Đánh giá chất lượng và độc tính của nước mặt thuộc 05 hệ thống kênh rạch nội thành, tp hồ chí minh sử dụng vi khuẩn nitrosomonas stercoris

Bên cạnh đó, việc đánh giá sẽ giúp xác định được mối quan hệ, sự tương quan giữa các thông số hóa lý, kim loại nặng và vi sinh với độc học của nước từ đó giúp giảm thiểu chi phí trong vi

-

TRỊNH TRỌNG NGUYỄN

ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG VÀ ĐỘC TÍNH CỦA NƯỚC MẶT THUỘC 05 HỆ THỐNG KÊNH RẠCH NỘI THÀNH, TP HỒ CHÍ MINH SỬ DỤNG

VI KHUẨN NITROSOMONAS STERCORIS

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường

Mã số ngành: 60520320

TP.HCM, tháng 10 năm 2017

-

TRỊNH TRỌNG NGUYỄN

ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG VÀ ĐỘC TÍNH CỦA NƯỚC MẶT THUỘC 05 HỆ THỐNG KÊNH RẠCH NỘI THÀNH, TP HỒ CHÍ MINH SỬ DỤNG

VI KHUẨN NITROSOMONAS STERCORIS

LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường

Mã số ngành: 60520320

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS THÁI VĂN NAM

TP.HCM, tháng 10 năm 2017

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Thái Văn Nam

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP.HCM, ngày 08 tháng 10 năm 2017

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn

PHÒNG QLKH – ĐTSĐH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

TP.HCM, ngày 18 tháng 10 năm 2017

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Trịnh Trọng Nguyễn Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 27/08/1993 Nơi sinh: Cà Mau

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Môi Trường MSHV: 1541810032

I- Tên đề tài: Đánh giá chất lượng và độc tính của nước mặt thuộc 05 hệ thống kênh

rạch nội thành, TP.HCM sử dụng vi khuẩn nitrosomonas stercoris

II- Nhiệm vụ và nội dung:

1 Tổng hợp các tài liệu có liên quan

2 Khảo sát, điều tra thực địa và lấy mẫu tại khu vực nghiên cứu

3 Đánh giá diễn biến chất lượng nước kênh và xây dựng chỉ số chất lượng nước WQI

4 Thử nghiêm độc học và đánh giá độc tính nguồn nước

5 Đánh giá mối tương quan giữa độc tính nguồn nước với các thông số lý hóa

6 Đánh giá mức độ ô nhiễm của môi trường nước trên hệ thống kênh rạch nội thành

III- Ngày giao nhiệm vụ: ngày 15 tháng 02 năm 2017

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: ngày 15 tháng 08 năm 2017

V- Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Thái Văn Nam

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực, chưa từng được ai công bố trong bất

kỳ công trình nào khác và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

Tôi xin chịu mọi trách nhiệm trước Hội đồng đánh giá và nhà trước nếu như có phát hiện những điều không đúng như cam đoan

Học viên thực hiện

(Ký và ghi rõ họ tên)

Trịnh Trọng Nguyễn

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này cho phép tôi gửi lời cảm ơn đến Trường Đại học Công nghệ TP.HCM, Viện Công nghệ cao HUTECH, Khoa Công nghệ Sinh học – Thực phẩm – Môi trường (HUTECH) đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi thực luận văn này Đặc biệt, tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc đến PGS.TS Thái Văn Nam đã trực tiếp hướng dẫn và làm cố vấn cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn

Bên cạnh đó, tôi xin gửi lời cảm ơn đến Thầy Nguyễn Trung Dũng và 06 bạn sinh viên: Lê Dương Ngọc Phú, Nguyễn Thị Cẩm Tú, Lê Thị Kiều Dung, Nguyễn Tường Vy (HUTECH), Mạch Hoài Hương và Lê Văn Trị (Trường Đại học Hồng Bàng) đã hỗ trợ tôi trong suốt quá trình điều tra, khảo sát, lấy mẫu và phân tích mẫu Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè người thân và gia đình tôi đã giúp đỡ và động viên tôi, giúp tôi vượt qua những khó khăn trong suốt quá trình thực hiện luận văn này

Do thời gian thực hiện luận văn có hạn và những hạn chế về kinh nghiệm, do

đó các kết quả thực hiện luận văn này sẽ không thể tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế nhất định Vì vậy, tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến từ các quý thầy cô

để giúp tôi có thể hoàn thành tốt luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn

Học viên thực hiện

(Ký và ghi rõ họ tên)

Trịnh Trọng Nguyễn

TÓM TẮT

Hệ thống kênh rạch nội thành TP.HCM đóng một vai trò rất quan trọng trong việc tiếp nhận các loại nước thải đô thị, công nghiệp và sinh hoạt Điều này đã dẫn đến tình trạng suy giảm chất lượng nước ở các hệ thống kênh này Việc đánh giá các nguy cơ độc học đối với hệ sinh thái đang trở thành một vấn đề đang được quan tâm

ở nước ta Nghiên cứu này tập trung đánh giá chất lượng nước và độc tính của 05 hệ thống kênh rạch nội thành TP.HCM bao gồm: Kênh Nhiêu Lộc – Thị Nghè (NL-TN), Kênh Đôi – Kênh Tẻ (KĐ-KT), Tàu Hủ – Bến Nghé (TH-BN), Tân Hóa – Lò Gốm (TH-LG) và Tham Lương – Bến Cát – Rạch Nước Lên – Vàm Thuật (TL-BC-RNL- VT) Độc tính nguồn nước tại các hệ thống kênh rạch được xác định dựa trên sự ức chế quá trình hô hấp của vi khuẩn nitrat hóa (vi khuẩn Nitrosomonas stercoris) Ngoài ra, nghiên cứu cũng tiến hành đánh giá diễn biến chất lượng nước kênh thông qua các thông số lý hóa, kim loại nặng (Cu, Pb, Cr, Cd và As) và chỉ số chất lượng nước WQI; đánh giá mối tương quan giữa các thông số hóa lý với độc tính nguồn nước kênh Các kết quả nghiên cứu cho thấy nguồn nước kênh rạch có giá trị pH nằm trong quy chuẩn cho phép (từ 5,5 đến 9); kênh TH-LG và TL-BC (trừ Cầu AL) có hàm lượng TSS vượt quy chuẩn cho phép (TSS>100 mg/l); các hệ thống kênh rạch

có dấu hiệu ô nhiễm hữu cơ thể hiện qua hàm lượng TOC cao (từ 13,40-213,33 mg/l khi triều lên và 14,07-246,33 mg/l khi triều xuống) và DO thấp (0,22-5,14 mg/l khi triều lên và 0,0-5,25 mg/l khi triều xuống); các lưu vực kênh có dấu hiệu ô nhiễm amoni (từ 0,04-22,9 mg/l khi triều lên và 0,08-28,96 mg/l khi triều xuống) và phosphat (từ 0,19-6,06 mg/l khi triều lên và 0,56-9,24 mg/l khi triều xuống) Bên cạnh đó, các

vị trí Cầu Kênh Tẻ, Nhị Thiên Đường và Phạm Văn Chí có hàm lượng Cd vượt giới hạn cho phép từ 2,15 đến 17,44 lần Chỉ số WQI dao động từ 3,7 đến 62 ở thời điểm triều lên và từ 2,9 đến 15,8 ở thời điểm triều xuống Quan trọng nhất là giá trị độc tính dao động từ 0,0-76,46% ở thời điểm triều lên, từ 0,0-82,32% ở thời điểm triều xuống và có mối tương quan cao nhất với thông số amoni, chỉ số tương quan nằm trong khoảng -0,137 đến 0,887.

ABSTRACT

The inner canals system of HCMC plays a important role in receiving the types

of urban wastewater, industrial and domestic sewage This has led to the degradation

of water quality in these canals system Assessment of ecotoxicity is becoming a matter of concern in Vietnam This research focuses on assessesing water quality and aquatic toxicology of five inner canals system in Ho Chi Minh City, i.e, Nhieu Loc - Thi Nghe (NL-TN), Doi - Te (KĐ-KT), Tau Hu - Ben Nghe (TH-BN), Tan Hoa - Lo Gom (TH-LG) and Tham Luong - Ben Cat (TL-BC) canals Toxicity of water source

in canals system was determined by inhibition of respiratory of nitrifying bacteria (Nitrosomonas stercoris) In addition, the study also evaluated the evolution of canals water quality through physicochemical parameters, heavy metals (Cu, Pb, Cr, Cd and As) and Water Quality Index (WQI); then assessed correlations between physiochemical parameters and aquatic toxicology The results show that the inner canals system of HCMC has pH value within limits (from 5.5-9); TH-LG and TL-BC canals system has TSS content exceeds the allowed standards (TSS>100 mg/l); canals system has sign of organic pollution through high TOC contents (from 13.40 to 213.33 mg/l in tide-up time and from 14.07 to 246.33 mg/l in tide-down time) and low

DO contents (from 0.22 to 5.14 mg/l and from 0.0-5.25 respectively); ammonia pollution (from 0.04 to 22.9 mg/l in tide-up time and from 0.08 to 28,96 mg/l in tide- down time) and phosphate pollution (from 0.19 to 6.06 mg/l and 0.56-9.24 mg/l respectively) Besides that, positions at Kenh Te, Nhi Thien Duong and Pham Van Chi had Cd contents over the allowed standard from 2.15 to 17.44 times WQI index ranges from 3.7 to 62 and from 2.9 to 15.8 in tide-up and tide-down time Most important is toxicity values changing from 0.0 to 82.32% when tide-down time and has high correlation with ammonia, correlation index from -0.137 to 0.887.

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT iii

ABSTRACT iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ix

DANH MỤC HÌNH xi

DANH MỤC BẢNG xiii

DANH MỤC ĐỒ THỊ xiv

MỞ ĐẦU 1

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1

2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 3

2.1 Mục tiêu tổng quát 3

2.2 Mục tiêu cụ thể 3

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3

3.1 Đối tượng nghiên cứu 3

3.2 Phạm vi nghiên cứu 3

4 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN 4

4.1 Ý nghĩa khoa học 4

4.2 Ý nghĩa thực tiễn 4

5 TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 6

1.1 Cơ sở pháp lý về quan trắc chất lượng nước mặt 6

1.2 Các phương pháp đánh giá chất lượng nước mặt 6

1.2.1 Đánh giá chất lượng nước thao chỉ số chất lượng nước WQI 6

1.2.2 Đánh giá chất lượng nước bằng mô hình (SWAT) 9

1.3 Các phương pháp thử nghiệm độc học nước 10

1.3.1 Thử nghiệm độc cấp tính 10

1.3.2 Thử nghiệm độc mãn tính 11

1.3.3 Thử nghiệm độc tĩnh 13

1.3.4 Thử nghiệm độc động (liên tục) 14

1.4 Tổng quan về quá trình Nitrat hóa và vi khuẩn Nitrosomonas 14

1.4.1 Quá trình Nitrat hóa 14

1.4.2 Giới thiệu về vi khuẩn Nitrosomonas 15

1.4.3 Các nghiên cứu về Nitrosomonas stercoris trong chỉ thị mức độ ô nhiễm của môi trường 16

1.5 Các nghiên cứu liên quan về thử nghiệm độc tính nguồn nước 17

1.5.1 Các nghiên cứu trên thế giới 17

1.5.2 Các nghiên cứu trong nước 19

1.6 Các yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến chất lượng nước sông, kênh rạch khu vực nội thành TP.HCM 22

CHƯƠNG 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24

2.1 Nội dung nghiên cứu 24

2.2 Phương pháp nghiên cứu 25

2.2.1 Phương pháp lấy mẫu 25

2.2.2 Phương pháp phân tích các thông số lý, hóa 28

2.2.3 Phương pháp phân tích kim loại nặng 32

2.2.4 Phương pháp đánh giá tổng hợp chất lượng nước 32

2.2.5 Phương pháp thử nghiệm độc học 38

2.2.6 Phương pháp phân tích số liệu độc học 40

2.2.7 Phương pháp phân tích số liệu theo hệ số tương quan 41

2.2.8 Phương pháp xử lý số liệu 42

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 43

3.1 Kết quả khảo sát hiện trạng hệ thống kênh rạch nội thành TP.HCM 43

3.2 Diễn biến chất lượng nước của các hệ thống kênh 46

3.2.1 Nhóm các chỉ tiêu lý học 46

3.2.2 Nhóm chỉ tiêu ô nhiễm hữu cơ 54

3.2.3 Nhóm chỉ tiêu dinh dưỡng 65

3.2.4 Nhóm chỉ tiêu kim loại nặng 75

3.3 Đánh giá chất lượng nước dựa trên chỉ số chất lượng nước tổng hợp (WQI) 77

3.4 Đánh giá chất lượng nước dựa trên chỉ số độc học nước 82

3.4.1 Diễn biến độc tính nguồn nước 82

3.4.2 Đánh giá độc tính 86

3.5 Xác định chỉ số tương quan giữa thông số độc học và các thông số khác 89 3.6 Đề xuất một số giải pháp cải thiện chất lượng nước kênh rạch nội thành 95

3.6.1 Giải pháp chung 95

3.6.2 Giải pháp riêng cho từng lưu vực kênh 96

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 98

1 KẾT LUẬN 98

2 KIẾN NGHỊ 99

TÀI LIỆU THAM KHẢO i

1 TIẾNG VIỆT i

2 TIẾNG ANH iii

3 TRANG WEB iv

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

1 BOD Biological Oxygen Demand Nhu cầu oxy sinh học

3 COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa học

6 DOUR Dissolved Oxygen Uptake

Rate Tỉ lệ tiêu thụ oxy hòa tan

7 EC50 Effective Concentration 50 Nồng độ gây ảnh hưởng

10 IWWQ WasteWater Quality Index Chỉ số chất lượng nước thải

14 MDL Method Detection Limit Giới hạn phát hiện của

19 ORP Oxygen Reducton Potential Khả năng oxy hóa khử

20 OUR Oxygen Uptake Rate Tỉ lệ tiêu thụ oxy

21 PEEP Potential Ecotoxic Effects

23 QĐ Quyết định

28 TOC Total Organic Carbon Tổng các hợp chất hữu cơ

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Vi khuẩn giáp xác Daphnia magna 12

Hình 1.2: Sinh vật thí nghiệm C cornuta (A), D lumholtzi (B) và D magna (C) Thước đo có chiều dài = 200μm (hình A), 500μm (hình B), và 2000μm (hình C) 13

Hình1.3: Vi khuẩn Nitrosomonas 15

Hình 1.4: Các khuẩn lạc và hình thái học của vi khuẩn Nitrosomonas stercoris KYUHI-ST 16

Hình 2.1: Bản đồ vị trí các điểm lấy mẫu nước thuộc 05 hệ thống kênh rạch nội thành TP.HCM 27

Hình 2.2: Thiết bị quan trắc di động – Mobilab3 28

Hình 2.3: pH sensor 29

Hình 2.4: Thiết bị phân tích COD (Elox100) 29

Hình 2.5: Điện cực chọn lọc Ion NH3 30

Hình 2.6: Thiết bị AmMonitor 30

Hình 2.7: Đầu dò TSS 32

Hình 2.8: Thiết bị Turbimax 32

Hình 2.9: Thiết bị đo độc tính của nước - NitriTox 38

Hình 2.10: Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy NitriTox 39

Hình 2.11: Các giai đoạn tiêu thụ oxy của vi sinh vật 40

Hình 3.1: Sơ đồ hiện trạng chất lượng nước kênh rạch nội thành theo chỉ số WQI thời điểm triều lên 81

Hình 3.2: Sơ đồ hiện trạng chất lượng nước kênh rạch nội thành theo chỉ số WQI thời điểm triều xuống 81

Hình 3.3: Chỉ số chất lượng nước (WQI) tại 10 trạm quan trắc nước kênh rạch TP.HCM 82Hình 3.4: Bản đồ phân bố độc tính trung bình khi triều lên 88Hình 3.5: Bản đồ phân bố độc tính trung bình khi triều xuống 88

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Phân bố thời gian lấy mẫu 25

Bảng 2.2: Thống kê các vị trí lấy mẫu tại các hệ thống kênh rạch chính nội thành 26 Bảng 2.3: Các phương pháp phân tích chỉ tiêu lý, hóa 28

Bảng 2.4: Các phương pháp phân tích kim loại nặng trong nước 32

Bảng 2.5 Quy định các giá trị qi, BPi 34

Bảng 2.6 Bảng quy định các giá trị BPi và qi đối với DO% bão hòa 35

Bảng 2.7 Bảng quy định các giá trị BPi và qi đối với thông số pH 36

Bảng 2.8: Mức đánh giá chất lượng môi trường nước mặt 37

Bảng 2.9: Phân loại các giá trị tương quan 42

Bảng 3.1: Đặc điểm hệ thống kênh rạch nội thành TP.HCM 44

Bảng 3.2: Kết quả phân tích kim loại nặng ở các mẫu nước xuất hiện độc tính 75

Bảng 3.3: Thang xếp loại chỉ số độc tính nước 83

Bảng 3.4: Tổng hợp chỉ số tương quan giữa các thông số hóa lý và chỉ số độc học 90 Bảng 3.5: Các yếu tốt gây độc chính tại các lưu vực kênh 94

DANH MỤC ĐỒ THỊ

Đồ thị 3.1: Diễn biến pH khi triều lên 47

Đồ thị 3.2: Diễn biến pH khi triều xuống 48

Đồ thị 3.3: So sánh kết quả đo pH thời điểm triều lên từ năm 2013 – 2017 49

Đồ thị 3.4: So sánh kết quả đo pH thời điểm triều xuống từ năm 2013 – 2017 49

Đồ thị 3.5: Diễn biến TSS khi triều lên 51

Đồ thị 3.6: Diễn biến TSS khi triều xuống 52

Đồ thị 3.7: So sánh kết quả phân tích TSS thời điểm triều lên từ năm 2013 – 2017 53

Đồ thị 3.8: So sánh kết quả phân tích TSS thời điểm triều xuống từ 2013 – 2017 54

Đồ thị 3.9: Diễn biến TOC thời điểm triều lên 57

Đồ thị 3.10: Diễn biến TOC khi triều xuống 58

Đồ thị 3.11: Diễn biến DO khi triều lên 62

Đồ thị 3.12: Diễn biến DO khi triều xuống 63

Đồ thị 3.13: So sánh kết quả đo DO thời điểm triều lên từ năm 2013 – 2017 64

Đồ thị 3.14: So sánh kết quả đo DO thời điểm triều xuống từ năm 2013 – 2017 64

Đồ thị 3.15: Diễn biến Amoni khi triều lên 68

Đồ thị 3.16: Diễn biến Amoni khi triều xuống 69

Đồ thị 3.17: So sánh kết quả amoni thời điểm triều lên từ năm 2013 – 2017 70

Đồ thị 3.18: So sánh kết quả amoni thời điểm triều xuống từ năm 2013 – 2017 70

Đồ thị 3.19: Diễn biến Phosphat khi triều lên 72

Đồ thị 3.20: Diễn biến Phosphat khi triều xuống 73

Đồ thị 3.21: So sánh kết quả phosphat thời điểm triều lên từ năm 2013 – 2017 74

Đồ thị 3.22: So sánh kết quả phosphat thời điểm triều xuống từ năm 2013 – 2017 74 Đồ thị 3.23: Kết quả xây dựng chỉ số WQI thời điểm triều lên 79

Đồ thị 3.24: Kết quả xây dựng chỉ số WQI thời điểm triều xuống 80

Đồ thị 3.25: Diễn biến độc tính nước khi triều lên 84

Đồ thị 3.26 Diễn biến độc tính nước khi triều xuống 85

Đồ thị 3.27: Tương quan giữa các thông số lý hóa và chỉ số độc học ở thời điểm triều lên 92

Đồ thị 3.28: Tương quan giữa các thông số lý hóa và chỉ số độc học ở thời điểm triều xuống 93

MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

“Phấn đấu đến năm 2020 nước ta cơ bản trở thành một nước công nghiệp hoá theo hướng hiện đại” là mục tiêu công nghiệp hóa, hiện đại hóa của nước ta hiện nay [8] Trong đó, sự phát triển của các khu công nghiệp đã đóng góp đáng kể vào sự phát triển công nghiệp và chuyển dịch cơ cấu kinh tế [2], tạo thêm nhiều việc làm cho người lao động TP.HCM (TP.HCM) là địa phương đi đầu trong cả nước về phát triển công nghiệp [27], với hệ thống 15 khu chế xuất - khu công nghiệp, và theo quy hoạch đến năm 2020 thành phố sẽ có 24 khu chế xuất - khu công nghiệp với tổng diện tích đất được duyệt là 6.156,62 ha Sự phát triển công nghiệp kèm theo quá trình đô thị hóa tại TP.HCM đã cải thiện được cuộc sống của người dân Thành phố, với GDP bình quân đầu người ước tính đến cuối năm 2015 đạt 5.538 USD/người Tuy nhiên,

sự phát triển này đã tạo ra hàng loạt các vấn đề cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên, ô nhiễm và suy thoái chất lượng môi trường trên diện rộng Chẳng hạn như, dự án “phố trên sông” Đồng Nai có thể làm thay đổi dòng chảy gây ảnh hưởng đến việc khai thác nước thô cung cấp cho hệ thống cấp nước TP.HCM nói riêng và môi trường khu vực

hạ lưu nói chung [20]

Nhận thức được vấn đề suy thoái và bảo vệ môi trường, nhiều dự án liên quan đến vấn đề bảo vệ và cải tạo nguồn nước tại TP.HCM đã được tiến hành như: Dự án cái tạo kênh Nhiêu Lộc - Thị Nghè, kênh Tàu Hủ - Bến Nghé, kênh Tân Hóa - Lò Gốm và trong tương lai không xa các tuyến kênh Hồng Bàng (quận 6), Tham Lương

- Bến Cát - Rạch Nước Lên (quận Gò Vấp, Tân Bình, Tân Phú, Bình Tân và Quận 12) hay rạch Xuyên Tâm (Quận Bình Thạnh, Quận Gò Vấp), … cũng sẽ được cải tạo [26] Hiện trạng ô nhiễm đã và đang được TP.HCM quan trắc định kỳ với những chỉ tiêu thông dụng như lý, hóa, sinh và kim loại nặng tuy nhiên các yếu tố gây độc, cũng như nguyên nhân gây ra độc trong nước tại các hệ thống kênh rạch này vẫn chưa được quan tâm Theo kết quả nghiên cứu của Thái Văn Nam (2007), các chỉ tiêu hóa lý,

kim loại nặng tồn tại trong môi trường nước có sự tương quan mật thiết đối với độc tính của nước, sự tương quan này cho thấy độc tính của nước sẽ được quyết định bởi các thông số lý hóa, kim loại năng và vi sinh trong nước

Các phương pháp thử nghiệm độc học truyền thống hiện nay chủ yếu sử dụng các sinh vật thử nghiệm như giáp xác, vi khuẩn phát quang, một số loài cá, Các phương pháp thử nghiệm truyền thống này thường phải tốn khoảng thời gian dài để theo dõi kết quả Bên cạnh đó, phương pháp truyền thống cũng không đánh giá được diễn biến độc tính của nguồn nước Một trong những phương pháp thử nghiệm độc

học nhanh nhất hiện nay là phương pháp thử nghiệm với vi khuẩn Nitrosomonas stercoric [31, 36] với cơ chế độc tính dựa trên mức độ ức chế khả năng hô hấp của vi

khuẩn trong các mẫu nước Với thời gian thử nghiệm rất ngắn, phương pháp này có thể đánh giá được độc tính của nguồn nước một cách liên tục và tự động Phương pháp này cũng phù hợp với thời điểm hiện nay bởi xu thế kiểm soát chất lượng nước

tự động là nhu cầu thiết yếu trong giai đoạn này

Nghiên cứu này quan tâm đến hệ thống kênh rạch nội thành của TP.HCM, đây

là hệ thống tiếp nhận nguồn nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp của hơn 8 triệu dân Việc thải nước thải sinh hoạt và công nghiệp chưa qua xử lý vào hệ sinh thái nước đã và đang xảy ra hằng ngày trên các thủy vực của thành phố, gây ô nhiễm môi trường nước nghiêm trọng, liên quan đến các vấn đề về độc học sinh thái Yêu cầu xác định các thông số gây độc nguồn nước nhằm đánh giá khả năng gây độc cho

hệ sinh thái là cần thiết cho việc giảm thiểu và loại bỏ các chất gây độc và gây ô nhiễm cho hệ sinh thái nước Bên cạnh đó, việc đánh giá sẽ giúp xác định được mối quan hệ, sự tương quan giữa các thông số hóa lý, kim loại nặng và vi sinh với độc học của nước từ đó giúp giảm thiểu chi phí trong việc phải đo đạc cụ thể từng thông

số bởi độc tính của nước có thể suy ra trực tiếp từ các thông số trên nếu như đã có một hệ thống tiêu chí rõ ràng Ngoài ra, đánh giá chất lượng và độc tính cho hệ thống kênh rạch nội thành sẽ giúp đánh giá được chất lượng nước của các hệ thống kênh sau hàng loạt các dự án cải tạo các hệ thống kênh, từ đó có những giải pháp rõ ràng cho chính khu vực này

Vì vậy, việc Đánh giá chất lượng và độc tính của nước mặt thuộc 05 hệ thống kênh rạch nội thành, TP.HCM sử dụng vi khuẩn nitrosomonas stercoris

là vấn đề cần thiết cho thành phố hiện nay

2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI

2.1 Mục tiêu tổng quát

Nâng cao và cải thiện chất lượng nước và môi trường nước mặt hệ thống 5 kênh, rạch vùng nội thành, TP.HCM Đồng thời nâng cao nhận thức cộng đồng bảo vệ môi trường nước mặt hệ thống 5 kênh rạch nội thành nói riêng và hệ thống sông, kênh rạch TP.HCM nói chung

 So sánh mối tương quan giữa các chỉ số lý hóa với chỉ số độc học

 Xác định các thông số gây độc nguồn nước của 05 hệ thống kênh rạch nội thành TP.HCM

 Đề xuất giải pháp nâng cao, cải thiện chất lượng nước hệ thống kênh rạch vùng nội thành

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Trong nghiên cứu này, đối tượng nghiên cứu chính là các chỉ tiêu chất lượng nước và chỉ số độc học môi trường nước của 05 hệ thống kênh rạch nội thành TP.HCM

3.2 Phạm vi nghiên cứu

 Phạm vi của nghiên cứu chỉ tập trung nghiên cứu trên 05 hệ thống kênh rạch nội thành TP.HCM, bao gồm kênh Tàu Hủ - Bến Nghé, Nhiêu Lộc - Thị Nghè,

Tân Hóa - Lò Gốm, Tham Lương - Bến Cát – Rạch nước lên - Vàm Thuật (gọi tắt là Tham Lương – Bến Cát), Kênh Đôi - Kênh Tẻ

 Các chỉ tiêu chất lượng nước bao gồm các thông số lý hóa, vi sinh, kim loại nặng, chỉ số chất lượng nước tổng hợp WQI và chỉ số độc học

 Thời gian thực hiện nghiên cứu: 06 tháng

4 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

4.2 Ý nghĩa thực tiễn

Các số liệu nghiên cứu của đề tài sẽ cung cấp các dữ liệu quan trọng cho những nghiên cứu tiếp theo, đặc biệt là làm cơ sở so sánh về chất lượng nước cho các cơ quan chức năng có liên quan

5 TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI

Việc sử dụng sinh vật để đánh giá độc tính của nguồn nước được rất nhiều đề tài tiến hành, tuy nhiên việc các sinh vật được sử dụng chủ yếu là các loại vi khuẩn, tảo và các loài cá Các sinh vật thử nghiệm này thường cho kết quả phát hiện độc tính trong thời gian khá dài

Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng vi khuẩn Nitrosomonas stercoric có khả

năng đánh giá độc tính của nước trong thời gian ngắn, dựa trên tốc độ tiêu thụ oxy

của vi khuẩn Nitrosomonas stercoric trong nước

Ngoài ra, nghiên cứu này còn sử dụng thiết bị phân tích chất lượng nước di động (MobiLab3) trong việc phân tích nhanh các chỉ tiêu lý hóa và thử nghiệm độc học nước của các hệ thống kênh rạch

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Cơ sở pháp lý về quan trắc chất lượng nước mặt

 Thông tư số 29/2011/TT-BTNMT: Thông tư quy định quy trình kỹ thuật quan

trắc môi trường nước mặt lục địa;

 Thông tư số 21/2012/TT-BTNMT ngày 19/12/2012 của Bộ TN&MT hướng dẫn việc bảo đảm chất lượng và kiểm soát chất lượng trong quan trắc môi trường;

 Nghị định số 102/2008/NĐ-CP ngày 15 tháng 9 năm 2008 của Chính phủ về việc thu thập, quản lý, khai thác và sử dụng dữ liệu TN&MT;

 Thông tư số 43/2015/TT-BTNMT ngày 29/09/2015 của Bộ TN&MT quy định

về báo cáo hiện trạng môi trường, bộ chỉ thị môi trường và quản lý số liệu quan trắc môi trường;

 QCVN 08-MT:2015/BTNMT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt;

 TCVN 6663-1:2011 - Chất lượng nước - lấy mẫu - phần 1: Hướng dẫn lập chương trình lấy mẫu và kỹ thuật lấy mẫu;

 TCVN 6663-6 : 2008 - Chất lượng nước – lấy mẫu - phần 6: Hướng dẫn lấy mẫu ở sông và suối;

 TCVN 6663-3 : 2008 - Chất lượng nước - lấy mẫu - phần 3: Hướng dẫn bảo quản và xử lý mẫu

1.2 Các phương pháp đánh giá chất lượng nước mặt

1.2.1 Đánh giá chất lượng nước thao chỉ số chất lượng nước WQI

1.2.1.1 Khái quát về chỉ số WQI

Trước đây, ở Việt Nam và nhiều nước trên thế giới để đánh giá chất lượng nước (CLN), mức độ ô nhiễm nước sông, kênh, rạch, ao, hồ, đầm… người ta thường dựa vào việc phân tích các thông số CLN riêng biệt, sau đó so sánh giá trị từng thông số

đó với giá trị giới hạn được qui định trong các tiêu chuẩn/quy chuẩn trong nước hoặc quốc tế Tuy nhiên, cách làm này có rất nhiều các hạn chế như sau:

Thứ nhất, khi đánh giá qua từng thông số riêng biệt sẽ không nói lên diễn biến chất lượng tổng quát của con sông (hay đoạn sông), do vậy khó so sánh CLN từng vùng của một con sông, so sánh CLN của con sông này với con sông khác, CLN thời điểm này với thời điểm khác (theo tháng, theo mùa), CLN quá khứ, hiện tại và tương lai… Vì thế, sẽ gây khó khăn cho công tác theo dõi, giám sát diễn biến CLN, khó đánh giá hiệu quả đầu tư để bảo vệ nguồn nước và kiểm soát ô nhiễm nước…

Thứ hai, khi đánh giá chất lượng nước qua các thông số riêng biệt, khi đó có thể

có thông số đạt, thông số vượt, điều đó chỉ nói lên CLN đối với từng thông số riêng biệt Do đó, chỉ các nhà khoa học hoặc các nhà chuyên môn mới hiểu được Vì vậy, khó thông tin về tình hình CLN cho cộng đồng dân chúng, gây khó khăn khi các nhà quản lý đưa ra các quyết định phù hợp về bảo vệ, khai thác nguồn nước…

Để khắc phục khó khăn trên, cần phải có một hoặc một hệ thống chỉ số cho phép lượng hoá được CLN (nghĩa là biểu diễn CLN theo một thang điểm thống nhất), có khả năng mô tả tác động tổng hợp của nồng độ nhiều thành phần hoá – lý – sinh trong nguồn nước Một trong số chỉ số đó là chỉ số chất lượng nước (Water Quality Index

- WQI)

WQI được xuất hiện đầu tiên ở Mỹ vào thập niên 70 và hiện đang được áp dụng rộng rãi ở nhiều bang Hiện nay, chỉ số WQI được triển khai nghiên cứu và sử dụng rộng rãi ở nhiều quốc gia như Ấn Độ, Canada, Chilê, Anh, Đài Loan, Úc, Malaysia…Một trong những bộ chỉ số nổi tiếng, được áp dụng rộng rãi trên thế giới

là bộ chỉ số WQI-NSF của Quỹ vệ sinh Quốc gia Mỹ NSF (National Sanitation Foundation - Water Quality Index) Tại Việt Nam đã có nhiều nghiên cứu đề xuất và

áp dụng về bộ chỉ số CLN như các WQI-2 và WQI-4 được sử dụng để đánh giá số liệu CLN trên sông Sài Gòn tại Phú Cường, Bình Phước và Phú An trong thời gian

từ 2003 đến 2007

Hiện nay, để thống nhất cách tính toán chỉ số CLN, tháng 07 năm 2011, Tổng cục Môi trường đã chính thức ban hành Sổ tay hướng dẫn kỹ thuật tính toán chỉ số chất lượng nước theo Quyết định số 879/QĐ-TCMT ngày 01 tháng 07 năm 2011 của Tổng cục trưởng Tổng cục Môi trường Theo Quyết định chỉ số CLN được áp đối với

số liệu quan trắc môi trường nước mặt lục địa và áp dụng đối với cơ quan quản lý nhà nước về môi trường, các tổ chức, cá nhân có tham gia vào mạng lưới quan trắc môi trường và tham gia vào việc công bố thông tin về chất lượng môi trường cho cộng đồng Theo hướng dẫn Chỉ số chất lượng nước (viết tắt là WQI) là một chỉ số được tính toán từ các thông số quan trắc chất lượng nước, dùng để mô tả định lượng về chất lượng nước và khả năng sử dụng của nguồn nước đó; được biểu diễn qua một thang điểm WQI thông số (viết tắt là WQISI) là chỉ số chất lượng nước tính toán cho mỗi thông số

1.2.1.2 Mục đích của việc áp dụng WQI

+ Đánh giá nhanh chất lượng nước mặt lục địa một cách tổng quát;

+ Có thể được sử dụng như một nguồn dữ liệu để xây dựng bản đồ phân vùng chất lượng nước;

+ Cung cấp thông tin môi trường cho cộng đồng một cách đơn giản, dễ hiểu, trực quan;

+ Nâng cao nhận thức về môi trường

1.2.1.3 Các nguyên tắc xây dựng chỉ số WQI

1.2.1.4 Ưu điểm của phương pháp đánh giá chất lượng nước theo chỉ số WQI

+ WQI là một phương tiện có khả năng tập hợp một lượng lớn các số liệu, cho phép giảm một lượng lớn số liệu từ một loạt các thông số vật lý, hoá học, vi sinh xuống còn một con số đơn giản theo một phương thức đơn giản và có tính lặp lại

+ Là kết quả của việc tính toán toán học nên cho phép đánh giá, phân loại khách quan CLN và cho phép so sánh CLN theo không gian, thời gian

+ Cung cấp thông tin dưới dạng dễ hiểu, dễ sử dụng cho các cơ quan quản lý tài nguyên nước, môi trường và công chúng

+ Thích hợp với việc tin học hoá nên thuận lợi cho quản lý và cung cấp thông tin cho cộng đồng

1.2.1.5 Nhược điểm của phương pháp đánh giá chất lượng nước theo chỉ số WQI

+ Thiếu sự nhất trí về cách tiếp cận chung để thiết kế chỉ số WQI

+ Không thể thay thế một sự phân tích chi tiết các dữ liệu giám sát CLN và cũng không được sử dụng như một công cụ duy nhất để quản lý nguồn nước + WQI chỉ cung cấp một sự khái quát về chất lượng nước, không bao hàm thông tin về hiệu quả kinh tế có được từ sự cải thiện CLN

+ Không bổ sung được các thông số mới, không thay đổi được các thông số + WQI có thể chia thành nhiều loại, song có ý nghĩa hơn cả là việc chia chúng thành 2 nhóm:

o Các chỉ số CLN chung cho mọi nguồn nước

o Các chỉ số CLN theo mục đích sử dụng

1.2.2 Đánh giá chất lượng nước bằng mô hình (SWAT)

Mô hình SWAT (Soil and Water Assessment Tool) là mô hình miễn phí, mô phỏng bài toán một chiều, với giao diện thân thiện, dễ sử dụng và có khả năng tích hợp với GIS, đã được các nhà nghiên cứu quan tâm trong những năm trở lại đây Một

số nghiên cứu có thể kể đến như sử dụng mô hình SWAT mô hình hóa CLN sông

Raccoon, Hoa Kỳ (Manoj K jha et al., 2006); ứng dụng GIS và mô hình SWAT

phân tích cân bằng nước cho lưu vực sông Kunthipuzha ở Kerala, Ấn Độ (Sathian K and Syamala P., 2007) Tại Việt Nam, nhiều nghiên cứu sử dụng mô hình này để mô phỏng, đánh giá lưu lượng dòng chảy (LLDC) từ lượng mưa và ảnh hưởng của các thông số CLN đến lưu vực một số sông lớn Điển hình như nghiên cứu của Nguyễn Kiên Dũng và Nguyễn Thị Bích (2005) trên lưu vực sông Sê San, Nguyễn Kim Lợi

và Nguyễn Hà Trang (2009) trên lưu vực sông La Ngà đã tính toán LLDC và bồi lắng Ngoài ra, SWAT còn được sử dụng để mô phỏng các thông số CLN khác như trong nghiên cứu của Nguyễn Hà Trang (2009) trên lưu vực sông Đồng Nai, Nguyễn Thanh Tuấn (2011) trên lưu vực hồ Dầu Tiếng và Trần Xuân Lộc (2012) trên lưu vực

hồ Cầu Mới Các nghiên cứu này cơ bản đã mô phỏng LLDC và CLN trên lưu vực với độ chính xác nằm trong khoảng chấp nhận được và so sánh các thông số CLN với Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia về chất lượng nước mặt (QCVN 08:2015/BTNMT)

1.3 Các phương pháp thử nghiệm độc học nước [10]

Nguyên tắc cơ bản của tất cả các thử nghiệm độc học là dựa vào liều lượng – đáp ứng Trên cơ sở đó thử nghiệm độc học nữa mô tả mối quan hệ giữa liều lượng

và đáp ứng, tức là vẽ ra đường cong liều lượng – đáp ứng

1.3.1 Thử nghiệm độc cấp tính

Các thử nghiệm độc học cấp tính nhằm mục đích đánh giá các tác động của các tác nhân độc lên các loài sống dưới nước trong suốt thời gian ngắn trong vòng đời của chúng

“Nghiên cứu sử dụng công cụ học đánh giá nguy cơ của nước thải công nghiệp đối với hệ sinh thái lưu vực sông Sài Gòn - Đồng Nai của tác giả Đỗ Hồng Lan Chi”

tiến hành đánh giá độc tính của các chiết rút của bùn lắng bằng vi khuẩn sống ở biển

có tên là Vibrio fischeri (chế phẩm vi khuẩn đông khô của Azur Environmental, USA)

với thiết bị Microtox® Analyser 500 (ISO, 1998) Nồng độ gây ức chế 50% độ phát quang của vi khuẩn (EC50) được xác định sau 5, 15 và 30 phút Nồng độ DMSO tối

đa sử dụng trong thí nghiệm là 2% (Đỗ Hồng et al., 2000) Các kết quả nghiên cứu

cho thấy hầu hết các mẫu thu được đều có khả năng gây độc cấp tính đối với sinh vật thí nghiệm [9]

Nghiên cứu “Đánh giá độc tính của một số nước thải công nghiệp điển hình”

của Đoàn Đặng Phi Công và cộng sự [7] thử nghiệm độc học cấp tính trên vi giáp xác

Ceriodaphnia cornuta được phân lập từ mẫu nước sông Đồng Nai, vi tảo Selenastrum capricornutum và vi khuẩn Photobacterium phosphoreum

+ Vi khuẩn Photobacterium phosphoreum: Độc tính được đánh giá qua chỉ số

EC50 - nồng độ chất thử tại đó khả năng phát quang của vi khuẩn bị giảm 50% Chỉ số này được xác định ở các thời điểm 5 phút và 15 phút tính từ lúc vi khuẩn tiếp xúc với chất thử

+ Vi tảo Selenastrum capricornutum: Từ các số liệu thực nghiệm, tính toán tốc

độ phát triển (growth rate), mức độ bị ức chế phát triển (% inhibition) của tảo

ở các nồng độ nước thải khác nhau Tính toán giá trị EC50 - nồng độ nước thải tại đó tốc độ phát triển của tảo bị ức chế 50%

+ Vi giáp xác Ceriodaphnia cornuta: Từ số lượng sinh vật chết sau 48 giờ, tính toán mức độ ức chế tỷ lệ sống của Ceriodaphnia cornuta trong môi trường

chứa nước thải ở các nồng độ khác nhau Xác định giá trị LC50 - nồng độ nước thải tại đó tỷ lệ sống của sinh vật bị ức chế 50%

1.3.2 Thử nghiệm độc mãn tính

Các thử nghiệm độc học cấp tính nhằm đánh giá các tác động của các chất độc đối với các loài sống dưới nước trong suốt một phần chu kỳ sống của sinh vật, thường thì 1/10 hay nhiều hơn trong một vòng đời của sinh vật Các nghiên cứu độc mãn tính thường đánh giá các tác động dưới mức gây chết của chất độc lên sự sinh sản, tăng trưởng và tập tính do phá vỡ cấu trúc về sinh lý và sinh hóa

Hiện nay có nhiều nghiên cứu về thử nghiệm độc học mãn tính trong nước, các nghiên cứu chủ yếu thử nghiệm trên các vi khuẩn, cá…, cụ thể là các nghiên cứu sau:

Nghiên cứu “Ảnh hưởng của nước thải sinh hoạt lên vi giáp xác Daphnia magna” của Ngô Thị Thanh Huyền và Đào Thanh Sơn [14] với mục tiêu nghiên cứu

về ảnh hưởng mãn tính của nước thải sinh hoạt tại TP.HCM (trước và sau khi xử lý) lên sinh vật, vi giáp xác Daphnia magna

Hình 1.1 Vi khuẩn giáp xác Daphnia magna Nguồn [14]

Thí nghiệm được thực hiện với 14 - 15 cá thể D magna con (≤ 1 ngày tuổi) được lựa cho ̣n ngẫu nhiên cho mỗi thí nghiê ̣m mãn tính và được nuôi riêng lẻ trong

các bình thủy tinh D magana được phơi nhiễm với nước thải ở 3 nồng đô ̣ khác nhau

(10%, 50%, và 100%) và với môi trường đối chứng (môi trường không chứa nước thải) Daphnia được cho ăn bằng tảo lu ̣c Scenedesmus sp Môi trường và thức ăn được

thay mớ i sau mỗi 2 ngày thí nghiê ̣m Thí nghiệm kéo dài trong 30 ngày Các đă ̣c điểm sinh học của sinh vâ ̣t được theo dõi, ghi nhâ ̣n hàng ngày bao gồm: số lượng sinh vâ ̣t

còn sống/chết, ngày thành thu ̣c, số lượng con non trong mô ̣t lứa đẻ Các kết quả thí

nghiệm ảnh hưởng mãn tính của nước thải lên D magna cũng cho thấy khả năng đáp

ứng của sinh vật đối với mức độ ô nhiễm khác nhau, chất lượng nước thải đầu vào gây ảnh hưởng mạnh lên sự tồn tại của sinh vật so với nước thải đầu ra [14]

Nghiên cứu “Ảnh hưởng của hợp chất gây rối loạn nội tiết Nonylphenol lên sức

sống và sinh sản của ba loài vi giáp xác, Ceriodaphnia cornuta, Daphnia lumholtzi

và Daphnia magna” của Võ Thị Mỹ Chi và cộng sự [11] đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng mãn tính của Nonylphenol lên vi giáp xác C cornuta và D lumholtzi được

đánh giá tại các nồng độ 110, 560 và 2800 μg/L và ảnh hưởng của hóa chất này lên

D magna tại các nồng độ 280, 560 và 1120 μg/L trong thời gian 10 ngày Các kết

quả nghiên cứu cho thấy, tất cả các nồng độ thí nghiệm của Nonylphenol đều ảnh

hưởng đến sức sống và sinh sản của sinh vật Đặc biệt, tại nồng độ thí nghiệm 560μg

Nonylphenol/L đối với D lumholtzi và D magna, 110μg Nonylphenol/L đối với C cornuta bắt đầu ghi nhận được những ảnh hưởng nghiêm trọng so với lô đối chứng

Hình 1.2: Sinh vật thí nghiệm C cornuta (A), D lumholtzi (B) và D magna (C) Thước đo có chiều dài = 200μm (hình A), 500μm (hình B), và 2000μm (hình C)

Nguồn [11]

Ngoài ra, còn có nghiên cứu “Đánh giá độc tính của một số nước thải công nghiệp điển hình” của Đoàn Đặng Phi Công và cộng sự [7] thử nghiệm độc học mãn tính trên Cá chép Cyprinus carpio Từ số lượng sinh vật chết sau 48 giờ, tính toán mức độ ức chế tỷ lệ sống của Cyprinus caprio trong môi trường chứa nước thải ở các

nồng độ khác nhau từ đó xác định giá trị LC50 - nồng độ nước thải tại đó tỷ lệ sống của sinh vật bị ức chế 50%

Các thử nghiệm phổ biến được tiến hành với Daphnia, giáp sát và các loại cá

1.3.4 Thử nghiệm độc động (liên tục) [10]

Các thử nghiệm được thiết kế nhằm thay đổi môi trường thử nghiệm liên tục hay vào những thời điểm nhất định Các thử nghiệm độc động được đánh giá tốt hơn độc tĩnh do khả năng duy trì chất lượng nước cao dẫn đến đảm bảo tốt cho sức khỏe của sinh vật thử nghiệm

Các thử nghiệm độc động thường khắc phục được các vấn đề liên quan đến sinh sản Amoni, việc sử dụng oxy hòa tan cũng như đảm bảo nồng độ chất độc duy trì ổn định

1.4 Tổng quan về quá trình Nitrat hóa và vi khuẩn Nitrosomonas

1.4.1 Quá trình Nitrat hóa [37]

Nitrat hóa là quá trình dưới tác dụng của một số vi sinh vật thì NH4+ được hình thành từ quá trình amôn hóa sẽ được tiếp tục chuyển thành NO2- (nitrit) rồi thành

NO3- (nitrat) Quá trình Nitrat hóa chủ yếu được thực hiện bởi hai nhóm vi khuẩn nitrat hóa tự dưỡng

Trước hết, NH4+ sẽ được chuyển hóa thành NO2- bởi vi khuẩn Nitrosomonas

theo phương trình:

NH 4 + + 1/2O 2  NO 2 - + 2H + + H 2 O (Phương trình 1.1)

Vi khuẩn tham gia mạnh nhất trong quá trình nitrit hóa là vi khuẩn hóa vô cơ tự dưỡng, là loài vi khuẩn hiếu khi bắt buộc Các vi khuẩn nitrit hóa sử dụng năng lượng cho các hoạt động sống từ quá trình chuyển hóa NH4+ thành NO2- Trong giai đoạn

này, Nitrosomonas là loài được xác định thường xuyên nhất, bên cạnh đó cũng có một số loài như Subgenera, Nitrosolobus and Nitrosovibrio cũng có thể oxy hóa

amoni (Watson và cộng sự, 1981)

Sau quá trình nitrit hóa thì các vi khuẩn nitrat hóa thực hiện giai đoạn tiếp theo, chuyển hóa NO2- thành NO3- theo phương trình sau:

NO 2 - + 1/2O 2  NO 3 (Phương trình 1.2)

Các vi khuẩn tham gia vào quá trình này là vi khuẩn hóa vô cơ tự dưỡng, vi

khuẩn nitrat hóa thường gặp là Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus và Nitrospira nhưng trong đó nhóm vi khuẩn Nitrobacter là phố biến nhất Các loài vi khuẩn Nitrobacter thường gặp là Nitrobacter vinogradskii, Nitrobacter agilis (thuộc phân lớp α-Proteobacteria), Nitrospina gracile, Nitrococcus mobilis (thuộc phân lớp β-

Proteobacteria)

1.4.2 Giới thiệu về vi khuẩn Nitrosomonas [37]

Nitrosomonas là một loài vi khuẩn hoá tự dưỡng vô cơ dạng hình que với sự trao đổi chất hiếu khí Nitrosomonas không phát triển bởi quá trình quang hợp, tuy

nhiên hoạt tính trao đổi chất bất thường của chúng có liên quan đến việc đốt Amoni với oxy

Những màng mỏng dài bên trong tế bào vi khuẩn sử dụng các electron từ nguyên

tử nitơ amon để sản sinh năng lượng Quá trình phân chia tế bào của Nitrosomonas phải mất đến vài ngày do Nitrosomonas phải tiêu thụ một lượng lớn Amoni Trong quá trình nitrat hóa, Nitrosomonas đóng vai trò oxy hóa Amoni thành nitrit, sau đó

chuyển sang nitrat bởi các vi khuẩn khác

Hình1.3: Vi khuẩn Nitrosomonas Nguồn: The Microbe Zoo (by Yuichi Suwa)

1.4.3 Các nghiên cứu về Nitrosomonas stercoris trong chỉ thị mức độ ô nhiễm của môi trường

Nghiên cứu của Tatsunori Nakagawa và Reiji Takahashi thuộc đại học Nihon, Nhật Bản về việc phân lập chủng vi khuẩn oxy hóa amoni từ phân chuồng có khả năng chịu được nồng độ amoni cao Nghiên cứu đã phân lập được chủng vi khuẩn

oxy hóa amoni có tên gọi Nitrosomonas stercoris KYUHI-ST Nitrosomonas stercoris

là một loài vi khuẩn gram âm, có khả năng di chuyển không cần quan sát, loại vi khuẩn này có xu hướng phát triển hình dạng từ hình que đến quả lê, đôi khi hình dạng như một quả cầu Các tế bào có chiều dài từ 0,7 - 1,2 µm, chiều rộng từ 0,3 - 0,7 µm Điều kiện tăng trưởng tối ưu của loài vi khuẩn này ở 25oC, pH ban đầu là 8,0

Hình 1.4: Các khuẩn lạc và hình thái học của vi khuẩn Nitrosomonas stercoris

KYUHI-ST (A) – Khuẩn lạc thuộc chủng KYUHI-ST sau khi ủ trong 87 ngày

(B) – Hình ảnh qua kính hiển vi điện tử quét của KYUHI-ST Bar = 1.000 nm (C) – Hình ảnh của KYUHI-ST thông qua các bức xạ điện tử Bar = 500 nm

(D) – Các bức xạ điện tử truyền qua màng tế bào của KYUHI-ST Hình mũi tên đen hiển thị màng tế bào trong bạch cầu Bar = 500 nm

Gần đây nhất là nghiên cứu nâng cao độ nhạy của thử nghiệm ức chế hô hấp

bùn hoạt tính và xác minh các kết quả sử dụng điện cực giảm oxy hóa tiềm năng của Ferdinand Fredrichs (2016)

1.5 Các nghiên cứu liên quan về thử nghiệm độc tính nguồn nước

1.5.1 Các nghiên cứu trên thế giới

Nghiên cứu “Sự có mặt của các chất độc hại ức chế quá trình nitrat hóa trong nước thải các khu công nghiệp Việt Nam của Ferdinand Friedrichs và cộng

sự, (2016)” [31] với mục đích khảo sát sự có mặt của các chất độc trong nước thải

của 02 khu công nghiệp và một nhà máy bằng hệ thống thiết bị phân tích di động với

độ độc là thông số chính Ngoài nước thải tại các nhà máy xử lý tập trung, nước thải trong các hệ thống thoát nước và nước thải đầu vào, đầu ra của nhà máy Groz-Beckert cũng được quan trắc nhằm đánh giá hiệu quả của quá trình loại bỏ kim loại nặng Các kết quả quan trắc cho thấy các chất độc hại ức chế quá trình nitrat xuất hiện trong cả

2 khu công nghiệp Độ độc trong nước thải của nhà máy xử lý nước thải khu công nghiệp Nam Sách là 60% và sự ức chế quá trình phân hủy hợp chất hữu cơ trong nước thải diễn ra trong 3 ngày Kết quả quan trắc độc chất tự động tại nhà máy xử lý nước thải khu công nghiệp Hòa Cầm tại miền Trung cũng cho thấy các chất độc ức chế quá trình nitrat hóa có độ độc 50% Cuối cùng là kết quả quan trắc tại nhà máy Groz-Beckert cho thấy kim loại nặng đã bị loại bỏ hoàn toàn, kết quả này cũng phù hợp với kết quả phân tích ICP (Inductively Coupled Plasma)

Nghiên cứu “Kiểm tra độc tính theo thời gian nhằm xác định nguồn gây ô nhiễm trong nước thải công nghiệp của Ferdinand Friedrichs và cộng sự (2016) [32] với mục tiêu tối ưu hóa quá trình xử lý cũng như xác định các nguồn gây ô nhiễm

nước thải công nghiệp thông qua quá trình quan trắc nước thải công nghiệp sử dụng các quá trình kiểm tra độc tính theo thời gian Nội dung của nghiên cứu này là sử dụng thiết bị phòng thí nghiệm di dộng (mobilab) để xác định các thông số như độc

tính, TOC, TNb, COD, NH4, TSS, pH, ORP, độ đục và nhiệt độ của nước thải tại KCN Groz-Beckert nằm tại tỉnh Quảng Nam, trong đó thông số độc tính của nước được chú ý hàng đầu Thông qua các quá trình lấy mẫu từ 16 – 26/10, từ 17 – 28/11/2015 tại mobilab và kiểm tra độc tính của nước bằng quá trình nitrat hóa sử dụng vi khuẩn nitrosomonas trên thiết bị nitritox, nghiên cứu đã xác định được độc tính của nước thải tại nhà máy xử lý nước thải của KCN Groz-Beckert có chỉ số giảm

từ 76% đến 0% sau khi được sử lý

Nghiên cứu “Quan trắc và xác định độ độc nước thải trực tuyến nhằm tối

ưu hóa kỹ thuật và chi phí vận hành hệ thống xử lý nước thải” của Karl-Ulrich Rudolph và cộng sự, (2015)” [33] Nội dung của nghiên cứu này là sử dụng thiết bị

quan trắc trực tuyến và truyền tải dữ liệu từ xa cho việc kiểm soát chất lượng nước thải, bao gồm các thiết bị phân tích độ độc, tổng carbon hữu cơ và amoni Các kết quả nghiên cứu cho thấy thiết bị “Quick TOC Ultra” dùng để phát hiện ô nhiễm hữu

cơ với thời gian mỗi lần đo là 5 phút; thiết bị “AmMonitor” dùng để đo Amoni cho kết quả trùng khớp cao với phương pháp đo quang phổ dựa trên tiêu chuẩn DIN Bên cạnh đó, thiết bị Nitritox cũng phát hiện được độc tính của mẫu nước thải tại KCN Trà Nóc có độ độc >60%, đây là những mẫu có nồng độ Cr và Zn cao Ngoài ra, nghiên cứu cũng cho thấy mối quan hệ giữa độ độc và TOC, tức là nước thải độc hại

sẽ gây ức chế các quá trình phân hủy sinh học, làm cho nồng độ TOC tăng cao

Nghiên cứu “Sử dụng Nitrobacter như một chỉ số độc tính của nước thải” của Wuncheng Wang and Paula Reed (1983) Mục tiêu của nghiên cứu này là phát

triển một quy trình thử nghiệm sinh học, sử dụng các sinh vật để đánh giá độc tính

của nước thải Thí nghiệm sử dụng vi khuẩn Nitrobacter lấy từ 02 hệ thống xử lý nước thải Peoria and Princeton ở Illinois Các vi khuẩn Nitrobacter sẽ được kiểm tra

điều kiện tăng trưởng tối ưu và phản ứng với các ion vô cơ như chất độc cadmi, kẽm, đồng, niken và các hợp chất hưu cơ như phenol và một số chlorophenol Các kết quả

thử nghiệm phản ứng của vi khuẩn Nitrobacter với các hợp chất hữu cơ cho thấy 2,4,6 – trichlorophenol là chất độc nhất đối với vi khuẩn Nitrobacter Nồng độ gây

độc trung bình là 4,7 và 2,6 mg/l tương ứng với mẫu ở Peoria and Princeton Còn

trong số các ion vô cơ sử dụng thì Cadmi là chất độc nhất với Nitrobacter Nồng độ

trung bình của cadmi nằm trong khoảng 40 – 50 mg/l

1.5.2 Các nghiên cứu trong nước

Ở Việt Nam các dạng thử nghiệm đã và đang tồn tại là thử nghiệm dùng cá, bọ

nước (Daphina magna và Ceriodaphina cornuta), tảo Selenastrum, vi khuẩn Vibrio fischeri - đây cũng là một phương pháp thử nghiệm invitro đã được thương mại hóa dưới dạng Test Kít và yêu cầu đo trên máy chuyên dụng được sản xuất bởi công ty

Microtox Hiện nay tại nước ta có nhiều nghiên cứu về việc sử dụng bộ chỉ số độc học nước từ các sinh vật chỉ thị khác nhau, một số các nghiên cứu điển hình như sau:

Nghiên cứu xây dựng chỉ số độc học nước cho thủy vực TP.HCM của tác giả Thái Văn Nam, (2007) [19] với mục tiêu đánh giá chất lượng nước dựa trên các

thông số lý, hóa, sinh; nghiên cứu cơ sở khoa học xây dựng một số chỉ tiêu độc học môi trường; đánh giá độc tính nước thải sinh hoạt và công nghiệp tại TP.HCM trên các hệ thống kênh Nhiêu Lộc - Thị Nghè, Tham Lương - Bến Cát, Tân Hóa - Lò Gốm, Bến Nghé - Tàu Hủ, kênh Đôi - kênh Tẻ và đề xuất các chỉ tiêu về độc học môi trường nhằm phục vụ công tác quản lý các loại nguồn thải này Các sinh vật được sử dụng

trong thí nghiệm độc học bao gồm Vibrio fischeri, Daphnia magna, Ceriodaphnia cornuta và cá Rô phi Thông qua các phương pháp phân tích chỉ tiêu lý hóa, kim loại

năng, vi sinh; phương pháp đánh giá tổng hợp chất lượng nước; phương pháp thử nghiệm độc học cấp tính, phân tích số liệu độc học và phân tích mỗi tương giữa các yếu tố, nghiên cứu đã đạt được một số kết quả sau: (1) - Đánh giá chất lượng nước theo chỉ số IWWQ cho hệ thống kênh rạch nội thành khi triều kiệt và triều dâng; (2): Giá trị EC50 nằm trong khoảng 0,6 - 1,1 mg/L với chất chuẩn K2Cr2O7; EC50 của

C.cornuta trong khoảng 0,2 - 0,4 mg/L với chất chuẩn K2Cr2O7 và EC50 của V.fischeri

trong khoảng 5,5 - 7,7 mg/L với chất chuẩn ZnSO4; (3): Các kết quả đánh giá mức

độ độc tính của nước kênh rạch nội thành trên cá Rô phi và bộ thử nghiệm độc tính cho kết quả tương đương nhau

Nghiên cứu sử dụng công cụ học đánh giá nguy cơ của nước thải công nghiệp đối với hệ sinh thái lưu vực sông Sài Gòn - Đồng Nai của tác giải Đỗ Hồng Lan Chi, (2006) [9] Mục đích của nghiên cứu này là phát triển và kiểm chứng các

thử nghiệm độc học sinh thái với một số loại hình sinh vật địa phương nhằm phục vụ đánh giá nguy cơ đối với hệ sinh thái từ các nguồn ô nhiễm khác nhau Vi giáp xác

Ceriodaphnia (Cladocera) được phân lập từ sông Sài Gòn Thông qua các thí nghiệm độc học cấp tính với C cornuta được tiến hành trên các môi trường khác nhau như

bùn lắng, nước và đất từ ruộng lúa vừa phun thuốc bảo vệ thực vật, nước thải đô thị

và công nghiệp Phân tích các hệ số tương quan giữa kết quả phân tích độc học và phân tích hóa học - kết quả phân tích ô nhiễm đại lượng (phân tích hóa lý) và ô nhiễm

vi lượng (hóa phân tích) đã được thực hiện Kết quả nghiên cứu cho thấy mẫu xét

nghiệm của D magna tương quan tốt với D magna Ngoài ra, bộ sinh vật thử nghiệm

D magna, C cornuta và V fischeri rất thích hợp, đây như một công cụ đánh giá nguy

cơ độc học đối với hệ sinh thái lưu vực sông Sài Gòn – Đồng Nai

Nghiên cứu Sử dụng một số chỉ tiêu độc học sinh thái để đánh giá độc tính nước thải để đánh giá độc tính nước thải công nghiệp xả ra thủy vực TP.HCM

và đối chiếu với bộ tiêu chuẩn 2001, (2005) của tác giả Đỗ Hồng Lan Chi Mục

tiêu của nghiên cứu này là sử dụng bộ công cụ đánh giá rủi ro môi trường bao gồm

các thí nghiệm độc học, các sinh vật thử nghiệm D magna, C cornuta và V fischeri

cùng với các thí nghiệm hóa lý xác định các ô nhiễm hữu cơ và kim loại để khảo sát độc tính của nước thải từ 12 KCN của TP.HCM Các kết quả thử nghiệm cho thấy: (1) - Hầu hết các mẫu nước thải công nghiệp có ảnh hưởng lên sinh vật thử nghiệm

và độc tính cao nhất ở mẫu tại KCN Vĩnh Lộc; (2) - Các thông số lý hóa cho thấy ô nhiễm hữu cơ vượt TCVN 2001 nhưng ô nhiễm KLN thì không đáng kể; (3) - Sự đáp

ứng về độc tính của mẫu xét nghiệm của C cornuta tương quan tốt với D magna, nhưng đa số thì C cornuta nhạy cảm hơn D magna, có sự tương quan cao giữa chất

ô nhiễm hữu cơ và kim loại nặng với các thử nghiệm độc học; (4) – các chỉ số IWWQ

và chỉ số gây độc cho hệ sinh thái PEEP (Potential Ecotoxic Effects Probe) cho thấy

sự phù hợp của việc sử dụng chỉ tiêu độc học sinh thái và chỉ tiêu hóa lý để đánh giá

chất lượng nước; (5) - Chỉ số PEEP không đắt tiền, cho kết quả nhạy, chính xác và thích hợp để đánh giá nhanh nguy cơ gây ô nhiễm cho hệ tiếp nhận

Nghiên cứu Đánh giá chất lượng nước sông Phú Lộc dựa trên các chỉ thị sinh tảo (2011) của tác giả Hàn Thị Thanh Huyền [13] với mục tiêu là xác định

chất lượng nước sông Phú Lộc dựa trên các chỉ tiêu sinh học tảo (tảo Lam:

Cyanophyta, tảo Lục: Chlorophyta, tảo Silic: Bacillariophyceae, tảo Mắt: Euglenophyta và tảo Giáp: Dinophyta), đồng thời phân tích tương quan về chất lượng

nước sông qua các chỉ tiêu sinh học và lý hóa Bằng các phương pháp nghiên cứu ngoài thực địa, phương pháp trong phòng thí nghiệm (phương pháp phân tích các chỉ tiêu lý hóa của nước, phương pháp phân tích định tính và định lượng mẫu thực vật phù du, phương pháp đánh giá chỉ số và đánh giá chất lượng nước bằng chỉ số Palmer

và Nygaard, phương pháp phân tích mối tương quan giữa các thông số chất lượng nước với các chỉ số sinh học tảo phù du bằng hệ số tương quan r), đề tài đã đạt được một số kết quả sau: (1) – Đánh giá chất lượng nước qua các thông số lý hóa (DO, COD, BOD5, TSS, pH, NO3-, PO43-; (2) – Xác định được thành phần loài và mật độ tảo phù du ở sông Phú Lộc; (3) – Sử sụng chỉ số sinh học tảo phù du để đánh giá chất lượng nước sông Phú Lộc thông qua các chỉ số Palmer và Nygaard; (4) – Xác định mối tương quan giữa chỉ số Palmaers và Nygaard là r = 0,64, các chỉ số sinh học có tương quan cao với thông số TSS và pH

Nghiên cứu “Suy giảm chất lượng nước và độc tính sinh thái vi khuẩn lam

từ hồ Xuân Hương, Đà Lạt” của Đào Thanh Sơn và cộng sự (2014) Mục tiêu của

nghiên cứu này là đánh giá chất lượng nước hồ Xuân Hương trên cơ sở một số yếu tố vật lí, hóa học và sinh học Bên cạnh đó, độc tính sinh thái của loài vi khuẩn lam

Cylindrospermopsis raciborskii phân lập từ hồ Xuân Hương cũng được đánh giá trên

cơ sở phơi nhiễm với loài vi giáp xác Daphnia magna Thông qua các phương pháp

thu mẫu hiện trường, phân tích chỉ tiêu hóa học nước gồm N-NO3-, N-NH4+, tổng nitơ, P-PO43- và tổng phospho được phân tích trong phòng thí nghiệm, định danh vi

khuẩn lam và phương pháp thí nghiệm độc học của vi khuẩn lam Cylindrospermopsis raciborskii lên loài vi khuẩn giáp xác Daphnia magna, nghiên cứu đã đạt được những