Sự phát triển của bèo tấm, Lemna minor L., phơi nhiễm với đồng và crôm trong điều kiện phòng thí nghiệm

Kim loại vi lượng là thành phần tất yếu của tự nhiên. Tuy nhiên hàm lượng của chúng ngày càng tăng cao trong môi trường bao gồm thủy vực, dưới các hoạt động phát thải của con người. Nghiên cứu này đánh giá ảnh hưởng riêng lẻ và kết hợp của đồng (Cu) và crôm (Cr) ở nồng độ từ 5 – 500 µg/L lên sự phát triển của bèo tấm ở điều kiện phòng thí nghiệm trong thời gian 10 ngày.

Chuyên san Phát triển Khoa học Công nghệ số (1), 2017 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA BÈO TẤM, LEMNA MINOR L., PHƠI NHIỄM VỚI ĐỒNG VÀ CRÔM TRONG ĐIỀU KIỆN PHỊNG THÍ NGHIỆM Vũ Ngun1, Trịnh Hồng Phúc1, Hồ Diễm Châu1, Đặng Văn Sơn2, Đào Thanh Sơn1* Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM Viện Sinh học Nhiệt đới, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam * Tác giả liên hệ: dao.son@hcmut.edu.vn (Ngày nhận bài: 08/04/2017; Ngày duyệt đăng: 08/05/2017) TÓM TẮT Kim loại vi lượng thành phần tất yếu tự nhiên Tuy nhiên hàm lượng chúng ngày tăng cao môi trường bao gồm thủy vực, hoạt động phát thải người Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng riêng lẻ kết hợp đồng (Cu) crôm (Cr) nồng độ từ – 500 µg/L lên phát triển bèo điều kiện phịng thí nghiệm thời gian 10 ngày Kết cho thấy, Cu làm suy giảm số sắc tố quang hợp bèo Nồng độ cao Cu thí nghiệm (500 µg/L) kìm hãm tốc độ tăng trưởng bèo Kim loại Cr nồng độ dùng thí nghiệm, kích thích tốc độ phát triển gia tăng quần thể bèo Sự kết hợp hai kim loại Cu Cr tạo nên tương tác đối kháng dẫn đến suy giảm độc tính Cu bèo Nên có nghiên cứu chi tiết độc tính kim loại làm sở khoa học cho việc điều chỉnh tiêu Cu QCVN nhằm bảo vệ cân hệ sinh thái thủy vực Từ khóa: Bèo tấm, kim loại vi lượng, độc tính, tốc độ tăng trưởng, sắc tố DEVELOPMENT OF DUCKWEED, LEMNA MINOR L., EXPOSED TO COPPER AND CHROMIUM IN THE LABORATORY CONDITIONS Vu Nguyen1, Trinh Hoang Phuc1, Ho Diem Chau1, Dang Van Son2, Dao Thanh Son1* HCM City University of Technology, Vietnam National University HCM City Institute of Tropical Biology, Vietnam Academy of Science and Technology * Corresponding author: dao.son@hcmut.edu.vn ABSTRACT Trace metals are essential part of nature However, their concentrations have increased day by day upon the emission of human beings’ activities This study evaluates the single and combined effects of copper (Cu) and chromium (Cr) at the concentrations of – 500 µg/L on the development of duckweed in the laboratory conditions over a period of 10 days The results showed that Cu decreased the number and pigments of duckweed The metal Cr at the used concentrations stimulated the growth rate and population enhancement The combination of Cu and Cr resulted in the antagonistic effect consequently the decrease of Cu toxicity to duckweed Further investigations on the metal toxicity for the adjustment of Cu in QCVN and for protection on the aquatic ecosystem balance Keywords: Duckweed, trace metals, toxicity, growth rate, pigments phân bố rộng khắp giới, đặc biệt vùng nhiệt đới cận nhiệt, nguồn thức ăn quan trọng cho số thủy sinh MỞ ĐẦU Bèo (Lemna minor L.), thuộc họ Bèo cám (Lemnaceae), loài thực vật nước 47   Chuyên san Phát triển Khoa học Công nghệ số (1), 2017 vật loài chim nước, cá gia cầm (FAO, 1999; APHA, 2012) Trong hệ sinh thái thủy vực, bèo nhóm sinh vật sản xuất, có vai trị lớn việc khắc phục tình trạng phú dưỡng hóa (N, P) thủy vực nước chúng có khả phát triển nhanh hấp thụ phần lớn chất Đồng thời, nhóm thực vật thủy sinh dùng cho việc đánh giá chất lượng môi trường nước, mang lại nhiều thành có giá trị khoa học thực tiễn (Lembi, 2009; Lê Hữu Thắng Lê Huy Hoàng, 2016) Sự phát triển bèo bị chi phối nhiều yếu tố môi trường bao gồm ánh sáng, nhiệt độ, pH, độ sâu vực nước hàm lượng kim loại vi lượng (FAO, 1999) Các kim loại vi lượng (như Cr, Ni, Zn, Cu , ) cần thiết cho phát triển bèo Tuy nhiên, nồng độ kim loại tăng cao mức độ định, gây ảnh hưởng xấu lên phát triển bèo Các nhà khoa học Iran có nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng kim loại lên phát triển bèo giảm dần theo thứ tự Cu > Cd > Ni > Zn (Khellaf Zerdaoui, 2009) Nồng độ Zn Cu nước có tương quan với tốc độ tăng trưởng trọng lượng tươi bèo (Dirilgen Inel, 1993) Tuy nhiên, nồng độ cao Cu Cd gây thay đổi mạnh lên hoạt tính nhóm enzyme kháng oxy hóa khử Catalase Peroxidase (Cvjetko cs., 2010) Kim loại Cu nồng độ từ 25 – 50 µM thúc đẩy phân hủy sắc tố bèo (Lemna trisulca L.) suy giảm chlorophyll a carotenoid bèo tỷ lệ thuận với gia tăng nồng độ Cu phơi nhiễm (Prasad cs., 2001) Kim loại vi lượng thủy vực tự nhiên có nguồn gốc từ hoạt động xói mịn tự nhiên hòa tan vào nước từ đất hay trầm lắng Bên cạnh đó, hoạt động phát thải người (công nghiệp, nông nghiệp, sinh hoạt, đô thị) làm gia tăng đáng kể nhanh chóng nồng độ kim loại vi lượng môi trường (Strady cộng sự, 2017) Ở Việt Nam, hàm lượng kim loại (như Cu, Cr) hịa tan thủy vực tự nhiên khơng cao (Le Dao, 2016) nồng độ chúng trầm lắng đáng kể, đặc biệt khu vực đô thị gần nơi phát thải hoạt động người, lên đến 1,3 g Cu/kg trầm lắng 2,3 g Cr/kg trầm lắng (Thuy cs., 2007) Cho đến nay, có tương đối nhiều nghiên cứu ảnh hưởng tiêu cực kim loại lên bèo công bố giới Mặc dù vậy, ảnh hưởng kết hợp Cu Cr lên bèo chưa hiểu biết Những nghiên cứu Việt Nam mối tương quan kim loại bèo có nguồn gốc Việt Nam bước khởi đầu Do đó, mục tiêu nghiên cứu tìm hiểu ảnh hưởng riêng lẻ kết hợp hai kim loại vi lượng (Cu, Cr) lên phát triển bèo có nguồn gốc Việt Nam điều kiện phịng thí nghiệm VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP Vật liệu Bèo thu từ ao trồng rau nhút kết hợp nuôi cá Quận 12, thành phố Hồ Chí Minh Sau thu về, bèo rửa nước cất, chọn lựa tốt (trung bình có hai xanh, rễ) nuôi môi trường Z8 (Kotai, 1972) qua nhiều tháng Bèo phát triển tốt mơi trường Z8, điều kiện phịng thí nghiệm, nhiệt độ 25 ± 1ºC, cường độ ánh sáng khoảng 1.700 Lux chu kỳ sáng tối 12h sáng: 12h tối Quan sát định danh tên khoa học mẫu bèo theo phương pháp hình thái so sánh, dựa vào tài liệu phân loại tác giả Phạm Hoàng Hộ (2000) Hai kim loại vi lượng dùng cho nghiên cứu Cu Cr cung cấp từ công ty Merck (Đức) dạng dung dịch gốc, có nồng độ 1.000 mg/L Thiết kế thí nghiệm Thí nghiệm phơi nhiễm bèo với kim loại thực dựa theo hướng dẫn APHA (2005) Khellaf Zerdaoui 48   Chuyên san Phát triển Khoa học Cơng nghệ số (1), 2017 (2009) Theo đó, nghiên cứu ảnh hưởng riêng lẻ kim loại, bèo ni mơi trường Z8, có chứa Cu Cr (Merck) nồng độ (đối chứng) 5, 50 500 µg/L Trong nghiên cứu ảnh hưởng kết hợp Cu Cr, bèo nuôi mơi trường có chứa hỗn hợp Cu Cr nồng độ (i) 2,5 µg Cu/L + 2,5 µg Cr/L , (ii) 25 µg Cu/L + 25 µg Cr/L, (iii) 250 µg Cu/L + 250 µg Cr/L Trong nồng độ kim loại (đối chứng phơi nhiễm) thí nghiệm, bèo ni 200 môi trường Z8 Số mẫu lặp lại lần cho nồng độ (n = 5) Thí nghiệm tiến hành điều kiện phịng thí nghiệm đề cập phần kéo dài 10 ngày Số lượng bèo bình lơ thí nghiệm theo dõi, ghi nhận hàng ngày Hình thái, màu sắc bên ngồi bèo lơ thí nghiệm quan sát, chụp ảnh Xử lý số liệu Tốc độ tăng trưởng bèo (R) tính theo cơng thức Schoen (1988): R = (lnX2 – lnX1)/(t2 – t1) Trong X1 X2 số bèo đạt vào thời điểm thí nghiệm (ngày) thứ (t1) thứ (t2) Phép thử Kruskal Wallis (phần mềm Sigma Plot, phiên 12.0) dùng để tính tốn giá trị P, nhằm xác định khác biệt có ý nghĩa thống kê phát triển bèo, lô thí nghiệm đối chứng lơ phơi nhiễm Sự khác biệt có ý nghĩa thống kê, giá trị P không lớn 0,05 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Ảnh hưởng kim loại lên gia tăng số bèo Số bèo lơ thí nghiệm, nhìn chung, ổn định tăng chậm ngày đầu, sau bắt đầu tăng lên Số bèo trung bình lơ đối chứng vào ngày thứ thí nghiệm (6,2 cây/bình) đạt gấp đơi số ngày bắt đầu (3 cây/bình) đến ngày cuối 49   thí nghiệm (ngày 10), số trung bình bình xấp xỉ 84 (hình 1a) Số bèo phơi nhiễm với Cu Cu 50 tăng chậm so với lô đối chứng đạt 61 71 cây/bình, vào thí nghiệm thứ 10 Đặc biệt, phát triển số bèo lơ thí nghiệm Cu 500 gia tăng yếu ớt không thay đổi vào hai ngày cuối thí nghiệm (đạt 12 cây/bình) Phơi nhiễm với Cu cho thấy, nồng độ Cu 5, Cu 50 đặc biệt Cu 500 kìm hãm mạnh mẽ gia tăng số bèo tạo khác biệt rõ rệt có ý nghĩa thống kê (p < 0,05, phép thử Kruskal-Wallis) so với lô đối chứng (hình 1a) Trong phơi nhiễm với Cr, số bèo trung bình bình ni tăng mạnh vào ngày thứ đến kết thúc thí nghiệm, số bèo trung bình lơ thí nghiệm Cr 5, Cr 50 Cr 500 120, 138 125 cây/bình (hình 1b) Sự khác biệt số bèo lô phơi nhiễm với Cr lơ đối chứng có ý nghĩa thống kê xuất vào hai ngày cuối thí nghiệm (p < 0,05) Trong phơi nhiễm với hỗn hợp Cu Cr, bèo lô phơi nhiễm (ở nồng độ khác nhau) gia tăng số nhanh chóng, đạt mức trung bình từ 90 – 109 cây/bình ni (hình 1c) Điều thú vị là, kết xử lý thống kê cho thấy khác biệt (tăng nhanh hơn) số bèo lô phơi nhiễm với hỗn hợp kim loại (Cu + Cr) so với lô đối chứng xảy từ ngày thứ kéo dài kết thúc thí nghiệm (hình 1c) Đồng yếu tố vi lượng quan trọng thực vật, tham gia vào cấu trúc nhiều protein enzyem tế bào liên quan đến nhiều q trình hơ hấp, quang hợp, tổng hợp sắc tố hoạt tính enzyme (Sigh, 2015) Tuy nhiên, nồng độ Cu tăng cao mơi trường dẫn đến việc ức chế, kìm hãm số trình khác xáo trộn hoạt tính bình thường nhóm enzyme kháng oxy hóa suy giảm lượng sắc tố quang hợp (Prasad cs., 2001; Cvjetko cs., 2010) dẫn đến phân chia tạo non bèo Sự kìm Chuyên san Phát triển Khoa học Công nghệ số (1), 2017 chia non trở nên nhanh chóng Tuy nhiên, chế việc thúc đẩy chưa hiểu cụ thể vấn đề nên nghiên cứu sâu cấp độ tế bào Theo QCVN (2008) nồng độ Cu cho phép nước thải bề mặt 200 µg/L Nghiên cứu cho thấy độc tính Cu thủy thực vật, bèo tấm, xảy nồng độ nằm giới hạn cho phép QCVN Do đó, cần có thêm nghiên cứu cụ thể nhằm điều chỉnh mức cho phép xả thải/hiện diện Cu QCVN nhằm bảo vệ cân hệ sinh thái thủy vực hãm phát triển số bèo tương quan thuận với gia tăng nồng độ Cu nghiên cứu Kết nghiên cứu cho thấy Cr có đặc điểm thúc đẩy q trình sinh sản bèo Điều tương tự ghi nhận nghiên cứu trước khả kích thích phát triển Cr mặt sinh sản động vật phù du Cr (Tran cs., 2014) Ghi nhận tác động kết hợp Cu Cr cho thấy, mức độ cá thể, tác dụng kết hợp Cu Cr mang tính triệt tiêu hay đối kháng, mà điều phản ánh nghiên cứu trước Tran cộng (2014) Sự kết hợp hai kim loại giúp phân Hình Sự phát triển số lượng bèo phơi nhiễm với Cu (a), Cr (b) hỗn hợp Cu Cr (c) Dấu # cho thấy khác biệt mặt thống hình nồng độ (µg/L) kim loại kê (về số bèo) lô phơi nhiễm với riêng lẻ hỗn hợp kim loại lô đối chứng (p < 0,05, theo Ảnh hưởng kim loại lên tốc độ tăng phép thử Kruskal Wallis ) Control: lơ thí trưởng bèo nghiệm đối chứng Các giá trị 5, 50, 500 Tốc độ tăng trưởng trung bình bèo 50   Chuyên san Phát triển Khoa học Công nghệ số (1), 2017 lô đối chứng 10 ngày nghiên cứu vào khoảng 0,33 cây/ngày Tốc độ tăng trưởng bèo lô thí nghiệm Cu 5, Cu 50 Cu 500 0,30 cây/ngày, 0,31 cây/ngày 0,15 cây/ngày (hình 2a) Nồng độ cao Cu làm suy giảm mạnh mẽ tốc độ tăng trưởng bèo Tương tự kích thích gia tăng non, Cr làm tăng tốc độ tăng trưởng bèo (lên 0,37 – 0,38 cây/ngày) cao đối chứng (p < 0,05; hình 2b) Hỗn hợp Cu Cr kích thích tăng trưởng bèo tấm, lên 0,34 – 0,35 cây/ngày (hình 2c) Như trình bày phần trên, Cu tăng nồng độ có tác dụng tiêu cực, ức chế nhiều hoạt động nội bào, trình quang hợp trình sinh lý thực vật Do đó, nồng độ 500 µg Cu/L đủ lớn để ức chế mạnh mẽ phát triển, làm suy giảm tốc độ tăng trưởng bèo Nguyên tố Cr yếu tố vi lượng thiết yếu cho thực vật nói riêng bèo nói chung Ắt hẳn, nồng độ Cr nghiên cứu (5 – 500 µg/L) nằm khoảng chịu đựng tốt bèo tấm, nên Cr không ức chế tốc độ tăng trưởng bèo Sự kết hợp Cu Cr nghiên cứu tốc độ tăng trưởng bèo cho thấy hai yếu tố dường có tác động triệt tiêu gây ảnh hưởng xấu cho thực vật, điều cần có nghiên cứu sâu để kiểm chứng Hình 2: Tốc độ tăng trưởng bèo phơi nhiễm với Cu (a),Cr (b) hỗn hợp Cu Cr (c) 51   Chuyên san Phát triển Khoa học Công nghệ số (1), 2017 phơi nhiễm bèo với CuSO4 nồng độ từ 0,5 mg/L cao Trong nghiên cứu tại, suy giảm sắc tố quang hợp minh chứng nồng độ 50 µg Cu/L thấp nhiều so với công bố trước (Singh, 2015) Rất dịng khác lồi thực vật (Lemna minor L.) có mức độ chịu đựng phản ứng khác với chất độc Điều cần có thêm nghiên cứu sâu để làm sáng tỏ Dấu # cho thấy khác biệt mặt thống kê (về số bèo) lô phơi nhiễm với kim loại lô đối chứng (p < 0,05, theo phép thử Kruskal Wallis) Chú thích: tương tự hình Ảnh hưởng kim loại lên hình thái bèo Kim loại Cu biết đến yếu tố có khả ức chế hàm lượng sắc tố (chlorophyll a b) tế bào bèo Nghiên cứu Singh (2015) cho thấy suy giảm tổng Chlorophyll Hình Màu sắc bèo bình thường lơ thí nghiệm đối chứng (a), màu bị thay đổi (chuyển sang trắng, đầu mũi tên) phơi nhiễm với Cu (b) xem xét điều chỉnh QCVN liên quan đến kim loại (Cu) Tác động chất ô KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ Kim loại Cu nồng độ từ – 500 µg/L nhiễm khác thủy vực (kim loại khác, gây nên ức chế phân chia, sinh thuốc trừ sâu, diệt cỏ) độc tính kết hợp trưởng, phát triển sắc tố quang hợp của chất ô nhiễm lên bèo nên bèo Ngược lại kim loại Cr với nghiên cứu để có sở khoa học khoảng nồng độ tương tự lại có đặc điểm đầy đủ đánh giá an tồn cân kích thích phát triển gia tăng quần hệ sinh thái thủy vực tác động thể bèo điều kiện phòng thí nghiệm chất nhiễm Sự kết hợp hai kim loại Cu Cr tạo nên Lời cảm ơn: tương tác đối kháng/triệt tiêu dẫn đến Nghiên cứu tài trợ Trường suy giảm độc tính Cu bèo Đại học Bách Khoa, ĐH Quốc gia Tp Nên có nghiên cứu chi tiết hơn, HCM, thông qua đề tài sinh viên nghiên sâu (cấp độ tế bào) để hiểu rõ chế cứu khoa học mã số SVCQ-2016tác động kim loại lên bèo tấm, để MT&TN-113 TÀI LIỆU THAM KHẢO American Public Health Association (APHA), 2012 Standard methods for the examination of water and wastewater Washington DC CVJETKO, P., TOLIC, S., SIKIC, S., BALEN, B., TKALEC, M., VIDAKOVICCIFREK, Z., PAVLICA, M., 2010 Effects of copper on the toxicity and genotoxicity of cadmium in duckweed (Lemna minor L.) Arh Hig Rada Toksikol 52   Chuyên san Phát triển Khoa học Công nghệ số (1), 2017 61, 287-296 DIRILGEN, N., INEL, Y., 1994 Effect of zinc and copper on growth and metal accumulation in duckweed, Lemna minor Environmental Contamination and Toxicology 53, 442 pp Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO), 1999 Duckweed: A tiny aquatic plant with enormous potential for agriculture and environment Roma, Italy FAO Publications KHELLAF, N., ZERDAOUI, M., 2009 Growth response of the duckweed Lemna minor to heavy metal pollution Journal Enviroment Health Science Engineering 6, 161-166 KOTAI, J., 1972 Instructions for preparation of modified nutrient solution Z8 for algae Norwegian Institute for Water research, Oslo B-11/69, 1-5 LÊ HỮU THẮNG, LÊ HUY HOÀNG, 2016 Xác định hàm lượng số kim loại nặng bèo tây, rong đuôi chồn rong xương cá nguồn nước thành phố Thái Ngun Tạp Chí Khoa học Cơng Nghê 59 (11), trang 28 LE, V.N., DAO, T.S., 2016 Highly potent toxicity of nickel in river water to Daphnia lumholtzi International Journal of Development Research (9), 9526-9531 LEMBI, A, 2009 Control of duckweed and watermeal Aquatic Plants Management 2, 1- PHẠM HOÀNG HỘ, 2000 Cây Cỏ Việt Nam, XNB Trẻ PRASAD, M.N.V., MALEC, P., WALOSZEK, A., BOJKO, M., STRALKA, K., 2001 Physiological responses of Lemna trisulca L (duckweed) to cadmium and copper bioaccumulation Plant Science 161, 881-89 SCHOEN, S., 1988 Cell counting In LOBBAN, C.S., CHAPMAN, D.J., KREMER, B.P (Eds) Experimental Phycology – A laboratory Mannual Cambridge University Press, pp.16 – 22 SIGH, P., 2015 Response of Lemna minor L (Duckweed) to the heavy metal copper International Journal of Research in Engineering and Applied Sciences (11), 128-132 STRADY, E., DINH, Q.T., NEMERY, J., NGUYEN, T.N., GUEDRON, S., NGUYEN, N.S., DENIS, H., NGUYEN, P.D., 2017 Spatial variation and risk assessment of trace metals in water and sediment of the Mekong Delta Chemosphere 179, 367-378 THUY, H.T.T., VY, N.N.H., LOAN, T.T.C., 2007 Anthropogenic input of selected heavy metals (Cu, Cr, Pb, Zn and Cd) in the aquatic sediments of Hochiminh City, Vietnam Water Air Soil Pollution 182, 73-81 TRAN, P.T., DO-HONG, L.C., DAO, T.S., 2014 Long-term impacts of copper and chromium on survivorship, maturation, fecundity and growth of Daphnia magna Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Việt Nam 52 (3A), 309-315 53   ... cây/bình (hình 1b) Sự khác biệt số bèo lô phơi nhiễm với Cr lơ đối chứng có ý nghĩa thống kê xuất vào hai ngày cuối thí nghiệm (p < 0,05) Trong phơi nhiễm với hỗn hợp Cu Cr, bèo lô phơi nhiễm (ở nồng... 1a) Số bèo phơi nhiễm với Cu Cu 50 tăng chậm so với lô đối chứng đạt 61 71 cây/bình, vào thí nghiệm thứ 10 Đặc biệt, phát triển số bèo lơ thí nghiệm Cu 500 gia tăng yếu ớt không thay đổi vào hai... kê phát triển bèo, lô thí nghiệm đối chứng lơ phơi nhiễm Sự khác biệt có ý nghĩa thống kê, giá trị P không lớn 0,05 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Ảnh hưởng kim loại lên gia tăng số bèo Số bèo lơ thí nghiệm,