IV. GIỚI THIỆU MỘT SỐ TIÊU CHUẨN, QUY CHUẨN ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG MÔ
4.3.Các thông số sinh học môi trường nước
c. Các kim loại và á kim loại quan trọng khá
4.3.Các thông số sinh học môi trường nước
Nước là một phương tiện lan truyền các nguồn bệnh và trong thực tế các bệnh lây lan qua mơi trường nước là ngun nhân chính gây ra bệnh tật và tử vong , nhất là ở các nước đang phát triển. Các tác nhân gây bệnh thường được bài tiết ra trong phân của người bệnh, bao gồm các nhóm chính sau: các vi khuẩn, vi rút, động vật đơn bào (protozoon – protozoa), giun ký sinh (parasitic). Ba bệnh do các vi khuẩn của nguồn nước thường gặp nhất là sốt thương hàn do Salmonella typhosa
gây ra, bệnh tả Châu Á do Vibro comma gây ra và lỵ khuẩn que do Shigella dysenteriae gây ra. Các bệnh này thường thấy ở những khu vực có thải phân người một cách tùy tiẹn. Quá trình lan truyền bệnh có thể trực tiếp từ người bệnh hay gián tiếp qua côn trùng không gian hoặc qua thực phẩm hoặc qua sử dụng nước bị nhiễm bẩn.
Thành phần và mật độ các loại cơ thể sống trong nguồn nước phụ thuộc chặc chẽ vào đặc điểm, thành phần hóa học của nguồn nước, chế độ thủy văn và địa hình nơi cư trú. Các loại sinh vật tồn tại trong nguồn nước tự nhiên chủ yếu là vi khuẩn, nấm, siêu vi trùng, cây cỏ, động vật nguyên sinh, động vật đa bào, các loại nhuyễn thể và các động vật có xương sống. Tuy theo vị trí phân bố trong cột nước từ bề mặt đến đáy sơng, hồ có các lồi sinh vật sau:
•Phiêu sinh (plankton) trong đó có động vật phiêu sinh (zooplankton) và thực vật phiêu sinh
(phytoplankton). Nhiều lồi sinh vật có giá trị làm nguồn thức ăn cho tơm, cá, đồng thời một số lồi
có khả năng chỉ thị ơ nhiễm nước, chất lượng nước.
•Sinh vật bám (epiphytic) trong đó bao gồm cả động vật (zooepiphytic) ví dụ các lồi ốc thuộc nhóm chân bụng (gastropoda) và thực vật (phytoepiphytic) ví dụ tảo bám (epophytic diatom)
•Sinh vật đáy (benthos). Một số lồi sinh vật đáy có giá trị kinh tế đồng thời chỉ thị ơ nhiễm và xử lý ơ nhiễm.
•Cá và các sinh vật có khả năng chuyển động tích cực ở các độ sâu khác nhau. Dưới đây là một số loài sinh vật có ý nghĩa chỉ thị cho ơ nhiễm nguồn nước:
Tảo: Tảo là lồi thực vật đơn giản nhất có khả năng quang hợp. Chúng khơng có rễ, thân, lá.
Tảo là loài sinh vật tự dưỡng, cúng sử dụng CO2 hoăc HCO32- làm nguồn cacbon và sử dụng các chất dinh dưỡng vô cơ như photphat và nitơ để phát triển. Trong q trình phát triển có sự tham gia của một số nguyên tố vi lượng như Mg, Bo, Co, Ca. Một số tảo lam, lục có khả năng cố định nitơ khí muối nitơ vơ cơ khơng đủ. Tảo có màu xanh là do có chất diệp lục (Chlorophyll) đóng vai trị quan trọng trong quá trình quang hợp. Tảo phát triển mạnh ở nguồn nước ấm, chứa nhiều chất dinh dưỡng (N, P) từ nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp thực phẩm, phân bón.
Thực vật lớn: Trong nguồn nước cịn có các loại thực vật lớn (macrophytes) như các loại
bèo, lau, sậy… có thể sử dụng như là một chỉ thị cho hiện tượng phú dưỡng (eutrophication).
Vi khuẩn và nấm: Vi khuẩn (bacteria) là các loại thực vật đơn bào, khơng màu có kích thước từ 0,5 – 5,0 µm, chỉ có thể quan sát qua kính hiển vi. Vi khuẩn có dạng hình que, hình cầu hoặc hình xoắn, chúng có thể tồn tại ở dạng đơn lẻ, dạng cặp hoặc dạng liên kết thành mạch dài. Vi
Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường
khuẩn sản sinh theo cơ chế phân bào: một tế bào được chia thành 2 tế bào mới. Chu kỳ phân bào khoảng 15 – 30 phút trong điều kiện thuận lợi về dinh dưỡng, oxy, nhiệt độ… Vi khuẩn đóng vai trị rất quan trọng trong việc phân hủy chất hữu cơ, hỗ trợ quá trình tự làm sạch của nước tự nhiên, do vậy chúng có ý nghĩa lớn về mặt sinh thái. Phụ thuộc vào nguồn dinh dưỡng, vi khuẩn được chia thành hai nhóm chính: vi khuẩn dị dưỡng và vi khuẩn tự dưỡng.
Siêu vi trùng (virus): Trong nguồn tự nhiên thường tồn tại các loại siêu vi trùng (virus).
Chúng có kích thước nhỏ (20 – 100 nm).
Động vật đơn bào (protozoa): Là các lồi động vật trong nước chỉ có một tế bào và cũng
sinh sản theo cơ chế phân bào. Chúng sử dụng chất hữu cơ dạng rắn làm thực phẩm. Protozoa đóng
vai trị quan trọng trong chuỗi thức ăn. Kiểm tra các tính chất lý - hố cung cấp các thơng tin quan trọng về tình trạng của nước, những chất có thể gây ơ nhiễm hoặc bản chất của chúng và chức năng của quá trình tự làm sạch. Tuy nhiên, trong các trường hợp đặc biệt cũng cần kiểm tra bổ thêm một số tính chất sinh học để cung cấp các thơng tin đầy đủ và cần thiết cho việc đánh giá chất lượng nước.
Động vật lớn: là các lồi động vật có kích thước cơ thể lớn, có thể quan sát được bằng mắt
thường đóng vai trị quan trọng trong hệ sinh thái nước. Chúng thường là sinh vật tiêu thụ bậc 1, 2 hoặc cao hơn trong lưới thức ăn. Động vật lớn sống trong môi trường nước gồm nhiều nhóm khác nhau ví dụ: cơn trùng, giun trịn, giun đốt, động vật có xương sống… xuất hiện ở nhiều vùng sinh cảnh khác nhau trong một thủy vực
Để có thể so sánh các kết quả phân tích, xin được giới thiệu chỉ số “Saprobic Index” thể
hiện sự sống hoặc sự tồn tại trong môi trường giàu chất hữu cơ nhưng thiếu oxy. Chỉ số này dựa trên việc biết trước các sinh vật xác định hay nói cách khác là sinh vật chỉ thị chỉ có thể nhìn thấy được trong nước khi nước có chất lượng tốt. Các kết quả đo các chỉ số sinh học thường được kèm theo một số thông số khác như nồng độ NH4, O2 và nhu cầu oxy sinh hoá (BOD) để thực hiện đánh giá. Loại sinh vật tồn tại thay đổi trong tự nhiên từ vùng này sang vùng khác.
Bảng 2.27. Phân loại chất lượng nước mặt theo một số thông số đặc trưng (mg/l) Phân
loại
Mức độ của chỉ số
Saprobic Thành phần của môi trường sinh học BOD5 N-
NH4+ O2
I Không nhiễm bẩn
đến nhiễm bẩn nhẹ
một số loài vi khuẩn; quần xã thưa thớt của tảo sỏi, tảo đỏ, rêu; trứng tôm, cá; chủ yếu vào mùa xuân
1 vết 8
II Nhiễm bẩn vừa
nhiễm bẩn hữu cơ nhẹ; rất nhiều loài và dày đặc tảo, chai, ốc, cua và ấu trùng; phong phú thực vật nước; cá nước
2-6 0,3 6
III Ơ nhiễm nặng
tập trung đơng đúc các vi khuẩn hình que, một số lồi tảo và thực vật bậc cao, nhiều đỉa, bọt, bọ nước; ít cá
7-13 0,5 2
IV Cực kỳ ơ nhiễm chỉ có vi khuẩn, nấm, động vật ngun sinh; khơng có sinh vật bậc cao 15
một vài
Bài giảng: Ơ nhiễm mơi trường, 2012Bộ mơn: Công nghệ môi trường
Sự xuất hiện các sinh vật gây bệnh trong nước mặt cần được lưu tâm đối với những nơi nước mặt được sử dụng cho mục đích sinh hoạt. Các vi sinh vật gây bệnh có thể đi vào nước mặt qua các cống nước thải sinh hoạt hoặc nước thải từ các bệnh viện, lò mổ... Tại nhiệt độ 37oC, nước cung cấp các điều kiện khơng thuận lợi và các sinh vật khó phát triển hơn nữa. Tuy nhiên, tính lây nhiễm có thể vẫn được duy trì bởi các dạng cịn sống sót. Trong các nhà máy xử lý bùn thải sinh học thông thường, các sinh vật gây bệnh có thể khơng bao giờ bị loại bỏ bởi vậy nước thải luôn gây ra những ảnh hưởng bất lợi đối với nước mặt.
Nguồn gây ô nhiễm sinh học cho môi trường nước chủ yếu là phân, rác, nước thải sinh hoạt, bệnh viện, xác chết sinh vật chứa nhiều VSV gây bệnh, nhất là bệnh đường ruột. Có 3 nhóm vi sinh chỉ thị ơ nhiễm:
+ Coliform đặc trưng là Escherichia coli (E.coli).
+ Streptococcus đặc trưng là Streptococus faecalis. (liên cầu khuẩn thường có nhiều trong phân, gây bệnh viêm đường hô hấp, viêm tai giữa, viêm khớp, gây mủ các vết thương...)
+ Clostridia đặc trưng là Clostridium ferfrinqens. (Là nhóm vi khuẩn kị khí có trong phân, tuy nhiên nhóm này ít gây bệnh).
Vi khuẩn chỉ điểm (vi khuẩn chỉ thị mơi trường): Vi khuẩn gây bệnh có mặt trong mơi trường khơng đồng đều. Vì vậy khơng dễ gì lấy mẫu xét nghiệm cho ra kết quả dương tính. Kết quả âm tính chỉ nói lên rằng mẫu đó (nước chẳng hạn) khơng có vi khuẩn cần xét nghiệm chứ khơng thể nói được mơi trường đó khơng có vi khuẩn gây bệnh. Chính vì vậy mà người ta đi tìm một loại vi khuẩn chỉ điểm để khi tìm ra được chúng có thể đi đến kết luận mơi trường cần quan tâm bị ô nhiễm.
Tiêu chuẩn xét chọn vi khuẩn chỉ điểm:
Nơi cư trú của vi khuẩn chỉ điểm (VKCĐ) và vi khuẩn gây bệnh cần chỉ điểm trong cơ thể con người và mơi trường phải là một.
Sự có mặt của VKCĐ tại mơi trường bên ngồi chứng tỏ mơi trường đó bị ơ nhiễm do con người thải ra.
VKCĐ có mặt ở mơi trường bên ngồi có số lượng nhiều gấp bội so với vi khuẩn gây bệnh. Phân bố trong môi trường tương đối đồng đều.
Khả năng sinh sản ở mơi trường rất có hạn.
Thời gian tồn tại ở mơi trường bên ngồi không lâu, tương đương với các loại vi khuẩn mà nó chỉ điểm.
Ít bị động bởi các yếu tố bên ngồi như ánh sáng mặt trời, nhiệt độ... Có thể xét nghiệm định lượng được.
Phương pháp xét nghiệm đơn giản, cho kết quả nhanh chóng và chính xác.
Dựa theo tiêu chuẩn đó, tại Hội nghị Vi sinh vật Y học quốc tế lần thứ 19, Tổ chức Y tế Thế giới đã chọn E. coli làm VKCĐ cho mơi trường có khả năng ơ nhiễm, do phân người. Đối với khơng khí thì có loại VKCĐ khác. Một số thông số sinh học thường sử dụng trong đánh giá chất lượng nước
Tổng coliforms (Total coliform)
Coliform tổng số là vi sinh vật sống với số lượng lớn trong đất, thực vật và những động vật máu nóng (con người) và máu lạnh. Từ lâu, coliforms được xem như một chỉ điểm vi sinh vật thích hợp về chất lượng nước uống, chúng được sử dụng rộng rãi vì dễ phát hiện và định lượng.
Bài giảng: Ơ nhiễm mơi trường, 2012Bộ mơn: Cơng nghệ mơi trường
"Coliforms" bao gồm những vi khuẩn hình gậy, gram âm có khả năng phát triển nên mơi trường có muối mật hoặc các chất hoạt tính bề mặt khác có tính chất ức chế tương tự, có khả năng lên men đường lactose kèm theo sinh hơi, axit và aldehyde trong vòng 24-48 giờ. Loại vi khuẩn này khơng sinh bào tử, có phản ứng oxidaza âm tính và thể hiện hoạt tính của B-galactosidase.
Theo thường lệ, coliforms được xếp thuộc vào nhóm gồm Escherichia, Klebsiella,
Enterobacter, Citrobacter. Tuy nhiên, theo các phương pháp phân loại mới thì nhóm này khơng
đồng nhất. Nhóm này bao gồm các vi khuẩn lên men lactose như Escherichia cloacae, Citrobacter
freundii có thể tìm thấy trong phân và ngồi mơi trường (nước giàu chất dinh dưỡng, đất và xác
thực vật) cũng như trong nước uống có nồng độ các chất dinh dưỡng tương đối cao. Nhóm này cũng bao gồm các lồi hiếm khi thấy trong phân, có thể phát triển trong nước uống có chất lượng tương đối tốt như Seratia fonticola, Rabnella aqualiris và Buttiaxella agrestis.
Các tiêu chuẩn nước uống thường định rõ sự an toàn vệ sinh bằng một phương pháp xét nghiệm xác định mà khơng phát hiện ra ở mức trung bình là khơng vượt quá 1 coliform/100ml. Trong khảo sát chất lượng nước, điều cần thiết là phải xác định số vi khuẩn coliform để xem có đạt tiêu chuẩn hay khơng. Ở đây thường dùng kỹ thuật lên men để đếm đoán chừng, xác nhận những kết quả dương và các xét nghiệm fecal coliform. Kết qủa của phép phân tích này được biểu thị như là số xác suất cao nhất MPN (Most Probale Number) vì việc đếm các kết quả dương dựa trên phân tích thống kê của các bộ ống nghiệm trong một loạt các dãy pha lỗng.Theo định nghĩa MPN có liên quan tới một thể tích mẫu bằng 100ml. Điều đó có nghĩa là khi MPN = 10 tức là có 10 coliform trong 100 ml nước.
Coliform chịu nhiệt (Fecal coliform)
Có 16 lồi coliform tổng số tìm thấy trong đất, thực vật và chất thải của động vật. Một phân nhóm của coliform tổng số là vi khuẩn fecal coliform, nó khác với coliform tổng số vì nó có thể phát triển ở nhiệt độ cao và được tìm thấy chỉ ở trong phân của con người và động vật máu lạnh. Có 6 lồi vi khuẩn Fecal coliform được tìm thấy tron chất thải của con người và động vật. 60-90% của Coliform tổng số là Fecal Coli, 90% Fecal Coliforms là Escherichia – thường là E.Coli
Fecal coliform có khả năng lên men đường lactose ở 44-45oC; nhóm này bao gồm
Escherichia và loài Kiebsiella, Enterobacter, Citrobacter.
Escherichia coli (E. coli)
E. coli là 1 trong 6 loài của vi khuẩn fecal coliform. Một giống hiến của E. coli có thể gây
những nguy cơ tiềm tàng tới sức khoẻ con người, đó là E. coli 0157.
Tên đầy đủ là Escherichia coli được Buchner tìm ra năm 1885 và được Escherich nghiên cứu đầy đủ năm 1886. E. coli bình thường sống trong ruột già. Trong tiếng Latinh ruột già là colum. Vì tơn trọng nhà khoa học nên người ta lấy tên ông ghép vào chữ ruột già theo ngữ pháp sở hữu cách tiếng Latin, nên loại vi khuẩn này được gọi là Escherichia coli. Bình thường khơng gây bệnh nhưng ở một số điều kiện nhất định có khả năng gây nhiều bệnh khác nhau. E. coli chiếm tới 80%
tổng số VSV sống trong ruột người và luôn giữ thế cân bằng sinh thái trong ruột. Bởi vậy ở đâu có mặt E. coli với một số lượng quá mức cho phép chứng tỏ mơi trường đó đã bị ơ nhiễm, vì sự tồn tại của E. coli cũng nói lên khả năng tồn tại của các nhóm VSV gây bệnh khác có trong đường ruột
E. coli là thành viên của họ Enterobacteriace được đặc trưng bởi tính chất có enzym b-
galctosidase và b-glucoronidase. Nó phát triển ở nhiệt độ 44-45oC trên môi trường tổng hợp, lên men đường lactose và mannitol có sinh hơi và sinh axit, sinh endol từ triptophan. Tuy nhiên một số chủng có thể phát triển ở 37oC chứ khơng phát triển ở 44-45oC và một số thì khơng sinh hơi. E.
Bài giảng: Ơ nhiễm mơi trường, 2012Bộ mơn: Cơng nghệ mơi trường
việc có tính chất hằng ngày. Vì vậy, người ta đã xây dựng được một số phương pháp phân lập nhanh chóng và tin cậy. Trong những phương pháp đó, một số được tiêu chuẩn hóa ở mức độ quốc tế, quốc gia và đã được chấp nhận cho việc sử dụng hằng ngày. Một số phương pháp khác đang được phát triển và đánh giá.
E. coli có mặt rất nhiều trong phân người và động vật. Trong phân tươi, đậm độ của chúng
có thể đến 109/g. Số lượng vi khuẩn E. coli có trong 1lít nước được gọi là chỉ số Coli. Nước thải sinh hoạt chưa qua xử lý thường chứa 3 triệu coli/100ml. Chúng được tìm thấy trong nước cống rãnh, trong các công đoạn xử lý và trong tất cả các nguồn nước và đất vừa mới bị nhiễm phân từ người, động vật hoặc do sản xuất nông nghiệp. Gần đây người ta đã nghĩ đến E. coli có thể tồn tại
hoặc thậm chí phát triển trong những nguồn nước ở vùng nhiệt đới không phải là đối tượng bị ô nhiễm phân. Tuy nhiên, ngay cả những vùng sâu, vùng xa cũng không bao giờ được phép loại trừ khả năng nhiễm phân do động vật hoang dại, kể cả chim. Bởi lẽ động vật có thể lan truyền vi khuẩn gây bệnh cho người nên không được quên sự hiện diện của E. coli hoặc coliforms chịu nhiệt, vì sự có mặt của chúng chứng tỏ nước có thể bị nhiễm phân hoặc xử lý không hiệu quả.