1.2.3.1. Khái niệm chỉ thị sinh học
Sinh vật chỉ thị môi trường là những đối tượng sinh vật có yêu cầu nhất định về điều kiện sinh thái liên quan đến nhu cầu dinh dưỡng, hàm lượng CO2, khả năng chống chịu một hàm lượng nhất định các yếu tố độc hại trong môi trường sống. Do đó, sự hiện diện hay không của chúng biểu thị một tình trạng điều kiện sinh thái của môi trường sống nằm trong hay vượt quá giới hạn nhu cầu và khả năng chống chịu của đối tượng sinh vật đó. Sinh vật chỉ thị môi trường có thể là các loài sinh vật hoặc các tập hợp loài. Các điều kiện sinh thái tác động đến thực vật chỉ thị chủ yếu là các yếu tố gây hại như hàm lượng các chất dinh dưỡng, nhu cầu CO2, chất độc và các chất gây ô nhiễm khác.
Theo dõi chất độc hại gây ONKK là rất cần thiết để hiểu sự phân bố không gian và thời gian của chúng, mục đích cuối cùng để giảm thiểu tối đa tác hại của chúng đối với con người và sinh vật. Ngoài các phương pháp giám sát chất lượng không khí phổ biến hiện nay, phương pháp sử dụng chất chỉ thị sinh học như các loại thực vật có mao mạch (rêu, nấm và địa y) cũng là một phương pháp
để đánh giá rủi ro gây ra bởi ONKK và đã được sử dụng trong nhiều năm ở
Châu Âu và Bắc Mỹ [32]. Quan trắc sinh học (biomonitoring) được định nghĩa là việc sử dụng những sinh vật để đạt được những thông tin về đặc trưng của bầu khí quyển. Các sinh vật được sử dụng sẽ được gọi là “chỉ thị sinh học
(bioindicator)” hoặc “giám sát sinh học (biological monitor)”. Có sự khác biệt đáng kể giữa hai thuật ngữ trên. Chỉ thị sinh học liên quan tới tất cả các sinh vật sống sẽ cung cấp cho ta biết thông tin về môi trường hoặc đặc trưng của sự thay đổi môi trường đó. Còn giám sát sinh học là những sinh vật sống cung cấp thông
24
tin định lượng về tính chất môi trường [33]. Các sinh vật chỉ thị sinh học có thể
phân thành các nhóm theo tác dụng khác nhau:
- Tác dụng giải đoán môi trường là các loài sinh vật chi thịmẫn cảm với điều kiện môi trường không thích hợp, có thể sử dụng chúng làm công cụ để nhận biết tình trạng môi trường.
- Tác dụng thăm dò là những loài sinh vật chỉ thị thích nghi đối với môi
trường nhất định, sự xuất hiện của chúng có thể dùng để đo phản ứng và
thích nghi đối với sự thay đổi của môi trường.
- Tác dụng khai thác là các loài sinh vật chỉ thị có thể chỉ thị rõ cho sự xáo trộn hay ô nhiễm môi trường.
- Tác dụng tích luỹ sinh học là các loài sinh vật chỉ thị có khả năng tích luỹ các hoá chất trong mô của chúng.
Sinh vật thử nghiệm là các sinh vật được chọn lọc để nghiên cứu trong điều kiện thí nghiệm nhằm xác định các chất ô nhiễm. Do đó, với việc lựa chọn các sinh vật phù hợp, chúng ta hoàn toàn có thể giám sát chất lượng không khí ngay cả đối với những nơi xa xôi hẻo lánh, tức là ta có thể thực hiện phép đo chất ô nhiễm trong phòng thí nghiệm ở cách xa vị trí treo mẫu. Thậm chí nếu bề mặt sinh vật chỉ thị bị nhiễm bẩn, ta hoàn toàn có thể đem rửa sạch chúng trước khi thực hiện các phép đo bởi các chất ô nhiễm mà ta quan tâm đã tích tụ ở bên trong sinh vật. Quan trắc sinh học cung cấp một phương pháp thụ động trong việc đo sự tích tụ của chất ô nhiễm trong không khí sau một khoảng thời gian và
có một số ưu điểm sau:
- Không yêu cầu sử dụng thiết bị lấy mẫu tốn kém.
- Hàm lượng trong chất chỉ thị sinh học cao hơn các hệ thống giám sát khác. Điều này cải thiện độ chính xác của phép đo.
- Đa số những sinh vật chỉ thị đều phản ánh điều kiện bên ngoài trong một khoảng thời gian trung bình nhất định. Điều này vô cùng quan trong khi nghiên cứu mức độ ô nhiễm theo thời gian.
+ Tính chất của sinh vật chỉ thị:
- Sinh vật chỉ thị có khả năng chống chịu với các yếu tố vô sinh của môi
trường và tác động tổng hợp của chúng.
- Đặc điểm phản hồi tác động của nhân tố môi trường lên sinh vật chỉ thị
25
- Tính chỉ thị môi trường của sinh vật chỉ thị được thể hiện ở các bậc khác
nhau bao gồm:
+ Sinh vật chỉ thị: dấu hiệu về sinh lý, sinh hoá, tập tính, tổ chức tế bào của cá thể.
+ Quần thể sinh vật chỉ thị: cấu trúc quần thể các loài chỉ thị.
+ Quần xã sinh vật chỉ thị: một số nhóm sinh vật chỉ thị nào đó (sinh vật nổi, sinh vật đáy).
Nhờ tính chất của sinh vật chỉ thị có thể sử dụng khả năng tích tụ các chất ô nhiễm trong cơ thể và giá trị biểu thị tác động tổng hợp của các yếu tố môi trường lên sinh vật để đánh giá môi trường thuận lợi và hiệu quả hơn so với một số phương pháp lý hoá học.
+ Các tiêu chí lựa chọn sinh vật chỉ thị:
Các sinh vật chỉ thị được sử dụng để xác định hàm lượng các nguyên tố vết
trong không khí cần đáp ứng được một số tiêu chí lựa chọn sau [34]: - Sinh vật được chọn phải có độ phổ biến cao trong môi trường.
- Sinh vật được chọn phải có sẵn trong tự nhiên tại tất cả các mùa trong năm. Bởi vì một số thực vật phân chia bậc thấp phải phát triển để chống trọi lại thời tiết khắc nghiệt.
- Sinh vật được chọn nên có khả năng chịu đựng ô nhiễm ở các mức độ khác
nhau.
Bên cạnh những tiêu chí quan trọng, còn có những tiêu chí khác như [35]: - Sự thay đổi sinh học của sinh vật được chọn nên được giới hạn.
- Sinh vật được chọn phải có hàm lượng các nguyên tố thấp hoặc không có.
- Đảm bảo không có sự hấp thụ nguyên tố từ các nguồn khác.
- Phương pháp lấy mẫu và treo mẫunên đơn giản và nhanh chóng.
1.2.3.2. Sử dụng rêu làm chỉ thị sinh học
Trong các quá trình tích lũy sinh học, nhiều loài sinh vật có thể tích luỹ các chất ô nhiễm trong các mô của chúng. Các sinh vật tích tụ có đặc điểm:
- Chất ô nhiễm được hấp thụ qua bề mặt cơ thể hay qua những cấu trúc đặc
trưng.
- Sự tích luỹ này có thể diễn ra trong suốt vòng đời của sinh vật mà không có tác động phụ xuất hiện.
- Hàm lượng tích luỹ trong mô của sinh vật tích tụ có thể gấp 103 - 106 lần so với trong môi trường (hiện tượng "khuếch đại sinh học").
26
Khả năng tích tụ chất ô nhiễm ở sinh vật tích tụ được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu, quan trắc, xử lý môi trường. Những mô tích luỹ các chất ô nhiễm biểu thị hàm lượng các chất này rất rõdo phản ánh cả quá trình các chất ô nhiễm xâm nhập vào môi trường và tác động lên sinh vật trong suốt thời gian dài. Từ sau những năm 1970, bắt đầu có các nghiên cứu sử dụng thực vật tích tụ để xử lý các đất bị ô nhiễm KLN (chịu được hàm lượng KLN cao hơn 10 - 100 lần so với các cây trồng nông nghiệp). Đặc điểm của các loài thực vật này là chỉ hấp thụ một hoặc một số KLN đặc trưng trong các bộ phận trên mặt đất (chồi, cành, lá). Vì vậy để xử lý các chất ô nhiễm, người ta thu hoạch và tiêu huỷ các bộ phận tích luỹ của thực vật. Cho đến 2002 đã phát hiện 420 loài có khả năng tích tụ KLN cao, trong đó: một số là nguồn thực phẩm, nhiều thực vật lớn và nhuyễn thể, cá (môi trường nước); địa y, rêu và thực vật có mạch (môi trường đất, không khí). Trong đó, rêu được sử dụng rộng rãi cho quan trắc các KLN. Trong thực tế khó có loài đơn lẻ nào đáp ứng được đủ các tiêu chuẩn của sinh vật chỉ thị về tích tụ. Trong các chương trình giám sát ô nhiễm phải khắc phục theo hai cách: (1) quan trắc thụ động và thu mẫu (để phân tích hóa học) từ nơi cư trú đặc biệt của những sinh vật bản địa; (2) quan trắc chủ động (tại nơi cư trú) các sinh vật có ở vùng không ô nhiễm.
Rêu là một loại thực vật không có hoa, phát triển mạnh trong môi trường ẩm ướt và đã được sử dụng như một sinh vật chỉ thị để nghiên cứu ONKK [36]. Rêu
có các tính chất phù hợp để trở thành một sinh vật chỉ thị như:
- Rêu có khả năng tích tụ các KLN hiệu quả.
- Rêu hấp thụ các chất gây ô nhiễm chủ yếu theo cách thụ động thông qua
trao đổi ion tự do qua lớp biểu bì phát triển kém của rêu.
- Rêu không có rễ thực sự, do đó chúng không thể hấp thụ chất dinh dưỡng
trực tiếp từ đất.
- Chất dinh dưỡng được hấp thụ từ không khí qua rêu có tỷ lệ bề mặt trên
khối lượng lớn, điều này sẽ cải thiện khả năng hấp thụ không khí của rêu.
- Rêu có tốc độ tăng trưởng chậm cho phép chúng có khả năng tích tụ các
chất ô nhiễm trong một khoảng thời gian dài.
- Trong suốt thời gian sống, sự thay đổi về cấu trúc, Hình thái học của rêu là không đáng kể. Điều này sẽ không làm ảnh hưởng tới hàm lượng cũng như mức độ hấp thụ không khí của rêu.
- Rêu có khả năng sinh tồn cao và phân bố rộng ở nhiều nơi. Điều này rất
27
(a) Hypnum commutatum.
(b) Barbula indicar.
(c) Sphagnum girgensohnii.
Hình 1.8. Ảnh chụp của các loại rêuđược sử dụng để chỉ thị ô nhiễm KLN trong không khí ở Nga (a) và ở Việt Nam (b, c).
Rêu đã được thừa nhận là chỉ thị sinh học hiệu quả về ô nhiễm KLN trong không khí ở Thụy Điển vào cuối những năm 1960 [37] do việc phân tích chúng
tương đối dễ dàng. Một số nghiên cứu sử dụng các loài rêu khác nhau làm chỉ thị sinh học khi khảo sát KLN trong khí quyển, chẳng hạn như rêu Pleurozium schreberi [38], Scleropodium purum [39], Hylocomiumvialens [39, 40],
28
Plagiothecium denticulatum, Bryum argentum và Sphagnum sp [41], Hypnum cupressiforme [42], Thuidium tamariscinum [40], Brachytechium salebrosum và Brachytechium rutabulum [43], Polytrichum formosum [44], và Sphagnum girgensohnii [45], Barbula indica [46]. Bảng 1.1 trình bày tổng hợp ảnh hưởng
tương đối từ các loại nguồn khác nhau đối với 15 nguyên tố KLN được nghiên
cứu thường xuyên nhất trong ô nhiễm môi trường không khí với một số loài rêu như Hình 1.8.
Bảng 1.1. Các nguồn yếu tố đóng góp vào thành phần các KLN trong rêu [47].
Nguyên tố ONKK Bụi biển Rau quả Đất
Al +++ V ++ + Cr + ++ Mn -- +++ Fe + +++ Ni ++ ++ Cu ++ + Zn ++ - ++ + As +++ - Se ++ ++ Br +++ Sr +++ + Cd ++ + Sb +++ Hg ++ + Pb +++
+, ++, +++: đóng góp dương và tăng độ quan trọng;
29
1.2.4 Tình hình nghiên cứu ô nhiễm kim loại nặng trong không khí sử dụng chỉ thị sinh học rêu