IV. GIỚI THIỆU MỘT SỐ TIÊU CHUẨN, QUY CHUẨN ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG MÔ
a. Các chất dinh dưỡng vơ cơ hịa tan
Dinh dưỡng vơ cơ hịa tan quan trọng trong mơi trường nước bao gồm các ion của N và P:
NITƠ (N)
Nitrogen là thành phần cấu thành protein, N là một trong những nguyên tố quan trọng
đối với đời sống sinh vật. Nó được thực vật xanh hấp thụ trước hế là dạng ammonium (NH4+) và dạng nitrate (NO3-), nhưng các hợp chất này thường có rất ít trong các thủy vực. Do đó, trong các thủy vực N thường là nhân tố giới hạn cho đời sống của thực vật. Sự tạo thành các hợp chất hữu cơ trong thủy vực phụ thuộc đáng kể vào hàm lượng NH4+ và NO3- trong thủy vực. Trong các thủy vực hầu như toàn bộ N được liên kết trong các protein của cơ thể sống. Tuy nhiên, các hoạt động của động vật thủy sinh ammonia (NH3) luôn được bài tiết ra hoặc sau khi chúng chết đi bị các vi sinh vật phân hủy giải phóng NH3, trả lại N cho thủy vực. Đây chính là nguồn cung cấp dinh dưỡng trực tiếp cho thực vật hay gián tiếp sau khi NH3 bị oxy hóa thành nitrate (tham khảo thêm chu trình N).
AMONI VÀ AMONIAC
NH3 trong các thủy vực được cung cấp từ quá trình phân hủy bình thường các protein, xác bã động thực vật phù du, sản phẩm bài tiết của động vật hay từ phân bón vơ cơ, hữu cơ.
(NH2)2CO + 2H2O + (NH4)2CO3 (NH4)2CO3 → 2 NH3 + CO2 + H2O
NH3 là loại khí độc đối với cá, khi được tạo thành sẽ phản ứng với nước sinh ra ion NH4+ cho đến khi cân bằng được thiết lập. Tổng hàm lượng của NH3 và NH4+ được gọi là Tổng đạm amon (Total Ammonia Nitrogen - TAN).
Bài giảng: Ơ nhiễm mơi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường
Tỉ lệ giữa NH4+:NH3 sẽ tăng khi pH giảm và giảm khi pH tăng, tỉ lệ này tại một giá trị pH xác định (thí dụ pH = 8) có thể được tính từ sự cân bằng: Vì vậy, ở pH=8 mỗi mole NH3 thì có 18,2 mole NH4+ và tỉ lệ phần trăm của NH4 trên TAN là 5,2%. Ngoài pH, tỉ lệ của NH3/TAN trong nước còn phụ thuộc vào nhiệt độ. Khi nhiệt độ và pH của nước gia tăng thì hàm lượng NH3 trong nước sẽ gia tăng và ngược lại.
Bảng 2.21. Tỷ lệ amoniac và amoni phụ thuộc vào nhiệt độ và pH môi trường
Nhiệt độ (oC) pH 16 18 20 22 24 26 28 30 32 7,0 0,30 0,30 0,40 0,46 0,52 60,00 0,70 0,81 0,95 7,2 0,47 0,47 0,63 0,72 0,82 0,95 1,10 1,27 1,50 7,4 0,74 0,74 0,99 1,14 1,30 1,50 1,73 2,00 2,36 7,6 1,17 1,17 1,56 1,79 2,05 2,35 2,72 3,13 3,69 7,8 1,84 1,84 2,45 2,80 3,21 3,68 4,24 4,88 5,72 8,0 2,88 2,88 3,83 4,37 4,99 5,71 6,55 7,52 8,77 8,2 4,49 4,49 5,94 6,76 7,68 8,75 10,00 11,41 13,22 8,4 6,93 6,93 9,09 10,30 11,65 13,20 14,98 16,96 19,46 8,6 10,56 10,56 13,68 14,40 17,28 19,42 21,83 24,45 27,68 8,8 15,76 15,76 20,08 22,38 24,88 27,64 30,68 33,90 37,76 9,0 22,87 22,87 28,47 31,37 34,42 37,71 41,23 44,84 49,02 9,2 31,97 31,97 38,69 42,01 45,41 48,96 52,65 56,30 60,38 9,4 42,68 42,68 50,00 53,45 56,86 60,33 63,79 67,12 70,72 9,6 54,14 54,14 61,31 64,54 67,63 70,67 73,63 76,29 79,29 9,8 65,17 65,17 71,53 74,25 76,81 79,25 81,57 83,68 85,85 10,0 74,78 74,78 79,92 82,05 84,00 85,82 87,52 89,05 90,58 10,2 82,45 82,45 86,32 87,87 89,27 90,56 91,75 92,80 93,84
NH3 là yếu tố quan trọng có ảnh hưởng lớn đến tỷ lệ sống, sinh trưởng đối với thủy sinh vật. NH3 là khí độc đối với thủy sinh vật cịn ion NH4+ không độc và nồng độ N- NH3 gây độc đối với cá là 0,6-2,0 ppm (Downing và Markins, 1975; trích dẫn bởi Boyd, 1990). Theo Colt và Armstrong (1979) (trích dẫn bởi Boyd, 1990) tác dụng độc hại của NH3 đối với cá là khi hàm lượng NH3 trong nước cao, cá khó được bài tiết NH3 từ máu ra mơi trường ngồi. NH3 trong máu và các mô tăng làm
Bài giảng: Ơ nhiễm mơi trường, 2012Bộ mơn: Công nghệ môi trường
pH máu tăng dẫn đến rối loạn những phản ứng xúc tác của enzyme và độ bền vững của màng tế bào, làm thay đổi độ thẩm thấu của màng tế bào đưa đến cá chết vì khơng điều khiển được quá trình trao đổi muối giữa cơ thể và mơi trường ngồi. NH3 cao cũng làm tăng tiêu hao oxy của mô, làm tổn thương mang và làm giảm khả năng vận chuyển oxy của máu.
Độ độc của NH3 đối với một số loài giáp xác cũng đã được ngiên cứu, ở nồng độ 0,09 mg/l NH3 làm giảm sự sinh trưởng của tôm càng xanh (Macrobrachium rosenbergii), ở nồng độ 0,45 mg/l làm giảm 50% sự sinh trưởng của các lồi tơm he. Ngoài ra, LC50-24 giờ và LC50-96 giờ của NH3 đối với tôm sú hậu ấu trùng (Penaeus monodon) là 5,71 mg/l và 1,26 mg/l(Chin và Chen, 1987). Nồng độ NH3 được coi là an tồn cho ao ni là 0,13 mg/l. Do đó, việc theo dõi hàm lượng NH3 trong ao ni thủy sản là rất cần thiết để nâng cao năng suất nuôi. Ở hàm lượng dưới mức gây chết NH3 cũng có ảnh hưởng xấu đến thủy sinh vật:
• Giảm khả năng sinh sản, giảm khả năng chống bệnh
• Nó gia tăng tính mẫn cảm của động vật đối với những điều kiện không thuận lợi của môi trường như sự dao động của nhiệt độ, thiếu oxy.
• Ức chế sự sinh trưởng bình thường.
NH4+ trong nước rất cần thiết cho sự phát triển của các sinh vật làm thức ăn tự nhiên, nhưng nếu hàm lượng NH4+ quá cao sẽ làm cho thực vật phù du phát triển q mức khơng có lợi cho cá (thiếu oxy vào sáng sớm, pH dao động...). Theo Boyd (1990) hàm lượng NH4+ thích hợp cho ao nuôi thủy sản là 0,2-2 mg/l.
NITRIT
Trong các thủy vực nitrite được tạo thành từ q trình oxy hóa ammonia và ammonium nhờ hoạt động của nhóm vi khuẩn hóa tổng hợp Nitrosomonas theo phản ứng sau:
NH4+ + 3/2 O2 → NO2- + 2H+ + H2O + 76kcal
Trong điều kiện khơng có oxy, nhiều lồi vi sinh vật có thể sử dụng nitrate hoặc một dạng oxy hóa khác của nitrogen (thay vì oxy) như một chất nhận điện tử trong quá trình hơ hấp. Q trình dị dưỡng này được gọi là khử nitrate hay hô hấp nitrate, khi đó nitrate bị khử thành nitrite, hyponitric, hydroxylamine, ammonia hay khí N2.
2HNO3 + H+ → HNO2 + H2O 2HNO2 + 4H+ → N2O2H2 + 2H2O N2O2H2 + NH+ → 2NH2OH 2NH2OH + 4H+ → 2NH3 + 2H2O N2O2H2 +2H+ → N2 + H2O N2O2H2 → N2O + H2 O N2O + 2H+ → N2 + H2O
Q trình này cịn được gọi là q trình phản nitrate hóa, các hợp chất trung gian trong q trình chuyển hóa thường là những dạng độc nên khơng có lợi cho thủy sinh vật. Khi hàm lượng nitrite trong nước cao, nitrite sẽ kết hợp với hemoglobin tạo thành methemoglobin:
Hb + NO2- = Met-Hb
Trong phản ứng này, Fe của hemoglobin bị oxy hóa từ Fe2+ thành Fe3+, kết quả hemoglobin không thể kết hợp với oxy. Với lý do này, tính độc của nitrite là làm giảm hoạt tính của hemoglobin hay có thể gọi là thiếu máu. Máu có chứa methemoglobin thường có màu nâu nên có được gọi là “bệnh máu màu nâu”. Đối với giáp xác, máu có chứa hemocyanin có Cu trong thành phần cấu tạo
Bài giảng: Ơ nhiễm mơi trường, 2012Bộ mơn: Cơng nghệ mơi trường
thay vì Fe như ở hemoglobin. Phản ứng giữa nitrite với hemocyanin chưa được nghiên cứu nhiều nhưng người ta cũng xác nhận rằng nitrite cũng gây độc cho giáp xác. Schwedler & Tucker (1983) (trích dẫn bởi Boyd, 1990) tìm thấy hàm lượng methemoglobin trong máu của lồi cá nheo (chennel catfish) nuôi trong ao biến động từ 5-90%. Máu có màu nâu nhạt khi hàm lượng methemoglobin trong máu đạt 25-30% và máu có màu chocolate khi hàm lượng methemoglobin trong máu cao hơn 50%. Một số lồi cá có thể khử methemoglobin thành hemoglobin khi hàm lượng nitrite trong nước giảm hoặc cá di chuyển đến nơi có hàm lượng nitrite thấp (Huey & Beitinger, 1982; Freeman et al., 1983. Trích dẫn bởi Boyd, 1990).
Nitrite đi vào máu qua mang, mức độ hấp thụ nitrite phụ thuộc vào tỉ lệ nitrite:chloride trong mơi trường nước (Schwedler et al., 1980. Trích dẫn bởi Boyd, 1990) và khả năng chịu đựng nitrite có liên quan đến hàm lượng chloride (Cl-) trong môi trường nước. Cá nheo sống trong mơi trường có tỉ lệ nitrite:chloride 1:1 thì methemoglobin chiếm 80% trong máu, trong khi mơi trường có tỉ lệ nitrite:chloride 1:3 thì hàm lượng methemoglobin chỉ chiếm 25%. Đối với cá măng (Chanos chanos), trong môi trường nước ngọt nitrite độc gấp 55 lần so với mơi trường có độ mặn 16‰. Giá trị LC50-96 giờ của nitrite đối với các loài cá nước ngọt từ 0,66-200 mg/l, đối với giáp xác nước ngọt từ 8,5-14,5 mg/l. Sinh trưởng của tôm càng xanh giảm đáng kể khi nồng độ nitrite là 1,8 và 6,2 mg/l (Colt & Armstrong, 1979. Trích dẫn bởi Boyd, 1990).
Ở các thủy vực nước lợ có hàm lượng Ca2+ và Cl- có khuynh hướng làm giảm tính độc của nitrite (Crawford & Allen, 1977; Perron & Meade, 1977; Russo et al., 1981. Trích dẫn bởi Boyd, 1990). Giá trị LC50-24 giờ và 96 giờ của nitrite đối với tôm sú và hậu ấu trùng là 204 và 45 mg/l (Chen &Chin, 1988). Nồng độ an tồn của nitrie đối với hậu ấu trùng tơm sú là 4,5 mg/l. Tuy nhiên, nồng độ ammonia cao sẽ làm tăng tính độc của nitrite đối với tơm sú. Theo Schwedler et al. (1985) những nhân tố sau đây có ảnh hưởng đến độ độc của nitrite: hàm lượng chloride, pH, kích cỡ cá, tình trạng dinh dưỡng, sự nhiễm bệnh, hàm lượng oxy hịa tan... do đó, khơng thể xác định được nồng độ gây chết, nồng độ an tồn của nitrite trong ni trồng thủy sản.
NITRAT
Nitrate trong thủy vực là sản phẩm của q trình nitrate hóa nhờ hoạt động của một số vi khuẩn hóa tự dưỡng như Nitrobacter (nước ngọt) hay Nitrospina nitrosococcus (nước lợ, mặn). NO2- + 1/2 O2 → NO3- + 24kcal
Nitrate còn được cung cấp từ nước mưa khi có sấm chớp: N2 +2O2 → 2NO2
2NO2 + H2O→ HNO2 + HNO3
Theo Eriksson (1952) thì nước mưa cung cấp đạm cho bề mặt trái đốt từ 1-60 kg/ha/năm, phần lớn dưới 10 kg/ha/năm. Nitrate là một trong những dạng đạm được thực vật hấp thụ dễ nhất, không độc với thủy sinh vật. Hàm lượng nitrate trong nước biển thường dao động từ 0,2-0,4 mg/l, trong khi ở các thủy vực nước ngọt hàm lượng nitrate có thể lên đến hàng chục mg/l. Hàm lượng thích hợp cho các ao ni cá là từ 0,1-10 mg/l. Hàm nitrate cao khơng gây độc cho cá nhưng có thể làm thực vật phù du nở hoa gây những biến đổi chất lượng nước khơng có lợi cho tôm cá nuôi.
LÂN (PHOSPHORUS)
Trong nước thiên nhiên lân tồn tại dưới các dạng muối orthophosphate hòa tan như H2PO4-, HPO42- và PO43- hay dưới dạng phosphate ngưng tụ (Pyrophosphate, P2O74-, Metaphosphate PO3- và polyphosphate). Dạng phosphate ngưng tụ dễ bị thủy phân thành orthophosphate hòa tan. Dạng lân hữu cơ hịa tan dễ dàng chuyển hóa lẫn nhau và chuyển thành dạng muối orthophos phate hòa tan nhờ hoạt động của vi sinh vật. Orthophosphate hòa tan là những ion phân ly từ acid phosphoric
Bài giảng: Ơ nhiễm mơi trường, 2012Bộ mơn: Cơng nghệ mơi trường
(H3PO4) theo phương trình sau: H3PO4 = H+ + H2PO4-
H2PO4- = H+ + HPO42- HPO42- = H+ + PO43-
Hình 2.12. Thành phần các yếu tố photphat phụ thuộc vào pH của mơi trường
Theo Mackereth (1952) (trích dẫn bởi Boyd, 1990) một số thực vật có thể hấp thụ một lượng muối orthophosphate hòa tan vượt nhu cầu cần thiết cho hoạt động sống hàng ngày của chúng, lượng thừa được chúng dự trữ trong cơ thể. Thực vật lớn (macrophyte) hấp thu lân chậm hơn thực vật phù du (phytoplankton). Lân được thực vật hấp thu cùng với đạm, tham gia vào thành phần đạm thực vật, đạm này được động vật sử dụng. Ngồi ra, muối hịa tan của phosphorus trong nước cũng bị lớp bùn đáy của thủy vực hấp thụ (Hepher, 1958; trích dẫn bởi Boyd, 1990). Những lớp bùn đáy chứa nhiều acid hữu cơ hay CaCO3 dễ hấp thu mạnh các muối orthophosphate hòa tan trong nước (Boyd, 1990). Ở mơi trường có pH cao có nhiều ion Ca2+, các muối orthophosphate hịa tan có thể bị kết tủa dưới dạng Ca3(PO4)2.
Trong các thủy vực, hàm lượng các muối hòa tan của phosphate (P-PO43-) trong nước thường rất thấp khoảng 5-20 µg/l và ít khi vượt q 200 µg/l ngay cả đối với thủy vực giàu dinh dưỡng. Hàm lượng lân tổng số (Total Phosphorus – TP) cũng ít khi vượt q 1.000 µg/l. Hàm lượng P-PO43- thích hợp cho các ao ni cá là từ 5-200 µg/l, nếu hàm lượng P-PO43- nhỏ hơn 5 µg/l thì thực vật khơng phát triển nhưng nếu hàm lượng P-PO43- vượt q 200 µg/l thì thực vật phù du sẽ nở hoa.
Giống như đạm, lân là nhân tố giới hạn đối với đời sống thực vật thủy sinh. Năng suất sinh học của thủy vực và năng suất cá nuôi phụ thuộc rất lớn vào hàm lượng lân trong nước. Lân là một nguyên tố dinh dưỡng rất cần thiết, khơng có lân thì khơng những thực vật mà cả nguyên sinh động vật cũng khơng thể sống được. Ngồi ra, nhiều q trình trao đổi chất , đặc biệt là quá trình tổng hợp protein chỉ tiến hành được khi có sự tham gia của H3PO4 và sự thiếu hụt nó trong thủy vực cịn hạn chế q trình phân hủy các hợp chất hữu cơ bởi vi sinh vật.