơthể sinh vật trước những chất gây kích thích;

Mối quan hệ giữa liều lượng và phản ứng: định lượng ảnh hưởng củaviệc tiếp xúc chất độc với những biểu hiện của sinh vật thử nghiệm

Để xác định độc cấp tính, một phương pháp thử nghiệm thông dụng làxây dựng một thí nghiệm mà một kết quả xác định (nghĩa là một phản hồi toànphần hay không: chết hay không ) được suy luận ra Mối quan hệ giữa nồng độchất thử và phần trăm cá thể bị ngộ độc được xác định và một đường cong ngộđộc gây chết sẽ được xác lập Kết quả của các thử nghiệm ngắn hạn cho thấyphần trăm cá thể sinh bị giết hay bất động trong nồng độ thử, và LC50, EC50được ghi nhận bằng quan sát, tính toán hay nội suy Các thử nghiệm độc cấptính của một chất được xác định được thông qua đánh giá các đại lượng LD,

LC, ED, EC Các đại lượng này được suy ra từ đường cong biểu diễn liềulượng và đáp ứng

- LD (Lethal Dose): liều lượng gây chết, đơn vị mg/kg

- LC (Lethal Concentration): Nồng độ gây chết, đơn vị mg/l

- ED (Effective Dose): liều lượng gây ảnh hưởng, mg/kg

- EC (Effective Concentration): nồng độ gây ảnh hưởng, mg/l

Từ đồ thị ví dụ trên cho ta thấy đường cong đáp ứng với trục tung biểu diễn %đáp ứng gây chết, trục hoành biểu diễn liều lượng Từ đường cong đáp ứng tasuy ra được liều lượng gây chết là LD50=100mg/kg Thông thường các đại

lượng này đi kèm với các thong số: thời gian thí nghiệm, sinh vật được sửdụng trong thí nghiệm, phần trăm (%) đáp ứng Trong đó: thời gian phơinhiễm chất độc là 24h, 48h 96h; phần trăm đáp ứng có thể lấy ở các mức 0%,10%, 50%, 90%, 99% Tuy nhiên trong các giá trị này thì mức 50% được sửdụng nhiều nhất.

Ngoài các tiêu chí đánh giá trên một số khái niệm khác cũng được sửdụng trong các thử nghiệm độc tính bao gồm có : IC50 (inhibitoryconcentration) và TC50 (Toxic Concentration) là nồng độ gây ức chế và gâyngộ độc 50% sinh vật thử nghiệm

1.3.3 Hiện trạng thử nghiệm độc tính của kim loại nặng

Trên thế giới tính đến hiện nay đã nhiều nghiên cứu đánh giá trên độngthực vật đối với độc tính của các kim loại nặng như kim loại Cadimi, Đồng,Kẽm, Chì,… Tuy nhiên, do đặc trưng của các nghiên cứu này đề đánh giá ảnhhưởng của nồng độ kim loại và tiếp xúc kim loại đối với con người nên kếtquả của các nghiên cứu này chủ yếu là chỉ ra giá trị Liều gây chết 50% sinhvật thử nghiệm của các kim loại trên Nghiên cứu cũng chú trọng đến các sinhvật bậc cao (lớp thú) như chuột nhắt, chuột đồng, thỏ, lợn, chó, linh trưởng…

Trong đó, kết quả nghiên cứu và tổng hợp của các tổ chức y tế khá đầy

đủ về mức độ của các kim loại trong nghiên cứu này với động vật bậc cao Ví

dụ, tổ chức kiểm soát và phòng ngừa bệnh dịch (CDC) tổng hợp lại rằng vớinồng độc Cadimi trong bảng khi vào trong cơ thể động vật rất độc và chúng

có thể gây chết 50% số động vật thử nghiệm chỉ sau vài phút Từ đó, cũng cónhiều phép nội suy cho phép tính nồng độ gây độc và nồng độ an toàn của Cdtrong nước đối với các sinh vật thử nghiệm

Hiện nay, phần lớn các nghiên cứu tập trung về đánh giá độ độc tínhcủa kim loại nặng đến sức khỏe, vì vậy đối tượng thử nghiệm thường là cácloài trên cạn Do đó, giá trị LD50 thường được xác định hon so với LC50( thiên về các nghiên cứu độc chất sinh thái)

Thử nghiệm độc tính trong môi trường nước đối với các chất độc nóichung và kim loại nặng nói riêng được tiến hành rất nhiều từ những năm 1960

và đã đem lại nhiều thành tựu đáng kể Các sinh vật thử nghiệm thường được

sử dụng là vi khuẩn lam, bèo hoa dâu ( đối với thực vật) daphnia, cá, lưỡngcư… (đối với động vật) Nhiều tổ chức trên thế giới cũng đã công bố thủ tụcthử nghiệm đối với các loại sinh vật này (ASTM, OECD, USEPA)

Chương 2 ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng sinh vật thử nghiệm là loài Bèo Tấm (Lemna gibba L.)

được thu nhập tại các thủy vực không nhận bất kì nguồn thải công nghiệpnào Các cá thể ở giai đoạn trưởng thành, khoẻ mạnh, có kích thước đồng đều,được để ổn định bằng cách nuôi trong môi trường nuôi cấy Bèo Tấm(Hoagland-Arnon, 1950) hai ngày trước khi thử nghiệm

- Đối tượng hóa chất là các muối kim loại Cu2+, Zn2+, Cd2+ sử dụng dạng:

+ CuSO4.5H2O+ 3CdSO4.8H2O+ ZnSO4.7H2O

- Phạm vi nghiên cứu: Thử nghiệm độc cấp tính trên quy mô phòng thínghiệm với thời gian 4 ngày; Thử nghiệm mãn tính trên quy mô phòng thínghiệm với thời gian 30 ngày

2.2 Nội dung nghiên cứu

- Đánh giá ảnh hưởng cấp tính và mãn tính của các kim loại Đồng,

Kẽm, Cadimi đến bèo tấm (Lemna gibba L.)

- Xác định mức độ tích lũy các kim loại Đồng , Kẽm , Cadimi trên

Bèo tấm (Lemnagibba L.)

2.3 Phương pháp nghiên cứu

2.3.1 Thí nghiệm 1: thí nghiệm độc cấp tính

a Phương pháp bố trí thí nghiệm

- Bèo tấm sau khi thu thập ngoài thủy vực về được nuôi trong môi trườngdinh dưỡng nhân tạo theo bảng 2.1

Bảng 2.1: Môi trường nuôi cấy Bèo tấm Hoagland-arnon

Bảng 2.2: Dãy thí nghiệm độc tính của các kim loại nặng

đối với Bèo tấm.

- Các điều kiện thí nghiệm chung:

 Thí nghiệm được tiến hành với điều kiện: chế độ chiếu sáng vàcường độ ánh sáng tự nhiên; thoáng khí

 Thể tích thí nghiệm: 1 lít môi trường trong 1 ô thí nghiệm

 Số lần lặp lại: 3 lần

b Phương pháp đánh giá kết quả

- Theo dõi các chỉ tiêu

 Kích thước lá: sử dụng thước đo vật lý, đo khoảng rộng nhất trênmột cây Mỗi mẫu chọn bất kì 10 cây, đo rồi lấy số liệu chung bình