(TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC) NGHIÊN CỨU SỰ PHÂN BỐ VÀ CHU CHUYỂN CỦA ASEN TRONG CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH CỦA HỆ SINH THÁI HỒ TÂY, HÀ NỘI

NGHIÊN CỨU SỰ PHÂN BỐ VÀ CHU CHUYỂN CỦA ASEN TRONG CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH CỦA HỆ SINH THÁI HỒ TÂY, HÀ NỘINGHIÊN CỨU SỰ PHÂN BỐ VÀ CHU CHUYỂN CỦA ASEN TRONG CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH CỦA HỆ SINH THÁI HỒ TÂY, HÀ NỘINGHIÊN CỨU SỰ PHÂN BỐ VÀ CHU CHUYỂN CỦA ASEN TRONG CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH CỦA HỆ SINH THÁI HỒ TÂY, HÀ NỘINGHIÊN CỨU SỰ PHÂN BỐ VÀ CHU CHUYỂN CỦA ASEN TRONG CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH CỦA HỆ SINH THÁI HỒ TÂY, HÀ NỘI

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

HỆ SINH THÁI HỒ TÂY, HÀ NỘI

Chuyên ngành: Sinh thái học

DỰ THẢO TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC

Hà Nội - 2016

Công trình này được hoàn thành tại:

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội

vào hồi giờ ngày tháng năm 20

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

- Trung tâm Thông tin - Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội

hệ thống cấp thoát nước, xử lý nước thải, kè hồ… Tuy nhiên, một số nghiên cứu từ năm 2007 đến nay cho thấy, hàm lượng một số kim loại nặng như chì (Pb), đồng (Cu), kẽm (Zn), asen (As) và (Cd) đã và đang ở mức cao gây nguy cơ tiềm ẩn đến sức khỏe con người Các nghiên cứu về As chỉ mới dừng lại ở một số đối tượng riêng rẽ như trai, ốc, trầm tích, mà chưa có công bố nào đi sâu phân tích về sự phân bố của As trong nhiều thành phần khác nhau của hệ sinh thái

hồ Do đó để đưa ra một cái nhìn toàn diện nhất về sự phân bố của

As trong hệ sinh thái hồ Tây, chúng tôi đã thực hiện đề tài “Nghiên

cứu sự phân bố và chu chuyển của As trong các thành phần chính của hệ sinh thái hồ Tây, Hà Nội” với các mục tiêu sau:

- Đánh giá hiện trạng chất lượng môi trường nước hồ Tây

- Đánh giá hiện trạng phân bố của As trong một số thành phần chính của hệ sinh thái hồ Tây (nước, trầm tích, thực vật phù du, động vật phù du), một số loài cá (chép, mè, rô phi, trắm, trôi) và một số sinh vật đáy (trai, ốc)

- Đánh giá mức độ tích tụ sinh học As của một số sinh vật trong hồ

và nguy cơ rủi ro của As từ các sinh vật này tới sức khỏe con người

- Mô phỏng quá trình chu chuyển của As qua các thành phần chính của hệ sinh thái hồ Tây, Hà Nội bằng phần mềm Stella II và dự báo mức độ chu chuyển của As trong các thành phần của hệ sinh thái hồ Tây

ngh a khoa học và thực ti n của luận án

- Đưa ra hệ số tích tụ sinh học As của một số sinh vật sống trong

hồ

- Đánh giá nguy cơ gây ung thư và rủi ro của As ở một số sinh vật

hồ Tây và hệ sinh thái hồ Tây Góp phần cảnh báo sớm về việc sử dụng và khai thác các sản phẩm từ hồ

- Việc mô phỏng và dự báo sẽ cung cấp cơ sở khoa học cho việc

quản lý và phát triển bền vững hồ Tây

Những điểm mới của luận án

- Cung cấp bộ số liệu cập nhật và đầy đủ nhất về hàm lượng As trong các thành phần khác nhau của hệ sinh thái hồ Tây

- Cung cấp dẫn liệu về hệ số tích tụ sinh học của As trong một số loài sinh vật trong hồ Tây

- Thiết lập mô hình chu chuyển của As qua các thành phần chính của hệ sinh thái hồ Tây từ đó dự báo sự biến động hàm lượng As trong các thành phần tương ứng

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1 1 Tổng quan về asen và sự chu chuyển của asen

Nguyên tố asen (As) là nguyên tố tự nhiên hình thành trong vỏ Trái Đất Khối lượng nguyên tử của As là 74,92 nên nó được coi là một kim loại nặng As tồn tại trong hầu hết các môi trường,với hàm lượng cao đến một mức nhất định As có thể gây tác hại xấu đến sức khỏe con người và các sinh vật

1.1.1 Sự phân bố và chu chuyển của As trong tự nhiên

Có 105 nước hoặc vùng lãnh thổ trên thế giới bị phơi nhiễm As,

và có khoảng 226 triệu người phơi nhiễm với As từ nước uống và thực phẩm Đặc biệt tại châu Á, nguồn nước ngầm bị ô nhiễm As nghiêm trọng nhất, với hàm lượng dao động từ dưới 0,5 µg/l đến

3200 µg/l

Trong nước, As vô cơ có thể được methyl hóa nhờ các sinh vật (TVN, thực vật lớn, động vật và vi sinh vật) để tạo thành các dạng

As hữu cơ,các dạng As hữu cơ có thể lại được chuyển thành As vô

cơ thông qua quá trình phân hủy sinh học

1.1.2 Ô nhiễm As ở Việt Nam và các nghiên cứu về As ở Việt Nam

1.1.2.1 Thực trạng ô nhiễm As ở Việt Nam:

Diện tích vùng ảnh hưởng bởi As ở Việt Nam lên đến hơn 11000

km2và hàm lượng As dao động ở mức từ 1 đến 3050 µg/l Ước tính rằng số người phơi nhiễm với hàm lượng As cao hơn 50µg/l ở khu vực miền Bắc Việt Nam dao động từ 0,5 triệu đến 10 triệu người và 5,8 đến 10 triệu người có nguy cơ phơi nhiễm với nồng độ As cao hơn 10 µg/l

1.1.2.2 Các nghiên cứu As ở Việt Nam: Nghiên cứu về As ở Việt

Nam được bắt đầu từ năm 1995chia thành 2 giai đoạn: trước năm

2000 và sau năm 2000

Giai đoạn trước năm 2000:Các nghiên cứu của Hồ Vương Bính,

Đỗ Trọng Sự,Đỗ Văn Ái, Đặng Văn Can cho thấy sự có mặt của

As trong địa chất ở các khu vực của Việt Nam

Giai đoạn sau năm 2000: nghiên cứu nổi bật của Berg, M (2001);

của Phạm Hùng Việt (2005) cho thấy, hàm lượng As trong nước ngầm của Hà Nội dao động từ 1-3050 µg/l

1.1.3 Ảnh hưởng của As đến sức khỏe con người và sinh vật

As vô cơ là chất gây ung thư đối với con người, gây độc cấp tính

và độc mãn tính cho cá thể, quần thể và quần xã sinh vật Phơi nhiễm trong thời gian dài với As trong nước uống có thể dẫn đến ung thư

da, phổi, thận, bàng quang, ruột kết…

1.2 Sự chu chuyển của kim loại nặng và As trong hệ sinh thái nước ngọt

Nhiều nghiên cứu liên quan đến sự chu chuyển của các kim loại nặng và As đã được thực hiện Trong đó, Rahmana (2012) đã nhấn mạnh: tại các nước châu Á và Đông Nam Á, phần đông dân số sử dụng cá nước ngọt làm thức ăn hàng ngày thì việc dự đoán nguy cơ rủi ro là rất cần thiết Tuy nhiên, các nghiên cứu về dạng As trong cá

(1979), Jorgensen (1979, 1983), Jerals L Schnoor (1996), Simona Pintilie (2007)… đã mô phỏng sự vận chuyển của các kim loại nặng, hoặc chất độc, chất dinh dưỡng trong hệ sinh thái ở nước

1.4 Sự tích tụ As trong các thủy sinh vật và đánh giá nguy cơ rủi

ro của As trong chúng đến sức khỏe con người

1.4.1 Sự tích tụ sinh học của As trong cá nước ngọt

Nghiên cứu của Williams và cộng sự (2006) đã cho thấy khả năng tích tụ sinh học của As trong cá nước ngọt dựa trên kết quả của 12 nghiên cứu khác nhau và đưa ra chỉ số BAF và chỉ số BCF (nồng độ sinh học)của nhiều loài sinh vật ở các bậc dinh dưỡng khác nhau ở cả

hệ sinh thái nước ngọt và nước mặn

1.4.2 Nghiên cứu về đánh giá nguy cơ rủi ro của As trong các loài thủy sản đối với sức khỏe con người

Các nghiên cứu của Sandeep Kar và cộng sự (2011), Peter J Peshut và cộng sự (2007), Chung-Min Liao và cộng sự (2003), Chen-Wuing Liu và cộng sự (2007)… cho thấy, rủi ro ung thư đối với con người liên quan đến hàm lượng As vô cơ trong cá, trai và một số loài thủy sản; và khuyến cáo “không nên ăn nội tạng cá để tránh các nguy

cơ ung thư”

1.5 Đặc điểm tự nhiên, kinh tế, xã hội khu vực hồ Tây

Hồ Tây là một hồ nước ngọt tự nhiên lớn nhất trong các hồ thuộc đồng bằng sông Hồng, với hệ động - thực vật phong phú

1.5.1 Điều kiện tự nhiên

Mặt nước hồ Tây rộng khoảng 520 ha, chu vi khoảng 18 km, dung tích nước gần 9 triệu m3 Độ sâu của mực nước hồ từ 0,2 - 2,8

m, tầng đáy hồ là một lớp bùn dày 0,2-1,5m gồm cát lẫn đất sét, tại cống thải lớp bùn đáy dày hơn so với các vùng khác

1.5.2 Chế độ khí hậu, thuỷ văn và địa chất hồ Tây

Khí hậu: Hồ Tây nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa điển hình,với

2 mùa rõ rệt, mùa nóng từ tháng IV đến tháng X và mùa lạnh từ tháng XI đến tháng IV năm sau

Thuỷ văn: Có 8 cửa cống chính, ngoài ra, có đến hàng chục cống

thoát nước từ các khu vực xung quanh đổ vào hồ

Trầm tích hồ Tây gồm2 hệ: trầm tích sông và trầm tích hồ

1.5.3 Đặc điểm kinh tế xã hội khu vực quanh hồ Tây

Hồ Tây thuộc quận Tây Hồ, với diện tích 24,39 km2, gồm 8 phường, trong đó, 6 phường liên quan trực tiếp đến hồ Tây Dân số là 160,3 nghìn người Xung quanh hồ có khoảng 150 nhà hàng, khách sạn phục vụ ăn uống, vui chơi, giải trí

1.5.4 Đa dạng sinh học hồ Tây

Khu hệ động, thực vật ở hồ Tây khá phong phú, với 72 loài tảo thuộc 5 ngành; Động vật nổi có 37 loài và nhóm loài thuộc 27 giống,

17 họ Có 68 loài thuộc 43 họ động vật không xương sống cỡ lớn, có

46 loài cá thuộc 16 họ và 6 bộ Trước đây, hồ có khoảng 18 loài thực vật thuỷ sinh, khoảng 24 loài chim thuộc 15 họ và 6 bộ, và 8 loài ếch nhái thuộc 4 họ

1.5.5 Các nghiên cứu về As và kim loại nặng ở hồ Tây

Các công bố của Phạm Thị Thu Nga (2007), Trần Tứ Hiếu (2008), Lưu Thị Lan Hương(2010, 2011, 2014), Hoàng Thị Hoa (2014) đã cho thấy hàm lượng các kim loại nặng trong trầm tích và một số sinh vật trong hồ ở mức cao, tuy nhiên, các công bố về As còn rất hạn chế

CHƯƠNG II

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng và thời gian thu mẫu

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu

Hàm lượng As trong nước (dạng hòa tan và dạng tổng số), trầm tích; động vật nổi, thực vật nổi, các loài cá (mè trắng hoa nam, trôi

ấn, chép, rô phi vằn, trắm cỏ) và động vật đáy: trai, ốc

2.1.2 Các vị trí và thời gian thu mẫu

Sơ đồ các vị trí lấy mẫu được trình bày trong hình 2.1

Hình2.1: Sơ đồ vị trí các điểm thu mẫu

Thời gian nghiên cứu: Các số liệu điều tra được thu trong 4 năm từ

tháng 2/2011 đến tháng 10/2014, mỗi năm 2 đợt và 1 đợt vào tháng 5 năm 2016 để kiểm tra lại các kết quả chạy mô hình

2.2 Phương pháp thu và phân tích mẫu

2.2.1 Phương pháp thu thập mẫu vật ngoài thực địa

* Đối với mẫu nước: Mẫu nước được axit hóa đến pH ≤2 bằng HNO3

65% Để phân tích As hoà tan: sau khi lấy, mẫu nước được lọc qua filter 0,45 µm, rồi bổ sung thêm HNO3 đến pH =2

9 Quảng An (gần phủ Tây Hồ)

* Đối với mẫu trầm tích: Trầm tích được đồng nhất sau khi lấy và

trước khi cho vào từng túi riêng

* Đối với mẫu động vật nổi (ĐVN) và thực vật nổi (TVN):Lưới thu

TVN có kích thước mắt lưới 20-70 µm được lồng phía trên lưới thu

ĐVN kích thước mắt lưới 100-120 µm

* Đối với các mẫu động vật thủy sinh (cá, trai, ốc): cá, trai ốc được

mua của ngườibắt cá, trai ốc ven hồ

2.2.2 Phương pháp chuẩn bị và phân tích mẫu trong phòng thí nghiệm

a) Chuẩn bị mẫu trước khi vô cơ hóa: từng loại mẫu được chuẩn bị

theo quy trình phù hợp trước khi vô cơ hóa

b)Vô cơ hoá mẫu: Từng loại mẫu được vô cơ hóa theo quy trình phù

hợp

c) Xác định hàm lượng As trong các mẫu: hàm lượng As được xác

định bằng phương pháp phổ khối plasma (ICP-MS)

2.2.3 Phương pháp hồi cứu: Thu thập các bài báo, tài liệu và các

thông tin liên quan đến vấn đề nghiên cứu

2.2.4 Phương pháp xử lý số liệu: các số liệu được xử lý bằng các

phần mềm Excell 2003 và phần mềm Graphpad Prism 5

2.2.5 Phương pháp tính toán sinh khối các nhóm sinh vật ở hồ:

Tùy từng đối tượng mà áp dụng phương pháp tính toán sinh khối phù hợp dựa theo tài liệu và số liệu phân tích

2.3 Phương pháp tính toán hệ số tích tụ sinh học (BAF)

Công thức chung để tính toán hệ số tích tụ sinh học là:

(2.1)

Trong đó: Ct (mg/kg) là hàm lượng hóa chất trong mô cơ thể

C w (mg/l) là nồng độ hóa chất hoà tan trong nước

2.4 Phương pháp đánh giá rủi ro ung thư và nguy cơ tổn thương

Công thức ước tính nguy cơ ung thư CR như sau:

CPSo: độ dốc tiềm năng gây ung thư vòm miệng (kg.ngày/mg)

EF: tần số tiếp xúc (phơi nhiễm) (350 ngày/năm);

ED: tổng thời gian tiếp xúc (phơi nhiễm) (30 năm);

Bwa: là trọng lượng cơ thể người Việt trưởng thành (50 kg);

Atc: thời gian trung bình gây ung thư của một chất độc (25550 ngày)

HQ: nguy cơ tổn thương; RfD: liều chiếu (mg/kg/ngày)

Atn: thời gian trung bình không gây ung thư (ED * 365 ngày/năm)

2.5 Phương pháp toán học và mô hình hóa:

2.5.1 Xác định các yếu tố của mô hình: xác định các biến trạng

thái, các phương trình, các thông số, các hằng số liên quan

2.5.2 Thẩm định: Kiểm tra tính lozic trong mô hình

2.5.3 Phân tích độ nhạy: Tìm yếu tố nhạy cảm trong mô hình 2.5.4.Điều chỉnh (calibration): Kiểm tra sự phù hợp của các dữ liệu

và điều chỉnh cho phù hợp

2.5.5 Phê chuẩn (validation):đánh giá mô hình thông qua tiêu

chuẩn về độ lệch giữa mô hình dự đoán và thực tế

Cơ sở thiết lập các phương trình toán cho sự vận chuyển của một chất độc trong một hệ sinh thái thủy vực theo Jorgensen, 1983 gồm các phương trình cơ bản sau đây:

* Trong môi trường nước:

* Trong sinh vật: sự biến động về sinh khối và hàm lượng chất độc

của từng thành phần (theo bậc dinh dưỡng) theo thời gian được biểu thị qua hệ phương trình sau:

Trong đó: n: là bậc dinh dưỡng của sinh vật

* Trong trầm tích: Sự biến động hàm lượng trong trầm tích theo thời

gian được thể hiện qua phương trình

Trong đó:

Bio(n): Sinh khối, bậc dinh dưỡng thứ n

BIOL: Tốc độ phân huỷ sinh học trong trầm tích (24 h-1)

EXC(n): Tốc độ bài tiết, tỉ lệ với γ (n)

MORT (n): Tỉ lệ chết ở bậc dinh dưỡng thứ n

MY(n): Tốc độ sinh trưởng của sinh vật ở bậc dinh dưỡng thứ n

n: Bậc dinh dưỡng (n=0 là môi trường nước)

rat(0): Tỉ số lắng đọng của chất lơ lửng ở lớp trầm tích hoạt động

rat (1): Tỉ số lắng đọng của thực vật nổi xuống lớp trầm tích hoạt động RESP (n): Tốc độ hô hấp, ở bậc dinh dưỡng thứ n

SOL: Tốc độ hoà tan của kim loại nặng trong trầm tích (mg/kg khối lượng khô trong 24 giờ = mg/kg/ngày)

TOX (n): Hàm lượng của chất độc (độc tố) ở bậc dinh dưỡng thứ n

UT: Tốc độ hấp thụ độc tố

YF(n): Hiệu quả tiêu hóa ở bậc dinh dưỡng n

YT(n): Tác động gây độc ở bậc dinh dưỡng n

γ (n): Nồng độ của chất độc hại (mg/kg sinh khối) = TOX (n)/BIO (n)

γ(s): Nồng độ của độ tố trong trầm tích (mg/kg khối lượng khô)

CHƯƠNG III

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

3.1 Hiện trạng chất lượng môi trường nước hồ Tây, Hà Nội 3.1.1 Đặc tính thủy lý

* Nhiệt độ: vềmùa khô nhiệt độ của nước hồ dao động từ 21, 25˚C -

22˚C, trong mùa mưa nhiệt độ trung bình của nước dao động từ 24,25˚C - 26,90˚C; Biên độ nhiệt dao động trong nước các mùa là không lớn trung bình là 4,75 oCvà hồ Tây không bị ô nhiễm nhiệt

* Độ dẫn điện: Sự chênh lệch về độ dẫn điện tại các điểm nghiên cứu

ở hồ Tây là khá thấp, mùa mưa (41,19 mS/m) thấp hơn so với mùa khô (47,89 mS/m), do lượng nước mưa trong mùa mưa làm giảm nồng độ của các ion hòa tan trong nước

* Độ đục: Độ đục trong nước hồ Tây thay đổi theo mùa: mùa khô

dao động từ 21 - 37,5 mg/l, cao hơn so với mùa mưa (18,5 - 26,5 mg/l) Đặc biệt, điểm Đ8có độ đục cao nhất (37,5 mg/l) gấp 1,5 lần

so với các điểm khác

3.1.2 Đặc tính hóa học của nước

* pH: pH ở hồ Tây dao động ở mức kiềm nhẹ (7,23 - 8,79) nằm

trong giới hạn cho phép của chất lượng nước loại B của QCVN MT: 2015/BTNMT (5,5 - 9,0) Sự chênh lệch pH theo mùa không lớn: mùa khô dao động từ 7,23 - 8,05; mùa mưa từ 8,43 - 8,79 Vào mùa mưa pH tại hầu hết các điểm nghiên cứu đều cao hơn giới hạn cho phép QCVN 38: 2011/BTNMT

08-* Nồng độ oxy hòa tan (DO)

DO trong nước hồ Tây còn ở mức cao và có sự chênh lệch theo mùa: mùa mưa dao động từ 3,95 - 6,51 mg/l, cao hơn mùa khô (2,7 - 5,45 mg/l) DO toàn hồ trong cả hai mùa vẫn nằm trong giới hạn cho

phép QCVN 08-MT: 2015/BTNMT [B1, 2] Ngoại trừ, điểm Đ7 có

DO thấp hơn một nửa so với các điểm khác trong hồ và chỉ bằng 0,4 lần so với tiêu chuẩn B1, QCVN08-MT: 2015/BTNMT

* Nhu cầu oxy hóa học (COD)

COD trong mùa mưa dao động từ 48,0 đến 55,2 mg/l cao gấp 2 lần so với mùa khô (dao động từ 22,4 - 28,0 mg/l) Do vào mùa mưa, lượng nước mưa đổ vào hồ mang theo nhiều chất hữu cơ khó phân hủy sinh học nên COD cao hơn so với mùa khô COD tại hầu hết các điểm nghiên cứu đều nằm trong giới hạn cho phép của quy chuẩn Việt Nam (QCVN08- MT: 2015/BTNMT [B]) Tại các điểm cống như cống Cái, cống Trúc Bạch, cống Xuân La, COD cao hơn so với các điểm khác

* Nhu cầu oxy hóa sinh học (BOD 5 )

Hàm lượng BOD5 của hồ Tây dao động trong khoảng từ 14,4 - 19,2 mg/l (mùa mưa), phù hợp với tiêu chuẩn B2- QCVN 08-

MT:2015, và 8,6 - 12,1 (mùa khô) phù hợp với tiêu chuẩn B1-QCVN

08-MT: 2015

*Hàm lượng phospho tổng số và nitơ tổng số trong nước hồ Tây

Hàm lượng nitơ tổng số trung bình vào mùa khô dao động từ 3,3 đến 4,5 mg/l cao gấp 2,3 lần so với mùa mưa, đặc biệt, tại cống Trúc Bạch hàm lượng cao gấp 3-4 lần so với các điểm khác trong hồ Hàm lượng phospho tổng số, trên toàn hồ trong mùa khô, dao động từ 0,4 đến 3,5 mg/l; trong mùa mưa dao động từ 0,2 đến 1,22 mg/l Hàm lượng phospho tổng mùa khô cao gấp 1,96 lần so với mùa mưa Đặc biệt, tại cống Trúc Bạch, hàm lượng phospho tổng số cao gấp 5,0 - 8,8 lần so với các điểm khác