Chỉ thị sinh học môi trường

B Ô G IÁ O DỤC VA ĐAO TAO Thư viện - ĐH Quy Nhơn i ỂẾm ầ& l VVD 7 N U A X U Ả T B Á N G I Á O DỤC' V I HT N A M BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO LÊ VĂN KHOA (Chủ biên) NGUYỄN XUÂN QUÝNH - NGUYÊN QUỐC VIỆT Chỉ thị SINH HỌC MÔI TRƯỜNG (Tái lần thứ nhất) TRƯỜNG ĐẠI HfC «uv NHƠN THƯ VIỆN _ WD M U NHÀ XUẤT BÀN GIÁO DỤC VIỆT NAM noĩ u Mọi sình vật, k ể người đời sống chịu ánh hưởng điều kiện vật lý, hoá học môi trường xung quanh Trẽn cu sr mếu biết ngày sâu rộng mối quan hệ sinh vật mơi trường, nhiều bí ẩn mối tương tác khám phá Đối với thực vật, thiếu, thừa chất dinh dưỡng đất có mặt chất o nhiêm mong mơi trường xuất dấu hiệu bất thưởng nhu ỉ>ẹnh vàng lá, bệnh vàng gân lá, đốm hoại tứ chí cành, bị cháy khơ dễ dàng quan sát dược bảng mái Ịhườn ọ í • với động vật, đặc biệt động vật bậc thấp, có mặt hay váng mặi chúng trường nước định nhận diện dttụL í loại nồng độ chất gây ô nhiễm mà không thiết Ị.-h‘u tiến hành phân tích hố - lý học Những sinh vật đươc gọi ’¡hừm: sinh vật thị môi trường thơng qua chúng nhận diyii dược có mặt chất dành giá chất lượng môi truờng nhảm phục vụ cho việc giám sát quan trắc với ý nghĩa khoa học thực tiễn lớn Từ năm 70 kỷ XX, giới có nhiều nghiên cứu tập trung vào lĩnh vực ứng dụng sinh vật tí h 'ự, mà chủ yếu thực vật d ể xử lý nhiễm mơi trường đất, ntíóc Ihn phương pháp lành manh, thân thiện với môi trường, giá thành hụ,, un toàn hiệu cao, dam bảo mỹ quan nguyên vẹn dôi tượng xử /v áp dụng lâu dài Ở Việt Nam, khái niệm vê sinh vật thị môi trường rai má' mẻ việc ứng dụng chúng nghiên cứu bước đầu Dựa nhiều nguồn tài liệu tham khảo, kết nghiên cứu dã cơng bơ' giói giám sát sinh học sinh vật du thi mỏi trường với kinh nghiệm nhiều năm giáng dạy môn học GS TS Lê Văn Khoa cho ngành thổ nhưỡng - môi trường đất ngành môi trường; PGS TS Nguyễn Xuân Quýnh cho sinh viên ngành sinh học trường ĐHKHTN, ĐHQG Hà Nội, sách giỏi thiệu đẩy đủ chì thị sinh học cho thành phần mơi trườnẹ chính: đ ất-nư c khơng khí Cuốn sách biên soạn lần Việt Nam theo nhiệm vụ Bộ Giáo dục Đào tạo giao đ ể làm tài liệu giảng dạy nghiên cứu trường Đại học Cao đẳng, viện nghiên cứu cố liên quan đến sinh học mỏi trườn ẹ Tập túc giả mong nhận ý kiến đóng góp quý báu c ủ a bạn dọc, d ể sách hoàn thiện lần tái sau TẬP THỂ CẠC TÁC GIẢ C hương KHÁI NIỆM VỂ CHỈ THỊ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP s DỤNG TRONG QUAN TRẮC, ĐÁNH GIÁ CHAT LƯỢNG MÔI TRƯỜNG I CÁC KHÁI NIỆM VỀ SINH VẬT CHỈ THỊ HAY CHỈ THỊ SINH HỌC Một điều hiển nhiên tất thể sống, kể người chịu ảnh hưởng điều kiện vật lý hố học mơi trường xung quanh Từ lâu nhà sinh thái học sử dụng loài thực vật thị điển hình quần xã để lập đổ địa chất, phân bố khống q trình xem dự báo địa thực vật Trên sở hiểu biết tác động yếu tố vật lý, hố học lên thể sống xác định số ý tưởng không có mặt mà mức nhiều chất có mơi trường Ví dụ, thực vật thường biểu dấu hiệu dễ phân biệt đặc trưng môi trường bị thiếu thừa sô chất dinh dưỡng ỈÝÍìcdng Tương tự, sinh vật bị chất gây ô nhiễm chất tự nhiên có nhiều mơi trường tác động thơng qua biểu chúng thị cho chất mức độ gây nhiễm Sự tác động biến đổi quan sát thấy mắt qua số biểu sau: - Những thay đổi thành phần loài nhóm ưu quẩn xã sinh vạt - Những thay đổi đa dạng loài quần xã - Tỷ lệ chết quần thể gia tăng, đặc biệt giai đoạn non mẫn cảm trứng ấu trùng - Thay đổi sinh lý tập tính cá thể - Những khiếm khuyết hình thái tế bào cá thể - Sự tích luỹ dần chất gây ô nhiễm trao đổi chất chúng mô cá thể Do đó, giới, việc nghiên cứu sử dụng sinh vật để đánh giá, kiểm soát cải thiện chất lượng môi trường đạt nhiều thành tựu có ý nghĩa khoa học thực tiễn Tại nước phát triển, đặc biệt sô nước khu vực Trung Quốc, Ân Độ, Thái Lan, việc nghiên cứu sử dụng sinh vật thị tiến hành từ nhiều năm C h ỉ th ị s in h h o c (B ioindicator) Thành phấn loài quần xã sinh vật vùng xác định yếu tố môi trường mà yếu tố điều kiện để quần thể sinh vật tồn phát triển Nếu trình tồn phát triển, yếu tố môi trường trở nên gây hại cho sinh vặt đó, sinh vật bị loại trừ khỏi quần thể, kể tlicu kiẹn gay hại nàv xảy thời gian ngắn Chính điều kiện làm cho sinh vật trư thành vật chi thị cho yếu tố môi trường Kha- niệm chung cư sinh vật thị người thừa nhận là: "'NhữiỉP tượng sinh vật có yêu cầu nliât định vê điêu kiện sinh thái liên quan đến nlíu cầu dinh dưỡng, hàm lượng ôxy, khả chống chịu ịtolerance) hàm lượng định yếu tố độc hại mơi trường sơhg đó, diện í hú hiểu thị tình trạng điều kiện sinh thái môi trường sống nằm giời hạn nhu càu khả chống chịu đối tượng sinh vật đó" Dối tirưng sinh vật sinh vật thị cổ thể loài (lồi thị) tập hợp lồi (nhóm lồi thị) Các điều kiện sinh thái chủ yếu yếu tố vô sinh nh " k: m lượng chất dinh dưỡng, nhu cầu ôxy, chất độc (kim loại nặng, thuốc trừ sâu, diệt cỏ, dầu, chất ôxy hoá quang hoá - peroxyaxetylnitrat (PAN) chất xạ I chất gây ô nhiẻm khác Loài thị (Indicator sp ecies) Loài thị loài mẫn cảm với điều kiện sinh lý sinh hoá, nghĩa chúng diện thay đổi số lượng cá thể loài thị môi trường bị ô nhiễm hay môi trường sống bị xáo trộn Một số loài địa y xem lồi thị cho •-•ảm vđi ■■hịễ'- sY.níua điôxyt (S02), biết cách dây 130 năm Cứng từr.o r-Ị *hể loài phản ứng vật thị mỏi trường, nhóm vật thị cho Hiụi ,ố điều mN triTcrng Đặc tính nhóm thực vật phát triển đất secpentine có nồng độ canxi thấp magiê cao mơi tnrVig mơt ví dụ điển hình nhóm thị mơi trường Tại Bắc Mỹ đất stc' M CIlu Ị1C túuơii^ Cm CG CQC nhóm phát triển rời rạc lùn Quercus durata ' /' V saĩgctiri M/I số loài chống chịu xáo trộn môi •rường vè ĩbê T thị cho tuổi rừng Tại Anh, Hội bảo tồn rừng CIMÔC gia nhát trién phưưng pháp thu thập liệu xếp nhóm giá trị loại gỗ quý miền Nam Các thị sinh học sử dụng đánh giá sinh thái đặc biêt trường hợp nhóm quần thể thị điều kiện khu vực cần thiết phải bảo tồn Chỉ thị loài dùng điều kiện đánh giá môi trường việc sử dụng để lập đồ mẫn cảm mơi trường Car sich «í;t ;1ủ thị mối trường khác xếp thành nhóm theo tiêu chi’sau: - Tính mẫn cảm (Sensitivity): lồi mẫn cảm đặc trung cho điều kiệri môi truờng không thích hợp cơng cụ để giải đốn mơi truờng - Nhu cơng cụ thăm dị {Detector): lồi xuất tự nhiên mơi truờng dùng để đo đạc phản ứng thích nghi thay đổi môi truờng (thay đổi tuổi, nhóm lồi, giảm kích thuớc quần thể, tập qn sống ) Đất hoang hoá (bareland) thuờng đặc trung cho loại đất nghèo chất dinh dirỡng SỐ lồi đuợc sử dụng làm thị cho kiểu đất rừng - Nhu công cụ khai thác {Exploiter): Các lồi thị cho xáo trộn hay nhiễm mơi truờng, ví dụ tập quán loài thủy sinh vật, diện loài giun loài giun đỏ thị ô nhiễm môi truờng - Nhu cơng cụ tích lũy sinh học {Accumulator): lồi tích lũy sinii hục ao gồm hố chất mơ chúng ví dụ lồi địa y - Các sinh vật thử nghiệm {Bioassay): Các sinh vật chọn lọc đơi có thẻ đuọc sứ dụng nhu chất phồng thí nghiệm để xác định diện nồng độ chất ô nhiễm M ôt sô' khái n iêm mỏ' rông v ế sin h vât thị a) Sinh vật cảm ứng (Biosensor) Là nhũng sinh vật thị tiếp tục diện mơi truờng nhiễm thích ứng, phù hợp với tính chất sinh vật thị song nhiều biến đổi, tác động chất ô nhiễm nhu giảm tốc độ sinh truởng, giảm khả sinh sản, biển đổi tập tính b) Sinh vật tích tụ (Bioaccumulator) Một số sinh vật nuớc có khả đặc biệt việc tích tụ nhũn« loại chái nhiễm định mơ chúng, làm cho chúng dễ bị phát qua phân tích hố học Những sinh vật lý tuởng đuợc sử dụng mục đích nên cho sống định cu để số liệu thu đuợc nơi đặc trung có đủ độ tin cậy Trong sơ sinh vật thuộc loại này, rêu thuờng đuợc sử dụng rộng rã’, nhung nhóm sinh vại khác nhu tảo, thực vật lớn, cá động vật không xuơng sống khác đuợc sử dụng (Calow Maltby, 1978) Tuy nhiên, tính linh hoạt cá nbihii ỉói động vật khơng xuơng sống, bị trơi dạt nhu lồi tảo giải thích Két nghiên cứu cần phải thận trọng Là sinh vật thị, khổng có tính chất thị cho mơi truờnu thích ứng mà cịn có khả nâng tích tụ số chất nhiễm dó tné chung VƠI ham luợng cao nhiều lần so với mơi truờng bên ngồi (kim loại nặng ) Bằng phuơng pháp phân tích hố sinh hữu mô thể chúng, nguời ta cổ thể phát biẠn, giá chất nhiễm dễ dàng nhiều so với phuơng pháp phân tích thủy hố Có thể rút số ý tưởng bản, quan trọng tính chất thị sinh vật (,bioindỉcation) sinh vật thị (bioindicator) sau: _ Tính thị mơi trường sinh vật dựa khả chống chịu sinh vật với yếu tố vô sinh môi trường với 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, chuẩn mơi trường sống lồi _ Tính thị mơi trường sinh vật thể bậc khác nhau: Cá thể, quần thể, nhóm lồi, quần xã Cụ thê: + Cấu trúc quần xã thị: Bao gồm thành phần cấu trúc quần xã sinh vật, thể hiên số nhóm sinh vật (sinh vật nổi, sinh vật đáy ) + Quần thể sinh vật thị: Thể cấu trúc quần thê loài chi 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 _ Phương pháp sinh học giám sáí mói trường, sù' dụng siiih vật thị đánh giá môi trường có thuận lợi, hiệu so với phương pháp lý hố học nhờ khai thác khả tích tụ chất ô nhiễm thể sinh vật giá trị biểu thị tác động tổng hợp yếu tố môi trường sinh vật Các tác giả xác định số tiêu chuẩn để chọn sinh vật thị: - Đã định loại rõ ràng - Dễ thu mẫu ngồi thiên nhiên, kích thước vừa phải - Có phân bố rộng (tối ưu phân bố tồn cầu) - Có nhiều dẫn liệu sinh thái cá thể đối tượng qua thử nghiệm sinh học - Có giá trị kinh tế (hoặc nguồn dịch bệnh) - Dễ tích tụ chất nhiễm - Dễ ni trồng phịng thí nghiệm - biến dị D ấu h iệ u sin h h ọc (B io m a rk eì) Dấu hiệu sinh học thể phản ứng sinh học sinh vật tác động lý hố học chất nhiễm mơi trường Dấu hiệu sinh học có loại chính: dấu hiệu sinh lý - sinh hoá dấu hiệu sinh thái Dấu hiệu sinh lý - sinh hoá: dấu hiệu dễ nhận có giá trị, số liên quan tới khả sống sót, sinh trưởng cá thể (chỉ số ăn mồi, tiêu hoá hô 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 ô nhiễm Có nhiều số dùng để đánh giá biến đổi Chỉ số thiếu hụt số loài: xác định trường hợp có số liệu khảo sát định kỳ thành phần lồi có mặt khu sinh cư 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 Chỉ số loài 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 Chỉ sô' sin h học {B io tic in d ic e s) Sự đa dạng sô' sinh học đưa sử dụng vùng địa lý đặc biệt loại sơng cụ thể Ví dụ, thang tính điểm Chutter (1972) dùng Nam Phi Hilsenhoff (1988) chuyển đổi để sử dụng Wisconsin (Mỹ) cách biến đổi giá trị chống chịu cho phù hợp với khu hệ sinh vật địa phương số đơn vị phân loại Tương tự, thang tính điểm tổ chức nghiên cứu quan trắc sinh học BMWP (Biological Monitoring Working Party) biến đổi để sử dụng nhiều nước, có Thái Lan (Mustow, 1997) Có nhiều nghiên cứu, thử nghiệm nhằm thử đo đạc tính chất mơi trường Các nghiên cứu thường thực dựa ảnh hưởng nhiễm mơi trường phân hủy Ví dụ ủy Ban Chất Lượng Môi Trường Hiệp Hội Bảo Vệ Các Loài Hoang Dã Quốc Gia (NWF) (National Wildlife Federation) xuất báo cáo tổng kết ý kiến công chúng vấn đề liên quan đến mơi trường Đó mốc thử nghiệm nhằm khảo sát tính chất mơi trường Sau NWF lại thực chương trình, đánh giá sinh thái thực để nghiên cứu mẫn cảm khu vực khảo sát sơ' thay đổi môi trường ảnh hưởng đến vùng lân cận hệ sinh thái Sự lan rộng làm ô nhiễm gây thiệt hại diễn đạt sô' môi trường hay sô' sinh học Các ví dụ sơ' sinh học bao gồm sô' dùng để quan trắc chất lượng nước sở loài thị mức độ mẫn cảm loài thị nhiễm mơi trường Ví dụ, năm 1964, theo Woodiwiss thị sinh học dễ nhận biết dựa vào thị loài cân trọng lượng nhóm lồi mãn cảm ô nhiễm hữu Sô' lượng nhóm sinh vật với diện vắng mặt sô' thị lồi dùng để tính tốn số Chỉ số ngày biết số sinh học, có trị sơ' xếp loại từ (bị nhiễm nặng chất hữu cơ) 10 (hồn tồn khơng bị nhiễm), số sử dụng phổ biến nước Anh Chỉ số đa dạng {D iv e r s ity in d ices) Chỉ sơ' đa dạng biểu thị độ phong phú lồi môi trường chọn dạng giá trị đơn lồi Chúng sử dụng để đánh giá khía cạnh cấu trúc quần xã: - Số lượng loài độ phong phú (species abundance pattern) - Tổng lượng sinh vật lồi có mặt độ phong phú - Tính đồng phân bố cá thể lồi khác tính đồng Giá trị chúng dựa giả định gia tăng ô nhiễm hệ sinh thái (HST), loài mẫn cảm giảm thiểu dẫn đến việc suy giảm tổng thể tính đa dang quần xã Ví dụ, thực vật, động vật hồ kiệt dưỡng tự nhiên phát hiên thấy núi đầm lầy thường gia tăng số lượng loài, chúng bị tác độ ' giàu ô nhiễm hữu từ chất thải rắn lỏng động vật Hiện có nh ề h’ am số số thơng dụng phương pháp tính nêu 1s ’ Bảng Một số sổ đa dạng tương dồng sử dụng phổ biến Chỉ số Ký hiệu Phương pháp tính Chỉ số Shannon - Weiner(H') =T P; Xloop D = ^ Ì Ị ị Ị1 N(N-1) Chỉ số tương đồng J= A+ 'È-W x10° Chỉ số tương đồng quần xã i Pinkham Pearson (P) p _ Ị v m ịn í^ M p k Lmax(Xia Xlb) K: Số cá thể loài i mẫu thu; N: Số thể cõa tất I à' S:SS loài cố mẵulhu; W: Số lồi thường gặp đđi v«i mẫu Ihu p,: T í lê cảc cá thể Irorg lôi A: Số lồi mẫu 1' " mãu thu ' B: SỐ loài mẫu k: Tổng lượng so sánh đơn vị phân loại khác Xiavà x,b: Độ phong phú loài thứ i mẫu a b tương ứng * mau thu S0 sánh với đ n g (S im iỉa r ity in d ic es) C h ỉ sô tư n g « so sánh độ phong phú loài điẻm thu mẫu khác Chì số tương đồng ba° ^ c xem la đối chứng (bảng 1) Có rát nhiều kiểu sủ hvau va điem wắc ô nhiêm, kiểu thông dụng phương ptóP tín dung vl mặt mạnh, mật yếu dược dẫn bảng 10