Địa y sinh vật chỉ thị ô nhiễm không khí

1 ĐỊA Y: SINH VẬT CHỈ THỊ Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ Nguyễn Thị Bạch Kim TÓM TẮT Vốn rất nhạy cảm với những thay đổi của môi trường không khí xung quanh như: nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, các thà

1

ĐỊA Y: SINH VẬT CHỈ THỊ Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ

Nguyễn Thị Bạch Kim

TÓM TẮT

Vốn rất nhạy cảm với những thay đổi của môi trường không khí xung quanh như: nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, các thành phần khác như kim loại nặng, SO 2 , NOx, NH 3 ,… nên địa y thường được các nhà khoa học dùng làm sinh vật chỉ thị trong quan trắc để đánh giá mức

độ ô nhiễm không khí Báo viết sẽ trình bày tổng quan hai cách đánh giá chất lượng môi trường không khí thông qua chỉ thị địa y: (1) tương quan giữa đa dạng địa y và ô nhiễm không khí và (2) thay đổi về hình thái học, giải phẫu học và sinh lý học của địa y

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Ô nhiễm không khí là vấn đề nghiêm trọng, một phần là do các chất gây ô nhiễm gây tổn thương thực vật có giá trị kinh tế hoặc thẩm mỹ và cả con người Đây cũng là vấn đề được nhiều quốc gia đặc biệt chú trọng trong nhiều thế kỉ qua Nhằm giúp cho công tác quản lý môi trường không khí, trước hết cần xác định và đo lường các chất ô nhiễm gây tác động tiêu cực Nhiều phương pháp quan trắc chất lượng môi trường không khí đơn giản và đáng tin cậy đã được áp dụng, trong đó, phương pháp quan trắc sinh học được đánh giá khá đơn giản và ít tốn kém chi phí hơn Trong tự nhiên có một số loài thực vật đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát ô nhiễm không khí do chúng rất nhạy cảm với thay đổi của môi trường ngay cả ở mức ô nhiễm nhẹ Địa y là một trong những sinh vật đặc biệt nhạy cảm với thay đổi của môi trường xung quanh nên chúng được nhiều nhà khoa học sử dụng làm sinh vật chỉ thị ô nhiễm không khí

2 TỔNG QUAN VỀ ĐỊA Y

Địa y là nhóm thực vật bậc thấp, được hình thành do sự cộng sinh giữa nấm và tảo Trong

địa y, thành phần nấm thường là nấm sợi trong đó phần lớn là nấm túi (Ascomycetes) và chỉ

có vài trường hợp là nấm đảm (Basidiomycetes) Tảo trong địa y thường là tảo lục (Chlorophyceae) hay tảo lam (Cyanobacteriae) đơn bào hoặc cả hai (Hoàng Thị Sản, 2012)

Trong mối quan hệ cộng sinh này, nấm (với vai trò rễ giả) sẽ tổng hợp nước và muối vô cơ

từ môi trường không khí xung quanh để cung cấp cho tảo để tảo (với chất diệp lục) quang hợp, tạo thành các chất hữu cơ dùng cho sinh trưởng và phát triển của “tập thể” (Siegfried Huneck and Isao Yoshimura, 1996; Hoàng Thị Sản, 2012) Với đặc tính này, địa y có mặt

Hình 1 Cấu tạo của địa y

(Nguồn: 2005 Pearson Education, Inc publishhing as Benjamin

Cummings)

ở khắp nơi trên thế giới, từ những môi trường quen thuộc (trong rừng, trên tường…) đến những môi trường sống khắc nghiệt nhất thế giới (hai vùng cực, đỉnh núi, sa mạc, bờ đá,…) (Larry McKane and Judy Kandel, 1996; Hoàng Thị Sản, 2012) Địa y tăng trưởng rất chậm (từ 1 đến 10 mm/năm) nhưng tuổi đời có thể lên đến hàng trăm năm (Larry McKane and Judy Kandel, 1996)

2

Do địa y hấp thụ nước và muối khoáng từ môi trường không khí xung quanh nên các yếu tố nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng,…đều ảnh hưởng đến sự sinh trưởng, phát triển và đa dạng của chúng (Conti and Cecchetti, 2001; Hoàng Thị Sản, 2012) Ngoài ra, địa y cực kỳ nhạy cảm với sự thay đổi của pH của vỏ cây và các chất ô nhiễm không khí Thêm vào đó, do thiếu biểu bì và khí khổng nên các chất gây ô nhiễm khác nhau sẽ được hấp thụ trên toàn bộ bề mặt của địa y (Hale, 1969, 1983) Nói cách khác, địa y tích lũy chất ô nhiễm không khí tốt, đặc biệt là các kim loại nặng Dựa vào mức độ nhạy cảm với ô nhiễm không khí, địa y được chia thành 2 nhóm: Địa y nhạy cảm (có thể bị “diệt vong” bởi ô nhiễm không khí) và địa y chịu đựng (có thể chống lại ô nhiễm không khí) Từ những đặc tính trên khiến cho địa y trở thành sinh vật chỉ thị lý tưởng trong các nghiên cứu liên quan đến tác động của ô nhiễm không khí và quan trắc chất lượng không khí

3 LỊCH SỬ SỬ DỤNG ĐỊA Y LÀM SINH VẬT CHỈ THỊ

Nghiên cứu đầu tiên năm 1866 công bố đã sử dụng địa y làm sinh vật chỉ thị (thông qua sự suy giảm số lượng loài địa y tại Lumxemberg) (Nylander, 1866 trích bởi Conti và Cecchetti, 2001) Những năm sau, nhiều nghiên cứu đã sử dụng địa y làm sinh vật chỉ thị cho chất

lượng không khí (Ferry et al., 1973)

Trong 40 năm qua, nhiều nghiên cứu đã nhấn mạnh tính khả thi việc sử dụng địa y trong quan trắc sinh học để đánh giá chất lượng môi trường không khí; nguyên nhân là do địa y nhạy cảm với nhiều nhân tố môi trường khác nhau, sự thay đổi các nhân tố này có thể làm thay đổi các thông số và thành phần của chúng (Brodo, 1961; Hawksworth, 1971; Showman, 1988; Nimis, 1990; Hamada and Miyawaki, 1998) Thật vậy, nhiều thông số sinh

lý (physiological parameters) đã được sử dụng để đo lường mức độ ô nhiễm của môi trường

đến địa y, bao gồm: khả năng quang hợp (Ronen et al., 1984; Calatayud et al., 1999), chất diệp lục và sự suy giảm chất diệp lục (Kardish et al., 1987; Garty et al., 1988; Balaguer and Manrique, 1991; Zaharopoulou et al., 1993), sự suy giảm ATP, sự biến động khả năng hô hấp, mức độ thay đổi nồng độ auxin nội sinh và sự sản sinh etylen (Epstein et al., 1986; Garty et al., 1993)

Ngoài ra, ở quy mô phòng thí nghiệm, nhà khoa học đã chứng minh khí SO2 trong không khí có thể phá hủy màng tế bào của địa y (Fields and St Clair, 1984) Bên cạnh đó, nhiều nghiên cứu đã cho thấy mối tương quan chặt chẽ giữa nồng độ lưu huỳnh tích lũy trong địa

y và khí SO2 trong không khí (Takala et al., 1985; Rope and Pearson, 1990)

Nhiều nhà khoa học đã chứng minh nồng độ chất diệp lục a và b của địa y bị thay đổi bởi ô nhiễm từ các phương tiện giao thông (LeBlanc and Rao, 1975; Ronen and Galun, 1984;

Carreras et al., 1998) và khí phát thải vùng nội ô (Zambrano and Nash, 200) Nhìn chung, ở

khu vực giao thông đông đúc, nồng độ diệp lục a và b của địa y tăng lên, điều này chứng tỏ

sự gia tăng nồng độ phát thải do khí phát thải (SO2 và NO2) từ các phương tiện giao thông tăng Ở các khu vực càng nhiều phương tiện giao thông và ô nhiễm công nghiệp, tỷ lệ chất diệp lục giữa b và a càng lớn

Nghiên cứu thực hiện tại Sân bay Hamburg, Đức chứng minh rằng giao thông hàng không ít ảnh hưởng đến mật độ của địa y so với giao thông đường bộ (Rothe and Bigdon, 1994) Việt Nam chưa có nhiều nghiên cứu về địa y và các nghiên cứu chủ yếu về khảo sát thành phần loài và sinh thái học (Lê Công Kiệt, 2003) và thành phần hóa học (Phạm Thị Ngọc Oanh, 2013) Một số nghiên cứu gần đây đề cập đến ảnh hưởng của các chất ô nhiễm không khí tới đa dạng sinh học tại Hà Nội như khí SO2 (Nguyễn Thúy An, 2014) và khí NO2

(Nguyễn Phương Thảo, 2014)

3

3 SỬ DỤNG ĐỊA Y LÀM SINH VẬT CHỈ THỊ Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ

Địa y nhạy cảm với các chất ô nhiễm không khí, cụ thể: kim loại nặng như chì (Pb), niken (Ni), thủy ngân (Hg), kẽm (Zn), arsen (As), Cadmium (Cd), crôm (Cr),…; hợp chất lưu huỳnh, phổ biến là khí SO2, sản phẩm cháy của nhiên liệu hóa thạch như xăng, dầu, khai thác quặng, sản xuất giấy và khí thải ô tô và xe gắn máy; hợp chất nitơ như NO2, khí thải xe gắn máy và ô tô; mưa axit (do SO2 và NO2 hòa tan trong nước mưa và tuyết) và các chất gây

ô nhiễm khác Mức độ nhạy cảm cao của địa y liên quan đến sinh lý và hình thái học của chúng Nếu hai thành phần tảo và nấm thay đổi/mất cân bằng, cấu trúc cộng sinh của địa

y sẽ bị phá hủy Bên cạnh đó, địa y có thể bị ảnh hưởng bởi sự tích lũy độc chất, can thiệp về trao đổi chất hoặc dinh dưỡng ở một thành phần cộng sinh thay đổi quá mức

Để nghiên cứu ảnh hưởng của ô nhiễm không khí đến địa y đòi hỏi phải có: Dữ liệu về phân

bố địa y; thông tin sinh thái học (ví dụ giá trị chỉ thị của từng loài địa y); chỉ số biểu thị mức

độ nhạy cảm của các loài đối với ô nhiễm không khí Sự nhạy cảm của địa y đối với các chất ô nhiễm có thể được xác định bằng nhiều cách kết hợp như: (1) Đo mức độ ô nhiễm không khí so sánh với sự xuất hiện của địa y tại khu vực nghiên cứu; (2) Đối chứng với điều kiện môi trường, thường từ các thành phần vô sinh của môi trường; (3) Thay đổi thành phần loài địa y tại khu vực nghiên cứu; (4) Từ tình trạng chung (sức sống) và mức độ thiệt hại của tản địa y (thalli) và (5) Sử dụng giá trị nhạy cảm của địa y đã biết từ các nghiên cứu trước đó Nhìn chung, để sử dụng địa y làm sinh vật chỉ thị, các nhà khoa học thực hiện chủ yếu bằng hai cách như sau (Richardson, 1991; Seaward, 1993; Gries, 1996):

- Cách 1: Tương quan giữa đa dạng địa y và ô nhiễm không khí;

- Cách 2: Thay đổi về hình thái học, giải phẫu học và sinh lý học của địa y

3.1 Tương quan giữa đa dạng địa y và ô nhiễm không khí (cách 1)

Để đánh giá mức độ đa dạng của địa y tương quan với ô nhiễm không khí cần thu thập các

số liệu về số lượng loài địa y, đo đạc nồng độ các khí ô nhiễm, điều kiện khu vực nghiên cứu, mức độ che phủ của địa y và liên kết các dữ liệu với nhau (thống kê đa biến) để xác định các loài nhạy cảm/chịu đựng với ô nhiễm không khí Theo phương pháp này, các nhà

khoa học còn sử dụng “giá trị đa dạng địa y” hay LDV (Lichen Diversity Values) và “chỉ số tinh khiết của không khí” hay IAP (the index of atmospheric purity)

3.1.1 Phương pháp

Hình 3 Quy cách thu mẫu địa y từ cây đã chọn

(Nguồn: Asta J and et al., 2002)

A Quy cách đặt khung lấy mẫu

B Khung lấy mẫu gồm 5 ô vuông tiếp giáp nhau theo chiều đứng

Chọn khu vực nghiên cứu Sử dụng hệ

thống lưới (Van Meirvenne, 1991) chọn

vị trí thu mẫu trong khu vực nghiên cứu

Chọn các cây phù hợp để khảo sát đại y

Số lượng loài và mức độ che phủ của

địa y lần lượt được đếm và ước lượng

dựa trên 04 “khung lấy mẫu” (mỗi

khung gồm 5 ô vuông tiếp giáp nhau

theo chiều thẳng đứng và mỗi ô có kích

thước là 10  10 cm) đặt tại 4 điểm cực

(Đông, Tây, Nam, Bắc) trên thân cây

sao cho cạnh trên cùng của “khung lấy

mẫu” (sampling ladder) cách điểm cao

nhất của mặt đất là 1,5 m (hình 3)

4

LDV được tính toán theo công thức sau (Asta J and et al., 2002)

LDV j = MSF Dj + MSF Tj + MSF Nj + MSF Bj

Trong đó: LDVj: Giá trị đa dạng địa tại vị trí thu mẫu

MSFDj, MSFTj, MSFNj, MSFBj: Tổng tần suất xuất hiện của địa y của tất cả các cây tại vị trí thu mẫu j lần lượt tại các điểm cực Đông, Tây, Nam, Bắc

MSF Bj = (SF 1Bj + SF 2Bj + SF 3Bj + SF 4Bj +… + SF nBj ) / n

Trong đó: SF: Tổng tần suất xuất hiện của tất cả các loài địa y tại 1 điểm cực của cây

D, T, N, B: Đông, Tây, Nam, Bắc n: số lượng “khung lấy mẫu” được lấy tại vị trí thu mẫu j Đối với IAP, có hơn 20 công thức tính và chúng đều có khả năng dự đoán (với mức độ chính xác khá cao) mức độ của 08 chất ô nhiễm không khí (bao gồm SO2, NOx, Cl, Cd, Pb,

Zn và bụi) (Anman et al., 1987) Công thức tính IAP được xây dựng và phát triển bởi

Lablanc và De Sloover (1970) và sau đó được điều chỉnh bởi Asta và Rolley (1999) với công thức như sau:

Trong đó: n: số lượng các loài địa y

Qi: chỉ số sinh thái của mỗi loài địa y (Q cho mỗi loài được xác định bằng cách cộng tất cả số lượng loài cần xác định có mặt tại tất cả vị trí thu mẫu, sau đó chia cho tổng số lượng của các vị trí thu mẫu)

ri: mức độ che phủ của địa y

Từ các giá trị LDV và chỉ số IAP, đối chiếu với hai thang đo tương ứng (bảng 1 và 2) lần lượt xác định mức độ đa dạng địa y và chất lượng không khí

Bảng 1 Thang đo mức độ đa dạng địa y dựa vào giá trị LDV

Mức độ đa dạng địa y Mức độ đa dạng địa y

(thang đo chi tiết)

Giá trị đa dạng địa y (LDV)

Nguồn: Asta J and et al., 2002; Brodekova´and et al., 2006

Bảng 2 Thang đo chất lượng không khí dựa vào chỉ số IAP

Nguồn: Conti M.E and Cecchetti G., 2001

5

3.1.2 Nghiên cứu đã thực hiện

Chất ô nhiễm không khí chỉ tác động gián tiếp đến sự thay đổi pH của vỏ cây, nhưng lại có tác động trực tiếp lên địa y Thí nghiệm của Gilbert (1969) cho thấy: càng xa Newcastle (trung tâm thành phố - nguồn gây ô nhiễm không khí) về hướng tây, pH của vỏ cây tần bì (ash tree) có xu hướng bớt tính axít, đồng thời mức độ che phủ của các loài địa y nhạy cảm

cũng tăng dần lên (bảng 3)

Khoảng cách đến trung tâm thành phố (miles)

(Nguồn: Gilbert, O L., 1965)

Hình 3 Sơ đồ biểu diễn số lượng loài địa y

trên mặt tường đá trầm tích (sandstone), mái

nhà amiang (asbestos roof) và cây tần bì (ash

tree) giảm khi tiếp cận Newcastle từ phía tây

Nhiều nghiên cứu đã chứng minh càng gần nguồn ô nhiễm không khí (trung tâm thành phố, nhà máy giấy, nhà máy điện địa nhiệt), số lượng loài địa y càng giảm Thật vậy, nghiên cứu của Gilbert (1965) cho thấy càng gần trung tâm Newcastle, tổng số loài địa y (hiện diện trên đá trầm tích, mái nhà amiang và thân cây tần bì) càng giảm (hình 3) Tương tự, số lượng loài địa y càng gần nhà máy giấy tại Barak, Ấn Độ (theo các hướng khác nhau) càng giảm, điển hình từ 24 giảm xuống 10 và 5 loài cách nhà máy lần lượt

là 8,4; 5,2 và 2,4 km theo hướng Đông

(Pulak Das and et al., 2013) Số loài địa

y tìm thấy trên cây giảm khi khoảng cách theo hướng bắc đến nhà máy điện địa nhiệt (gần công viên Hell’s Gate, Kenya) giảm (Meijer, S.and Donohoe, S O., 2006) Tại khu vực đô thị Bắc Bồ Đào Nha tìm thấy 5 loài địa y và đến 9 loài ở khu vực ngoại ô và nông thôn (Marisa

Freitas and et al., 2011) (bảng 4).

Tương tự, càng xa nguồn ô nhiễm không khí,

mức độ che phủ trên vỏ cây của địa y càng

tăng Ví dụ nghiên cứu của Meijer, S.and

Donohoe, S O (2006) cho thấy mối tương

quan thuận giữa mức độ che phủ của địa y với

khoảng cách so với nhà máy địa nhiệt (nguồn

ô nhiễm không khí) đặt gần Vườn Quốc gia

Hell’s Gate, Kenya Nói cách khác, càng xa

nhà máy (theo hướng bắc và nam), mức độ

che phủ của địa y càng tăng và mức độ che

phủ của địa y theo hướng nam (trên hướng

gió) cao hơn theo hướng bắc (dưới hướng gió)

(hình 4) Nghiên cứu này được thực hiện trên

120 cây (thuộc hai loài: Acacia

drepanolobium và Tarchonanthus

camphoratus) được chọn để quan sát mức độ

che phủ của địa y

Hình 4 Mức độ che phủ của địa y tại các khoảng cách khác nhau so với nhà máy địa nhiệt tại Vườn Quốc gia Hell’s Gate, Kenya

(Nguồn: Meijer, S.and Donohoe, S O., 2006)

Nam < Khoảng cách > Bắc

6

Bảng 3 Thay đổi pH vỏ cây tần bì (ash tree) theo hướng tây đến Newcastle

K.cách

(miles) 19 16,5 14,5 12,5 10,5 9,5 9 8 7 6,5 6 4,7 3 1,7 1 0

pH 4,2 4,2 4,3 4,3 4,4 4,4 3,9 3,6 3,3 3,6 3,4 3,9 3,4 3,6 3,0 4,0

% che

phủ của

địa y

nhạy cảm

66 66 57 54 25 23 12 1 0 0 0 0 0 0 0 0

(Nguồn: Gilbert, O L., 1969)

Bên cạnh đó, càng xa nguồn ô nhiễm, địa y càng đa dạng, tức LDV càng lớn Nghiên cứu

của Marisa Freitas and et al (2011) thực hiện tại 3 vùng: đô thị, ngoại ô và nông thôn của

Porto (Bắc Bồ Đào Nha) tương ứng với ba mức độ ô nhiễm giảm dần từ đô thị đến nông thôn (bảng 4) Số loài địa y ở khu vực ngoại ô và nông thôn (9 loài) cao hơn khu vực đô thị (5 loài) Thêm vào đó, giá trị LDV và mức độ đa dạng địa y ở khu vực đô thị là thấp nhất

Bảng 4 Mức độ đa dạng địa y tại ba khu vực đô thị, ngoại ô và nông thôn ở Porto

Mức độ đa dạng địa y Ít đa dạng Ít đa dạng đến trung bình Ít đa dạng đến trung bình

(Nguồn: Marisa Freitas and et al., 2011)

Thêm vào đó, càng xa nguồn ô nhiễm, chỉ số IAP càng cao Attanayaka A.N.P.M and Wijeyaratne S C (2013) khảo sát 31 điểm thuộc 6 hướng khác nhau đi từ thành phố Colomb, Sri Lanka (nước nhiệt đới) đến các vùng ngoại ô với bán kính 50 km (hình 5) Địa

y được khảo sát ở mỗi điểm thu mẫu (diện tích 1 km2) trên 8 loài cây Nồng độ khí SO2 và

NO2 được đo bằng máy và kết quả cho thấy: càng xa thành phố, nồng độ hai khí càng giảm Thêm vào đó, nồng độ SO2 và NO2 trong không khí và chỉ số IAP có mối tương quan nghịch, hay chỉ số IAP tăng dần khi đi xa dần trung tâm thành phố (hình 6) Chỉ số IAP trung bình ở các điểm gần trung tâm thành phố là 24, thấp hơn so với các điểm còn lại (độ tin cậy 95%)

Hình 5 Vị trí 31 điểm thu mẫu

(Nguồn: Attanayaka A.N.P.M and

Wijeyaratne S C., 2013)

Hình 6 Tương quan hệ giữa giá trị SO 2 , NO 2 và IAP theo khoảng cách đến trung tâm thành phố

(Nguồn: Attanayaka A.N.P.M and Wijeyaratne S C., 2013)

7

3.2 Thay đổi về hình thái học, giải phẫu học và sinh lý học của địa y (cách 2)

3.2.1 Phương pháp

Đối với các khu vực ô nhiễm nhưng địa y vẫn có thể tồn tại được, các nhà khoa học thường lấy mẫu địa y và phân tích nồng độ các chất ô nhiễm tích lũy trong tản địa y Cách này cũng bao gồm cả việc nuôi cấy địa y và phương pháp này có thể áp dụng cho cả ở những khu vực

ô nhiễm nặng địa y không thể tồn tại được Các tản địa y được lấy từ vỏ cây tại khu vực chưa/ít ô nhiễm, sau đó được cố định lên bề mặt vật chủ thích hợp (như nút bần) và chuyển đến khu vực nghiên cứu (nơi mẫu được thu định kỳ) để đánh giá sự phá hủy/tổn thương về hình thái học, tế bào, sinh lý, các thành phần của tế bào địa y hoặc mức độ tích lũy sinh học

các chất ô nhiễm trong tản địa y (James, 1973; Nieboer et al., 1978; Burton et al., 1981;

Nash and Wirth, 1988; Puckett, 1984; Nash, 1989; Deruelle, 1992; Garty, 1992, 1993;

Bargagli et al., 1997; Benett and Wetmore, 1999; Freitas et al., 1999) Nhằm đánh giá sự

thay đổi hình thái và giải phẫu do ô nhiễm có thể sử dụng kính hiển vi để xác định mức độ thiệt hại của tản địa y Mức độ thiệt hại về sinh lý địa y từ các chất ô nhiễm có thể được đánh giá thông qua mức độ nguyên vẹn của màng tế bào và sự suy thoái chất diệp lục

3.2.2 Nghiên cứu đã thực hiện

3.2.2.1 Kim loại nặng

Sự tích lũy kim loại ở thực vật phụ thuộc vào nhiều nhân tố: sự hiện diện của các kim loại nặng trong không khí, đặc tính thực vật (loài, tuổi, “tình trạng sức khỏe”, kiểu sinh sản, ) và các nhân tố khác (thông số nhiệt độ, ẩm độ,…) (Baker, 1983) Nhìn chung có ba cơ chế liên quan đến sự hấp thụ kim loại của địa y: Hấp thụ trong tế bào thông qua quá trình trao đổi chất, tích lũy trong tế bào và ngậm (entrapment) các hạt bụi chứa kim loại nặng (Richardson, 1995)

Địa y là “cổ máy” tích lũy kim loại Thật vậy, nhiều nghiên cứu chứng minh giữa nồng độ

kim loại tích lũy trong tản địa y và trong môi trường có mối tương quan thuận (Andersen et al., 1978; Herzig et al., 1989; Sloof and Wolterbeek, 1991; Herzig et al., 1993; Bari et al., 1998) Tỷ lệ hàm lượng Pb tích lũy trong tản địa y Evernia prunastri được nuôi cấy và trong

mẫu đối chứng lần lượt là 10,2 ở Fontainbleau (Pháp), 3,7 ở Wurzburg (Đức; Deruelle,

1992) và 4,4 ở thành phố Rome (Ý; Bartoli et al., 1994)

Nhiều quan trắc sinh học sử dụng địa y được thực hiện tại Ý cho kết quả: Pb vẫn còn hiện diện trong môi trường không khí trên diện rộng mặc dù chính sách “xăng không chì” đã được tuyên truyền phổ biến; điều này cho thấy ô nhiễm Pb từ các phương tiện giao thông

vẫn còn tiếp diễn (Cardarelli et al., 1993; Deruelle, 1996; Monaci et al., 1997) Các phương

tiện giao thông vẫn được đánh giá là nguồn chính gây ô nhiễm không khí ở trung tâm của Ý,

cụ thể là Cr, Cu và Pb (Lopp et al., 1998b)

Thời tiết cũng là nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến khả năng tích lũy kim loại trong tản địa

y Hướng gió là một trong những nhân tố phát tán các chất ô nhiễm đến các khu vực xung

quanh Nimis et al (1989) kết luận hàm lượng kim loại nặng tích lũy trong địa y ở khu vực

nông thôn dưới hướng gió cao hơn trên hướng gió so với vị trí nguồn khí thải từ khu công nghiệp miền Bắc nước Ý Bên cạnh đó, kim loại nặng tích lũy trong tản địa y nhiều hơn trong khoảng thời gian sau mùa hè do phản ứng hydrat hóa tăng (do mưa vào mùa thu)

(Nieboer et al., 1978)

Lĩnh vực nghiên cứu được phát triển gần đây là sử dụng địa y làm chỉ thị sinh vật cho ô

nhiễm không khí “trong nhà” Rossbach et al (1999) chỉ ra tỷ lệ cao giữa nồng độ các chất

8

Cr, Zn và Fe trong mẫu không khí lấy từ các hệ thống lọc khí máy điều hòa và trong mẫu

địa y Usnea spp ở các thành phố khác nhau

Trên 20 năm qua, địa y được sử dụng làm sinh vật chỉ thị và/hoặc quan trắc trong các đánh giá chất lượng môi trường các khu công nghiệp như: xưởng đúc sắt và nhà máy sản xuất

phân bón (Kauppi, 1976; Laaksovirta and Olkkonen, 1977; Palomaki et al., 1992); xưởng

thép (Pilegaard, 1978, 1979); nhà máy ly trích dầu (Addison and Puckett, 1980); khu vực

xung quanh xưởng nicken (Nieboer et al., 1972); nhà máy nhiệt điện từ than (Olmez et al., 1985; Garty, 1978; Freitas, 1994) Trong nghiên cứu của Garty et al (1997) tại nhà máy đốt

dầu nặng ở vùng Tây Bắc Israel, kết quả cho thấy nồng độ S, V và Ni cao trong địa y hình

cành (fructicose lichen) Ramalina duriaei được nuôi cấy trong khu vực khu công nghiệp

này Những giá trị này có mối tương quan thuận với các nồng độ S, V và Ni đo đạc được tại hiện trường

Địa y là chỉ thị sinh vật rất tốt cho ô nhiễm không khí từ các nhà máy điện địa nhiệt với các chất ô nhiễm cụ thể là thủy ngân (Bargagli and Barghigiani, 1991); radon (Matthews, 1981)

và các kim loại khác (Connor, 1979) Một vài nhà nghiên cứu (Loppi, 1996; Loppi et al.,

1998a) đã sử dụng chỉ số IAP để đánh giá mức độ ô nhiễm không khí gây ra bởi nhà máy điện địa nhiệt, kết quả cho thấy chỉ số IAP thấp nhất ở khu vực gần nhà máy với bán kính 500m và chỉ số IAP tăng dần tại các khu vực xa dần nhà máy Các chất ô nhiễm từ nhà máy điện địa nhiệt thường là As, B, Hg và H2S (Loppi, 1996; Loppi and Bargagli, 1996) Mặc dù vậy, các nhà nghiên cứu chưa xác định được sự giảm nhanh các loài địa y tại các khu vực gần nhà máy điện địa nhiệt này là do tác động riêng lẻ của từng chất gây ô nhiễm hay tác động tích hợp của tất cả các chất này Trong bất kì nghiên cứu, các nhà khoa học đều nhận thấy địa y bị tổn thương nặng nề nhất bởi khí có độc tính cao H2S (Beauchamp et al., 1984),

khí này hiện diện nhiều ở các khu vực xung quanh nhà máy điện địa nhiệt

Các nghiên cứu khác lại tìm thấy mối tương quan giữa sự phá hủy/tổn thương diệp lục tố và

nồng độ một vài kim loại nặng tích lũy trong tản địa y Garty et al., (1998a) chứng minh

rằng tính toàn vẹn của diệp lục tố có tương quan nghịch với nồng độ các chất Cr, Fe, Mn,

Ni, Pb; một số nhà nghiên cứu lại tìm thấy kết quả ngược lại, tính toàn vẹn của diệp lục tố

tương quan thuận với nồng độ các kim loại nặng cùng loại (Kauppi, 1976; Garty et al.,

1998a) Trong nghiên cứu của Kauppi (1976) chỉ ra rằng nồng độ cao của K trong địa y nuôi

cấy Cladina stellaris gần khu vực nhà máy sản xuất phân bón ở Phần Lan tương quan với sự

gia tăng tỷ lệ chất diệp lục a/b của địa y

Một số nghiên cứu khác lại sử dụng địa y làm sinh vật chỉ thị tại các khu vực núi lửa, cụ thể

thủy phân được phóng thích từ núi lửa (Grasso et al., 1999) Ở đảo Hawaii, Hg trong tản địa

y có nồng độ 8-59 g/g, điều này nói lên rằng: khi phun trào, núi lửa phát tán Hg trên diện rộng ảnh hưởng đến khả năng tích lũy Hg trong tản địa y ở đây (Davies and Notcutt, 1996) Vấn đề quan trọng của việc xác định nồng độ ô nhiễm từ kim loại là phương pháp phân tích với cách chọn mẫu và phương pháp xử lý mẫu (Wolterbeek and Bode, 1995) Trong nhiều năm qua, có trên 2.000 bài viết về phương pháp phân tích địa y đã được xuất bản Các số liệu thu được từ các phương pháp khác nhau có sự khác biệt lớn là do sự phân bố khác nhau của các chất ô nhiễm và sai số trong quá trình phân tích Để khắc phục vấn đề này, Ủy ban

Châu Âu đã lập quy trình chuẩn cho việc phân tích địa y (Quevauviller et al., 1996) Thêm

vào đó, Cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế (International Atomic Energy Agency – IAEA) đã khởi xướng một nghiên cứu liên phòng ở các nước đang phát triển về tài liệu tham khảo cho 336 loài địa y (Smodis and Parr, 1999)

9

3.2.2.2 Hợp chất lưu huỳnh

Ảnh hưởng của hợp chất lưu huỳnh đến địa y được tìm hiểu nhiều năm qua Nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của khí SO2 lên địa y (Henriksson and Pearson, 1981; Fields, 1988,

Balaguer and Manrique, 1991; Gries et al., 1995) hoặc ảnh hưởng của mưa acid nhân tạo (Scott and Hutchinson, 1987; Holopainen and Kauppi, 1989; Sanz et al., 1992; Tarhanen,

1998) đã được thực hiện Số khác lại tìm hiểu về ảnh hưởng của khí SO2 đến khả năng quang hợp (Richardson and Puckett, 1973; Kauppi, 1976; Lechowicz, 1982) và huỳnh

quang diệp lục (chlorophyll fluorescence) của địa y (Calatayud et al., 1996, 1999; Deltoro et al., 1999) Mục đích của các nghiên cứu trên hầu hết là đánh giá ảnh hưởng của hợp chất

lưu huỳnh đến sinh lý học của địa y và/hoặc tính nguyên vẹn của diệp lục tố ở tảo trong địa

y

Diệp lục tố (chlorophyll, viết tắt Chl) thường được phân tích phương pháp của Ronen và Galun (1984) Sắc tố vàng sẫm (phaeophytin, viết tắt Ph) là sản phẩm của quá trình suy giảm diệp lục tố Sự biến động tỷ lệ giữa diệp lục tố và sắc tố vàng sẫm (Chl/Ph) chỉ thị cho

khả năng chịu đựng của địa y đối với ô nhiễm lưu huỳnh Tỷ lệ giữa Chl a/Ph a được dùng

để đánh giá mức độ ảnh hưởng nồng độ cao SO2 đến địa y hoặc ảnh hưởng của kim loại nặng đến địa y nuôi cấy (Garty, 1987) Tỷ lệ Chl/Ph là 1,4 có nghĩa diệp lục tố không bị thay đổi Nếu diệp lục tố của địa y bị suy gảm, tỷ lệ Chl/Ph sẽ có giá trị nhỏ hơn 1,4

(Boonpragob and Nash, 1991; Gonzales and Pignata, 1994, 1998; Silberstein et al., 1996) Kardish et al (1987) cũng đo được tỷ lệ Chl/Ph trong địa y Ramalina duriaei tại các khu vực

bị ô nhiễm nghiêm trọng bởi các phương tiện giao thông là 0,08

Một số nghiên cứu chứng minh rằng nồng độ lưu huỳnh tích lũy trong tản địa y chủ yếu do ảnh hưởng của khí SO2 phát sinh từ các khu công nghiệp (Cordoba, Argentina) và số ít từ

giao thông (Levin and Pignata, 1995; Gonzales et al., 1996; Carreras et al., 1998)

Các loài địa y khác nhau sẽ có mức độ nhạy cảm với SO2 và các chất khí ô nhiễm khác nhau

(Insarova et al., 1993) Lobaria pulmonaria là một trong những loài nhạy cảm nhất theo

thang đo của Hawksworth và Rose (1976) tại nồng độ khí SO2 trung bình trong mùa đông là

30 g/m3 Ngược lại, Hypogymnia physodes là loài địa y có khả năng chịu đựng cao nhất

đối với khí SO2 Thật vậy, trong điều kiện có nồng độ khí H2SO4 cao, Hypogymnia physodes cũng không bị ảnh hưởng (Garty et al., 1995)

Địa y cũng nhạy cảm với muối lưu huỳnh từ biển Hàm lượng muối lưu huỳnh giảm khi phân tích mẫu địa y thu từ khu vực ven biển vào phía đất liền (Wadleigh and Blake, 1999) Khí SO2 có thể phá hủy màng protein của địa y Đây là nguyên nhân gây suy giảm sinh tổng hợp protein ở một số loài địa y hoặc tác động tiêu cực đến trao đổi chất giữa các thành phần cộng sinh, làm thay đổi sự cân bằng của chúng Nồng độ khí SO2 cao có thể phá vỡ cấu trúc protein ở màng tế bào và enzym của địa y, có thể dẫn đến mất cân bằng trong quan

hệ cộng sinh của địa y (do liên quan đến trao đổi chất) (Fields and St Clair, 1984)

Chính vì vậy, sự phá hủy màng tế bào có thể được dùng để chỉ thị ô nhiễm không khí Khí

SO2, O3 và NO2 là những chất xúc tác hữu hiệu cho quá trình peroxy hóa lipid màng tế bào

(Menzel, 1976; Gonzalez and Pignata, 1994, Gonzalez et al., 1996) Thí nghiệm cho địa y

tiếp xúc với dung dịch có chứa SO2 nồng độ 1 ppm, kết quả cho thấy hàm lượng phospholipid của địa y giảm nhẹ và các acid béo không no tăng lên

10

3.2.2.3 Hợp chất nitơ và photpho

Mặc dù địa y được đề xuất dùng làm sinh vật chỉ thị cho NH3 nhưng chỉ những năm gần đây mới chứng minh được mối tương quan giữa địa y chịu đựng khí nitơ và nồng độ NH3 trong không khí (De Bakker, 1989) Vỏ cây tại các điểm thu mẫu ở Hà Lan chứng minh rằng các loài địa y chịu đựng nitơ không phản ứng trực tiếp với nitơ trong môi trường nhưng địa y lại phản ứng với vỏ cây có pH cao (nồng độ khí NH3 trong không khí cao có ảnh hưởng đến pH của vỏ cây) (Van Dobben and Ter Braak, 1998)

Cladonia portentosa là một trong những chỉ thị sinh vật hiệu quả cho ô nhiễm nitơ và

photpho Nồng độ bụi trên đỉnh và tản địa y đều có mối tương quan thuận khá cao đối với nồng độ bụi nitơ và photpho có trong môi trường Thêm vào đó, nồng độ bụi nitơ và photpho trên đỉnh địa y cao gấp 2 – 5 lần so với trong tản địa y (Hyvarinen và Crittenden, 1998a, b) Mặt khác, nồng độ nitơ trong tản địa y ít tương quan với hàm lượng nitơ có trong nước mưa (precipitation) Mặc dù vậy, hàm lượng nitơ tìm thấy trong tản địa y có mối liên quan mật thiết với hàm lượng nitơ ướt trong không khí và có tương quan thuận với khí NO2

hiện diện trong khí quyển Nhìn chung, C portentosa được khuyến cáo làm sinh vật chỉ thị

cho tổng nitơ ở cả dạng bụi và dạng ướt (Sochting, 1995) và chỉ thị cho cả ô nhiễm nitơ và lưu huỳnh (Bruteig, 1994)

Khí SO2 và NO2 ở nồng độ cao có thể làm giảm pH của tản địa y (Riga-Karandinos and Karandinos, 1998) Ô nhiễm không khí do SO2 và NO2 đều dẫn đến sự diệt vong của các

loài địa y L pulmonaria và R farinacea Giá trị pH của tản địa y giúp bổ sung thêm thông tin về tình trạng ô nhiễm không khí tại khu vực nghiên cứu Nhiều tác giả công bố L pulmonaria có nguy cơ bị tuyệt chủng tại một vài khu vực có xuất hiện mưa acid và pH 5 là

ngưỡng giá trị dưới mà địa y không thể tồn tại (Gauslaa, 1985; Gilbert, 1986)

4 KẾT LUẬN

Địa y là một trong những sinh vật chỉ thị ô nhiễm trường không khí và mưa axít hiệu quả

Để đạt dữ liệu thống nhất trong quan trắc môi trường không khí bằng địa y, cần xây dựng quy trình chuẩn cho quá trình chọn mẫu, xử lý và phân tích mẫu địa y

5 ỨNG DỤNG

Các hướng nghiên cứu trên địa y tại Khoa Phát triển Nông thôn:

- Định danh các loài địa y

- Thay đổi mức độ đa dạng địa y theo mùa (mùa nắng và mưa) tương quan với chất lượng môi trường không khí

- Thay đổi mức độ đa dạng địa y theo khoảng cách đến các nguồn ô nhiễm không khí từ phương tiện giao thông

- Quan trắc chất lượng không khí qua các năm