Sự phát triển của vi tảo nước ngọt trong phơi nhiễm với atrazine và cadimi
Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Khoa học Tự nhiên, 3(4):299-306 Bài Nghiên cứu Open Access Full Text Article Sự phát triển vi tảo nước phơi nhiễm với atrazine cadimi Lê Văn Phát, Võ Minh Tân, Lê Nguyễn Hồng Sơn, Nguyễn Ngân Hà, Hoàng Phương Thảo, Võ Thị Mỹ Chi, Đào Thanh Sơn* TÓM TẮT Use your smartphone to scan this QR code and download this article Trong nhiều thập niên gần đây, hoạt động người đóng góp lượng lớn chất ô nhiễm kim loại nặng, thuốc diệt cỏ vào thủy vực Những chất ô nhiễm gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng môi trường nước sinh vật hệ sinh thái thủy vực, bao gồm vi tảo Nghiên cứu nhằm đánh giá tác động atrazine thuốc diệt cỏ kim loại cadimium (Cd) lên phát triển tốc độ tăng trưởng loài vi tảo Scenedesmus quadricauda, Scenedesmus protuberans, Pediastrum duplex Pseudanabaena mucicola Chúng nhận thấy chất atrazine nồng độ từ 3–300 µ g/L làm giảm phát triển hai loài tảo S quadricauda P mucicola Tốc độ tăng trưởng hai lồi tảo bị ức chế q trình bị phơi nhiễm với 300 µ g atrazine/L Nồng độ 17–143 µ g Cd/L ảnh hưởng khơng đáng kể lên phát triển tốc độ tăng trưởng P duplex Ngược lại, nồng độ 46–123 µ g Cd/L, kích thích phát triển S protuberans vào ngày thứ – 10 thí nghiệm Sự phát triển tốc độ tăng trưởng S protuberans giảm phơi nhiễm với 607 µ g Cd/L Kết cho thấy vi tảo bị ảnh hưởng độc tính mạnh atrazine Bên cạnh đó, lồi P duplex S.protub erans thể khả chịu đựng với Cd nồng độ lên đến 143 µ g/L, ứng viên cho nghiên cứu cải thiện nhiễm bẩn kim loại thủy vực Từ khoá: vi tảo, atrazine, cadimium, chịu đựng, độc tính MỞ ĐẦU Trường Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam Liên hệ Đào Thanh Sơn, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam Email: dao.son@hcmut.edu.vn Lịch sử • Ngày nhận: 07-12-2018 • Ngày chấp nhận: 05-8-2019 • Ngày đăng: 31-12-2019 DOI : 10.32508/stdjns.v3i4.609 Bản quyền © ĐHQG Tp.HCM Đây báo công bố mở phát hành theo điều khoản the Creative Commons Attribution 4.0 International license Atrazine loại thuốc bảo vệ thực vật (BVTV) bán chạy đứng đầu giới sử dụng chủ yếu nông nghiệp, chí lâm nghiệp Mỗi năm ước tính có đến 36 x106 kg atrazine sử dụng tiểu bang chuyên canh trồng ngô Nebraska, Iowa, Hoa Kỳ Bên cạnh đó, atrazine dễ dàng phát tán rửa trôi theo nước mưa Hàng năm, khoảng 2,3x105 kg atrazine trở lại môi trường từ mưa băng tuyết Mỹ nhờ trình bay ngưng tụ Một nghiên cứu Mỹ Châu Âu xác định atrazine phát tán xa gần 600 dặm tính từ vị trí mà sử dụng tồn môi trường với thời gian dài (chu kì bán rã > 200 ngày) Trong thập niên gần đây, thuốc BVTV sử dụng phổ biến gia tăng hàm lượng nông nghiệp Việt Nam Nồng độ thuốc BVTV tìm thấy môi trường đồng sông Cửu Long 11 µ g/L nước 520 µ g/kg lắng đọng trầm tích Atrazine có khả hòa tan vào nước nồng độ 33 mg/L giới nồng độ hợp chất môi trường ghi nhận lên đến 691 µ g/L Cadimium (Cd) nguyên tố thường có nguồn nước thải hoạt động cơng nghiệp (điện, chế tạo pin, nhuộm), nơng nghiệp (phân bón), số nguồn phát thải khác (in ấn) đánh giá khơng có vai trị cần thiết trình trao đổi chất thực vật Ở Việt Nam, theo nghiên cứu Bùi Thị Nga Nguyễn Văn Tho (2009), hàm lượng Cd trầm tích Cà Mau dao động khoảng 0,023 – 0,06 mg/kg vào mùa khô, từ 0,027 – 0,093 mg/kg vào mùa mưa Theo Hà Mạnh Thắng cộng (2013), vùng đất bị ảnh hưởng nước rỉ rác hàm lượng Cd trung bình từ 0,45 – 0,59 mg/kg vùng đất bị ảnh hưởng cơng nghiệp hóa chất hàm lượng Cd có xu hướng tích lũy cao hơn, từ 0,61 –2,29 mg/kg đất Khi tiến hành nghiên cứu phản ứng số loài tảo nước với atrazine, Lockert cộng (2006) đưa nhận định khơng có ảnh hưởng đáng kể lên phát triển tảo ( Ankistrodesmus falcatus, Chlorella vulgaris ) nồng độ 10 µ g/L Bên cạnh đó, lồi tảo khác có khả chịu đựng khác atrazine (tại thử nghiệm, EC50 96 loài tảo Chlorella vulgaris, Pseudokirchneriella subcapitata, Scenedesmus acutus, Ankistrodesmus formosa, Navicula accomoda Nitzschia sp phơi Trích dẫn báo này: Phát L V, Tân V M, Sơn L N H, Ngân Hà N, Thảo H P, Chi V T M, Sơn D T Sự phát triển vi tảo nước phơi nhiễm với atrazine cadimi Sci Tech Dev J - Nat Sci.; 3(4):299-306 299 Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ – Khoa học Tự nhiên, 3(4):299-306 nhiễm với atrazine ghi nhận 172 µ g/L, 118 µ g/L, 45 µ g/L, 261 µ g/L, 164 µ g/L 412 µ g/L) Trên giới, nhiều nghiên cứu khả chịu đựng vi tảo phơi nhiễm với kim loại, bao gồm Cd thực Cụ thể nghiên cứu Costa cộng (2003) 10 cho thấy Cd nồng độ 10 mg/L làm giảm 60% mật độ tảo Tetraselmis chuii, Cd với nồng độ 1,2 mg/L làm giảm 30% mật độ Spirulina maxima Ngoài ra, kết số nghiên cứu cho thấy khả sử dụng số vi tảo đối tượng xử lý, cải thiện nhiễm bẩn kim loại môi trường thực vật (phytoremediation) Thí dụ hai lồi vi khuẩn lam Microcystis aeruginosa Spirulina sp có khả loại bỏ khoảng 90% 3,7% Cd môi trường nước 11,12 , lồi tảo lục Cladophora fracta có khả tích tụ 4.090 mg Cd/g sau ngày phơi nhiễm với mg Cd/L 13 Ở Việt Nam, nghiên cứu phản ứng vi tảo nước có nguồn gốc nước, kim loại cịn chưa nhiều Theo nghiên cứu Đào Thanh Sơn cộng (2017) ảnh hưởng riêng lẻ Cu Cr (mỗi kim loại nồng độ 50 µ g/L) lên lồi vi tảo lục (Scenedesmus acuminatus v biseratus) cho thấy kìm hãm hai kim loại lên phát triển vi tảo 14 Trái lại, loài vi khuẩn lam Pseudanabaena mucicola phân lập từ miền Nam Việt Nam lại có khả chịu đựng hấp thu kim loại Cr khỏi môi trường nước với tỷ lệ khả quan, 71% 15 Nghiên cứu tiến hành nhằm đánh giá tiềm sử dụng vi tảo nước có nguồn gốc từ Việt Nam để xử lý chất ô nhiễm môi trường nước, cụ thể atrazine Cd VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP Đối tượng nghiên cứu Bốn loài vi tảo nước bao gồm Pseudanabaena mucicola, Pediastrum duplex, Scenedesmus protuberans Scenedesmus quadricauda (Hình 1) có nguồn gốc từ sơng Sài Gịn, phân lập, nuôi môi trường Z8 16 , dùng cho phơi nhiễm với chất nhiễm (Cd, atrazine) Các lồi vi tảo ni điều kiện phịng thí nghiệm ánh sáng có cường độ khoảng 3000 Lux, chu kỳ sáng tối 12 h : 12 h, nhiệt độ 27 ± 1ºC 17 Nhiệt độ phòng thí nghiệm kiểm sốt máy lạnh (Panasonic, CU/CS-PU18VKH) hoạt động 24 h/24 h nhiệt độ ghi chép vào h sáng h chiều hàng ngày, cách đọc nhiệt độ nhiệt kế ngâm bình chứa nước, để gần bình tảo thí nghiệm Hóa chất tinh khiết atrazine Cd (dung dịch cadmium nitrate, dùng cho thiết bị ICP/MS) cung cấp nhà sản xuất Merck (Đức) Dung dịch gốc (stock) 300 hai hóa chất này, trước pha lỗng vào bình thí nghiệm, có nồng độ g Cd/L g atrazine/L Thiết kế thí nghiệm Thí nghiệm tiến hành theo hướng dẫn Muhaemin (2004) 18 với thay đổi nhỏ thể tích dung dịch tảo thí nghiệm Vi tảo ni bình tích 250 mL chứa 150 mL môi trường Z8 Ứng với nồng độ thí nghiệm, số lần lặp lại (n = 3; 19 ) Trong l thí nghiệm đối chứng (control), vi tảo nuôi môi trường không chứa chất ô nhiễm (atrazine kim loại Cd) Trong thí nghiệm phơi nhiễm vi tảo S quadricauda P mucicola với atrazine, hóa chất pha vào môi trường Z8 với nồng độ 3; 30 300 µ g/L (được ký hiệu A3, A30 A300) Kim loại (Cd) vào mơi trường Z8 để làm thí nghiệm, khơng xác nồng độ mong muốn số yếu tố mơi trường có ảnh hưởng đến hoàn tan kim loại nước bao gồm pH, độ cứng, độ kiềm, hàm lượng chất hữu hịa tan Do đó, để đảm bảo tính xác nghiên cứu, lấy mẫu (sub-sample) dung dịch tảo pha Cd vào ngày bắt đầu thí nghiệm tiến hành phân tích tiêu Cd2+ để xác định xác nồng độ Cd hịa tan mẫu Trong thí nghiệm phơi nhiễm vi tảo với Cd, nồng độ kim loại sử dụng (được xác định phân tích hóa học với thiết bị AAS, Perkin Elmer, Hoa Kỳ) 46; 123 607 µ g Cd /L (được ký hiệu Cd 46, Cd 123 Cd 607) S protubenrans 17; 143 µ g Cd /L (được ký hiệu Cd 17, Cd 143) P duplex Mật độ vi tảo thí nghiệm xác định vào ngày bắt đầu thí nghiệm định kỳ hai ngày lần, kết thúc thí nghiệm, ngày thứ 14 Cụ thể, khoảng mL dung dịch vi tảo lấy định kỳ, cố định dung dịch Lugol 20 vi tảo đếm buồng đếm Sedgewick Rafter (PYSER-SGI, Anh) Riêng loài vi tảo P mucicola đếm buồng đếm hồng cầu (Neubauer chamber, Đức) kích thước lồi nhỏ để quan sát rõ ràng với buồng đếm Sedgwick Rafter (ở phóng đại 100 lần) Xử lý số liệu Tốc độ tăng trưởng (µ ) vi tảo tính tốn theo cơng thức Lobban (1988) 21 sau: µ = (lnX2 – lnX1 )/ (t2– t1).Trong đó, X1 X2 mật độ vi tảo bắt đầu sau kết thúc thí nghiệm, t2 t1 thời gian bắt đầu kết thúc thí nghiệm Tổng số mẫu thí nghiệm 384 Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Khoa học Tự nhiên, 3(4):299-306 Hình 1: Bốn lồi vi tảo dùng cho thí nghiệm Pseudanabaena mucicola (Naumann et Huber-Pestalozzi) Schwabe 1964 (a), Pediastrum duplex Meyen 1829 (b), Scenedesmus protuberans Fritsch & Rich 1929 (c) Scenedesmus quadricauda (Turpin) Brébisson in Brébisson & Godey 1835 (d) Thước đo = 20 µ m Phương pháp phân tích phương sai nhân tố sử dụng để kiểm tra khác biệt tốc độ tăng trưởng lồi vi tảo lơ đối chứng phơi nhiễm với Atrazine Cd phần mềm Sigma Plot (phiên 12.0) KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Sự phát triển P mucicola S quadricauda phơi nhiễm với atrazine Đường cong tăng trưởng P mucicola nghiên cứu cho thấy lơ thí nghiệm đối chứng (control), A3 A30 (phơi nhiễm với atrazine) có xu hướng thay đổi mật độ vi tảo, tăng nhanh chóng ngày đầu thí nghiệm, sau vào pha ổn định suy giảm (Hình a) Sự khác biệt mật độ vi tảo lô đối chứng lô phơi nhiễm A3 A30 có ý nghĩa thống kê (p < 0,01) thể rõ từ ngày thứ kết thúc thí nghiệm, ngày thứ 14 (Hình 2a, Bảng 1) Trong đó, P mucicola lơ phơi nhiễm A300 bị ức chế trình gia tăng mật độ từ ngày đầu phơi nhiễm, mật độ vi tảo bị giảm thấp so với lô đối chứng Vi tảo P mucicola lô phơi nhiễm A300 gần chết hết vào ngày cuối thí nghiệm (Hình 2a) Tương tự với loài P mucicola, chiều hướng gia tăng mật độ loài tảo lục S quadricauda lô đối chứng (control) hai lô A3 A30 tăng dần suốt trình phơi nhiễm mật độ vi tảo hai lô thấp so với đối chứng mặt thống kê từ ngày thứ đến ngày thứ 14 Trong lơ thí nghiệm A300, vi tảo S quadricauda dù không bị chết nhanh chóng lồi P mucicola, 14 ngày phơi nhiễm, gần không tăng trưởng, giữ mật độ tương đương thấp so với ngày đầu thí nghiệm (Hình 2b, Bảng 1) Mặc dù mật độ vi tảo P mucicola S quadricauda lô A3 A30 thấp so với mật độ tảo lơ đối chứng mặt thống kê (Hình 2, Bảng 1) Tốc độ phân chia lô (đối chứng, A3, A30) lồi P mucicola có giá trị từ 0,125–0,161 lần/2 ngày, loài S quadricauda 0,084–0,096 lần/2 ngày Bên cạnh đó, kết thí nghiệm cho thấy khơng có khác biệt mặt thống kê tốc độ tăng trưởng lô đối chứng phơi nhiễm A3, A30 hai loài vi tảo Tuy nhiên, tốc độ tăng trường lồi P mucicola lơ A3 thấp lô đối chứng mặt thống kê (đối với P mucicola, p-value lô đối chứng lơ A3, A30 0,001 0,095; Hình 3a ; S quadricauda, pvalue lô đối chứng lô A3, A30 0,06 0,221 ; Hình 3b) Tuy nhiên, phơi nhiễm với nồng độ cao atrazine (A300), tốc độ phân chia hai loài P mucicola S quadricauda âm, đạt giá trị -0,220 -0,022 lần/2 ngày (p-value lô đối chứng A300 hai loài tảo đạt giá trị 300 µ g atrazine/L ) để gây ảnh hưởng tiêu cực lên vi tảo, nhóm sinh vật sản xuất thủy vực, dẫn đến cân hệ sinh thái thủy vực Seguin cộng (2001) ghi nhận thay đổi lớn cấu trúc quần xã thực vật phù du theo thời gian tác động atrazine (nồng độ từ 2–30 µ g atrazine/L) Do đó, cần có nghiên cứu tương tự động thái thực vật phù du tự nhiên Việt Nam (thí dụ: khu vực Đồng sông Cửu Long) ảnh hưởng việc sử dụng thuốc bảo vệ thực vật sản xuất nông nghiệp Kết này, theo hiểu biết chúng tơi, đóng góp thêm thơng tin đáp ứng hai lồi thực vật phù du nước (S quadricauda, P mucicola ) phơi nhiễm với atrazine điều kiện phòng thí nghiệm Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Khoa học Tự nhiên, 3(4):299-306 Hình 3: Tốc độ phân chia Pseudanabaena mucicola (a) Scenedesmus quadricauda (b) phơi nhiễm với atrazine Control: đối chứng.a a Dấu * thể khác biệt có ý nghĩa thống kê (p < 0,001) lô phơi nhiễm lô đối chứng (control) theo phép thử ANOVA one way (p < 0,001) Sự phát triển S protuberans P duplex phơi nhiễm với cadimium Trong phơi nhiễm với Cd, phát triển S protuberans (Cd46, Cd123) P duplex (Cd17, Cd143) tương tự lô đối chứng (Hình 4, Bảng 2), dẫn đến tốc độ phân chia hai loài vi tảo lục lô đối chứng (0,103 lần/2 ngày S protuberans, 0,109 lần/2 ngày P duplex ) lô phơi nhiễm (0,076–0,095 lần/2 ngày S protuberans, 0,105 – 0,127 lần/2 ngày P duplex ) Ngoài ra, khơng có khác biệt mặt thống kê tốc độ phân chia lô đối chứng phơi nhiễm Cd nồng độ nêu hai loài vi tảo (đối với S protuberans, p-value lô đối chứng lô Cd46, Cd123 0,694 0,055; P duplex, p-value lô đối chứng lô Cd17, Cd143 0,65 0,068) (Hình 5) Riêng phơi nhiễm với Cd nồng độ 607 µ g/L, vi tảo S protuberans suy giảm sức sống từ ngày thứ thí nghiệm mật độ lồi giảm thấp ngày thứ 14 thí nghiệm (Hình 4a) Kết dẫn đến tốc độ phân chia S protuberans có giá trị thấp (0,016 lần/2 ngày), khác biệt mặt thống kê so với lô đối chứng (0,103 lần/2 ngày, p-value đạt giá trị