Sử dụng thực vật làm sinh vật chỉ thị trong xử lý ô nhiễm môi trường

Chất lượng môi trường hiện nay đang bị suy thoái nghiêm trọng do bị ảnh hưởng bởi các hoạt động sản xuất, sinh hoạt, giao thông vận tải của con người. Nhận thức được vấn đề đó, con người đã áp dụng nhiều công nghệ trong xử lý ô nhiễm môi trường. Một trong những hướng áp dụng trong xử lý ô nhiễm môi trường đó là sử dụng các sinh vật chỉ thị. Những sinh vật (động vật, thực vật) mẫn cảm với các chất ô nhiễm hay các yếu tố sẵn có trong môi trường sẽ dễ bị tác động, có thể biểu hiện bằng các dấu hiệu dễ nhận biết. Trong các loài sinh vật dùng làm chỉ thị sinh học, được sử dụng phổ biến nhất là các loài thực vật.

MỤC LỤC

II NỘI DUNG 3

2.1 Những hiểu biết chung về chỉ thị sinh học môi trường 3

2.1.1 Những khái niệm về sinh vật chỉ thị môi trường 3

2.1.2 Dấu hiệu sinh học của sinh vật chỉ thị 8

2.2 Vai trò của chỉ thị sinh học trong nghiên cứu, đánh giá và xử lý môi trường 11

2.2.1 Trong đánh giá môi trường 11

2.2.2 Trong xử lý ô nhiễm môi trường 12

2.3 Phương pháp sử dụng chỉ thị sinh học trong xử lý ô nhiễm môi trường 14

2.3.1 Sử dụng chỉ số sinh học 14

2.3.2 Sử dụng sinh vật tích tụ 16

2.3.4 Xây dựng bản đồ ô nhiễm 18

2.3.5 Phương pháp so sánh 19

2.3.6 Sử dụng vi sinh vật 19

2.3.7 Sử dụng các loài đặc hữu, quý hiếm 19

2.3.8 Phương pháp diễn thế 20

2.4 Sử dụng sinh vật trong xử lý ô nhiễm môi trường 20

2.4.1 Xử lý ô nhiễm môi trường nước 20

2.4.2 Xử lý ô nhiễm môi trường không khí 24

2.4.3 Xử lý ô nhiễm môi trường đất 28

III KẾT LUẬN 30

IV TÀI LIỆU THAM KHẢO 30

I MỞ ĐẦU

Môi trường là một vấn đề mang tính chất toàn cầu Hiện nay, chất lượngmôi trường đang bị suy thoái nghiêm trọng bởi các hoạt động phát triển kinh tếcủa con người Môi trường ô nhiễm, suy thoái đã và đang ảnh hưởng tiêu cực đếncuộc sống của con người Nhận thức được vấn đề đó, con người đã áp dụng nhiềucông nghệ trong xử lý ô nhiễm môi trường

Một trong những hướng áp dụng trong xử lý ô nhiễm môi trường đó là sửdụng các sinh vật chỉ thị Đã từ lâu, các nhà khoa học đã biết sử dụng các sinh vậttrong quá trình nghiên cứu của mình Những sinh vật (động vật, thực vật) mẫncảm với các chất ô nhiễm hay các yếu tố sẵn có trong môi trường sẽ dễ bị tácđộng, có thể biểu hiện bằng các dấu hiệu dễ nhận biết Trong các loài sinh vậtdùng làm chỉ thị sinh học, được sử dụng phổ biến nhất là các loài thực vật Môitrường có chứa các chất ô nhiễm hữu cơ nhân tạo, các chất dinh dưỡng khoáng haykim loại nặng sẽ được nhận biết dễ dàng bởi các biểu hiện của thực vật chỉ thị.Phương pháp này dựa trên cơ sở gieo trồng các loại thực vật có khả năng hấp thucác chất ô nhiễm đặc thù từ môi trường và tích lũy chất độc trong cơ thể thực vật,rồi thông qua thu hoạch, loại thải những chất ô nhiễm ra khỏi môi trường Một số

ưu điểm của phương pháp sử dụng thực vật làm sinh vật chỉ thị như: an toàn vàthân thiện với môi trường, giảm chi phí trong xử lý ô nhiễm, v.v…

Trên thế giới, việc nghiên cứu và sử dụng sinh vật để đánh giá, kiểm soát

và cải thiện chất lượng môi trường đã đạt được nhiều thành tựu Bài tiểu luận dướiđây sẽ đề cập tới việc sử dụng sinh vật chị thị trong xử lý ô nhiễm môi trường vàchủ yếu tập trung vào thực vật

II NỘI DUNG

2.1 Những hiểu biết chung về chỉ thị sinh học môi trường

2.1.1 Những khái niệm về sinh vật chỉ thị môi trường

2.1.1.1 Khái niệm

Sinh vật chỉ thị môi trường là những đối tượng sinh vật có yêu cầu nhấtđịnh về điều kiện sinh thái liên quan đến nhu cầu dinh dưỡng, hàm lượng oxy, khảnăng chống chịu một hàm lượng nhất định các yếu tố độc hại trong môi trườngsống Do đó, sự hiện diện hay không của chúng biểu thị một tình trạng điều kiệnsinh thái của môi trường sống nằm trong hay vượt quá giới hạn nhu cầu và khảnăng chống chịu của đối tượng sinh vật đó Sinh vật chỉ thị môi trường có thể làcác loài sinh vật hoặc các tập hợp loài Các điều kiện sinh thái tác động đến sinhvật chỉ thị chủ yếu là các yếu tố vô sinh: hàm lượng các chất dinh dưỡng, nhu cầu

O2, chất độc và các chất gây ô nhiễm khác

2.1.1.2 Cơ sở của việc sử dụng sinh vật làm chỉ thị môi trường

Thành phần loài của một quần xã sinh vật được xác định bởi các yếu tố môitrường Do đó, tất cả các cơ thể sống đều chịu tác động của các yếu tố môi trườngsống Môi trường sống này cũng có thể bị ảnh hưởng từ môi trường xung quanh,đặc biệt bị tác động mạnh bởi các điều kiện vật lý và hoá học

Một vài yếu tố tác động vào môi trường có thể hoặc không gây hại cho sinhvật nào đó, thì sinh vật này sẽ bị hoặc không bị loại trừ ra khỏi quần thể và làm nótrở thành sinh vật chỉ thị cho môi trường

Sự hiểu biết về tác động của các yếu tố môi trường lên cơ thể sống có thểxác định sự có mặt và mức độ có của nhiều chất trong môi trường

Như vây cơ sở cho việc sử dụng sinh vật làm vật chỉ thị môi trường dựatrên hiểu biết về khả năng chống chịu của sinh vật với các yếu tố của điều kiệnsinh thái (yếu tố vô sinh) với tác động tổng hợp của chúng Các yếu tố sinh thái vôsinh của môi trường có thể là: ánh sáng, nhiệt độ, nước hay ẩm độ, các chất khí,các chất dinh dưỡng dễ tiêu

2.1.1.3 Tác động của các yếu tố vô sinh lên sinh vật

Theo phản ứng với ánh sang, sinh vật được chia thành hai nhóm: ưa sáng và ưatối

+ Ưa sáng: phi lao, bồ đề , thuốc lá, cà rốt , lúa , ngô

+ Ưa tối: cà độc dược, hành , dương xỉ, rêu, tảo silic (có khả năng quanghợp khi ánh sáng ở ngưỡng tối thiểu)

Theo phản ứng của cây trồng với ánh sáng có thể chia ra cây nhiệt đới, cây ônđới, cây á nhiệt đới

Theo phản ứng của cây trồng với thời gian chiếu sáng có thể chia ra: cây cóphản ứng ngày ngắn và ngày dài

Nhiệt độ:

Trong một phạm vi nhất định, nhiệt độ càng tăng thì tốc độ phát triển của sinhvật càng tăng nhanh

Sinh vật có thể phản ứng với nhiệt độ bằng nhiều hình thức khác nhau

+ Khi nhiệt độ cao, cây tích luỹ nhiều đường, muối, tăng khả năng giữnước, thoát hơi nước Cây non thường chịu lạnh tốt hơn cây già

+ Khi bị nóng, động vật có thể toả nhiệt, dẫn nhiệt, bốc hơi, giãn các mạchmáu ngoại vi Khi lạnh nó co mạch, hình thành lớp lông và mỡ dưới da dày, tăngsản nhiệt hoặc run rẩy

Theo phản ứng của cây trồng với nhiệt độ có thể chia ra cây nhiệt đới, cây ônđới, cây á nhiệt đới

Nước và ẩm độ:

Nước đóng một vai trò rất quan trọng đối vối sinh vật

Phân loại sinh vật theo mức độ phụ thuộc vào nước:

+ Sinh vật ở nước: cá, thực vật thuỷ sinh,

+ Sinh vật ưa ẩm cao: lúa, cói, lác,

+ Sinh vật ưa ẩm vừa: tếch, các cây họ bạch đàn, trầu không,

+ Sinh vật ưa ẩm thấp, chịu hạn: xương rồng, bỏng nẻ, thầu dầu, trúc đào,

sú, vẹt dù, cà phê ,chè, phi lao , tiêu , rêu, địa y

Các chất khoáng hòa tan (muối):

Chất khoáng có vai trò quan trọng trong cơ thể sinh vật, giúp điều hoà các quátrình sinh hoá, áp suất thẩm thấu của dịch mô và các hoạt động chức năng khác.Sinh vật có khả năng hấp thu chất khoáng khác nhau:

+ Đối với cây trồng dinh dưỡng khoáng quyết định đến tình trạng sinhtrưởng, năng suất, chất lượng sản phẩm cây trồng

+ Theo yêu cầu dinh dưỡng của thực vật có 14 chất khoáng là dinh dưỡngthiết yếu cần cung cấp, được chia thành 3 nhóm theo nhu cầu: đa lượng (N, P, K),trung lượng (Ca, Mg, S, Si) và vi lượng (Fe, Mn, Cu, Zn, Bo, Mo, Cl) Ngoài racòn có 3 nguyên tố sẵn có trong cơ thể thực vật mà không cần pahir đưca vào là C,

H, O

Hàm lượng các chất khoáng trong môi trường mất cân đối có thể dẫn đến rốiloạn quá trình trao đổi chất, làm sinh vật mắc bệnh

2.1.1.4 Khả năng biến đổi để thích nghi của sinh vật khi môi trường thay đổi

Sự phản hồi của sinh vật đối với tác động từ môi trường:

Sinh vật phản ứng lên tác động của môi trường bằng hai phương thức: chạytrốn (động vật), hoặc thích nghi.

Sự thích nghi của sinh vật có thể : thích nghi hình thái và thích nghi di truyền.+ Thích nghi hình thái xảy ra trong suốt thời gian sống của cơ sinh vật dướitác động của các yếu tố môi trường

+ Thích nghi di truyền xuất hiện trong quá trình phát triển cá thể, khôngphụ thuộc vào sự có hay vắng mặt của các trạng thái môi trường, được xác định vàcủng cố bởi các yếu tố di truyền

Diễn thế sinh thái và tác động đến sinh vật chỉ thị môi trường:

Diễn thế sinh thái tác động làm biến đổi môi trường sống gây thay đổi quần xãsinh vật

Tất cả các hoạt động kinh tế liên quan đến hệ sinh thái luôn chịu ảnh hưởng vàtác động vào quá trình diễn thế sinh thái

Nguyên nhân xảy ra diễn thế:

+ Nguyên nhân bên trong: gây nên nội diễn thế nằm trong tính chất củachính hệ sinh thái, sự sinh sản và cạnh tranh sinh tồn của các sinh vật

+ Nguyên nhân bên ngoài: bao gồm các yếu tố từ bên ngoài tác động lên hệsinh thái làm thay đổi nó, gây nên ngoại diễn thế

Tác động làm biến đổi của môi trường gây ảnh hưởng trên cơ thể sống có thểquan sát:

+ Thay đổi về thành phần loài hoặc các nhóm ưu thế

+ Những thay đổi về đa dạng loài

+ Tăng tỷ lệ chết trong quần thể

+ Thay đổi sinh lý và tập tính trong các cá thể

+ Những khiếm khuyết về hình thái và tế bào trong các cá thể

+ Sự tích luỹ dần các chất gây ô nhiễm trong các mô của những cá thể

Do ảnh hưởng của diễn thế sinh thái mà các chỉ thị sinh học có thể sử dụng đểđánh giá tình trạng sinh thái, đặc biệt là điều kiện khu cần bảo tồn

Tác dụng thăm dò là những loài sinh vật chỉ thị thích nghi đối với môi trườngnhất định, sự xuất hiện của chúng có thể dùng để đo phản ứng và thích nghi đốivới sự thay đổi của môi trường

Tác dụng khai thác là các loài sinh vật chỉ thị có thể chỉ thị rõ cho sự xáo trộnhay ô nhiễm môi trường

Tác dụng tích luỹ sinh học là các loài sinh vật chỉ thị có khả năng tích luỹ cáchoá chất trong mô của chúng

Sinhh vật thử nghiệm là các sinh vật được chọn lọc để nghiên cứu trong điềukiện thí nghiệm nhằm xác định các chất ô nhiễm

+ Quần thể sinh vật chỉ thị: cấu trúc quần thể các loài chỉ thị.

+ Quần xã sinh vật chỉ thị: một số nhóm sinh vật chỉ thị nào đó (sinh vậtnổi, sinh vật đáy)

Nhờ tính chất của sinh vật chỉ thị có thể sử dụng khả năng tích tụ các chất

ô nhiễm trong cơ thể và giá trị biểu thị tác động tổng hợp của các yếu tố môitrường lên sinh vật để đánh giá môi trường thuận lợi và hiệu quả hơn so vớiphương pháp lý hoá học

2.1.1.7 Tiêu chuẩn để chọn sinh vật làm chỉ thị sinh học

+ Sinh vật đã được định loại rõ ràng

+ Dễ thu mẫu trong tự nhiên, kích thước vừa phải

+ Có phân bố rộng (phân bố toàn cầu)

+ Có nhiều tài liệu về sinh thái cá thể

+ Có giá trị kinh tế hoặc là nguồn dịch bệnh

+ Dễ tích tụ các chất ô nhiễm

+ Dễ nuôi trồng trong phòng thí nghiệm (vi sinh vật)

+ It biến dị

2.1.2 Dấu hiệu sinh học của sinh vật chỉ thị

Dấu hiệu sinh học là những thể hiện sự phản ứng (sinh học) của sinh vật đốivới tác động của chất ô nhiêm trong môi trường

Dấu hiệu sinh học có 2 loại chính: dấu hiệu sinh lý - sinh hóa và dấu hiệusinh thái

2.1.2.1 Dấu hiệu sinh lý - sinh hóa

Đây là dấu hiệu dễ biết, có nhiều ý nghĩa, nhất là liên quan tới khả năngsống sót, sự sinh trưởng của cá thể, sự sinh sản của quần thể

2.1.2.2 Dấu hiệu sinh thái

Đây là dấu hiệu thể hiện sự biến đổi của cấu trúc quần thể hoặc quần xãsinh vật dưới tác động của chất ô nhiễm

Dấu hiêu này khó nhận biết hơn, có thể nhận biết đánh giá bằng một số chỉsố: thiếu hụt loài, đa dạng sinh học, loài ưu thế

Chỉ số thiếu hụt loài: được xác định trong trường hợp có số liệu khảo sát định

kỳ về thành phần loài có mặt trong một khu sinh cư

Chỉ số đa dạng sinh học: là chỉ số mang tính chất tổng hợp số lượng loài và số

cá thể và một giá trị chung, để đơn giản hóa sự phức tạp của cấu trúc quần xã sinhvật

Chỉ số loài ưu thế: khi mức độ ô nhiễm nặng, một số loài phát triển ưu thế về

số lượng

2.1.3 Chỉ số sinh học

Chỉ số sinh học là các chỉ số dựa trên ảnh hưởng của ô nhiễm môi trường

và tác động của sự phân huỷ chất hữu cơ lên sinh vật để đo đạc các tính chất củamôi trường, đánh giá sinh thái môi trường

Trong quan trắc chất lượng nước: Các loài chỉ thị và mức mẫn cảm củachúng với ô nhiễm Số lượng nhóm sinh vật chỉ thị có hoặc vắng mặt được dùng

để tính toán chỉ số sinh học

Chỉ số sinh học được sử dụng đa dạng theo vùng địa lý và áp dụng theothang tính điểm của tổ chức nghiên cứu quan trắc sinh học (BMWP- BiologicalMonitoring Working Party) được biến đổi để sử dụng ở nhiều nước

do ô nhiễm hữu cơ từ chất thải

Người ta sử dụng chỉ số đa dạng để đánh giá 3 khía cạnh của cấu trúc quầnxã:

+ Số lượng loài hoặc độ phong phú + Tổng lượng sinh vật (độ phong phú) của mỗi loài.

+ Tính đồng nhất phân bố các cá thể giữa các loài khác nhau (tínhđồng đều)

Hiện có một số phương pháp thong dụng tính chỉ số đã dạng là: Shannon Weiner (H’), Simpson (D), Malgalef (DMg)

Jaccard (J)

Pinkham và Pearson (P)Trong đó:

+ Ni: Số các thể loài i trong mẫu thu + N: Số các thể của tất cả các loài trong mẫu thu + S: Số loài có trong mẫu thu

+ P i : Tỷ lệ các cá thể trong loài thứ i + W: Số loài thường gặp đối với cả 2 mẫu thu + A: Số loài trong mẫu 1

+ B: Số loài trong mẫu 2 + k: Tổng lượng các so sánh hoặc các đơn vi phân loại khác nhau trong 2 mẫu thu so sánh với nhau.

+ X ia và X ib : Độ phong phú của loài thứ i trong các mẫu a và b tương ứng

2.2 Vai trò của chỉ thị sinh học trong nghiên cứu, đánh giá và xử lý môi trường

2.2.1 Trong đánh giá môi trường

Sự thiếu hay thừa dinh dưỡng gây ảnh hưởng lớn đến tình trạng sinh trưởng

và sức sản xuất của thực vật, làm trên lá thực vật xuất hiện những dấu hiệu bấtthường có thể quan sát được bằng mắt (cây còi cọc, vàng lá, màu tía, mất màu,hoại tử)

Ngộ độc làm thực vật có những dấu hiệu dị thường (thấp lùn, lá bị mất màuxanh, vàng lá, hoại tử, cây có thể chết)

Dựa vào những dấu hiệu nêu trên ở thực vật cho phép đánh giá nhanh, rẻtiền, và hiệu quả về những chất ô nhiễm ở các nồng độ khác nhau trong môitrường

Trong những trường hợp cần thiết, ta có thể bổ sung phương pháp phân tíchđất, nước và thực vật

Tuy nhiên đối với những chuyên gia chỉ thị sinh học môi trường thì khôngnhất thiết phải tiến hành phân tích thêm

Trong nhiều trường hợp sử dụng, chỉ thị sinh học môi trường còn là bướckhởi đầu cho việc sử dụng hiệu quả các phương pháp nghiên cứu và đánh giá môitrường khác

Đặc biệt thông qua việc khai thác khả năng tích tụ các chất ô nhiễm trongsinh vật chỉ thị và giá trị biểu thị tác động tổng hợp của các yếu tố môi trường lên

các sinh vật tích tụ làm cho chỉ thị sinh học môi trường là chỉ dẫn quan trọng choviệc thực hiện các phương pháp lý hoá học.

2.2.2 Trong xử lý ô nhiễm môi trường

Xử lý môi trường bị ô nhiễm là một quá trình phức tạp (công nghệ, hiểubiết sâu về cơ chế hấp thụ, chuyển hóa… và có chi phí rất cao)

Tuy nhiên, thực vật có khả năng làm sạch môi trường đất và nước bị ônhiễm (bởi các kim loại, các hợp chất hữu cơ, thuốc súng và các chất phóng xạ),đây được coi như một loại công nghệ mới, đơn giản và rất hiệu quả

Cây dươnglai Đã áp dụng Schnoor, 1995Phân

huỷ

Nước rỉ từ

bãi rác

Nướcngầm

Cây dươnglai Đã áp dụng Licht, 1990Phân

Nướcngầm

Cây dươnglai

Mô hìnhtrình diễn Rock, 1997Phân

Đất ngậpnước Nhiều loài

Mô hìnhtrình diễn

Bader, 1996Carreira, 1996Phân

Cỏ và câyàng năm

Mô hìnhtrình diễn

Banks, 1997Drake, 1997Tích tụ -

Dushenkov,1997Tích tụ - Se Đất, nước Nhiều loài Đã áp dụng Terry, 1996

cố định các chất ô nhiễm bằng phương pháp hóa học hoặc vật lý, xử lý nhiệt, …),nhưng các phương pháp trên đều rất tốn kém về kinh phí, giới hạn về kỹ thuật vàhạn chế về diện tích

Do đó, phương pháp sử dụng thực vật để xử lý kim loại nặng trong đất,nước được quan tâm đặc biệt bởi chí phí đầu tư rất thấp, an toàn và thân thiện vớimôi trường (so với các phương pháp khác)

Bảng 3 Một số loài thực vật dùng để xử lý kim loại nặng trong đất

Cây liễu (Salix nigra) Kim loại nặng trong đất,

Cây dương lai (Populus

sp.)

Ni trong đất, nước vànước ngầm

Gai dầu (Cannabis

2.3.1.1 Sử dụng chỉ số sinh học trong giám sát môi trường

Shannon - Weiner sử dụng chỉ số đa dạng H' và Margaleft sử dụng chỉ số

đa dạng D để đánh giá mức độ ô nhiễm hữu cơ nguồn nước

Việc tính toán và xếp hạng chất lượng nước theo chỉ số đa dạng được thểhiện ở bảng sau:

Bảng 4 Đánh giá chất lượng theo chỉ số đa dạng

- Mẫu vật thu (tại các thuỷ vực) được phân loại

- Dựa vào các chỉ thị tương ứng với họ (trong bảng tính điểm BMWP) để tínhđiểm cho từng họ (họ nào không có trong bảng tính điểm có thể bỏ qua)

- Cộng tất cả các điểm từ mỗi họ tại từng điểm nghiên cứu được tổng điểm sốBMWP

- Tính điểm số trung bình cho các đơn vị phân loại (ASPT- Average Score perTaxon) là chỉ số sinh học tương ứng với một mức ô nhiễm (chất lượng) nước bằngcách chia tổng số điểm (BMWP) cho tổng số họ đã lấy để tính điểm

Bảng 5 Đánh giá chất lượng nước theo chỉ số ô nhiễm

Thứ hạng Chỉ số ô nhiễm (ASPT) hay

chỉ số sinh học (Bio - index) Đánh giá chất lượng nước

Ô nhiễm rất nặng – hoại sinh rất nặng(không có động vật không xương

sống)

2.3.1.2 Sử dụng chỉ số sinh học trong quan trắc môi trường

Các số liệu được sử dụng để ấn định giá trị đánh số đối với các chỉ thị sinhhọc cá thể

Tổng các giá trị đánh số của tất cả các loài chỉ thị sinh học tại mỗi điểm thumẫu (xác định) sẽ cho kết quả biểu thị kiểu ô nhiễm tại điểm đó

Tổng các giá trị hoại sinh của tất cả các chỉ thị sinh học tại một điểm chiacho tổng các giá trị tần số gặp cho chỉ số hoại sinh hay chỉ số nhiễm bẩn tại mộtđiểm

Chia số sinh học được sử dụng đầu tiên trong quan trắc môi trường là hệhoại sinh (dùng quan trắc ô nhiễm hữu cơ trong các sông)

Các chỉ số sinh học khác tuần tự được phát triển, chủ yếu để quan trắc cáctác động chất hữu cơ trong nước chảy Phổ biến nhất là chỉ số sinh học TRENT ởAnh, điểm số sinh học CHANDLER (CBS)

Nhiều nước sử dụng rộng rãi điểm số BMWP của nhóm động vật đáy cỡlớn để quan trắc môi trường nước (dựa vào việc xác định số loài và phân bố củađộng vật đáy không xương sống để phân loại mức độ ô nhiễm nước)