Nghiên cứu cơ sở khoa học và thực tiễn nhằm xây dựng, thử nghiệm bộ chỉ thị sinh học phục vụ quan trắc môi trường các lưu vực sông của việt nam áp dụng thử nghiệm cho lưu vực sông nhuệ đáy tổng quan về chỉ thị sinh học,

TỔNG CỤC MÔI TRƯỜNG TRUNG TÂM QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG Chuyên đề TỔNG QUAN CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA VIỆC ÁP DỤNG CÁC CHỈ THỊ SINH HỌC PHỤC VỤ QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG NƯỚC “TỔNG QUAN VỀ CHỈ THỊ SINH HỌC, CÁC CHỈ THỊ SINH HỌC ĐẶC TRƯNG CHO MÔI TRƯỜNG NƯỚC CHẢY” Người thực hiện: Trần Kim Tĩnh 7629-1 28/01/2010 Hà Nội, 2008 ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, chất lượng môi trường sống ngày suy giảm ảnh hưởng từ hoạt động phát triển kinh tế xã hội Ơ nhiễm mơi trường gia tăng trở nên trầm trọng số tỉnh thành phố nước, gây ảnh hưởng đến sức khoẻ làm xáo trộn sống người dân Nhằm cảnh báo trước tượng môi trường ô nhiễm, Việt Nam giới sử dụng nhiều biện pháp khác để quan trắc, đánh giá chất lượng môi trường hay mức độ ô nhiễm khu vực dựa thị đặc trưng mơi trường, khu vực Theo Warren - chuyên gia đầu ngành việc sử dụng thị đánh giá chất lượng môi trường cho “môi trường địa điểm định phần lớn cá thể có khả cư trú điểm đó, sinh vật thị sinh học cho thay đổi mơi trường” Cùng với q trình phát triển kinh tế, chất lượng nước ngày bị suy giảm ô nhiễm Mức độ ô nhiễm đánh giá thông qua sinh vật thị Sự thay đổi điều kiện mơi trường có ảnh hưởng tới thành phần động thực vật quần xã lồi động thực vật đặc trưng cho môi trường nước khu vực sinh vật thị (hay gọi thị sinh học) cho mức độ ô nhiễm chất lượng nước khu vực Vì việc xây dựng báo cáo tổng quan thị sinh học thị sinh học đặc trưng cho môi trường nước nước chảy giúp ta hiểu rõ chất thị sinh học, đặc tính việc vận dụng chúng thực tiễn, đặc biệt ứng dụng đánh giá mức độ ô nhiễm môi trường nước thông qua thị sinh học đặc trưng môi trường nước I TỔNG QUAN VỀ CHỈ THỊ SINH HỌC I.1 Chỉ thị sinh học (biological indicators) Chỉ thị sinh học gồm sinh vật sử dụng để quan trắc chất lượng mơi trường hệ sinh thái Chúng lồi nhóm lồi mà số chức năng, mật độ tồn chúng sử dụng để xác định tính nguyên vẹn mơi trường hệ sinh thái Ví dụ nhóm động vật thân giáp lồi giáp xác nhỏ khác đại diện cho nhiều môi trường nước khác Các loài sinh vật dùng quan trắc thay đổi (hoá sinh, vật lý xáo trộn khác) thị cho vấn đề phạm vi giới hạn hệ sinh thái Các thị sinh học cho thấy ảnh hưởng tích luỹ mức độ nhiễm khác hệ sinh thái vấn đề xuất biện pháp hố học vật lý khơng thể đánh giá Lợi ích loại Chỉ thị sinh học (CTSH) Mỗi sinh vật hệ sinh thái có khả để thơng báo chất lượng mơi trường sống chúng CTSH dùng để: - Quan trắc trạng thái nhiễm tác động đến hệ sinh thái nơi sinh vật sinh sống - Quan trắc q trình tự làm mơi trường - Phát htay đổi môi trường tự nhiên - Khảo sát chất nước uống có mặt chất gây nhiễm Các dạng CTSH Thực vật: xuất hay vắng mặt loại thực vật định dạng sống thực vật hệ sinh thái cung cấp đầu mối quan trọng chất lượng môi trường Địa y thường tìm thấy đá thực vật mục nát, thể dạng cộng sinh tảo nấm, chúng phản ứng với thay đổi môi trường nhiệt đới cấu trúc rừng, chất lượng không khí khí hậu, hàm lượng SO2 cao, ô nhiễm sulfur nitơ Động vật thị: tăng hay giảm mật độ đọng vật nguy hệ sinhthais bị phá hủy ô nhiễm Ví dụ, nhiễm làm suy giảm nguồn thức ăn quan trọng, loài động vật phụ thuộc vào nguồn thức ăn bị giảm số lượng ngồi việc quan trắc kích thước số lượng lồi định, q trình trao đổi chất sinh vật, thị bao gồm công tác quan trắc nồng độ chất độc có mơ động vật, tỷ lệ thay đổi quần thể động vật gia tăng Vi sinh vật thị: dùng vật thị cho chất lượng nước hệ thái mặt đất Khảo sát số lượng lớn cho thấy vi sinh vật dễ thu thập loài động vật khác Một số vi sinh vật sinh protein môi trường ô nhiễm cadimium hay benzen Những protein đặc biệt dùng hệ thống cảnh báo sớm để phát mức độ ô nhiễm thấp Những CTSH hoạt động nào? Những thay đổi sinh lý thích ứng đặc biệt sinh vật thị (SINH VậTCT) dùng phát thay đổi chất lượng môi trường Những thay đổi khác thể với thể khác Việc sử dụng sinh vật SINH VậTCT liên quan nhiều khoa học khác Di truyền học bảo tồn động vật hoang dã ví dụ phương pháp truyền thống kết hợp với công nghệ sinh học (CNSH) nhanh để mang lại kết xác, thu thập thơng tin khơng có từ phương pháp thường Bảo tồn vốn gen động vật hoang dã kết hợp với khảo sát truyền thống quần thể động vật hoang dã, Gấu trúc, với nguyên tắc khoa học di truyền học để mang lại thông tin chất lượng hệ sinh thái Sự thay đổi quần thể cách thích ứng loài nhà khoa học quan sát thấy nhưng, thay đổi sinh lý cần phải dùng đến kiểm tra đặc biệt Các xét nghiệm sinh học cần có mẫu sinh vật để phát thay đổi môi trường Những kiểm tra dùng để đảm bảo độ an tồn nước uống đảm bảo chất lượng dịng sơng Trong tương lai, khoa học tìm phương thức để dùng vi sinh vật, lúc mở rộng thử nghiệm đất khơng khí Đặc tính thị sinh học Khơng phải lồi sinh vật sử dụng làm sinh vật thị Craston cộng (1996) đánh giá lồi sử dụng làm thị sinh học thơng qua 11 tiêu chí sau: • Dễ thu mẫu; • Chi phí/ha; • Phương pháp chuẩn có sẵn; • Có tiêu chí diễn giải; • Khả đặc trưng cho thuỷ vực; • Sai số phép đo; • Đáp ứng với nhiễm; • Ổn định q trình đo đạc; • Có thể đồ hố; • Có tính ứng dụng tổng qt dự báo; • Có số liệu tham khảo; Ở nước ta việc nghiên cứu sinh vật làm thị môi trường, đặc biệt việc đánh giá chất lượng môi trường nước đạt số thành công định Tuy nhiên, đến chưa có thống tiêu chuẩn để lựa chọn sinh vật thị thị sinh học nói chung, phụ thuộc nhiều vào đặc trưng khu vực, chế độ dòng chảy hoạt động có tác động đến khu vực nghiên cứu Do đó, việc lựa chọn sinh vật làm sinh vật thị hay thị sinh học phải dựa tiêu chuẩn sau: • Là loài dễ nhận dạng xác định rõ ràng; • Lồi dễ thu mẫu ngồi thiên nhiên, có số lượng nhiều, kích thước vừa phải • Lồi có phân bố rộng (tối ưu phân bố tồn cầu); • Lồi có nhiều dẫn liệu sinh thái cá thể đối tượng qua thử nghiệm sinh học; • Lồi có giá trị kinh tế (hoặc nguồn dịch bệnh); • Dễ tích tụ chất nhiễm; • Lồi dễ ni phịng thí nghiệm; • Lồi biến dị tức bị tác động /biến đổi thay đổi điều kiện môi trường (Nguồn: Lê Văn Khoa, Nguyễn Xuân Quýnh, Nguyễn Quốc Việt, 2007, Chỉ thị sinh học môi trường, NXB Giáo dục) I.2 Sinh vật thị (bioindicators) Sinh vật thị sinh vật có yêu cầu định điều kiện sinh thái liên quan đến nhu cầu dinh dưỡng, hàm lượng oxy, khả chống chịu hàm lượng định yếu tố độc hại mơi trường sống diện chúng biểu thị tình trạng điều kiện sinh thái môi trường sống nằm giới hạn nhu cầu khả chống chịu đối tượng sinh vật Như vậy, sinh vật thị hiểu sinh vật phát môi trường có mức nhiễm định Nhưng quan trọng phải đặc trưng, không xuất "ngưỡng" ô nhiễm khác Nhìn chung sinh vật thị thường dùng loại dễ thay đổi thành phần loài mật độ cá thể mơi trường có thay đổi Bioindicators sinh vật địa y, vi khuẩn, dùng để quan trắc chất lượng môi trường Những sinh vật đánh giá thay đổi vấn đề hệ sinh thái chúng, biểu thay đổi hóa học, vật lý, thích ứng chúng Đặc điểm sinh vật thị (bioindication) Tính thị môi trường sinh vật dựa khả chống chịu sinh vật với yếu tố vô sinh môi trường sống, tác động tổng hợp chúng Do vậy, muốn sử dụng loài sinh vật làm thị, cần hiểu biết đầy đủ đặc tính sinh thái lồi, điều kiện mơi trường sống lồi Tính thị mơi trường sinh vật thể bậc khác nhau: cá thể, quần thể, nhóm lồi quần xã; Phương pháp sử dụng thị sinh học giám sát, quan trắc kiểm tra chất lượng môi trường nước, tức sử dụng sinh vật thị đánh giá mơi trường có thuận lợi, hiệu so với phương pháp lý hoá học nhờ khai thác khả tích tụ chất nhiễm thể sinh vật giá trị biểu thị tác động tổng hợp yếu tố môi trường sinh vật Các kiểu sinh vật thị Sinh vật cảm ứng (Biosensors): sinh vật thị tiếp tục diện mơi trường nhiễm thích ứng, phù hợp với tính chất sinh vật thị song có nhiều biến đổi, tác động chất ô nhiễm giảm tốc độ sinh trưởng, giảm khả sinh sản, biến đổi tập tính Sinh vật tích tụ (Bioaccumulators): sinh vật thị, khơng có tính chất thị cho mơi trường thích ứng, mà cịn có khả tích tụ số chất nhiễm thể chúng với hàm lượng cao nhiều lần so với môi trường ngồi (kim loại nặng, chất organochlorine ) Nhờ đó, phương pháp phân tích hố sinh hữu mơ thể chúng, người ta phát hiện, đánh giá chất ô nhiễm dễ dàng nhiều so với phương pháp phân tích thuỷ hố I.3 Dấu hiệu sinh học (biomarkers) Dấu hiệu sinh học công cụ phân tử Sinh thái học, sinh lý học, vi sinh vật học môi trường ngành khoa học khác đưa điều kiện môi trường xung quanh thể tế bào Biomarkers hiểu theo cách cổ điển thể điều khiển tăng trưởng hay thay đổi mơi trg xung quanh hay hệ sinh thái Đó thực vật, động vật hay vi khuẩn mà sinh tín hiệu phân tử định phản ứng với thay đổi điều kiện môi trường Trong sinh y học công nghệ Sinh học, thị sinh học cho thấy tín hiệu phân tử cơng cụ để đánh giá tình trạng sinh lý thể Chỉ thị sinh học ngày phổ biến sinh y để phát thay đổi sinh lý với thể thấy vết thương hay bệnh tật Thật hữu ích phản ứng mức độ thay đổi điều kiện mơi trường hóa học, nhiệt độ, giảm sức chịu đựng hay chấn thương… chúng hẳn luôn kết luận đáng tin cậy biểu thị tình trạng tế bào hay thể Theo quan điểm nay, dấu hiệu sinh học thể phản ứng sinh học sinh vật tác động lý hoá học chất ô nhiễm môi trường Dấu hiệu sinh học có loại chính: dấu hiệu sinh lý-sinh hố dấu hiệu sinh thái Dấu hiệu sinh lý-sinh hoá: dấu hiệu dễ nhận thấy có giá trị số liên quan tới khả sống sót, sinh trưởng cá thể (chỉ số ăn mồi, tiêu hố, hơ hấp), sinh sản quần thể (sinh trưởng, tỷ lệ sống ấu trùng), Dấu hiệu sinh thái: thể biến đổi cấu trúc quần thể quần xã tác động chất nhiễm Có nhiều số dùng để đánh giá biến đổi này: - Chỉ số thiếu hụt số loài: xác định trường hợp có số liệu khảo sát định kỳ thành phần lồi có khu sinh cư Sự thiếu hụt lồi kéo theo thiếu hụt lồi khác Thường người ta ý đến lồi có số lượng nhiều, dễ thu mẫu, dễ quan sát, tránh lồi gặp, thiếu hụt sai sót kỹ thuật thu mẫu - Chỉ số đa dạng sinh học: số mang tính chất tổng hợp số lượng loài số cá thể vào giá trị chung, để đơn giản hoá phức tạp cấu trúc quần xã sinh vật Có nhiều loại số đa dạng sinh học tác giả khác đưa ra, song thường có tương quan loại số đa dạng khác tính tốn sở liệu Chỉ số đánh giá mặt cấu trúc quần xã: số lượng loài (độ phong phú), tổng số lượng sinh vật lồi có mặt (mật độ phong phú), tính đồng phân bố lồi (tính đồng đều) Chỉ số đa dạng có số nhược điểm không cung cấp thông tin chất chất gây ô nhiễm, phản hồi quần xã với nhiễm khơng thường xun tuyến tính, số lồi tăng tính đa dạng, khơng phân biệt quần xã chống chịu ô nhiễm quần xã chống chịu nhiễm - Chỉ số lồi ưu thế: số có ý nghĩa để đánh giá mức độ ô nhiễm Các kết cho thấy mức độ nhiễm nặng, số lồi phát triển ưu số lượng, thường lồi kích thước nhỏ, lớn nhanh nhóm giun tơ nước Tính chất thị khác mức phân loại sinh thái tự nhiên I.4 Các kiểu thị sinh học Đối tượng sinh vật sinh vật thị lồi (lồi thị) tập hợp lồi (nhóm loài thị) Chỉ thị hệ sinh thái: đo suất sơ cấp, q trình hơ hấp quần xã Hệ sinh thái nước dễ bị tổn thương hệ sinh thái nước Cấu trúc quần xã thị: tính chất thị khơng dừng lồi mà nhóm lồi, quần xã sinh vật vùng sinh cư Sự biến đổi môi trường nước tác động đến cấu trúc quần xã sinh vật (sinh vật nổi, sinh vật đáy, cá, rong ) Sự thay đổi môi trường thể qua số sinh học như: BMWP, IBI, ASPT (đối với quần xã sinh vật thủy vực) Quần thể sinh vật thị: biến đổi môi trường thể có mặt, khơng có mặt lồi, nhóm lồi mà cịn thể biến đổi số lượng, cấu trúc quần thể loài thị Cá thể sinh vật thị dấu hiệu mang tính thị sinh lý, sinh hố, tập tính, tổ chức tế bào cá thể sinh vật thị II CHỈ THỊ SINH HỌC ĐẶC TRƯNG CHO MÔI TRƯỜNG NƯỚC II.1 Sinh vật thị II.1 Chỉ thị loài sinh vật Loài sinh vật thị mơi trường lồi phải có đặc tính nhạy cảm (sensitive) với mơi trường có khả chống chịu (tolerant) với mơi trường, có khả tích luỹ độc tố thể Những lồi vắng mặt có mặt, có biến đổi hình thái, số lượng, sinh lý, tập tính, phân tích hàm lượng số độc tố mô thể, xem xét để đánh giá chất lượng mơi trường nước Các lồi có khả chống chịu muỗi lắc (Chironomus riparins), giun tơ (Tubifex tubifex, Limnodrilus hoffmeisteri) thường xem lồi thị cho nước bị nhiễm hữu Hầu hết ấu trùng lồi trùng cánh úp (Plecoptera) xem loài thị cho môi trường nước (thường suối đầu nguồn) Nhiều lồi thuỷ sinh vật có khả tích tụ muối kim loại thể chúng cao, cao nhiều so với chất có mơi trường nước Các lồi động vật thân mềm có khả tích tụ muối Co, Cd, Cu, sứa có khả tích luỹ muối Zn, trùng phóng xạ có khả tích tụ Sr Ngồi ra, kết nghiên cứu cho thấy nhóm thực vật thuỷ sinh bậc cao có rễ chùm tầng nước loài bèo, thực vật ngập nước có rễ lớp trầm tích đáy có khả hấp thụ nhiều nhóm kim loại nặng có nước trầm tích đáy Chính nhờ khả này, nhiều nhóm thực vật bậc cao kể trên, đặc biệt lồi bèo Nhật (lục bình) sử dụng để làm nước Các chất phóng xạ thuỷ sinh vật tích luỹ thể suốt thời gian sống, chết, lắng xuống đáy bị đất hấp thụ, không trở lại mơi trường nước Điều có ý nghĩa tự lọc chất phóng xạ nước bị nhiễm chất phóng xạ, đặc biệt chất phóng xạ có thời gian tự phân huỷ ngắn Itrium 91, Cerium 144 Giữ vai trò quan trọng hoạt động sinh vật nổi, đó, thực vật có khả tích tụ nhiều động vật Các đặc tính tích tụ chất độc số lồi thuỷ sinh vật sở để lựa chọn sinh vật thị môi trường Các vi sinh vật thị việc nhiễm bẩn nguồn nước phân Vi khuẩn (VK) Coliform gì? VK Coliform sinh vật mà có mặt mơi trường có phân động vật máu nóng người VK Coliform gần không gây bệnh tật nhiên, có mặt chúng nước uống cho thấy sinh vật gây bệnh có nước Hầu hết mầm bệnh gây nhiễm nước bắt nguồn từ phân người hay động vật Việc xét nghiệm nước uống với tất mầm bệnh phức tạp tốn thời gian, tiền bạc Nhưng dễ dàng không đắt đỏ để kiểm tra VK coliform Nếu VK coliform tìm thấy mẫu nước, người vận hành hệ thống nước kiểm tra để tìm thấy nguồn gây nhiễm phục hồi nước uống an tồn Có nhóm VK Coliform khác nhau, nhóm có giới hạn mức độ nguy hiểm khác Coliform tổng số, coliform phân, E Coli Coliform tổng số, coliform phân, E Coli tất thị cho chất lượng nước uống nhóm coliform tổng số tập hợp lớn loại VK Coliform phân loại coliform tổng số hầu hết tồn phân E.coli nhóm nhỏ coliform phân Khi mẫu nước gửi tới phòng thí nghiệm, kiểm tra coliform tổng số có mặt coliform tổng số, mẫu kiểm tra coliform phân E.coli, tùy vào phương pháp kiểm tra phịng thí nghiệm VK coliform tổng số thường tìm thấy mơi trường (thực vật, đất…) nhìn chung khơng có hại Nếu phát VK coliform tổng số nước, có từ mơi trường nhiễm phân khơng thể Tuy nhiên, nhiễm mơi trường lan hệ thống, cách cho mầm bệnh lan hệ thống vậy, việc tìm nguồn gốc giải vấn đề quan trọng VK coliform phân nhóm nhỏ coliform tổng số chúng xuất với số lượng lớn ruột phân người, động vật xuất coliform phân mẫu nước uống thường cho thấy nhiễm phân, có nghĩa có nguồn mầm bệnh nguy hiểm lớn xuất phát có coliform tổng E coli nhóm nhỏ nhóm coliform phân Hầu hết VK E coli khơng có hại tìm thấy với số lượng lớn trogn ruột người động vật máu nóng Tuy nhiên, vài lồi gây bệnh diện E coli mẫu nước cho thấy ô nhiễm phân, có nghĩa có mức nguy hiểm lớn mầm bệnh ý với E coli: bùng nổ E coli bao phủ vùng Phần lớn bao phủ gây chuỗi VK E coli gọi E coli O157:H7 Khi mẫu nước thông báo có E.coli khơng có nghĩa có nguy hiểm thực tế, khơng xuất nhiên, nhiễm thời gian gần Nhóm vi khuẩn coliform chủ yếu bao gồm giống Citrobacter, Enterobacter, Escherichia, Klebsiella Fecal Chỉ tiêu tổng coliform khơng thích hợp để làm tiêu thị cho việc nhiễm bẩn nguồn nước phân Tuy nhiên việc xác định số lượng Fecal coliform sai lệch có số vi sinh vật (khơng có nguồn gốc từ phân) phát triển nhiệt độ 44oC Do số lượng E coli coi tiêu thích hợp cho việc quản lý nguồn nước Fecal streptococci: nhóm bao gồm vi khuẩn chủ yếu sống đường ruột động vật Streptococcus bovis S equinus; số lồi có phân bố rộng diện đường ruột người động vật S.faecalis S.faecium có biotype (S faecalis liquefaciens loại S.faecalis có khả thủy phân tinh bột) Các loại biotype có khả xuất nước ô nhiễm không ô nhiễm Việc đánh giá số lượng Faecal streptococci nước thải tiến hành thường xuyên; nhiên có giới hạn lẫn lộn với biotype sống tự nhiên; F streptococci dễ chết thay đổi nhiệt độ Các thử nghiệm sau khuyến khích việc sử dụng tiêu này, việc so sánh với khả sống sót Salmonella Ở Mỹ, số lượng 200 F coliform/100 mL ngưỡng tới hạn tiêu chuẩn quản lý nguồn nước tự nhiên để bơi lội Clostridium perfringens: loại vi khuẩn thị tạo bào tử mơi trường yếm khí; sử dụng để thị ô nhiễm theo chu kỳ ô nhiễm xảy trước thời điểm khảo sát độ sống sót lâu bào tử Trong việc tái sử dụng nước thải tiêu đánh giá hiệu quả, bào tử có khả sống sót tương đương với số loại vi rút trứng ký sinh trùng Việc phát hiện, xác định loại vi sinh vật gây bệnh khác khó, tốn thời gian tiền bạc Do để phát nguồn nước bị ô nhiễm phân người ta dùng định diện Fecal Coliforms, Fecal Streptocci, Clostridium perfringens Pseudomonas acruginosa Cũng cần phải nói thêm mối quan hệ chết vi sinh vật thị vi sinh vật gây bệnh chưa thiết lập xác Ví dụ người ta khơng cịn phát Fecal Coliform khơng có nghĩa tất vi sinh vật gây bệnh chết hết Trong trình thiết kế hệ thống xử lý nhà khoa học kỹ thuật phải hạn chế tối đa ảnh hưởng chất thải tới sức khoẻ cộng đồng Mỗi nước, địa phương thường có tiêu chuẩn riêng để kiểm tra khống chế Khi kinh phí điều kiện có giới hạn người ta thường dùng tiêu E coli Tổng Coliform để xác định chất lượng loại nước thải Số lượng coliform hay E coli biểu diễn số khả hữu MPN (Most Probable Number) Đôi cần phải xác định nguồn nước bị nhiễm bẩn phân người hay phân gia súc để có biện pháp quản lý thích hợp Khi người ta thường sử dụng tỉ lệ Fecal coliform Fecal streptococci Tảo Chlorella sinh trưởng tốt nguồn nước thải nghiên cứu giải COD dao động từ 200-700 mg/l Trong nghiên cứu tảo Chlorella phát triển tốt nước thải sinh hoạt với giải COD từ 200-400 mg/l, sinh khối đạt 400-1000mg tảo khô/sau 5-6 ngày Tảo Chlorella thể khả phân hủy COD BOD cao nước thải sinh hoạt điều kiện ni bể điều kiện phịng thí nghiệm, COD giảm 84%, BOD giảm 90% Tảo Chlorella có khả loại bỏ N-NH4+, PO43-của nước thải sinh hoạt cao Giá trị số nước sau xử lý đạt TCVN 5942-1995 nước mặt thí nghiệm phịng thí nghiệm N-NH4+ giảm 99% ,PO43- giảm 98% Tảo Chlorella có khả hấp thụ Cu Zn môi trường nước thải tổng hợp Hiệu loại bỏ Cu đạt 94-95% sau 20 ngày hiệu loại bỏ Zn đạt 97% sau 16 ngày Bèo dâu: thể cộng sinh tảo dương xỉ, có khả hấp thụ Covà Eu hấp thụ nằm phần bèo Vi khuẩn làm cố định đạm Nostoc Glocotrichia bón cho rau có tác dụng làm tăng sinh khối rau muống hàm lượng đạm tổng số có mẫu thí nghiệm tương tự đối chứng tảo làm tăng suất rau cải trồng dung dịch lên 10% II.1.2 Các quần xã thị Hiện nay, để thấy diễn biến chất lượng nước (các thành phần lý-hóa), người ta quan tâm tới thu thập phân tích thơng số nơi cư trú quần xã thực vật bám (periphyton), động vật đáy cỡ lớn cá Nhiều nước đào tạo nhà sinh học động vật đáy thực nghiệm, tích lũy dẫn liệu động vật không xương sống (KXS) đáy cỡ lớn xem việc quan trắc sinh vật đáy biện pháp đánh giá có nhiều tiện ích 10 Trong việc lựa chọn quần xã thủy sinh phù hợp với sinh giám sát, ưu sử dụng quần xã phải xem xét, dựa mục tiêu chương trình quan trắc Một số ưu sử dụng thực vật bám đáy, động vật KXS đáy cỡ lớn cá chương trình giám sát tóm tắt sau: Thực vật bám đáy: - Tảo nhìn chung có tốc độ sinh sản nhanh, chu kỳ sống ngắn, sử dụng chúng làm thị tác động ngắn hạn - Là nhóm sản sinh sơ cấp, tảo bị ảnh hưởng trực tiếp bới tác động vật lý hóa học - Thu mẫu dễ, rẻ, cần người tham gia - Đã có phương pháp chuẩn đánh giá đặc điểm chức năng, cấu trúc phân loại học (non- taxonomic) quần thể tảo - Quần xã tảo nhạy cảm với chất gây ô nhiễm nồng độ thấp so với quần xã thủy sinh khác, tác động tới thể khác hàm lượng cao (chất diệt cỏ) Động vật KXS đáy: - Quần xã động vật KXS đáy thị tốt cho điều kiện môi trường khu vực nhiều loài động vật KXS đáy khả di chuyển sống chỗ, chúng đặc biệt thích hợp cho đánh giá tác động đặc biệt chỗ (các nghiên cứu thượng lưu-hạ lưu sơng suối) - Động vật KXS tích hợp tác động biến đổi mơi trường ngắn hạn Nhiều lồi có có chu kỳ sống phức hợp khoảng năm Các giai đoạn sống nhạy cảm phản ứng nhanh chóng với thay đổi - Các nhà sinh học có kinh nghiệm thơng qua đánh giá nhanh chóng quần xã động vật KXS đáy cỡ lớn để xác định mức độ suy thối mơi trường nước thuỷ vực Có thể dễ dàng xác định động vật KXS đáy cỡ lớn tới họ, chí nhiều taxa “chống chịu” dễ xác định tới bậc phân loại thấp - Động vật KXS đáy cỡ lớn phân loại tới lồi, xác định mức dinh dưỡng chống chịu ô nhiễm, điều cung cấp thơng tin cho tác động tích lũy - Thu mẫu dễ, địi hỏi người, dụng cụ rẻ, ảnh hưởng tới mơi trường sống - Động vật KXS đáy cỡ lớn xem nguồn thức ăn sơ cấp cá bao gồm nhiều loài quan trọng kinh tế tái lập đàn 11 - Động vật KXS đáy cỡ lớn phong phú suối Nhiều suối lớn (cấp cấp 2) nơi cung cấp nguồn đa dạng động vật KXS cỡ lớn - Hầu hết quốc gia thu thập số liệi sinh quan trắc dựa Động vật KXS cỡ lớn Cá: - Cá thị tốt cho tác động tới môi trường nước lâu dài đời sống cá dài có khả di động (Karr et al 1986) - Quần xã cá nhìn chung có tập hợp loài biểu thị biến động mức độ dinh dưỡng (ăn tạp, ăn thực vật, ăn côn trùng, ăn sinh vật nổi, ăn cá con) Chúng tích hợp tác động mức dinh dưỡng thấp hơn, vậy, cấu trúc quần xã cá phản ảnh lành mạnh môi trường tổng hợp - Cá xích cuối lưới thức ăn tự nhiên thuỷ vực, thức ăn người chúng có ý nghĩa để đánh giá tác hại - Cá dễ thu thập dễ phân loại tới lồi Hầu hết mẫu phân loại thực địa - Môi trường sống đặc điểm phân bố hầu hết loài cá biết II.2 Các số sinh học II.2.1 Chỉ số đa dạng Về lý thuyết, số đa dạng xây dựng để đánh giá mức độ đa dạng thành phần loài quần xã sinh vật Ở góc độ sinh thái học, mức độ đa dạng chịu tác động điều kiện môi trường Bởi vậy, nhà chuyên môn xác định chất lượng môi trường gián số đa dạng Tuy nhiên, tuỳ theo điều kiện thực tiễn, bậc phân hạng môi trường theo số đa dạng quần xã sinh vật nước, cạn khác Trong đánh giá môi trường nước, Stau et all (1970) đưa bảng so sách mức độ phân hạng môi trường nước theo số đa dạng Để đánh giá tính đa dạng quần xã thuỷ sinh vật thiên nhiên, người ta thường dùng cách tính tốn số Chỉ số đa dạng sinh học dùng cho số quần xã đối tượng so sánh tính đa dạng Ngun tắc phương pháp tính tốn dựa mối quan hệ số loài số cá thể có quần xã thuỷ sinh vật, theo qui luật tính đa dạng quần xã thay đổi hệ sinh thái thuỷ vực có biến đổi, đặc biệt bị ô nhiễm Ưu điểm cách tính Chỉ số dễ thực hiện, áp dụng cho loại thuỷ vực, loại quần xã; khơng phụ thuộc vào vị trí địa lý, thành phần phân 12 loại học Mặt hạn chế phương pháp áp dụng cho thuỷ vực có độ lớn định, khơng cho biết thông tin thành phần phân loại lồi chỗ lồi có giá trị tính tốn nhau, có hạn chế đánh giá mức độ biến đổi sinh thái thuỷ vực thuỷ vực tình trạng tự nhiên, tính đa dạng thay đổi nguyên nhân khác Chỉ số Shannon-Weiner Ni Ni ln i =1 N N s H′ = −∑ Hoặc H ′ = − ∑ ni ni lg N N S: Tổng số loài mẫu thu Ni: Số cá thể loài i mẫu thu N: Tổng số cá thể mẫu Chỉ số Margalef D= S −1 ln N Trong đó: D số đa dạng Margalef; S tổng số loài mẫu; N tổng số lượng cá thể mẫu Chỉ số Simpson S =∑ Ni ( Ni − 1) N ( N − 1) S: Tổng số loài mẫu thu Ni: Số cá thể loài i mẫu thu N: Tổng số cá thể mẫu Chỉ số đa dạng thường dùng phổ biến việc đánh giá mức độ ô nhiễm thuỷ vực vào trạng tính đa dạng quần xã thuỷ sinh vật sống đó, theo bảng tính sẵn (Bảng 1) Bảng Xếp hạng chất lượng nước theo số đa dạng Chỉ số đa dạng (H’, D, S) 2-3 > - 4,5 Chất lượng nước Rất ô nhiễm Ô nhiễm Hơi ô nhiễm Sạch 13 > 4,5 Rất Nguồn : Stau et al., (1970) Đối tượng sử dụng để tính số đa dạng tùy theo điều kiện thực tế lựa chọn: - Thực vật nổi; - Động vật nổi; - Động vật đáy (có thể bao gồm tơm, cua, trai, ốc, giun tơ, giun tròn tự sống đáy ); - Cá II.2.2 Cách tính điểm BMWP ASPT Một số họ động vật đáy lựa chọn tham gia lần tính điểm bao gồm họ có tính nhạy cảm cao (tương đương với điểm cao - điểm 10) sau họ có tính nhạy cảm giảm dần cuối họ có khả thích nghi với điều kiện mơi trường thay đổi (tương đương với số điểm thấp - điểm 1) Sau có điểm tổng cộng BMWP, tính điểm số trung bình hay cịn gọi ASPT (Average Score Per Taxon) cách lấy tổng số điểm chia cho tổng số họ tham gia tính điểm Điểm số ASPT số sinh học tương ứng với mức chất lượng nước (Bảng 2) Chỉ số khoảng từ 1-10 Bảng Xếp loại mức độ ô nhiễm thủy vực theo hệ thống điểm BMWP Thứ hạng Điểm số trung bình (ASPT) I 10 - Khơng ô nhiễm, nước II 7,9 - Ô nhiễm nhẹ (Oligosaprobe) III 5,9 - Ô nhiễm vừa (β Mesosaprobe) IV 4,9 - Khá ô nhiễm (α Mesosaprobe) V 2,9 - Ô nhiễm nặng (Polysaprobe) VI Đánh giá chất lượng nước Ơ nhiễm nặng (khơng có Động vật KXS đáy) Nguồn : Environment Agency, UK, 1997 Richard Orton, Anne Bebbington John Bebbington, 1995) 14 II.2.3 Chỉ số sinh học tổ hợp (Intergrated Biological Index - IBI) Chỉ số thường sử dụng sở tính tốn cho nhóm cá Chỉ số tổ hợp sinh học cá (IBI) phát triển ứng dụng rộng rãi Bắc Mỹ Ngày nay, số IBI cải tiến phát triển số nước khác Pháp (Oberdorff Hughes, 1992), Ấn Độ (Ganasan Hughes) Trong trình nghiên cứu phát triển lý thuyết nguyên lý tính IBI phải kể đến Karr et al (1986), Hughes Gammon (1987), Oberdorff Hughes (1992), Lyon et al (1995) Chỉ số IBI bao gồm 12 số cần tính đến là: Tổng số lồi cá Số loài cá đáy - gần đáy Số loài cá - sống tầng nước Số loài cá bống Số loài cá trơn không vảy (lăng, chiên, nheo, lươn, chạch, trê, ) Số lồi cá nhạy cảm với mơi trường % số cá thể cá ăn tạp % số cá thể cá ăn ĐVKXS, côn trùng % số cá thể cá (ăn cá, tôm) 10 Tổng số cá thể cá 11 % số cá thể lai tạp, ngoại nhập 12 % số cá thể bị bệnh, dị tật, u, hỏng vây, khuyết tật khác Cả 12 số đánh giá theo thang điểm: xấu (1 điểm), trung bình (3 điểm), tốt (5 điểm) Các thuỷ vực đánh giá theo mức độ (Karr et al,1986): • Mơi trường tốt đạt 58-60 điểm đặc trưng tốt tác động người; Có tất loài cá sống vùng nước đặc trưng cho sinh cảnh cỡ suối bao gồm tất loài cá nhạy cảm tồn đầy đủ hệ tất hai giống, ổn định cấu trúc chuỗi dinh dưỡng • Mơi trường tốt đạt 48-52 điểm, đặc trưng giàu có thành phần loài mức mong đợi, đặc biệt lồi nhạy cảm với mơi trường thay đổi,một số lồi mức tối ưu phân bố kích thước (cỡ cá); Cấu trúc chuỗi dinh dướng có dấu hiệu bị ức chế • Mơi trường trung bình đạt 39-44 điểm ,đặc trưng có dấu hiệu suy thối bổ xung bao gồm số dạng lồi nhạy cảm đi, cấu trúc chuỗi dinh dưỡng bị 15 thu hẹp ( tăng tần suất loài ăn tạp),các lứa tuổi lồi cá trở nên • Mơi trường xấu đạt 28-35 điểm, đặc trưng loài cá ăn tạp,cá chịu đựng tốt với môi trường bị ô nhiễm chiếm ưu loài sống sinh cảnh,một lồi ăn sinh vật chết bậc cao, tốc độ sinh trưởng điều kiện sống nhìn chung suy giảm,cá lai tạo cá bị bệnh thường hay gặp • Môi trường xấu đạt 12- 22 điểm, đặc trưng cá mà đại phận loài cá du nhập vào loài chịu đựng tốt với môi trường ô nhiễm, thường gặp dạng cá lai, cá mắc bệnh, cá bị nhiễm ký sinh, cá bị hỏng vây khuyết tật khác • Mơi trường đặc biệt nhiễm nặng khơng có cá Bảng Chỉ số tổ hợp sinh học cá (IBI) STT Các tiêu chí I Thành phần cấu tạo quần xã 10 11 12 II Cấu trúc dinh dưỡng III Cấu trúc chức năng, phong phú điều kiện môi trường Các số tổ hợp Tổng số loài cá Số loài cá đáy - gần đáy Số loài cá - sống tầng nước Số lồi cá bống Số lồi cá trơn khơng vảy (lăng, chiên, nheo, lươn, chạch, trê, ) Số loài cá nhạy cảm với môi trường % số cá thể cá ăn tạp % số cá thể cá ăn ĐVKXS, côn trùng % số cá thể cá (ăn cá,tôm) Tổng số cá thể cá % số cá thể lai tạp, ngoại nhập % số cá thể bị bệnh, dị tật, u, hỏng vây, khuyết tật khác Cách tính điểm phong vừa ít,hiếm phú phải phong vừa ít,hiếm phú phải phong vừa ít,hiếm phú phải >3 2-3 >4 2-4 4 < 35 > 50 2-4 35-60 25-50 60 < 25 >5 nhiều 2-5 vừa phải 2-8 2-5