Luận văn thạc sĩ nghiên cứu sự phân bố và chu chuyển của asen trong các thành phần chính của hệ sinh thái hồ tây hà nội

Với vai trò quan trọng đó mà đã có rất nhiều đề tàinghiên cứu về hồ Tây khá đa dạng, bao gồm đánh giá chất lượng môi trường nước hồ, đánh giá đa dạng sinh học hồ, nâng cấp hệ thống cấp t

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-Bùi Thị Hoa

NGHIÊN CỨU SỰ PHÂN BỐ VÀ CHU CHUYỂN CỦA ASEN TRONG CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH

CỦA HỆ SINH THÁI HỒ TÂY, HÀ NỘI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC

Hà Nội - 2017

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-Bùi Thị Hoa

NGHIÊN CỨU SỰ PHÂN BỐ VÀ CHU CHUYỂN CỦA ASEN TRONG CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH

CỦA HỆ SINH THÁI HỒ TÂY, HÀ NỘI

Chuyên ngành: Sinh thái học

Mã số: 62420120

LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS Lưu Thị LanHương

2 PGS.TS Lê ThuHà

Hà Nội - 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của tôi Các số liệu,kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ côngtrình nào khác

Nghiên cứu sinh

Bùi Thị Hoa

LỜI CẢM ƠN

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới tập thể cán bộ hướng dẫn: PGS.TS.Lưu Thị Lan Hương, PGS.TS Lê Thu Hà đã tận tình dạy bảo, động viên và giúp đỡ

em trong suốt thời gian em học tập và thực hiện nghiênc ứ u

Xin chân thành cảm ơn lãnh đạo Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG

Hà Nội đã cung cấp kinh phí thông qua các đề tài TN 11 - 21 và TN 13 - 17 chonghiên cứu này Xin cảm ơn Phòng Sau Đại học, Ban Lãnh đạo Khoa Sinh học,Phòng thí nghiệm Sinh thái học & Sinh học Môi trường, Trường Đại học Khoa học

Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi và cơ sở vật chất để cho NCShoàn thành được nhiệm vụ học tập và nghiêncứu

Để hoàn thành luận án này tôi cũng nhận được sự giúp đỡ của Xí nghiệp Môitrường hồ Tây; Công ty khai thác cá hồ Tây; Công ty TNHH một thành viên hồTây; Viện Công nghệ Môi trường - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội; Khoa Hóahọc, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội; TS Cung Thượng Chí -Viện Địa chất - Viện Hàn lâm Khoa học Việt Nam, TS Ngô Thị Thúy Hường -Viện Khoa học Địa chất và Khoáng sản - Bộ Tài nguyên Môi trường, TS NguyễnTrọng Hiếu - Khoa Toán - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội, đãtạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong quá trình thu mẫu, phân tích mẫu, xử lý số liệu vàthực hiện nghiêncứu

Cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên và giúp đỡ cả về vậtchất và tinh thần để tôi có thể hoàn thành được luận ánn à y

Nghiên cứu sinh

Bùi Thị Hoa

MỤC LỤC

MỤC LỤC… 1

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮVIẾTTẮT… 4

DANH MỤCBẢNG 5

DANH MỤC HÌNH… 7

MỞĐẦU… 9

CHƯƠNG I TỔNG QUANTÀILIỆU… 12

1.1 Tổng quanvềAsen… 12

1.1.1 Sự phân bố và chu chuyển của As trongt ự nhiên… 13

1.1.1.1 Sự phân bố của As trongtựnhiên 13

1.1.1.2 Sự chu chuyển của As trongtựnhiên 14

1.1.2 Ảnh hưởng của As đến sức khỏe của con người vàs i n h vật 20

1.1.2.1 Ảnh hưởng của As đến sức khỏeconngười 20

1.1.2.2 Ảnh hưởng của As đối vớisinhvật 21

1.2 Thực trạng ô nhiễm As và các nghiên cứu về As ởV i ệ t Nam 23

1.2.1 Thực trạng ô nhiễm As ởViệt Nam… 23

1.2.2 Các nghiên cứu As ởViệtNam 24

1.3 Mô hình toán trong nghiên cứu về hệsinh thái 28

1.3.1 Ứngdụngmôhìnhtoántrongcácnghiên cứuvềhệsinh tháithủyvực 28 1.3.2 Tổng quan về phầnmềmStella… 33

1.4 Tổng quan về hồ Tây,Hà Nội 34

1.4.1 Điều kiệntự nhiên 35

1.4.2 Đặc điểm kinh tế xã hội khu vực quanhhồTây 36

1.4.3 Đa dạng sinh họchồTây 37

1.4.4 Các nghiên cứu về As và kim loại nặng ởh ồ Tây… 40

CHƯƠNG II ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁPN G H I Ê N CỨU 42

2.1 Đối tượng và thời giannghiêncứu… 42

2.1.1 Đối tượngnghiêncứu 42

2.1.2 Địa điểm và thời giannghiêncứu 43

2.2 Phương phápnghiêncứu 44

2.2.1 Phương pháp thu và phântíchmẫu 44

2.2.1.1 Phương pháp thu thập mẫu vật ngoàit h ự c đ ị a 44

2.2.1.2 Phương pháp phân tích mẫu trong phòngt h í nghiệm 46

2.2.2 Phương phápkếthừa… 48

2.2.3 Phương pháp tính toán sinh khối các nhóm sinh vậtở hồ 49

2.2.4 Phương pháp tính toán hệ số tích tụ sinhh ọ c (BCF) 50

2.2.5 Phương pháp đánh giá rủi ro gâyungthư 51

2.2.6 Phương pháp toán học và môhìnhhóa 52

2.2.7 Phương pháp xử lýsố liệu 59

CHƯƠNG III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀT H Ả O LUẬN 60

3.1 Hiện trạng chất lượng môi trường nước hồ Tây,H à Nội 60

3.1.1 Đặc tính thủy lýcủanước 60

3.1.2 Đặc tính hóa họccủanước 61

3.2 AsentrongcácthànhphầncủahệsinhtháihồTây,HàNộivàhệsốtích tụ sinh học Asen ở một số nhómsinhvật 67

3.2.1 Nồng độ Astrongnước… 67

3.2.2 Hàm lượng As tổng số trong trầm tíchhồTây 70

3.2.3 Hàm lượng As tổng số trong thựcvậtnổi 73

3.2.4 Hàm lượng As tổng số trong độngvậtnổi… 74

3.2.5 Hàm lượng As tổng số trong một số loài cá ở hồ Tây,H à Nội… 77

3.2.5.1 Hàm lượng As tổng số trong một sốloàicá 77

3.2.5.2 Hàm lượng As tổng số trong các loại mô của cácl o à i cá 78

3.2.6 Hàm lượng As tổng số trong một số loài động vậtđ á y (ĐVĐ) 81

3.2.7 Sự tích tụ sinh học As trong các sinh vật ởh ồ Tây 84

3.3 Rủi ro gây ung thư của As từ cá tới sức khoẻc ộ n g đồng… 86

3.4 Xây dựng mô hình chu chuyển của As trong hệ sinh tháih ồ Tây 89

3.4.1 Xác định các thông số xây dựngmôhình 89

3.4.2 Kết quảmôphỏng 114

3.4.2.1 Sự biến động sinh khối của cácthànhphần 114

3.4.2.2 Sự biến động hàm lượng As trong cáct h à n h phần 120

3.5 Kiểm chứng kết quả chạymôhình… 129

KẾT LUẬN VÀKIẾN NGHỊ 133

Kết luận… 133

Kiếnnghị… 135

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOAH Ọ C C Ủ A T Á C G I Ả L I Ê N Q U A N ĐẾN LUẬN ÁN 136

TÀI LIỆUTHAMKHẢO 137

PHỤ LỤC………

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

BTNMT Bộ Tài nguyên Môitrường

BAF Bioaccummulation factor (Hệ số tích tụ sinhhọc)

BCF Bioconcentration factor (Hệ số tích tụ sinhhọc)

CR Cancer risk: Rủi ro gây ungthư

DMA Dimethylarsinic acid (Đi - mê - tyl asenic axit)

FSANZ Food Standards Australia - NewZealand

Tiêu chuẩn thực phẩm của Australia - New ZealandICP-MS Inductively coupled plasma mass spectrometry (Khối phổ plasma

cảmứng)ILEC International Lake Environment Committee (Ủy ban môi trường

hồ Quốctế)IRIS Integrated Risk Information System (Hệ thống tích hợp thông tin

rủiro)MMA Monomethylarsonic acid (Mô-nô-mê-tyl-asenic axit)

TMAO Trimethylarsine oxide (tri-metyl- asin ôxít)

UNICEF United Nations Children's Fund (Quỹ Nhi đồng liên Hiệpq u ố c )US.EPA United States Environmental Protection Agency (Cơ quan bảo vệ

môi trường HoaKỳ)US.FDA United States Food and Drug Administration (Cục quản lý thực

phẩm và dược phẩm HoaKỳ)

Bảng3.1

Các thành phần chính của hệ sinh thái hồ Tây

Ma trận thể hiện mối quan hệ giữa các thành phần chính trong hệ

Nồng độ trung bình As hòa tan trong nước tại các điểm nghiên

cứu (giai đoạn 2011- 2014)………

Hàm lượng As tổng số trung bình trong nước hồ Tây, Hà Nội

Hàm lượng As tổng số trung bình trong một số loài cá ở hồ Tây,

Hàm lượng As tổng số trung bình trong mô của một số loài cá ở hồTây,HàNội(giaiđoạn2011-2014)……… HàmlượngAs tổ ng số trungbình trong ĐVĐởh ồTây, HàNội(giai đoạn 2011 -

2014)

Bảng 3.24 Kết quả mô phỏng dự báo hàm lượng As trong các thành phần

của hệ sinh thái hồ Tây ……… 130Bảng 3.25 So sánh kết quả mô phỏng và kết quả thực tế (năm 2016)……… 131

DANH MỤC HÌNH

Hình1.1 Chu trình As trongt ự nhiên 15

Hình1.2 As và các phản ứng của As trong các hệ sinhtháihồ 17

Hình1.3 Sự chuyển hoá As vô cơ thành As hữu cơ nhờ quá trình methyl hóa 18

Hình1.4 Giản đồ thể hiện các bước xây dựng môhình……… 30

Hình1.5 Nguyên tắc mô hình hoá nồng độ một chất độc ở một bậc dinh dưỡng 31

Hình2.1 Hình ảnh hồ Tây, sơ đồ vị trí các điểmt h u mẫu 43

Hình2.2 Chu trình vật chất trong hệ sinh tháihồcá.……… 52

Hình3.1 Nồng độ As hoà tan trong nước tại các điểmnghiêncứu… 68

Hình3.2 Nồng độ As tổng số trong nước hồ Tây,H à Nội 70

Hình3.3 Hàm lượng As tổng số trung bình trong trầm tích của các điểm nghiêncứu 72

Hình3.4 Hàm lượng As tổng số trung bình trong TVN tại các điểm nghiêncứu 74

Hình3.6 HàmlượngAstổngsốtrungbìnhtrongmộtsốloàicáởhồTây, HàNội 77

Hình3.7 HàmlượngAstổngsốtrongcácmôcủamộtsốloàicáởhồTây 79 Hình3.8 Sựt ư ơ n g q u a n g i ữ a h à m l ư ợ n g A s t ổ n g s ố t r o n g t r a i s ô n g v ớ i hàm lượng As tổng số trong trầm tích ở hồTây, HàNội… 83

Hình3.9 HàmlượngAstổngsốgiữacácnhómsinhvậtởhồTây,HàNội 83 Hình3.10.SơđồmôphỏngsựchuchuyểncủaAstrongnướchồ… 90

Hình 3.11 Sơ đồ mô phỏng sự biến động sinh khối thựcv ậ t nổi 92

Hình3.12.SơđồmôphỏngsựchuchuyểncủaAstrongthựcvậtnổi 93

Hình3.13.Sơđồmôphỏngsựbiếnđộngsinhkhốiđộngvậtnổi 95

Hình3.14.SơđồmôphỏngsựchuchuyểnAstrongđộngvậtnổi 96

Hình3.15.Sơđồmôphỏngsựbiếnđộngsinhkhốicủacámètrắng 98

Hình3.16.SơđồmôphỏngsựchuchuyểncủaAstrongcámètrắng 99

Hình 3.17 Sơ đồ mô phỏng sự biến động sinh khối cá chép ……… 101

Hình 3.18 Sơ đồ mô phỏng sự chu chuyển của As trong cá chép………… 102

Hình 3.19 Sơ đồ mô phỏng sự biến động sinh khối cá rô phi……… 103

Hình 3.20 Sơ đồ mô phỏng sự chu chuyển của As ở cá rô phi……… 104

Hình 3.21 Sơ đồ mô phỏng sự biến động sinh khối cá trôi……… 106

Hình 3.22 Sơ đồ mô phỏng sự chu chuyển của As trong cá trôi……… 107

Hình 3.23 Sơ đồ mô phỏng sự biến động sinh khối động vật đáy………… 108

Hình 3.24 Sơ đồ mô phỏng sự chu chuyển của As trong động vật đáy…… 109

Hình 3.25 Sơ đồ mô phỏng sự biến động của mùn bã hữu cơ……… 111

Hình 3.26 Sơ đồ mô phỏng sự chu chuyển của As trong trầm tích……… 112

Hình 3.27 Kết quả mô phỏng sự biến động sinh khối của TVN, ĐVN, ĐVĐ và mùn bã trong hồ……… 115

Hình 3.28 Kết quả mô phỏng biến động sinh khối cá theo thời gian ……… 118

Hình 3.29 Kết quả mô phỏng biến động sinh khối cá theo thời gian có đánh bắt, có thả bù……… 119

Hình 3.30 Kết quả mô phỏng sự biến động hàm lượng As trong nước, TVN, ĐVN, ĐVĐ và trầm tích theo thời gian……… 121

Hình 3.31 Kết quả mô phỏng biến động hàm lượng As trong một số loài cá theo thời gian……….……… 122

Hình 3.32 Kết quả mô phỏng biến động hàm lượng As theo mô phỏng biến động sinh khối của các loài cá……… 123

Hình 3.33 Kết quả mô phỏng sự biến động As trong các thành phần khi Hình 3.34 lượng As đầu vào thayđổi………

TươngquanvềhàmlượngAsgiữagiátrịmôphỏngvàthựctế

128

củacácthànhphầnchínhcủahệsinhtháihồTây(năm2016)… 131

MỞ ĐẦU

Hồ Tây là hồ lớn nhất trong khu vực nội thành Hà Nội Với diện tích hơn 500 ha, hồTâycósựđadạngvềnguồntàinguyênsinhvật,làmộtbảotànglưutrữnguồngenthủy sinh vật của Hà Nội Bên cạnh đó, hồ Tây mang dấu ấn đậm nét về văn hoá tâm linh với

khoảng64ditíchlịchsửxungquanhhồ.Trongđó,đềnQuánThánh,chùaTrấnQuốc,đền Đồng Cổ, phủ Tây Hồ… thu hút rất đông du khách trong và ngoài nước [34] Trước đây,

có vai trò quan trọng trong điều tiết nước mưa và nước ngầm: hàng năm hàng nghìnmét khối nước mưa từ khu vực xung quanh đổ vào hồ đã tránh được ngập úng cục

bộ cho khu vực xung quanh Với vai trò quan trọng đó mà đã có rất nhiều đề tàinghiên cứu về hồ Tây khá đa dạng, bao gồm đánh giá chất lượng môi trường nước

hồ, đánh giá đa dạng sinh học hồ, nâng cấp hệ thống cấp thoát nước, xử lý nướcthải, kè hồ, đánh giá khả năng chịu tải ô nhiễm của hồ… Tuy nhiên, vấn đề kim loạinặng (KLN) ở hồ Tây còn ít được quan tâm nghiên cứu, hoặc đã nghiên cứu nhưngkết quả cho thấy rằng hàm lượng các KLN (Cd, Pb, Hg) ở mức rất thấp [28, 37] Kể

từ năm 2001 đến nay, đã có một số công bố cho thấy rằng, hồ Tây không chỉ ônhiễm hữu cơ mà hàm lượng các KLN như Asen (As), cadimi (Cd), crôm (Cr),đồng (Cu), chì (Pb), kẽm (Zn), sắt (Fe) trong trầm tích và trong một số sinh vậtcũng ở mức cao [102] Đặc biệt, trong sinh vật đáy (trai, ốc) hàm lượng As, Cd, PbđãcaohơntiêuchuẩncủaViệtNamvàtiêuchuẩncủamộtsốnướctrênthếgiới[18

- 21, 108, 109]

Các nghiên cứu về As ở hồ Tây đã khảo sát ở đối tượng là sinh vật đáy (trai,ốc), nước, trầm tích của hồ và cá chép Tuy nhiên, nhóm sinh vật nổi (động vật nổi,thực vật nổi) và một số loài cá khác thì chưa được quan tâm nghiên cứu Hơn nữa,

hồ Tây là một hệ sinh thái nước ngọt điển hình của khu vực đồng bằng sông Hồng,miền Bắc Việt Nam Đây là một hệ sinh thái có ranh giới khá rõ ràng so với các hệsinh thái khác, nên việc nghiên cứu sự chu chuyển của vật chất nói chung và As nóiriêng qua các mắt xích thức ăn trong hệ sinh thái là một việc làm có ý nghĩa quan

trọng trong nghiên cứu sinh thái Do đó, đề tài “Nghiên cứu sự phân bố và chuchuyển của Asen trong các thành phần chính của hệ sinh thái hồ Tây, Hà Nội”

được thực hiện với các mụctiêu:

- Đánh giá hiện trạng chất lượng môi trường nước hồT â y

- Đánh giá hiện trạng phân bố của As trong một số thành phần chính của hệ sinhtháihồTâyvàxácđịnhmứcđộtíchtụsinhhọccủaAstrongcácsinhvật

- Đánh giá nguy cơ ảnh hưởng của As tới con người khi sử dụng một số loài cá

ở hồ Tây làm thựcphẩm

- Mô phỏng quá trình chu chuyển của As qua các thành phần chính của hệ sinhthái hồ Tây, Hà Nội và dự báo sự biến động hàm lượng của As trong các thànhphần của hệ sinh thái hồ Tây theo thờigian

Nội dung nghiên cứu

- Xác định các thông số thủy lý hóa của môi trường nước hồ Tây (nhiệt độ, độdẫn, độ muối, độ đục, BOD5, COD, ni tơ tổng số và phospho tổngs ố )

- Xác định hàm lượng As trong các thành phần của hệ sinh thái hồ Tây: trongnước (dạng hòa tan và dạng tổng số), As trong trầm tích hồ; hàm lượngAstrongđộng vật nổi, As trong thực vật nổi, As trong các loài cá (mè trắng hoa nam, trôi

ấn, chép, rô phi vằn, trắm cỏ) và hàm lượng As trong động vật đáy (ĐVĐ) (traiphồng, trai cánh và trùngtrục)

- Xác định mức độ tích tụ sinh học của As trong các thành phần (TVN, ĐVN, cá,ĐVĐ)

- Đánh giá rủi ro gây ung thư của As từ cá tới sức khỏe cộngđ ồ n g

- Xây dựng mô hình mô phỏng sự chu chuyển của As trong các thành phần chính của hệ sinh thái hồTây.

- Môphỏngdự báosựbiếnđộng hàmlượngAstrongcác thànhphầntheothờigian

Cơ sở khoa học của luận án

- Dựa trên lý thuyết về hệ sinh thái, các chu trình vật chất trong hệ sinh thái, lưới thức ăn và các mắt xích thức ăn trong hệ sinht h á i

- Đặc tính hóa học và khả năng gây độc của As đối với các sinhv ậ t

- Địnhluậtbảotoànnguyêntố,bảotoànkhốilượngvàsựcânbằngsinhkhối

Những điểm mới của luận án

- Cung cấp bộ số liệu cập nhật và đầy đủ về hàm lượng As trong các thành phần khác nhau của hệ sinh thái hồTây

- Cung cấp dẫn liệu về hệ số tích tụ sinh học của As trong một số loài sinh vật trong hồTây

- Thiết lập mô hình chu chuyển của As qua các thành phần chính của hệ sinh thái hồTâytừđódựbáosựbiếnđộnghàmlượngAstrongcácthànhphầntươngứng

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

- Đưa ra hệ số tích tụ sinh học As của một số sinh vật sống trongh ồ

- Đánh giá rủi ro gây ung thư của As từ cá hồ Tây, góp phần cảnh báo sớm về việc khai thác và sử dụng các sản phẩm từhồ

- Việc mô phỏng dự báo sẽ cung cấp cơ sở khoa học cho việc quản lý và phát triển bền vững hệ sinh thái hồ Tây trong tươnglai

CHƯƠNG I TỔNG QUAN TÀILIỆU

1 1 Tổng quan về asen

Nguyên tố asen (As) là nguyên tố tự nhiên hình thành trong vỏ Trái Đất.Khối lượng nguyên tử của As là 74,92, As là một á kim vừa có tính chất phi kim,vừa có tính chất kim loại nhưng tính chất kim loại của As rất mạnh, nên nó được coi

là một kim loại nặng Trong tự nhiên, As có một đồng vị bền là As 75 và 33 đồng vịkhác được con người tổng hợp (tính đến năm 2003) Khối lượng nguyên tử của cácđồng vị dao động từ 60 đến 92, ổn định nhất trong số các đồng vị là As 73 với chu

kì bán rã là 80,3 ngày Các đồng vị khác có chu kì bán rã dưới một ngày ngoại trừAs71:t1/2=2 ,7 21 (ngày),As 72: t1/2=1,08 (ngày),As 74:t1/2=17 ,7 7 (ngày),As76: t1/2= 1,094 (ngày), As 77: t1/2= 1,618 (ngày) [45]

As tồn tại trong hầu hết các môi trường: trong đá, trong đất, trong nước vàtrong không khí với nồng độ thấp nên không gây độc As kết hợp với nhiều nguyên

tố khác nhau như ô xi, lưu huỳnh, sắt… tạo thành các hợp chất vô cơ, còn khi Askết hợp với hyđro và cacbon thì tạo thành các hợp chất As hữu cơ As chủ yếu tồntại ở dạng vô cơ với bốn hóa trị là -3, 0, +3 và +5; trong điều kiện ô xi hóa, As V(asenat) là dạng phổ biến và chiếm ưu thế; trong điều kiện khử, As III (asenit)chiếm ưu thế Dạng hữu cơ của As ít độc hơn so với dạng vô cơ [131] Các hợp chấtcủa As hữu cơ như arsenobetaine, arsenocholine, muối tetramethylarsonium,arsenosugars có trong mỡ và trong cơ thể các sinh vật Đặc biệt, hàm lượng Astrongsinhvậtbiểncaohơnsovớisinhvậtnướcngọtvàsinhvậtởcạn[157]

Nguồn gốc tự nhiên gây ô nhiễm As là do hoạt động của núi lửa và cháyrừng Ngoài ra, ô nhiễm As chủ yếu là do hoạt động của con người bao gồm khaithác dầu mỏ, luyện kim, đốt nhiên liệu hóa thạch, hoạt động công nghiệp, sản xuấtnông nghiệp… Người ta ước tính rằng, khoảng 70% lượng As trên thế giới được sửdụng trong xử lý gỗ là dạng đồng chrome arsenate (CCA), 22% từ các hóa chất sửdụng trong nông nghiệp, còn lại là trong lĩnh vực sản xuất thủy tinh, trong dượcphẩm và luyện kim [153] Ước tính, tỉ lệ As được giải phóng vào môi trường bởicác quá trình tự nhiên và nhân tạo là 60:40 Trong đó, đúc đồng chiếm tới 40% tổnglượng As phát thải vào môi trường do tác nhân nhân tạo[ 5 4 ]

1.1.1 Sự phân bố và chu chuyển của As trong tựnhiên

1.1.1.1 Sự phân bố của As trong tựnhiên

As có mặt với hàm lượng cao trong quặng sulfua đa kim, trong mỏ antimony

và các mỏ kim loại khác Ngoài ra, As còn có hàm lượng tương đối cao trong đất,nước ở các mỏ than, than bùn, trong sét giàu vật liệu hữu cơ, các tích tụ có nguồngốc đầm hồ, trong chất thải của các nhà máy, xí nghiệp, trong nước ngầm, nước mặt

và nước biển Có 105 nước hoặc vùng lãnh thổ trên thế giới bị phơi nhiễm As và cókhoảng226triệungườiphơinhiễmvớiAstừnướcuốngvàthựcphẩm[136]

Rất nhiều vùng trên thế giới như Argentina (Ac hen ti na), Bangladet (Băng

la đét), Chile (Chi lê), Trung Quốc, Hungary (Hung ga ri), Ấn Độ (Tây Bengal),Mexico (Mê hi cô), Romani (Rô ma ni), Đài Loan, Việt Nam, nhiều bang của Mỹ(California, Navada, Arizona), Campuchia, Myanma, Nepal đều là những nơi cónồng độ As trong nước ngầm ở mức cao vượt ngưỡng 10 µg/l, thậm chí nhiều nơinồng độ As trong nước ngầm còn vượt ngưỡng 50 µg/l[ 1 3 1 ]

Tại Hung ga ri và Rô ma ni, nồng độ As trong nước ngầm thuộc vùng trầmtích phù sa ở đồng bằng miền Nam Hung ga ri và một phần lãnh thổ của Rô ma nilên tới 150 µg/l (trung bình là 32 µg/l) [131] Tại Mê hi cô, 13/31 bang của Mê hi

cô phơi nhiễm với As trong nước uống với nồng độ vượt quá 50 µg/l Cá, bò và rauđược nuôi, trồng trong các vùng bị phơi nhiễm As ở hàm lượng cao cũng cho ra cácsản phẩm có hàm lượng As cao [136] Tại Chi lê, trong nước mặt và nước ngầm củacác thành phố Antofagasta, Calama và Tocopilla thuộc miền bắc Chi lê có nồng độnồng độ As tương ứng thấp hơn 100 µg/l và 21.000 µg/l, còn nồng độ As trung bìnhtrong nước chưa lọc là 440 µg/l (dao động từ 100 đến 1.000 µg/l) [89] Tại Ac hen

ti na, nồng độ As trong nước ngầm tại Córdoba dao động từ 6 đến 11.500 µg/l(trung bình là 255 µg/l); tại tỉnh Tucuman từ 12 đến 1.660 µg/l (trung bình là 46µg/l)[131]

Tại Hoa Kỳ, nhiều bang ở miền Nam như Nevada, California, Arizona,Maine, Michigan, Minnesota, South Dakota, Oklahoma và Wisconsin có hàm lượng

As trong nước ngầm vượt quá 10 µg/l Thành phố Fallon và phía Nam sam ạ c

Carson thuộc bang Nevada, hàm lượng As trong nước ngầm cấp cho sinh hoạt lêntới 100 µg/l [131]; Tại bang California, nồng độ As trong nước ngầm tại Tularethuộc thung lũng San Joaquin dao động từ 1 đến 2600 µg/l[ 6 8 ]

Đặc biệt, châu Á là nơi mà nguồn nước ngầm bị ô nhiễm As nghiêm trọngnhất Ở Băng la đét và Ấn Độ (Tây Bengal), hàm lượng As trong nước ngầm daođộng rất lớn từ dưới 0,5 µg/l đến 3.200 µg/l [131] Nước ngầm bị ô nhiễm As đã vàđang gây ảnh hưởng đến nồng độ As trong nước uống Trong nước uống, hàmlượng As cao hơn 50 µg/l đã và đang gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏecủa khoảng 30 đến 35 triệu người dân Băng la đét và hơn 6 triệu người Tây Bengal

và ảnh hưởng đến môi trường [131] Hàm lượng As trong nước ngầm tại Đài Loan,Trung Quốc dao động từ 10 đến 1.800 µg/l tùy thuộc vào khu vực nghiên cứu [92].Trong đó, tại Đông Bắc Đài Loan, nồng độ As trong nước ngầm vượt quá 600 µg/l(trung bình là 135 µg/l) [76] Tại miền Bắc Trung Quốc, hàm lượng As trong nướcngầm tại vùng nội Mông gồm các tỉnh Xinjiang và Shanxi vượt quá ngưỡng 50 µg/l[112] Tại Nhật Bản, nồng độ As trong nước nóng địa nhiệt (geothermal water) daođộng từ 500 đến 4.600 µg/l[131]

1.1.1.2 Sự chu chuyển của As trong tựnhiên

Trong tự nhiên, As có thể tồn tại ở cả 3 trạng thái: rắn, lỏng và khí Ở trạngthái rắn, As tồn tại ở dạng tinh thể hoặc As liên kết với các vật chất khác trong đất(hạt keo đất) và liên kết với sunfua, lưu huỳnh… tạo thành các loại quặng Trạngthái khí của As là khí asin có khả năng bay hơi còn trạng thái lỏng là các ion chứa

As hòa tan trong môi trường nước Do đó, cũng giống các chất hóa học khác, As cóthể chuyển đổi trạng thái vật lý của nó Việc chuyển đổi từ trạng thái này sang trạngthái khác phụ thuộc vào điều kiện môi trường và tuân theo định luật bảo toànnguyên tố và bảo toàn khốilượng

As có mặt trong đất là do ảnh hưởng của các hoạt động tự nhiên và nhân tạo.Tùy theo cấu trúc của đất mà hàm lượng As phân bố trong đất và trầm tích là khácnhau Trong đất nông nghiệp, As có xu hướng tập trung và duy trì ở lớp đất mặt;trongđ ấ t c á t , As s ẽ di nhậpsâuxuốnglớ p đất phíad ướ i T u y nhiên, ở đấ t sét, t h ì

khả năng di chuyển As xuống lớp đất phía dưới bị hạn chế [54; 74] As có thể bị giữchặt trong đất (do các điều kiện ô xi hóa), bị rửa trôi vào các sông hồ, chuyển vàocác sinh vật (thực vật hấp thụ As từ đất) hoặc các hạt vật chất chứa As có thể pháttán vào khí quyển nhờ gió rồi lại quay trở lại mặt đất bằng cách lắng đọng theo mưa[54,74].

Trong không khí, As có nguồn gốc từ các quá trình khác nhau: đốt than củacác nhà máy điện, đốt thực vật (gồm cả cháy rừng), đốt dầu mỏ, khí thải từ các khucông nghiệp… Bên cạnh đó, các quá trình tự nhiên như: sự phun trào của núi lửa, sựmethyl hóa sinh học và sự khử asin cũng giải phóng một lượng khí asin rất lớn vàokhí quyển Khí asin lại quay trở lại Trái Đất bằng cách hấp thụ lên bề mặt vật chất,sau đó, các hạt vật chất lại theo mưa quay trở lại Trái đất[ 5 4 ]

Các dạng hòa tan của As trong nước tự nhiên (nước ao hồ, sông suối, biển,nước ngầm) gồm asenit, asenat, methylarsonic acid (MMA) và dimethylarsinic acid(DMA) Ngoài ra, các dạng hòa tan này có thể được methyl hóa nhờ các sinh vậttrong nước (thực vật nổi (TVN), thực vật lớn, động vật và các vi sinh vật) để tạothành các dạng As hữu cơ (hình 1.1) Tuy nhiên, các dạng hữu cơ có thể lại đượcchuyển thành As vô cơ thông qua quá trình phân hủy sinhh ọ c

Hình 1.1 Chu trình As trong tựnhiên

(Nguồn:Rita Mukhopadhyay và cộng sự (2002)[122]).

As có khả năng di chuyển trong môi trường do tác động của tự nhiên và củacon người Do đó, việc xác định khả năng di chuyển của As (do từng loại tác động)

là có khả năng thực hiện được ở từng khu vực xác định[ 5 4 ]

Sự có mặt của As trong môi trường là nguyên nhân trực tiếp ảnh hưởng đến

sự phơi nhiễm As trong các sinh vật bao gồm cả động vật và thực vật Trong đó,nhiều loại thực phẩm mà con người sử dụng có hàm lượng As tương đối cao, đặcbiệt là các thực phẩm có nguồn gốc từ hải sản, lúa gạo và nước hoa quả (ví dụ nướctáo ép) As trong khẩu phần ăn của con người có nguồn gốc chủ yếu từ hải sản, Astrong thủy sản chủ yếu là As hữu cơ, chiếm 85 đến 90% lượng As tổng số, nó ít độchơn nhiều so với dạng vô cơ và không có sự khuếch đại sinh học As qua các bậcdinh dưỡng [142; 145, 147] Nồng độ của As trong thực phẩm thường dao động từ

20 đến 300 µg/kg [155] Hầu hết các loại thức ăn chứa hàm lượng As không vượtquá 250 µg/kg Tuy nhiên, đối với các thực phẩm từ biển, như cá sống đáy, tôm, cua

và tảo biển có thể chứa hàm lượng As lên đến hàng trăm mg/kg [136] Hàm lượng

As trong thức ăn của người Mỹ chứa từ 10 đến 20 µg/ngày, người Nhật 70 đến 370µg/ngày, hàm lượng As tổng số trong thực phẩm của người Australia là 1 mg/kg[136] Ở Trung Quốc mức tối đa cho phép của As vô cơ cho thực phẩm là 0,2mg/kg (đối với gạo)[55]

Ở các hệ sinh thái nước ngọt, có sự chuyển đổi qua lại giữa dạng asenat (AsV) và asenit (As III) và từ dạng vô cơ sang dạng hữu cơ, phụ thuộc vào các yếu tốmôi trường pH, Eh, hàm lượng ôxit sắt, nhôm, mangan, ô xi… và thành phần visinh vật trong môi trường (hình 1.2 a, b) [48, 131] Ở pH =6,H2AsO4-ưu thế hơn(89%) so với HAsO32-(11%) Ở pH trung tính, H2AsO3-chiếm ưu thế so với các dạngkhác (hình1.2a)

Sự methyl hóa As (chuyển hóa As từ dạng vô cơ sang dạng hữu cơ) đượcthực hiện nhờ các vi sinh vật như TVN và vi khuẩn Đối với TVN, sự chuyển hóa

As phụ thuộc vào nồng độ phospho trong môi trường (hình 1.3a) [73] Bằng conđườngphosphohóa,TVNhấpthụphospho,đồngthờivớiquátrìnhhấpthụ

phospho, TVN cũng hấp thụ As từ môi trường vào cơ thể, do cấu tạo hóa học của AsVgầntươngtựvớicấutạohóahọccủaphospho(hình1.3)[99,119,120].

Hình 1.2: As và các phản ứng của As trong các hệ sinh thái hồ

a) ẢnhhưởngcủapH,EhđếnsựchuyểnhóacủaAstrongmôitrườngnướcở25 o Cvàápsuất1bar;b) LượcđồcủadạngAsvàcácphảnứngôxihóakhửtạicáctầng

khác nhau của hệ sinh thái hồ (nguồn: Bruce Hannon (1999) [48])

Sau khi vào cơ thể, 2 loại phản ứng chính xảy ra là phản ứng khử As (V)thành As (III) và phản ứng ô xi hóa methyl từ dạng As (III) thành dạng mono -methyl và di - methyl bằng cách kết hợp với S-adenosyl methionine (SAM) vàglutathione (GSH) Sản phẩm của quá trình methyl hóa là các dạng As hữu cơ nhưMonomethylarsonic acid (MMA) CH3AsO2OH-; Dimethylarsinic acid (DMA)(CH3)2AsOO-; Trimethylarsine (TMA) (CH3)3As; Trimethylarsine oxide (TMAO)(CH3)3AsO; Arsenobetaine (AsB) (CH3)3AsCH2COOH; Arsenocholine (AsC)(CH3)3As (CH2)2OH; arsenoribosides và arsenophospholipids được tạo ra [146].CácloạiAshữucơnàydễdàngđượcbàitiếtkhỏicơthểquađườngnướctiểu

Các loài sinh vật khác nhau thì khả năng methyl hóa As là khác nhau: một sốloài khả năng methyl hóa As rất thấp (ở mức tối thiểu), còn một số loài sinh vật hầunhư không có sự methyl hóa As (ví dụ khỉ đuôi sóc Mỹ, lợn Guinea và tinh tinh).Tuy nhiên, ở người và một số động vật phổ biến ở phòng thí nghiệm, As vô cơ đượcmethylhóavàtraođổisauđóđượcbàitiếtrangoàidướidạngnướctiểu[155]

Đã có nhiều nghiên cứu được thực hiện nhằm nghiên cứu sự tích lũy và chuchuyển của các hợp chất độc nói chung và KLN nói riêng trong đó có As, nổi bật làcác nghiên cứu sau đây:

Clements(1992)[156]đãnghiêncứusựtíchlũysinhhọcvàsựchuchuyểncủahydrocacbonvòngtơmvàcácKLN(Cu,ZnvàCd)trongđiềukiệnphòngthínghiệmvàở ngoài th ực đ ị a Nghiên c ứ u c h o thấy,sựt í c h l ũy KLN t r o n g sinh v ậ t

thay đổi theo mùa và có mối tương quan về sự phân bố của KLN trong nước vàtrong thức ăn (động vật không xương sống ở đáy) đến khả năng hấp thụ KLN trong

cá hồi nâu (Salmo trutta)[156].

Wang và cộng sự (2000) [152] đã mô hình hóa sự tích lũy sinh học củaphóng xạ cesi (radiocesium) qua các mắt xích thức ăn ở biển Mắt xích khởi đầu làTVN, tiếp đến là nhóm hai mảnh vỏ và cuối cùng là loài chân bụng

(Babyloniaformosae habei) Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, không có sự khuếch đại

sinh học của137Cs qua các bậc dinh dưỡng[152]

Chen và cộng sự (2000b) [52] nghiên cứu về sự tích tụ các KLN (Hg, Zn,

Cd, As và Pb) qua các thành phần của lưới thức ăn trong các hệ sinh thái hồ ở Hoa

Kỳ Nghiên cứu này đã xác định hàm lượng các KLN trong nước, trong TVN, trongđộng vật nổi (ĐVN)vàtrong cá ở 20 hồ thuộc Đông Bắc Hoa Kỳ Kết quả nghiên cứucho thấy, có sự khuếch đại sinh học của Hg và Zn qua các mắt xích thức ăn từ TVN(kích thước 45 - 202 µm) đến ĐVN (kích thước > 202 µm) và từ ĐVN (kích thước >

202 µm) đến cá; đối với As và Pb thì sự tích tụ sinh học giảm khi bậc dinh dưỡngtăng lên[52]

Rahman và cộng sự (2012b) [121] đã chỉ ra, có sự tích lũy sinh học của As

vô cơ qua các mắt xích thức ăn ở nước Tuy nhiên, ở các sinh vật như TVN, vikhuẩn… thì xảy ra sự methyl hóa để chuyển hóa As vô cơ từ nước và trầm tíchthành dạng As hữu cơ ít độc hơn trong cơ thể chúng, đây được coi là một trongnhững cơ chế giải độc của các thủy sinh vật Mặc dù, có sự tích tụ sinh học qua cácmắt xích thức ăn nhưng As ít gây ảnh hưởng đến sức khỏe của các sinh vật Vì dạng

As hữu cơ mà sinh vật chuyển hóa bằng con đường methyl hóa dễ dàng được đàothải ra môi trường Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, không có sự khuếch đại sinh họccủa As qua các mắt xích thức ăn ở nước và phơi nhiễm với As khi ăn các thức ăn từthủy sản không phải là vấn đề nghiêm trọng đối sức khỏe con người, mà vấn đề làcon người phơi nhiễm với rất nhiều nguồn chứa As vô cơ khác như từ nước uống,gạo, rau… [69, 103, 123, 154, 155] Rahman và cộng sự (2012b) đưa ra kết luậnrằng,tạicácnướcchâuÁvàĐôngNamÁ,nơimàsựônhiễmAskháphổbiếnvà

phần đông người dân ở đây sử dụng cá nước ngọt làm thức ăn hàng ngày thì việc dựđoán nguy cơ rủi ro là rất cần thiết Tuy nhiên, các nghiên cứu về dạng As trong cá,trong các động vật khác nhau và hàm lượng As trong các bậc dinh dưỡng khác nhautrong một hệ sinh thái ở khu vực này còn rất hạn chế [121].

1.1.2 Ảnh hưởng của As đến sức khỏe của con người và sinhv ậ t

As vô cơ và hợp chất vô cơ của As với liều lượng cao rất độc, thường gây tửvong cho các sinh vật phơi nhiễm Hàm lượng As trong đất, trong nước và trongkhông khí nếu vượt ngưỡng cho phép thì đều gây ra những ảnh hưởng tiêu cực đếnđời sống của các sinh vật nói chung và con người sinh sống trong khu vực đó nóiriêng Ngoài ra, con người ở các vùng không bị phơi nhiễm As cũng có khả năng bịphơi nhiễm nếu sử dụng các thực phẩm (gạo, rau, hải sản…) chứa hàm lượng Ascao lấy từ vùng bị phơi nhiễm[122]

1.1.2.1 Ảnh hưởng của As đến sức khỏe conngười

As có thể gây độc cấp tính hay mãn tính Ở người, ngộ độc do As chủ yếu làngộ độc cấp tính do phơi nhiễm với liều lượng As cao, liều gây chết người dao động

từ 1,5 mg/kg đến 500 mg/kg thể trọng; liều 0,06 g As2O3gây ngộ độc [154] As độcgấp 4 lần so với thủy ngân và As không gây mùi khó chịu khi có mặt trong nước,

nên không thể phát hiện, vì vậy, các nhà hóa học còn gọi As là “sát thủ vô hình”

[153]

Độc mãn tính: Các hợp chất của As vô cơ là chất gây ung thư đối với conngười As tác dụng với các nhóm sunfuahydryl (-SH), ảnh hưởng tới các enzymchuyển hóa gây ung thư da, bàng quang, thận, phổi, gan, các bệnh tiểu đường As cóthể gây đột biến, gây đứt đoạn NST, thay đổi Chromatid chị em và gây đột biến gen[153] Ung thư da có thể xảy ra đối với những người phơi nhiễm với As do sử dụngnước uống chứa hàm lượng As từ 0,35 mg/l đến 1,14 mg/l, người hít phải khí độcchứa As và người thường xuyên sử dụng các loại thực phẩm chứa hàm lượng As vô

cơ cao [154] Nguy cơ ung thư phổi và bàng quang tăng lên khi nồng độ As trongnước uống dao động từ 10 đến ≤ 50 µg/l [50, 86, 105, 107, 153 - 155] Hiện nay,người ta có thể dựa vào hàm lượng As trong cơ thể con người để tìm hiểu hoàn cảnh

và môi trường sống Hàm lượng As trong tóc của nhóm dân cư khu vực nông thôntrung bình là 0,4 đến 1,7 µg/kg, khu vực thành phố công nghiệp là 0,4 đến 2,1µg/kg, còn khu vực ô nhiễm nặng dao động từ 0,6 đến 4,9 µg/kg[ 1 5 5 ]

1.1.2.2 Ảnh hưởng của As đối với sinhvật

Các hợp chất của As gây độc cấp tính và độc mãn tính cho cá thể, quần thể

và quần xã sinh vật ở các nồng độ khác nhau từ vài microgram/lít đến gram/lít Mức

độ ảnh hưởng còn phụ thuộc vào từng loài, độ tuổi, thời gian phơi nhiễm, thời điểmphơi nhiễm và dạng As gây độc Tác động của As và các hợp chất của nó lên sinhvật gồm tác động gây chết, gây ức chế sinh trưởng, ức chế quang hợp, ảnh hưởngđến khả năng sinh sản và tập tính của sinh vật Các dạng As khác nhau thì khả nănggây độc cũng khác nhau: As III độc hơn As V, As vô cơ độc hơn so với As hữu cơ.Nồng độ As hoặc sự trao đổi As trong máu, tóc, móng và nước tiểu được coi lànhững chỉ thị sinh học (bioindicator) đối với phơi nhiễm As[ 1 5 4 ]

Sự tích tụ sinh học của As trong các thủy sinh vật

Hệ số tích tụ sinh học (Bioaccumulation factor - BAF) là sự tích lũy một chấthóa học của một thủy sinh vật, đó là kết quả của sự hấp thụ chất hóa học đó từ tất cảcác nguồn trong môi trường mà chúng sinh sống (từ nước, từ trầm tích, từ thức ăn).Còn hệ số tích tụ sinh học (Bioconcentration factor - BCF) là sự tích lũy một chấthóa học của một thủy sinh vật, đó là kết quả của sự phơi nhiễm của sinh vật với hóachất đó thông qua hô hấp bề mặt (qua mang và/hoặc quad a )

Đối với các hệ sinh thái thủy vực nước đứng (lentic): ao, hồ, đầm nước ngọt,BAF của As khác nhau tùy theo khu vực phân bố và tùy thuộc vào loài BCF trungbình của các động vật không xương sống nước ngọt dao động từ 2 đến 22 L/kg, ở cádao động từ 0,048 đến 14 L/kg [146] Ở hồ Grace (Grace Lake), BAF của sinh vậtbậc 2 dao động từ 28,3 đến 377,8 L/kg; còn ở hồ Kam (Kam Lake) dao động từ 3,4đến 63,6 L/kg [146] BAF của As ở động vật nổi kích thước nhỏ (smallzooplankton) và TVN (thu bằng lưới với kích thước mắt lưới 45 - 202 µm) ở 20 hồcủa Hoa Kỳ dao động từ 369 đến 19.487 L/kg, trong khi nhóm ĐVN kích thước lớn(largerzooplankton)(thubằnglướivớikíchthướcmắtlưới>202µm)thìhệsốnày

dao động từ 154 đến 2.748 L/kg [52] Chen và cộng sự (2000a), cũng cho thấy rằng,BAF trung bình của As trong ĐVN nhỏ tại hồ Upper Mystic của Hoa Kỳ là 4.391L/kg; còn ĐVN lớn là 2.747 L/kg [51] BAF của sinh vật bậc 3 ở các loài cá nướcngọt dao động từ 19 đến 96 L/kg, còn đối với các loài côn trùng nước ở bậc dinhdưỡng 3 thì BAF của As trong chúng dao động từ 1 đến 26 L/kg BAF của cá chép

ở hồ Upper Mystic là 14,88 L/kg, ở hồ Talkalai là 29,76 L/kg[ 1 4 6 ]

Đối với các thủy vực nước chảy (lotic): sông, suối, BAF của As ở nhómđộng vật không xương sống (gồm ấu trùng chuồn chuồn, ốc) ở nước của sông Haya-kawa thấp hơn 10 L/kg BAF của cá chép ở sông Gila (Gila River, AZ) dao động từ4,76 đến 11,9 L/kg, cá bống, cá hồi ma su (masu salmon) ở sông Hayakawa(Hayakawa River, Nhật Bản) tương ứng là 13,21 L/kg và 5,79[ 1 4 6 ]

Đối với các hệ sinh thái nước mặn, BCF của động vật không xương sống ởbiển dao động từ 12 đến 1.390 L/kg [146]; BAF của thân mềm ở đầm Venice(Venice Lagoon) gần đảo Murano, Italy dao động từ 762 đến 1.263 L/kg [146].BAF của các loài hai mảnh vỏ ở vùng cửa sông Tamar và Fal thuộc Vương quốcAnh (UK) dao động từ 632,9 đến 6.490 L/kg; các loài thân mềm ở gần đảoMurano, Italy, dao động từ 762 đến 1263 L/kg BAF tương ứng của 2 loài hàu thutại vịnh Biscayne, Florida (1993) là 8.382 L/kg và 5.303 L/kg[ 1 4 6 ]

Đánh giá nguy cơ của As trong các loài thủy sản đến sức khỏe cộng đồng

Kar và cộng sự (2011) [125] đã nghiên cứu cá rô phi và tôm được nuôi trongcác hồ bị nhiễm As ở nồng độ (50 µg/l) thì nguy cơ ảnh hưởng đến sức khỏe conngười rất cao Tỉ lệ As vô cơ/As tổng số trong các mẫu cá dao động từ 11,7 đến14,2% (trung bình là 12,5%) BAFs của As tổng số trong cá dao động từ 10,3 đến22,1 BAF của As vô cơ dao động từ 1,33 đến 2,82 Rủi ro ung thư đối với conngười liên quan đến hàm lượng As vô cơ trong cá là 2,36×10−4± 0,99×10−4, giá trị nàycao hơn 200 lần mức tổi thiểu gây nguy cơ ung thư là 1×10−6và nguy cơ tổn thương

từ cá đến sức khỏe con người là 1,22 ± 0,52[ 1 2 5 ]

Peshut và cộng sự (2007) [115] cho thấy rằng, không có xu hướng tích tụ vàkhuếch đại As trong một số loài sinh vật biển Đối với các mẫu nghiên cứu, hàm

lượng As vô cơ thấp hơn 0,5% lượng As tổng số, chỉ có một vài mẫu thân mềm cóhàm lượng As vô cơ/As tổng số cao hơn so với bình thường, nhưng mức dao độngcũng khá thấp trong phạm vi từ 1 - 5% [115].

Liao và cộng sự (2003) [57] đã nghiên cứu về ảnh hưởng gây độc cấp tính và

sự tích lũy sinh học của As trong cá rô phi (Oreochromis mossambicus) tại một

vùng nhiễm bệnh chân đen ở người tại Đài Loan Kết quả nghiên cứu cho thấy,trong vùng nghiên cứu, hàm lượng As trong ruột cá cao hơn trong dạ dày, gan vàmang, thấp nhất là trong cơ thịt cá Hàm lượng As trong cơ thịt cá có tương quanthuận với hàm lượng As trong nội tạng cá và đó là một trong những nguy cơ tiềm ẩnđối với sức khỏe của con người Nghiên cứu cũng đưa ra khuyến cáo rằng, conngười khi ăn cá nên bỏ nội tạng để tránh các nguy cơ rủir o

Liu và cộng sự (2007) [53] đã đưa ra dẫn chứng về sự tích lũy sinh học của

các hợp chất chứa As trong loài trai nuôi (Meretrix lusoria) và đánh giá nguy cơ

ung thư (Cancer Risk = CR) tiềm ẩn của As đối với sức khỏe con người Tỉ lệ trungbình của As vô cơ/As tổng số trong con trai dao động từ 12,3% đến 14,0%, do đó,nguy cơ phơi nhiễm với As vô cơ từ trai, hàu là rất lớn Nguy cơ rủi ro gây ung thưliên quan đến việc tiêu thụ trai trong vùng người dân mắc bệnh bàn chân đen ở TâyNam Đài Loan dao động trong khoảng từ 4,52*10-6đến 80,7*10-6, vượt ngưỡng antoàn từ 4,52 đến 80,7lần…[53]

1.2 Thực trạng ô nhiễm As và các nghiên cứu về As ở ViệtN a m

1.2.1 Thực trạng ô nhiễmAsở ViệtNam

Theo Đỗ Văn Ái và cộng sự (2000) [1], dựa vào nguồn gốc và đặc điểm dichuyển, tập trung của As có thể chia lãnh thổ Việt Nam ra 3 kiểu vùng có khả năng

ô nhiễm As chủ yếu là miền núi, đồng bằng và đới duyênh ả i

Vùng núi với các đá biến đổi nhiệt dịch, quặng vàng, đa kim, sulfua và vỏphong hóa và đá phát triển trên chúng giàu As với hàm lượng dao động từ 5 đến261,842 ppm; hoạt động khai khoáng là một trong những nguồn gây ô nhiễm Asvàomôitrường.Trongđó,cácmỏthuộckhuvựcNgânSơn,BắcLạng,sôngChảy,

bắc Tam Đảo, Chợ Đồn, Chiêm Hóa, Na Hang, Bắc Mê… đã làm giải phóng As doquá trình khai khoáng vào môi trường [136].

Một số nơi vùng đồng bằng, hàm lượngAsvượt quá tiêu chuẩn cho phép củaViệt Nam mà nguồn ô nhiễm là do các quá trình tự nhiên (ô xi hóa khoáng vậtsunfua và khoáng vật chứa As trong trầm tích, khử các hydroxit sắt chứa As…) vàhoạt động của con người [1] Vùng bị ảnh hưởng của ô nhiễm As nặng do địa chất

đó là đồng bằng sông Hồng ở miền Bắc (với 2 tỉnh thành bị ô nhiễm nặng là HàNội, Hà Nam) và đồng bằng sông Cửu Long ở miền Nam giáp biên giớiCampuchia Một vùng khác có diện tích nhỏ hơn cũng chịu ảnh hưởng của ô nhiễm

As là Hải Phòng[30]

Vùng thứ3,là đới duyên hải (trầm tích biển ven bờ tại một số khu vực ở QuảngNgãi, Phú Yên có hàm lượng ion As hấp phụ cao hơn tiêu chuẩn môi trường trầm tíchcủa Canada [1] Nguồn ô nhiễm chủ yếu là do hoạt động của con người bao gồm sửdụng thuốc trừ sâu, diệt cỏ, vũ khí hóa học[ 1 ]

Diện tích vùng ảnh hưởng bởi As ở Việt Nam lên đến hơn 11.000 km2và hàmlượng As dao động ở mức từ 1 đến 3.050 µg/l Ước tính rằng số người phơi nhiễmvới hàm lượng As cao hơn 50 µg/l ở khu vực miền Bắc Việt Nam dao động từ 0,5triệu đến 10 triệu người và 5,8 đến 10 triệu người có nguy cơ phơi nhiễm với nồng độ

As cao hơn 10 µg/l [35, 132, 149] Theo UNICEF, mức ô nhiễm As ở Việt Nam caobằng với Bangladet và họ đã xác định rằng Việt Nam là nước có nguy cơ ô nhiễm Ascao[136]

1.2.2 Các nghiên cứu As ở ViệtNam

Nghiên cứu về As ở Việt Nam chỉ mới được bắt đầu từ những năm đầu thậpniên 90 của thế kỉ 20 Có thể chia lịch sử nghiên cứu về As ở Việt Nam thành 2 giaiđoạn lớn là giai đoạn trước năm 2000 và giai đoạn sau năm 2000

Giai đoạn trước năm 2000:Đặng Văn Can (1997) [13], Đỗ Văn Ái và cộng sự

(2000) [1], Đặng Mai (2000) [25], cho thấy rằng, hàm lượng As trong đá và quặng ởcác khu vực khác nhau là khác nhau: As trong trầm tích ở vùng Tây BắcViệtN a m d a o đ ộ n g t ừ 0 , 2 8 đ ế n 1 , 3 3 p p m ; A s t r o n g q u ặ n g v à n g k h u v ự c Đ ồ i

B ù

(Hòa Bình) dao động từ 50 đến 204 ppm; khu vực Khau Âu - La Hiên (Bắc Kạn,Thái Nguyên) dao động từ 1.292 đến 1.442 ppm; As trong quặng chì - kẽm khu vực

mỏ chì - kẽm chợ Đồn Bắc Kạn đạt tới 8.205 đến 61.824p p m

As trong nước: Đỗ Trọng Sự (1996, 2000) đã công bố về sự có mặt As trongtrầm tích và trong nước ngầm tại một số vùng miền Bắc và địa bàn Hà Nội Nghiêncứu của ông chỉ ra rằng, hàm lượng As trong nước ngầm của một số vùng miền Bắcdao động từ 0,0001 đến 0,32 mg/l Một số khu vực của Hà Nội gồm huyện ThanhTrì và quận Hai Bà Trưng có hàm lượng As trong nước ngầm vượt quá tiêu chuẩncho phép [29, 30]; Các nghiên cứu của Nguyễn Thị Chuyền và cộng sự (2000) [15]cho thấy, hàm lượngAstrong nước ngầm ở những vùng có trầm tích Đệ tứ với các túibùn giàu vật liệu hữu cơ thường cao hơn so với các vùng khác và hàm lượng As tronglớp trầm tích đệ tứ dao động từ 6 đến 63 ppm [15] Ngoài ra, nghiên cứu của HồVương Bính (2000) [3]; nghiên cứu của Đỗ Văn Ái và cộng sự (2000) [1]; Đặng VănCan và cộng sự (2000) [13] đã phát hiện thấy nồng độ As trong các mẫu nướckhảo sát ở khu vực thượng lưu sông Mã, Sơn La, Phú Thọ, Bắc Giang, Hưng Yên, HàNội, Hà Nam, Nam Định, Thanh Hóa đều vượt tiêu chuẩn cho phép đối với nướcsinh hoạt của Quốc tế và ViệtNam

As trong sinh vật: Phuong và cộng sự (1999) [116] đã công bố hàm lượng Astrong gạo của Việt Nam 0,03 - 0,47 mg/kg khối lượng khô, hàm lượng này vẫn nằmtrong giới hạn cho phép của Việt Nam (QĐ 46/ BYT, 2007) Nghiên cứu củaNguyễn Tài Lương (2000) [24] cho thấy, hàm lượng As trong các mẫu thức ăn chănnuôi (thức ăn của gia cầm dao động từ 0,11 mg/kg đến 1,49 mg/kg mẫu khô vàtrong thức ăn chăn nuôi của lợn dao động từ 0,3 đến 9,7 mg/kg mẫu khô) nằm dướingưỡng cho phép (10 mg/kg) Hàm lượng As trong mẫu thịt gà và thịt lợn ở một sốtỉnh miền Bắc dao động từ 0,10 đến 1,88 mg/kg mẫu tươi (trong thịt gà dao động từ0,1 đến 1,88 mg/kg mẫu tươi; trong thịt lợn dao động từ 0,14 mg/kg đến 0,43 mg/kgmẫu tươi) Nghiên cứu của Đỗ Văn Ái và cộng sự (2000) [1] cho thấy, hàm lượng

As trung bình trong lúa, ngô hạt, sắn củ tương ứng là 0,97; 0,78; 0,22 ppm trọnglượngkhô.AstrongnướctiểucủadâncưsốngtrongkhuvựcphơinhiễmAsthuộc

huyện Sông Mã là 89,2 - 120,2 mg/l, móng tay là 1,72 - 1,85 ppm, tóc là 1,61 - 1,73ppm [1].

Trong giai đoạn này, một số nghiên cứu đã đi sâu vào lĩnh vực tìm giải pháplàm giảm thiểu hàm lượng As trong nước ngầm và nước cấp cho sinh hoạt nhưnghiên cứu của Trần Hồng Côn và cộng sự (2000) [16], Trần Hiếu Nhuệ và cộng sự(2000) [27], Đỗ Văn Ái và cộng sự (2000) [1] đã tập trung vào cách thức làm giảmthiểu tác động của ô nhiễm As tới môi trường và sức khỏe conn g ư ờ i

Nhìn chung, các nghiên cứu về As trong giai đoạn này chủ yếu về địa chất,địa chất thủy văn, địa hóa và thuỷ địa hoá Việc nghiên cứu As chỉ mang tính kháiquát và kết hợp chung với các nguyên tố khác trong quá trình tìm hiểu về địa chất.Bên cạnh đó, bước đầu cũng có các nghiên cứu đánh giá hàm lượng As trong cácđối tượng là sinh vật như các cây trồng (lúa, ngô, sắn), vật nuôi (gia súc, gia cầm),tuy nhiên các nghiên cứu này chưa quan tâm đến nhóm sinh vật ở nước

Giai đoạn sau năm 2000

Nghiên cứu nổi bật trong giai đoạn này là nghiên cứu của Berg, M và cộng

sự (2001) [47], kết quả của nghiên cứu này cho thấy, hàm lượng As trong nướcngầm của Hà Nội dao động từ 1 đến 3050 µg/l (trung bình là 159 µg/l) Trong đó,vùng bị ảnh hưởng cao nhất là huyện Thanh Trì với 89% mẫu nước ngầm thu được

có hàm lượng As vượt quá tiêu chuẩn của US EPA và Tiêu chuẩn Việt Nam (50µg/l) [149] Hàm lượng As trung bình trong các mẫu của Thanh Trì là 432 µg/l Dođó,nguycơphơinhiễmmãntínhcủaAsđốivớiconngườilàrấtcao[149]

Nghiên cứu của Chính phủ Việt Nam và UNICEF trong hơn 2 năm (2003 2005), khảo sát về nồng độ As trong nước của 71.000 giếng khoan ở 17 tỉnh đồngbằng thuộc cả 3 miền: Bắc, Trung, Nam cho thấy, nguồn nước giếng khoan của cáctỉnh vùng lưu vực sông Hồng: Hà Nam, Nam Định, Hà Tây, Hưng Yên, Hải Dương

-và các tỉnh An Giang, Đồng Tháp thuộc lưu vực sông Mê Kông đều bị nhiễm As rấtcao Tỷ lệ các giếng có nồng độ As từ 0,1 mg/l đến hơn 0,5 mg/l dao động từ 59,6đến 80% [110], cao hơn Tiêu chuẩn cho phép của Việt Nam và Tổ chức Y tế thếgiới (WHO) từ 10 đến 50lần

Phạm Thị Kim Trang và cộng sự (2005) [35], đề cập đến khả năng tích lũysinh học As trong máu, tóc, nước tiểu của người bị phơi nhiễm As Phạm Quý Nhân

và cộng sự (2007) đã công bố về hàm lượng vết của As trong tầng nước ngầm của

Hà Nội [110] Đỗ Văn Bình (2007) [2], đã nghiên cứu về sự hình thành và phân bốcủa asen trong nước dưới đất trầm tích đệ tứ vùng Hà Nội, đánh giá, dự báo và đềxuất các giải pháp phòng ngừa những ảnh hưởng của nó đến chất lượng nước phục

vụ sinh hoạt Winkel và cộng sự (2008) [98] đưa ra mô hình không gian biểu diễn

sự phân bố của các khu vực ô nhiễm As trong nước ngầm thuộc tầng Holocene tạiđồng bằng sông Hồng và đồng bằng sông Cửu Long Trần Tứ Hiếu và cộng sự(2008) [18] đã công bố hàm lượng As có mặt trong trầm tích và trong một số sinhvật đáy (trai, ốc) ở hồ Tây, Hà Nội Ngoài ra, một số nhà khoa học trẻ cũng đã cónhữngnghiêncứuvềônhiễmAsđượctrìnhbàytrongcácđềtàithạcsĩvàtiếnsĩ

Nhìn chung, trong giai đoạn này, các nghiên cứu về As khá đa dạng vàphong phú bao gồm các đánh giá về hàm lượng As trong nước ngầm ở các khu vựckhác nhau trên địa bàn cả nước; các đánh giá về ảnh hưởng của hoạt động sản xuất,khai thác mỏ đến sự phát thải As vào môi trường; các nghiên cứu đánh giá hàmlượng As trong các đối tượng sinh vật cũng được quan tâm nhiều hơn so với giaiđoạn trước năm 2000 Tuy nhiên, các nghiên cứu về As trong các hệ sinh thái ởnước và đánh giá khả năng tích tụ As trong các sinh vật còn rất hạn chế Hơn nữaViệt Nam là quốc gia có bờ biển rất dài với hơn 3.260 km và có hệ thống sông suối,

hồ ao vô cùng phong phú, do đó, nguồn lợi thủy sản đóng một vai trò rất quan trọngtrong đời sống cũng như sự phát triển kinh tế - xã hội Cho nên, việc đánh giá tácđộng của các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến nguồn lợi cá nói chung và ảnhhưởng của As đến các sinh vật ở nước và sự vận chuyển sinh học(biotransformation) của As trong các sinh vật trong một hệ sinh thái ở nước là mộtviệc làm cần thiết Đặc biệt, trong giai đoạn hiện nay, khi mà tác động của các yếu

tố môi trường đến hệ sinh thái ở nước ngày càng trở nên sâu sắc và khó kiểm soátthì việc dự báo các biến động đến môi trường, phục vụ cho mục đích quản lý càng

có ý nghĩa khoa học và thựctiễn

1.3 Mô hình toán trong nghiên cứu về hệ sinhthái

Mô hình ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong việc quản lý môi trườngbởi vì chúng không chỉ là công cụ mà còn liên quan đến việc định lượng các tácđộng đến các thành phần khác nhau của hệ sinh thái và đến toàn bộ hệ sinh thái Môhình sinh thái học được coi như một công cụ quản lý và công cụ nghiên cứu từnhững năm 70 của thế kỷ XX Mô hình hoá không bao giờ phản ánh được giốnghoàn toàn thực tế, nhưng nó phản ánh được tính quy luật của hệ thống, giúp conngười hiểu được tình trạng đã xảy ra trong quá khứ, hiện tại và dự báo được sự pháttriển của hệ thống trong tương lai [44, 85, 91,1 5 2 ]

Trong tự nhiên, vật chất được quay vòng tạo thành chu trình vật chất, do đó,dựa trên bản chất này của vật chất, có thể mô hình hóa được sự chu chuyển (chutrình) của vật chất trong một hệ sinh thái (từ hệ sinh thải nhỏ như bể cá cảnh cho đến

hệ sinh thái lớn nhất là sinh quyển), ví dụ như chu trình ni tơ, chu trình cac bon, chutrình nước Mục đích xây dựng mô hình đối với một hệ sinh thái là để hiểu và dựbáo các tương tác trong hệ thống cũng như phục vụ cho việc miêu tả sự tươngtácgiữacácthànhphầntrongtoànbộhệthốngnóichungvàhệsinhtháinóiriêng

Lotka - Voltera (Lotka, 1925; Volterra, 1926) [100] đã là những người đầutiên nghiên cứu về tương tác vật dữ - con mồi Tiếp đó, Nicholson - Bailey(Nicholson - Bailey, 1935) [111], đã đưa ra mô hình nghiên cứu về mối quan hệgiữa sinh vật ký sinh và vật chủ Từ đó đến nay, rất nhiều nghiên cứu ứng dụng toánhọc vào mô hình hóa và mô phỏng các quá trình sinh học đã được thực hiện Trong

số đó, có khá nhiều nghiên cứu được thực hiện với các hệsinh thái ở nước

1.3.1 Ứng dụng mô hình toán trong các nghiên cứu về hệ sinh thái thủyvực

DiToro và cộng sự (1971) [61] đã phát triển một mô hình 3 chiều để dự báođáp ứng của quần thể thực vật nổi (TVN) với sự ô nhiễm của các chất dinh dưỡng.Miller (1971) [106] cũng đã đưa ra được sơ đồ lưu lượng dịch chuyển của thủyngân trong hệ sinh thái thủy vực Hannon (1973) [72] lần đầu tiên đưa vào phân tíchmột cách hệ thống một hệ sinh thái, ông cho rằng hệ sinh thái cũng giống như cáchệthốngkinhtế,nênđểmôhìnhhóađượcthìphảibiếtcácđầuvào,đầuracủacả

hệ và của các thành phần trong hệ Lehman và cộng sự (1975) [97] đã đưa ra cácbiến để miêu tả nồng độ dinh dưỡng dự trữ trong sinh khối của thực vật nổi, cácbiến này là cơ sở để dự báo các tác động của môi trường đến sự phát triển quá mứccủaTVN.

Gillet và cộng sự (1974) [70] đã đưa ra mô hình vận chuyển của thuốc trừsâu; Hill và cộng sự (1976) [75] đã xem xét động học của vinylclo trong các hệ sinhthái thuỷ vực, Lassiter và cộng sự (1976) [94] đã nghiên cứu về hàm lượng vết củathuỷ ngân trong hệ sinh thái thuỷ vực và năm 1978 ông đã nghiên cứu động học củamethyl parathion và benzothiophene [94] Những mô hình này đã được áp dụng đểtính toán các quá trình như sự bay hơi, sự quang phân, sự ô xi hoá, sự khử, sự phânhuỷ sinh học, sự hấp thụ, sự ion hoá và tạo phức, sự tương tác giữa môi trường vàsinh vật Thông thường các mô hình được xây dựng dựa trên cơ sở từ hai đến bốnbậc dinh dưỡng, nhưng người ta cũng có thể nghiên cứu mô hình dựa trên một lướithức ăn[83]

Thomann và cộng sự (1974) [139] đã mô hình hoá sự phân bố của Cd ở hồErie, ông đã áp dụng mô hình một chuỗi thức ăn với cấu trúc cơ bản tương tự vớicác mô hình phú dưỡng, dựa trên các phương trình cân bằng khối lượng của mỗibậc dinh dưỡng ở một không gian xác định Curtis và cộng sự (1977) [59] đã thiếtlập nhiều mô hình chi tiết (mô hình con) hiển thị sự tích luỹ của thuỷ ngân trong cá.Baccini và cộng sự (1977) đã phát triển mô hình động học ứng dụng nhờ nghiêncứu tính ổn định của kim loại ở trạng thái phối tử[ 8 3 ]

Seip (1979) [91] đã mô hình hóa sự hấp thụ KLN (Fe và Zn) của tảo Nghiêncứu cho thấy, sự hấp thụ KLN của tảo đáy phụ thuộc vào thông số sinh trưởng củatảo, nồng độ Zn trong môi trường, tỷ lệ chết và sức chứa môit r ư ờ n g

Nghiên cứu của Sviezhev và cộng sự (1984) [137] đã xây dựng mô hình chuchuyển của các chất dinh dưỡng ni tơ (N) và phospho (P) cho một hệ sinh thái hồ.Đây là mô hình mô phỏng sự chu chuyển của các chất dinh dưỡng trong các thànhphần (bậc dinh dưỡng) khác nhau trong một hệ sinh thái hồ nuôi cá

Các phương trình

Sơ đồ khái niệmCác dữ liệu cần thiếtXác định giới hạn không gian, thời gian

Phê chuẩn và công nhận mô hìnhHiệu chuẩn và điều chỉnhPhân tích độ nhạy

Jorgensen (1979b, 1983) [81, 83] đã đưa ra các nguyên tắc để tiến hành thựchiện các bước mô hình hóa trong bài toán mô phỏng (hình 1.4) Bên cạnh đó,Jorgensen (1983) [83], đã đưa ra mô hình cơ sở cho sự chu chuyển của một chất độcqua một bậc dinh dưỡng (hình 1.5) Ngoài ra, các phương trình biểu diễn sự biếnđộng về hàm lượng của một chất độc trong nước, trong trầm tích và trong sinh vậtcũng được ông đưa ra, đó là: phương trình thể hiện sự vận chuyển của chất độctrong nước; phương trình thể hiện sự vận chuyển của chất độc trong các sinh vật vàphươngtrìnhthểhiệnsựbiếnđộnghàmlượngcủachấtđộctrongtrầmtích

Hình 1.4 Giản đồ thể hiện các bước xây dựng mô hình

(nguồn Jorgensen (1983)[83])

Xác định mục đích nghiên cứu

Cơ thể

Sinh khối

Chết

Bài tiết (hô hấp)

Làm thức ăn cho sinh vật ở bậc cao hơn Thức ăn vào cơ thể

Schnoor (1996) [79], đã đề cập đến sự chu chuyển của KLN trong hệ thốngthủy vực (hồ, sông) và sự vận chuyển của các KLN trong đất Tuy nhiên, ông chưaquan tâm đến sự vận chuyển của vật chất trong sinh vật ở các thủy vực đó

Nghiên cứu của Simona và cộng sự (2007) [130], đã mô hình hóa và môphỏng sự vận chuyển của các KLN trong trầm tích và trong nước Nghiên cứu nàycũng đã chứng minh rằng, hồ là một hệ động học và nó đạt được đến trạng thái ổnđịnh phụ thuộc vào thể tích của các dòng vào và dòng ra trong một phạm vi nhấtđịnh[130]

Ngoài ra, một số tác giả cũng đã tiến hành mô hình hóa và mô phỏng các quátrình vận chuyển của KLN nói chung và As nói riêng trong các hệ sinh thái thủyvực, trong đó có thể kể đến một số công trìnhsa u:

Lee và cộngsự(1998) [96], đã nghiên cứuảnhhưởngcủa sinh khốivitảolênhiệu

suất hấp thụ Cd, Cr vàZncủa hai loài trai(Potamocorbula

amurensisvàMacomabalthica)thuộclớphaimảnhvỏ tạivịnh SanFancisco Nghiêncứu

chothấy, khảnăng tích lũysinhhọccủa 2loàitraiđối với cácKLN tuântheothứtựZn>Cd>Cr[96]

Casado và cộng sự (2010) [49] đã nghiên cứu động học hấp thụ As của giun

nhiều tơ (Arenicola marina) dưới sự tác động của các thông số vật lý: tốc độ hấp

thụ, tốc độ đào thải, hằng số sinh trưởng, tỉ lệ tiêu hóa tại từng địa điểm nghiên cứu.Kết quả cho thấy, sự tích lũy sinh học As trong giun nhiều tơ liên quan đến địa chấttại từng điểm nghiên cứu; 30 đến 60% lượng As phân bố trong trầm tích tại cácđiểm nghiên cứu được tích lũy bởi giun nhiều tơ Với nồng độ asenat tăng dần từ 2đến2 0 μg/l,hằngsố g / l , h ằ n g s ố h ấ p t h ụ t ư ơ n g ứ n g A s c ủ a g i u n n h i ề u t ơ l à 0 , 1 6 4 8

± 0,0135 l/g/ngày, hệ số đồng hóa As là 7,8 ± 0,8% Tốc độ bài tiết As của giunnhiều tơ được nuôi trong dung dịch asenat 0,0449 ± 0,0034/ngày còn trong trầmtích là 0,0478 ± 0,0225 /ngày; thờigian bán rã sinh học As là 15 ngày [49]

Ngày nay, các mô hình sinh thái học độc tố ngày càng được ứng dụng nhiều,các mô hình này được chia làm hai loại: mô hình số phận (fate model) và mô hìnhảnh hưởng (effect model) Mô hình số phận cho chúng ta biết nồng độ của một chấthoá học ở một (hoặc nhiều thành phần của môi trường) và cho biết được thời giancủa những thay đổi về nồng độ trong thành phần đó, ví dụ, sự thay đổi nồng độ củamột hóa chất trong nước, trong TVN, trong cá hoặc trong thân mềm Còn mô hìnhảnh hưởng cho chúng ta biết được sự vận chuyển của một chất hoá học hoặc hàmlượng của chất hoá học đó trong một thành phần của hệ thống, mà thành phần nàygây ảnh hưởng đến một cá thể sinh vật, quần thể, quần xã, hệ sinh thái, cảnh quan(gồm 2 hay nhiều hệ sinh thái) hoặc đến toàn bộ sinh quyển Trong các nghiên cứuhiện nay, có thể nghiên cứu kết hợp cả mô hình số phận và mô hình ảnh hưởng củamột chất độc trong môi trường, tuy nhiên, để thực hiện được nghiên cứu này đòi hỏikhối lượng công việc rất lớn và rất phức tạp[8 5]

Tóm lại, các mô hình nghiên cứu sự vận chuyển của các kim loại lượng vết ởcác thủy vực (cả nước đứng và nước chảy) vẫn còn khá hạn chế Nghiên cứu sâu chỉmới tập trung vào thủy ngân (Hg) mà chưa quan tâm nhiều đến các kim loại vếtkhác [140] Nhiều nghiên cứu chỉ ra mối liên hệ động học giữa các thành phần vôsinh của môi trường mà chưa tiến hành mô phỏng sự chu chuyển của các kim loạinàyq u a n h i ề u m ắ t x í c h t h ứ c ă n k h á c n h a u t r o n g m ộ t h ệ s i n h t h á i D o đ ó , n g

h i ê n

cứu này được thực hiện để xác định sự phân bố của nguyên tố As trong các thànhphần khác nhau của hệ sinh thái hồ Tây, Hà Nội và khoảng thời gian của nhữngthay đổi hàm lượng này trong các thành phần, nói cách khác là mô hình số phận củachất độc được áp dụng trong nghiên cứu này Tuy nhiên, hệ sinh thái là một hệthống vô cùng phức tạp, do đó, khi tiến hành mô phỏng nhiều yếu tố đã được đơngiản hóa hoặc lược bớt để hệ thống trở nên đơn giản hơn Tuy nhiên, việc đơn giảnhoánàykhônglàmmấtnhữngđặcđiểmđặctrưngđạidiệnchotoànhệthống.

1.3.2 Tổng quan về phần mềmStella

Hiện nay, có rất nhiều phần mềm được ứng dụng trong nghiên cứu môphỏng Stella là phần mềm do nhóm 7 chuyên gia Hà Lan xây dựng, với nhiều tiệních, rất dễ sử dụng Phần mềm Stella là một công cụ trực quan và có tính khoa họcnghiêm ngặt Ưu điểm nổi bật nhất của Stella là mô phỏng các mối quan hệ của cácyếu tố bằng hình ảnh và các phương trình, nên rất dễ hiểu và dễ sử dụng Với daodiện dễ dàng cho người sử dụng đưa các thông số đầu vào thông qua số liệu, thanhtrượt, các hộp nhập dữ liệu và đầu ra là các bảng biểu, số liệu hoặc đồ thị Sơ đồ cấutrúc cho biết cấu trúc mô hình và hình ảnh gần gũi với thực tế Các phương trìnhđược thể hiện rất chi tiết, với nhiều phương trình khác nhau Bước thời gian và côngnghệxửlýđượckiểmsoátbởingườilậpmôhìnhhoặcngườisửdụngmôhình

Hơn nữa, Stella rất dễ dàng cho việc kiểm tra, đánh giá Có thể được sử dụng

để xây dựng các mô hình khác nhau từ các hệ thống đơn giản đến các hệ thống phứctạp với nhiều kết nối không tuyến tính Rất dễ so sánh kết quả mô phỏng bằng Stella

và số liệu thực tế Đặc biệt, Stella là một phần mềm hiệu quả đối với các bài toánnghiên cứu sự biến động theo thời gian Với các phương trình vi phân, phần mềmnày cho ra kết quả nhanh và hiệu quả cao Ngôn ngữ trong Stella dễ hiểu, cácphương trình trong Stella đọc được cả trên các phần mềm C+vàF o r t r a n

Trong giao diện Stella, các biến trạng thái được biểu diễn bởi hình chữ nhật,các biến điều khiển được thể hiện bằng hình tròn, các mũi tên nối giữa các hình trònvới nhau và với các hình chữ nhật trong sơ đồ mô phỏng thể hiện sự ảnh hưởng lẫnnhau giữa các biến với hàm Các hình tròn hay hình chữ nhật đều được nối với các

chương trình con, cho phép nhận các giá trị đưa vào dưới dạng hằng số, biểu đồthông số và hàm số để có thể đạt hiệu quả caon h ấ t

Đối với phương pháp giải gần đúng phương trình vi phân, Stella cho phép sửdụng phương pháp Euler và Runge - Kutta Trong nghiên cứu này sự chênh lệchgiữa các kết quả khi giải bằng cả 2 phương pháp là không đáng kể Kết quả môphỏng được thể hiện trên cả hai phương diện: hình ảnh (đồ thị), số liệu (bảng sốliệu) Với những ưu điểm trên, phần mềm Stella được lựa chọn cho việc mô phỏng

sự chu chuyển của As trong hệ sinh thái hồT â y

1.4 Tổng quan về hồ Tây, HàNội

Hồ Tây nằm ở 21o03’vĩ độ Bắc, 105o50’kinh độ Đông thuộc quận Tây Hồ phíaTây Bắc nội thành Hà Nội, phía Bắc giáp đê bao Yên Phụ - Tứ Liên, phía Nam giápđường Thụy Khuê, phía Đông giáp đường Thanh Niên, phía Tây giáp đường LạcLong Quân Trước đây, hồ Tây bao gồm cả hồ Trúc Bạch, từ sau khi đắp đườngThanh Niên hồ Trúc Bạch bị tách khỏi hồ Tây; tuy nhiên, giữa 2 hồ vẫn có sự traođổi nước qua cống Trúc Bạch (cống cây Si) trên đường ThanhN i ê n

Hồ Tây là một hồ nước ngọt tự nhiên lớn nhất trong các hồ thuộc đồng bằngsông Hồng, được hình thành do sự đổi dòng của sông trong quá trình lịch sử để lạisông cụt và chuyển thành hồ [31] Trước sự cố môi trường xảy ra ngày 1, 2 tháng 10năm 2016, hồ Tây được coi là một hệ sinh thái tương đối đa dạng với hệ động - thựcvật vô cùng phong phú Do đó, hồ Tây được xếp vào 1 trong số 500 hồ có giá trị cầnđược bảo tồn trên thế giới (ILEC, 2001) [77]

Các bản đồ về hồ Tây ở các giai đoạn khác nhau cho thấy, hồ có nhiều biến động về diện tích và hình dáng nhưng cho đến nay diện tích hồ hầu như ổn định và ít biến đổi (việckèhồđãđượchoànthànhđúngdịpkỉniệm1000nămThăngLong-HàNội,năm 2010) Số liệu

về diện tích hồ trước năm 1987 là 446 ha; số liệu đo đạc của Sở địa chính Hà Nội năm 1987 là

515 ha; năm 1997 là 526,126 ha; diện tích hồ Tây sau khi hoàn thiện toàn bộ bờ kè xung quanh

hồ là 519,753 ha (chưa gồm diện tích hồ Vả: 3,985 ha và hồ sen Quảng An: 3,779 ha) [37,38].

1.4.1 Điều kiện tựnhiên

Mặt nước hồ Tây có diện tích khoảng 520 ha, chu vi khoảng 18 km với dungtích nước gần 9 triệu m3[26, 38] Độ sâu của mực nước hồ từ 0,2 đến 2,8 m, tầng đáy

hồ là một lớp bùn dày 0,2 đến 1,5 m gồm cát lẫn đất sét (sét chiếm 80%), tại cácvùng cống thải lớp bùn đáy dày hơn so với các vùng khác [26] Hồ gần như đượcchia làm 2 phần: phần từ cống Đõ sang bán đảo Quảng An (Phủ Tây Hồ) trở lên phíaBắc gọi là hồ trên; phần còn lại là hồ dưới [26,3 8 ]

Bảng 1.1 Bảng tổng hợp nhiệt độ, lượng mưa, độ ẩm trung bình các tháng trong năm của Hà Nội từ năm 2011 đến năm 2015

Ghi chú: T: nhiệt độ ( o C); M: lượng mưa (mm); Â: độ ẩm (%)

Nguồn: Cục Thống kê thành phố Hà Nội [12], Viện khoa học Khí tượng thuỷ văn và Biếnđổi khí hậu [41].

Khí hậu: Hồ Tây nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa mang tính chất điển hình

của khí hậu Hà Nội, với lượng mưa trung bình hàng năm 1775 mm (từ 2008 2013) Trong đó, mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 11 (mùa hè) chiếm tới hơn 80%tổng lượng mưa cả năm Đặc biệt, vào giữa mùa hè tháng 7 và tháng 8, mỗi tháng

-có 16 - 18 ngày mưa với lượng mưa trung bình là 280 - 430 mm [12] Lượng nướcbốch ơ i t r u n g b ì n h c á c t h á n g d a o đ ộ n g t ừ k h o ả n g 5 1 m m ( t h á n g 3 ) đ ế n

8 6 m m