Bài giảng chỉ thị sinh học môi trường chỉ thị sinh học môi trường nước GS TS nguyễn thế nhã

 Sinh vật nước mẫn cảm với sự thay đổi của môi trường do các nguyên nhân tự nhiên ví dụ tăng độ đục khi lũ lụt hoặc nhân tạo ô nhiễm hóa chất hoặc suy giảm DO.. Biết đặc điểm phản ứng

Trang 1

3.1 Vấn đề chung

CHÚNG TA MUỐN ĐÁNH GIÁ CÁI GÌ?

Ảnh hưởng xấu/

Xáo trộn hệ sinh thái?

Mối nguy hại đối với sức khỏe con người?

Thay đổi hoặc Ảnh hưởng xấu đến

Số lượng và chất lượng nước?

3.1 Vấn đề chung

Ảnh hưởng của những sự cố tự nhiên hoặc nhân tạo

qua nhiều con đường: Các chất tổng hợp được đưa vào

nước, chế độ thủy văn và đặc điểm lý hóa của nước bị

thay đổi

 Sinh vật nước mẫn cảm với sự thay đổi của môi trường

do các nguyên nhân tự nhiên (ví dụ tăng độ đục khi lũ lụt) hoặc nhân tạo (ô nhiễm hóa chất hoặc suy giảm DO)

 Sinh vật phản ứng khác nhau: chết hoặc di cư; suy giảm khả năng sinh sản, kìm hãm hệ thống nội tiết cần thiết

Biết đặc điểm phản ứng của sinh vật với sự thay đổi của

môi trường có thể sử dụng chúng làm sinh vật chỉ thị

3 CHỈ THỊ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG NƯỚC

3.2 Yếu tố ảnh hưởng đến sinh vật

3.2.1 Yếu tố tự nhiên

 Dung trọng nước (density of the water: 1g/cm 3) cho

phép sinh vật sinh tồn trong môi trường ở thể treo

(suspension)

 Sinh vật nổi [plankton: phù du, phiêu sinh] cùng sinh vật

bơi tự do (nekton) và sinh vật đáy (benthos) sinh sống

phụ thuộc vào thời gian tồn lưu nước (residence time

(or retention time)) Nước chảy dễ cuốn trôi sinh vật nổi 

nhóm này thường cư trú ở thủy vực nước tĩnh

 Cá với khả năng bơi tự do  có thể cư trú ở thủy vực

nước chảy mạnh

 Các đặc điểm thích nghi với thủy vực nước chảy hoặc

nước tĩnh… là cơ sở nhận biết quan hệ sinh vật - MT

3 CHỈ THỊ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG NƯỚC 3.2 Yếu tố ảnh hưởng đến sinh vật

3.2.1 Yếu tố tự nhiên (tiếp tục):

Độ phong phú các chất dinh dưỡng hòa tan và lơ lửng

Mức dinh dưỡng không đổi thường cho phép quần xã sinh vật nổi và sinh vật đáy khác nhau phát triển

Nguồn dinh dưỡng hòa tan dồi dào có ở thủy vưc nước tĩnh hoặc nước chảy chậm cho phép thực vật thủy sinh

cỡ lớn sinh trưởng, cung cấp thức ăn, nơi cư trú và sinh

sản cho các sinh vật khác

Trang 2

3.2.2 Yếu tố nhân tạo

Ảnh hưởng trực tiếp như: đưa chất độc vào nước, làm

tăng hàm lượng chất chất rắn lơ lửng, thay đổi sinh

cảnh, làm suy giảm lượng ôxy…

Ảnh hưởng gián tiếp như: Khả năng bắt giữ kim loại

(Chelating capacity)

3.2.2 Yếu tố nhân tạo (tiếp )

 Ô nhiễm hoặc xáo trộn môi trường nước được thể hiện thông qua:

1 Đặc điểm vật lý

2 Đặc điểm hóa học,

3 Quần thể vi sinh vật và

4 Quần thể động vật KXS đáy

Thoái hóa Khoảng cách về cuối nguồn

Nước

sạch

Cửa cống: chất thải đi vào

Nước sạch Phục hồi

Phân hủy

mạnh

Tảo

Vi khuẩn

A và B: Tính chất lý hóa của nước: BOD, O2, Chất rắn hòa tan (Salt), chất rắn lơ lửng (SS)

C: Quần thể vi sinh vật: nấm nước thải (Sewage fungus); tảo, vi khuẩn, động vật nguyên

sinh (protozoa)…

D: Quần thể động vật KXS: Giun ít tơ (Tubificidae); Muỗi lắc/chỉ hồng (Chironomus); Chân

đều (Asellus) và khu hệ động vật nước sạch (clean water fauna)

3.2.3 Thay đổi đặc điểm của môi trường nước

3.2.3.1 Sự thay đổi đặc điểm vật lý của môi trường nước

Sự xuất hiện hay vắng mặt sinh vật nước phụ thuộc vào

đặc điểm vật lý của môi trường và sinh cảnh liên quan

ĐĐ vật lý dễ bị thay đổi bởi các hoạt động của con người như: đắp đê, đào kênh, xây dựng hệ thống mương

máng

 Thay đổi tự nhiên xảy ra trong các hoàn cảnh khí hậu và

địa lý ở từng địa phương

Trang 3

3.2.3.1 Sự thay đổi đặc điểm vật lý của môi trường nước

Nước mưa bão chảy xiết hoặc hạn hán kéo dài dẫn đến

sự thay đổi đột ngột hay dần dần sinh cảnh tự nhiên, ví dụ

sự gia tăng bồi lắng hoặc rửa trôi lòng sông dẫn đến sự

thay đổi khu hệ thực vật và động vật nước

Sự thay đổi này có thể rất mạnh, bao gồm cả sự biến mất

loài nhất thời hoặc lâu dài

 Vì vậy cần hiểu rõ chế độ thủy văn khi thiết kế chương

trình đánh giá chất lượng môi trường nước, sao cho ảnh

hưởng tự nhiên và ảnh hưởng nhân tạo được tách bạch

một cách rõ ràng

3.2 Yếu tố ảnh hưởng đến sinh vật 3.2.3 Thay đổi đặc điểm của môi trường nước

3.2.3.2 Sự thay đổi của DO (Dissolved oxygen)

 Ôxy là yếu tố quan trọng đối với sự sống, đặc điểm hóa học của môi trường

Nồng độ O 2 dưới 100% mức bão hòa có thể thấy ở những

hoàn cảnh đặc biệt: đáy hồ giầu chất dinh dưỡng hoặc

vào ban đêm ở các dòng sông nước chảy chậm (xem ba

hình kế sau đây!)

Nồng độ ôxy và chlorophyll a ở hồ Mendota, Minnesota trong năm 1976 Suy giảm

ôxy (Oxygen depletion) vào các tháng Bảy (J), Tám (A) và Chín (S) tương ứng với

thời kỳ tảo có lượng sinh khối cao (qua chỉ số diệp lục a) Nguyên nhân do sự lắng

chìm của tảo xuống đáy hồ (Theo ILEC, 1987-1989)

Diệp lục a

Tháng

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Biến động của O2 và pH liên quan đến sản lượng tảo ở một dòng sông phú dưỡng (P = Quang hợp; R = Hô hấp)

Thời gian Giờ

Trang 4

Biến đổi của chu kỳ ôxy hòa tan ở hai khu vực sông Saar có

ô nhiễm chất hữu cơ: A: Güdingen (không bị ô nhiễm); B:

Völklingen (bị ô nhiễm) (theo Müller và Kirchesch, 1980)

Nồng độ ôxy

Thời gian N: Buổi trưa

MN: Nửa đêm mức bão hòa

Bão hòa

3.2.3.2 Sự thay đổi của DO (Dissolved oxygen)

Ở các sinh cảnh ôxy có nồng độ thấp thường thấy các loài

đã thích nghi với hoàn cảnh này Trong điều kiện bình

thường các loài này thường hiếm nhưng chúng sẽ trở nên phổ biến hơn cùng với mức ô nhiễm và phú dưỡng

 Tuy nhiên nhiều loài có khả năng sống sót khi thiếu ôxy trong thời gian ngắn, rất ít loài chịu được nhiều ngày hoặc nhiều giờ thiếu ôxy

Khả năng sống sót của sinh vật ở các mức thiếu hụt ôxy khác nhau là cơ sở xác định chỉ số sinh học và phương pháp đánh giá chất lượng nước

3.2.3.3 Thời gian phơi nhiễm (TG ảnh hưởng)

Thời kỳ nồng độ của chất ô nhiễm có tác dụng/ảnh hưởng

Thời gian này có thể dài hơn (hậu quả) hoặc ngắn hơn

(do hiệu ứng hòa tan) thời gian đo được nồng độ cao của

chất gây ô nhiễm

Nồng độ cao có thể chỉ tập trung ở một vị trí nào đó (bờ

sông, đáy sông… do đó ảnh hưởng đến thời gian phơi

nhiễm của các nhóm sinh vật

Một số loài có phản ứng nhanh với chất độc gây ô nhiễm

 chỉ thị tốt

Thời gian tích lũy chất độc ở sinh vật tích tụ thường lâu

hơn  phát hiện thay đổi chậm hơn

 Phú dưỡng là vấn đề dài hạn

3.2.3.4 Nồng độ

Phản ứng sinh lý hoặc tập tính của sinh vật phụ thuộc vào

nồng độ các chất tự nhiên hoặc chất ô nhiễm có trong

môi trường cũng như thời gian cần thiết để các chất này

có tác dụng tới các hệ cơ quan của sinh vật

Nồng độ gây ra tác động độc hại phụ thuộc vào nhiều

yếu tố môi trường: có chất độc khác, thiếu chất dinh dưỡng, các yếu tố vật lý như thay đổi sinh cảnh, trầm tích, khô hạn, thiếu ôxy, tình trạng stress  thông số có được trong phòng thí nghiệm có thể khác so với thực địa

Trang 5

3.2.3.4 Nồng độ

Một số chất có độ độc hại khác nhau đối với các loài

khác nhau

Nồng độ cao nhất không gây ảnh hưởng (no observed

effect concentration = NOEC) NĐ không quan sát thấy

hiệu ứng

 NOEL (No Observable Effect Level): Mức ảnh hưởng

không quan sát được

3.2 Yếu tố ảnh hưởng đến sinh vật 3.2.3 Thay đổi đặc điểm của môi trường nước

3.2.3.5 Khả năng bắt kim loại Chelating capacity

Khả năng bắt giữ các ion kim loại của hợp chất hữu cơ Ví

dụ axit humic và axit fulvic hoặc EDTA

(ethylenediaminetetraacetic acid)

Ví dụ về một axit humic điển hình, có một loạt các thành phần như quinon, phenol, catechol và các nửa đường

 Các hợp chất này có thể từ từ nhả trả lại nước

các ion kim loại mà chúng đã bắt giữ

vào hàm lượng axit humic và các phối tử (ligand)

cũng như độ cứng của nước (nồng độ hòa tan

chất khoáng như canxi, ma-nhê….) Nhiều can-xi

và ma-nhê  nước cứng và ngược lại

Độ cứng có vai trò quan trọng đối với phân bố của sinh vật

nước nên nhiều loài là sinh vật chỉ thị cho NƯỚC CỨNG hoặc NƯỚC MỀM

 Sinh vật có vỏ can-xi cần hàm lượng can-xi cao chỉ thị cho nước cứng

 Côn trùng bộ Cánh úp (Plecoptera - stoneflies) và một số loài giun dẹt chỉ thị cho loại nước mềm

Trang 6

 Nhu cầu khác nhau có thể thấy ở các loài cùng họ Ví dụ

Gammarus pulex và G roeseli thích nước cứng, có thể

chịu được suy giảm lượng ôxy, trong khi G fossarum lại

mẫn cảm với ô nhiễm chất hữu cơ và thiếu ôxy, nhưng

sống sót được ở nơi nước ít cứng hơn

 Tuy nhiên G fossarum không chịu được nước rất mềm

 Loài có họ hàng rất gần Niphargus sống được ở nước

mềm, nơi nước sạch có rất ít can-xi

Gammarus pulex

G roeseli

G fossarum Niphargus

Độ độc của các chất phụ thuộc vào độ cứng của nước

Độ độc của đồng và kẽm rất khác nhau phụ thuộc vào nồng độ can-xi Nồng độ can-xi càng cao độ độc càng giảm Nồng độ kẽm hoặc đồng chấp nhận được theo EU

Độ cứng của nước (mg l-1 CaCO3)

10 50 100 500 Total zinc (mg l-1) – Tổng lượng kẽm

Đối với nhóm cá hồi 0,03 0,2 0,3 0,5 Đối với nhóm cá chép 0,3 0,7 1,0 2,0 Dissolved copper (mg l-1) Lượng đồng hòa tan

Cá hồi+ cá chép 0,005 0,022 0,04 0,112

Kẽm độc hại hơn đối với VI KHUẨN so với các sinh vật

khác, kể cả người, vì vậy vi khuẩn

Độ độc của kim loại có thể giảm khi nước có nhiều axit

humic do khả năng bắt giữ kim loại của chúng (thường

được gọi là “nước nâu” “brown waters” Rio Negro, Brazil)

3.1.2.6 Độ chua (Acidity)

Một số loài sinh vật mẫn cảm với độ chua hoặc độ kiềm của nước

Mưa axit có thể làm giảm độ pH, tăng nồng độ nhôm đều gây độc cho động vật không xương sống và cá

Trang 7

3.3 Các hiệu ứng sinh học

1 Thay đổi thành phần loài sinh vật nước

2 Thay đổi nhóm sinh vật ưu thế trong một sinh cảnh

3 Suy giảm số lượng loài – làm nghèo loài

4 Tỷ lệ chết cao ở các giai đoạn mẫn cảm như trứng,

con non

5 Chết toàn bộ quần thể

6 Thay đổi tập tính của sinh vật

physiological metabolism, and

8 Thay đổi mô và dị dạng hình thái

thông tin về những lĩnh vực khác nhau của vấn đề

chất lượng nước như:

3.4 Các kiểu tiếp cận trong đánh giá sinh học

soát – phương pháp sử dụng sinh vật thí nghiệm

5 Tích lũy sinh học

Đánh giá các phương pháp này trong bảng 3.1

3.5 Phương pháp sinh học đánh giá môi

trường nước

nước dưới dạng chỉ thị sinh học

chuẩn sinh học hoặc bằng phương pháp chuẩn

hiện ô nhiễm bất ngờ và

5 Đánh giá chất lượng nước với sự thừa nhận

mối quan hệ sinh thái – kinh tế - chính sách

3.6 CHỈ THỊ SH ĐẶC TRƯNG CHO MT NƯỚC 3.6.1 Các loài sinh vật chỉ thị

1 Phải có đặc tính rất nhạy cảm (sensitive) hoặc

2 Có khả năng chống chịu (tolerant) hoặc

3 Có khả năng tích luỹ các độc tố trong cơ thể

những biến đổi về hình thái, số lượng, sinh lý,

tập tính, hoặc được phân tích hàm lượng một

số độc tố trong mô cơ thể, được xem xét để đánh giá chất lượng môi trường nước ở đó

Trang 8

3.6 CHỈ THỊ SH ĐẶC TRƯNG CHO MT NƯỚC

3.6.1 Các loài sinh vật chỉ thị

côn trùng cánh úp (Plecoptera) được xem là các

loài chỉ thị cho môi trường nước sạch (thường ở

các suối sạch đầu nguồn)

riparius ), giun ít tơ (Tubifex tubifex, Limnodrilus

hoffmeisteri) thường được xem là loài chỉ thị cho nước bị ô nhiễm hữu cơ

Chironomus riparius

Tubifex

3.6.1 Các loài sinh vật chỉ thị

các muối kim loại: Rêu, thực vật lớn (bèo), tảo

Rêu Fontinalis antipyretica

tích lũy Cadmium (Cd2+) Lục bình (Eichhornia crassipes)?

Bèo cái (Pistia stratiotes) Chlorella vulgaris

1 Vi khuẩn

3 Bèo dâu

5 Giun ít tơ

Trang 9

3.6.2 Các quần xã chỉ thị

Thu thập và phân tích các thông số về nơi cư trú

của quần xã sinh vật gồm:

1 Thực vật bám (periphyton),

2 Động vật không xương sống đáy cỡ lớn

3 Cá.…

1 Vi khuẩn - Bacteria

• Thực vật lớn – Macrophyta

• Thực vật nổi

Macroinvertebrates

6 Cá

Bảng 3.2 Ưu nhược điểm của các nhóm SVCT

3.6.3 Sinh vật chỉ thị môi trường nước chảy

Bộ chỉ thị sinh học đầy đủ Việt Nam (Lê Hoàng Anh,

2010)

(Nematoda)

7 Cá (Fishes)

Bộ chỉ thị sinh học rút gọn Việt Nam (Lê Hoàng

Anh, 2010)

1 Thực vật nổi,

2 Động vật nổi

3 Động vật không xương sống đáy cỡ lớn,

Ba loại chỉ thị:

1 Chỉ thị loài,

2 Chỉ số đa dạng và

3 Hệ thống tính điểm BMWP

Bảng 3.3 Bộ chỉ thị đầy đủ và rút gọn 3.6 CHỈ THỊ SH ĐẶC TRƯNG CHO MT NƯỚC

Trang 10

3.6.1 Vi khuẩn chỉ thị ô nhiễm phân

• Vi khuẩn có liên quan đến sức khoẻ cộng đồng và sự

lan truyền qua đường nước

• Coliform tổng số, Coliform phân, và E Coli là các

chỉ thị cho điều kiện vệ sinh của nước

• Mẫu nước được kiểm tra Coliform tổng số

• Nếu có Coliform tổng số, mẫu đó sẽ được kiểm tra cả

Coliform phân và E.coli Nếu có coliform phân  ô nhiễm

• Nhóm vi khuẩn E.Coli là một nhóm nhỏ thuộc nhóm

Coliform phân

• Sự hiện diện của E Coli trong mẫu nước cho thấy sự

ô nhiễm phân, có sự ô nhiễm thời gian gần đây

3.6.4 Sinh vật chỉ thị môi trường nước chảy 3.6.1 Vi khuẩn chỉ thị ô nhiễm phân

 VK coliform tổng số thường

được tìm thấy trong môi trường (thực vật, đất…) và nhìn chung đều không có hại

 VK coliform phân là nhóm nhỏ

trong coliform tổng số chúng xuất hiện với số lượng lớn ở ruột

và phân người, động vật

 E coli là nhóm nhỏ trong nhóm

coliform phân Hầu hết VK E coli

đều không có hại nhưng chỉ thị cho ô nhiễm phân

Total coliform = coliform tổng số Fecal Coliform = coliform phân Thermotolerant Coliform = chịu nhiệt

3.6.1 Vi khuẩn chỉ thị ô nhiễm phân

1 VSV chỉ thị ô nhiễm phân

1 Nhóm Coliform: đặc trưng là Escherichia coli

(E coli)

Streptococcus faecalis nguồn gốc từ người,

S bovis từ cừu, S equinus từ ngựa

Clostridium perfringens

đều dùng để phát hiện sự nhiễm phân trong

nước

Tuy nhiên E coli thường được lựa chọn

Định dạng
Số trang	18
Dung lượng	1,96 MB