8. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
2.2.1. Các bước nghiên cứu của Luận án
Quy trình nghiên cứu đã được thực hiện với các bước nghiên cứu được minh hoạ trong Hình 2.2.
Tổng quan
Lựa chọn cách tiếp cận
Xây dựng phương pháp đánh giá vai trò của các loài TVTS để
làm sạch các chất ô nhiễm có hàm lượng cao trong nước sông Nhuệ
Thực nghiệm trồng các TV
Đề xuất giải pháp sinh học làm sạch nước sông Nhuệ
Hình 2.2. Các bước nghiên cứu của Luận án 2.3. Quan điểm, cách tiếp cận của luận án
2.3.1. Quan điểm nghiên cứu
2.3.1.1. Quan điểm hệ thống và tổng hợp
Đối tượng nghiên cứu của luận án – chất lượng nước, trầm tích sông Nhuệ và các loài thực vật thuỷ sinh có khả năng làm sạch nước là một hệ thống với các bộ phận cấu thành có mối quan hệ biện chứng với nhau, tác động qua lại và phụ thuộc vào nhau để tạo thành một hệ thống thống nhất và hoàn chỉnh. Đồng thời, mỗi hệ thống lại là một cấp đơn vị nhỏ nằm trong một hệ thống lớn hơn nên luôn tồn tại 2 mối quan hệ: quan hệ giữa các thành phần trong hệ thống và giữa hệ thống này với các hệ thống khác. Do vậy, khi nghiên cứu, đánh giá chất lượng nước sông Nhuệ và khả năng cải thiện chất lượng nước sông Nhuệ bởi các thực vật thuỷ sinh cần phải xem xét đầy đủ và toàn diện các hợp phần, các đơn vị bộ phận của hệ sinh thái môi trường sông trong mối quan hệ tác động qua lại giữa chúng với nhau.
2.3.1.2. Quan điểm phát triển bền vững
Việc đề xuất các giải pháp nhằm cải thiện chất lượng nước sông Nhuệ phải tuân thủ nguyên tắc phát triển bền vững. Phát triển bền vững phải đảm bảo đồng
thời 3 yếu tố: kinh tế, xã hội, môi trường. Điều này được thể hiện trong việc khai thác, sử dụng hợp lí tài nguyên thiên nhiên, mang lại lợi ích kinh tế cao nhất, đồng thời có cách thức khai thác tốt nhất, bảo đảm nguồn tài nguyên cho thế hệ mai sau, đảm bảo cân bằng sinh thái và cải thiện môi trường tự nhiên. Vận dụng quan điểm này vào luận án khi tiến hành đề xuất kiến nghị định hướng không gian và kỹ thuật nuôi trồng các thuỷ sinh thực vật với việc sử dụng hợp lí tài nguyên thiên nhiên và bảo vệ môi trường khu vực nghiên cứu.
2.3.2. Các cách tiếp cận khoa học
2.3.2.1. Tiếp cận hệ sinh thái
Áp dụng tiếp cận hệ sinh thái, luận án tập trung cho đối tượng các thực vật thuỷ sinh có mạch và môi trường nước, môi trường trầm tích sông Nhuệ - những hợp phần quan trọng trong mối quan hệ với các yếu tố chất lượng môi trường sông. Bằng cách tiếp cận này, các loài TVTS có mạch được lựa chọn cho nghiên cứu có những tiêu chí như khả năng sống, tồn tại, phát triển tốt, cho sinh khối cao vượt trội so với những loài TVTS khác có sống trong môi trường nước sông Nhuệ để từ đó thể hiện được hiệu quả rõ rệt trong việc lấy đi các chất ô nhiễm có trong môi trường sông. 3 loài TVTS thuỷ trúc, rau muống và rau ngổ trâu là các loài TVTS có mạch đã được lựa chọn từ 33 loài có trong hệ sinh thái sông Nhuệ do tần suất xuất hiện của chúng là cao hơn so với các loài khác (9/9 lần khảo sát). Bên cạnh đó, các nghiên cứu của Hailiang Song và cộng sự (2014), Nerella và cộng sự (1999), Trương Thị Nga và Võ Thị Kim Hằng (2010), Trần Văn Tựạ (2004)... đã chứng minh cây thuỷ trúc, cây rau muống, cây ngổ trâu vừa có khả năng loại bỏ các chất dinh dưỡng là hợp chất của nitơ và của photpho, còn có khả năng loại bỏ một hàm lượng đáng kể các KLN trong nước. Điều này cho thấy sự phù hợp của việc sử dụng các loài TVTS này trong việc cải thiện chất lượng nước sông Nhuệ bởi kết quả phân tích chất lượng nước sông Nhuệ cho thấy hàm lượng cao các chất hữu cơ, các chất dinh dưỡng, vi sinh vật, và một số kim loại nặng Fe, Zn.
2.3.2.2. Tiếp cận sử dụng khôn khéo đất ngập nước
Áp dụng cách tiếp cận sử dụng khôn khéo đất ngập nước để duy trì và phát triển hệ sinh thái đất ngập nước trong khuôn khổ của phát triển bền vững. Sử dụng khôn khéo vùng đất ngập nước sông Nhuệ để thực hiện được các vai trò của một dòng sông nội đô - chứa, vận chuyển nước thải cũng như cung cấp nước tưới tiêu cho vùng lưu vực đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuât quốc gia nhằm đảm bảo sức khoẻ cộng đồng, đảm bảo cảnh quan sinh thái đẹp phục vụ công cuộc phát triển bền vững của đất nước.
2.4. Phương pháp nghiên cứu
Việc nghiên cứu được áp dụng kết hợp nhiều phương pháp khác nhau, trong đó chủ yếu gồm 3 nhóm các phương pháp sau:
2.4.1. Nhóm phương pháp nghiên cứu ngoài thực địa
2.4.1.1. Lập kế hoạch trước khi khảo sát ngoài hiện trường
Việc lập một sơ đồ với các vị trí lấy mẫu trên sông cần được thực hiện sao cho tại mỗi vị trí phải đảm bảo tại đó nước được hoà trộn tương đối đều theo mặt cắt ngang. Trong nghiên cứu này, vị trí quan trắc lấy mẫu được chọn nằm trên thuỷ trực giữa dòng chủ lưu của mặt cắt ngang dòng chảy. Mục đích lấy mẫu nước, mẫu trầm tích, tọa độ của điểm lấy mẫu được xác định bằng thiết bị định vị toàn cầu GPS và được trình bày trong Bảng 2.2. Các vị trí lấy mẫu nước, mẫu trầm tích được xác định và được minh họa trong Hình 2.3.
Việc chuẩn bị các tài liệu như bản đồ hành chính, giấy thông hành, các dụng cụ cần thiết trong quá trình khảo sát như máy định vị GPS Garmin eTrex 30X, dụng cụ lấy mẫu nước gồm các chai, túi nhựa dẻo đựng mẫu polyester và máy bơm nước chạy xăng HonDa 4,5 HP GX 100, dụng cụ lấy mẫu trầm tích gồm có gàu thu bùn Ekman 3-196- B31 và túi nhựa dẻo đựng mẫu polyester ,… được lên danh sách cụ thể và được sắp xếp đầy đủ.
Bảng 2.2. Các vị trí lấy mẫu nước, mẫu trầm tích và mục đích lẫy mẫu
TT Vị trí lấy Tọa độ Mục đích lẫy mẫu
mẫu Vĩ độ Kinh độ
1 Cầu Tó 20°57'06'' 105°48'42” Đánh giá chất lượng nước và trầm
tích sông Nhuệ sau khi tiếp nhận nước thải sinh hoạt của nước thải của khu công nghiệp Phú Diễn, nước thải của thành phố Hà Nội, làng nghề rèn dao kéo Đa Sỹ.
2 Cầu Chiếc 20°52'06'' 105°50'06” Đánh giá chất lượng nước và trầm
tích sông Nhuệ sau khi tiếp nhận nước thải của khu dân cư Văn Điển, bệnh viện Tâm thần Trung ương, các nhà máy sản xuất phân lân, xà phòng, sơn, pin và nước thải nông nghiệp hai bên bờ sông
3 Cầu Đồng 20°47'66” 105°50'25” Đánh giá chất lượng nước và trầm
Quan tích sông Nhuệ sau khi tiếp nhận
nước thải từ huyện Thường Tín và Thanh Oai
4 Cầu Cống 20°41'56” 105°53'49” Đánh giá chất lượng nước và trầm
Thần tích sông Nhuệ sau khi tiếp nhận
nước sông Duy Tiên và nước thải sinh hoạt từ xã Minh Đức - Ứng Hòa, nước thải làng nghề sản xuất giày da Phú Yên.
2.4.1.2. Khảo sát ngoài thực địa
Các cuộc khảo sát thực địa sông Nhuệ để điều tra thực tế tình hình sử dụng tài nguyên nước, tài nguyên sinh vật trên sông Nhuệ, các loại hình xả thải vào sông đã được tiến hành vào 9 đợt trong hơn 2 năm, mỗi năm gồm 2 đợt cho mùa khô và 2 đợt cho mùa mưa.Việc lấy mẫu nước, mẫu đất, mẫu sinh vật,… cũng như việc bảo quản các mẫu này trong suốt quá trình khảo sát và sau khảo sát tuân theo các quy chuẩn tiêu chuẩn được ban hành bởi Bộ Tài nguyên và Môi trường.
Trong quá trình khảo sát, tiến hành việc ghi chép về những diễn biến của thời tiết trong thời đoạn quan trắc, về hiện trạng công trình thuỷ lợi, điều kiện dòng chảy trong thời đoạn quan trắc, về tình hình sử dụng nước trong hệ thống, về sự phân bố của các thực vật thuỷ sinh.
2.4.1.3. Phân tích đánh giá tính đa dạng hệ thực vật
Mức độ đa dạng về nguồn tài nguyên thực vật của một khu hệ thực vật thể hiện sự phong phú, đa dạng về loài và các giá trị sử dụng của các loài cây có ích. Phương pháp phân tích tính đa dạng về thành phần, các đặc trưng cấu trúc hệ thống hệ thực vật bậc cao có mạch, mọc tự nhiên hoặc các loài ngoại lai tự nhiên ở khu vực nghiên cứu nhằm có được nguồn tài liệu có ích để xây dựng mô hình sử dụng thực vật giảm thiểu ô nhiễm môi trường nước.
2.4.1.4. Lấy mẫu nước sông
Quá trình lấy mẫu nước sông Nhuệ được thực hiện tuân theo các hướng dẫn trong TCVN 6663-14 (ISO 5667-14:1998), Chất lượng nước - Lấy mẫu. Phần 14: Hướng dẫn đảm bảo chất lượng lấy mẫu và xử lý mẫu nước môi trường. [12].
Thiết bị lấy mẫu, đựng mẫu là các chai, túi nhựa dẻo chịu nhiệt polyetylen với dung tích 1L và 50L. Các chai, túi nhựa dẻo này bền chắc; dễ đậy kín; dễ mở; khối lượng, dạng và kích cỡ hợp lý; dễ kiếm và giá rẻ. Các dụng cụ này cũng chống được sự mất mát chất do hấp thụ, bay hơi, và ô nhiễm bởi các chất lạ. Mẫu nước được lấy ở độ sâu 20cm ở điểm giữa dòng của tầng nước mặt của sông. Tại mỗi vị trí thu mẫu, 250 lít nước sẽ được thu, được vận chuyển về phòng Phân tích tổng hợp Viện Địa lý. 245 lít mẫu này sẽ được dùng cho vào 4 bể thực nghiệm. 5 lít còn lại được
dùng một phần để xác định pH, TSS, COD, BOD5, Tổng Coliform, N-NH4+, N-
NO2-, N- NO3, TN, P- PO43-, TP, Fe, Zn, một phần dùng để lưu mẫu.
2.4.1.5. Lấy mẫu trầm tích sông
Quá trình lấy mẫu trầm tích sông Nhuệ được thực hiện tuân theo các hướng dẫn trong TCVN 6663-15: 2004 ISO 5667-15: 1999 Chất lượng nước - Lấy mẫu. Phần 15: Hướng dẫn bảo quản và xử lý mẫu bùn và trầm tích [11]. Mẫu được lấy bằng gầu thu bùn với lượng bùn từ bề mặt đáy của vực nước tới độ sâu 15 cm với các hạt có kích thước lọt qua rây có đường kính lỗ 2 mm. Mẫu trầm tích bùn sông Nhuệ được đựng vào các túi nhựa dẻo chịu nhiệt polyetylen. Mẫu trầm tích được lấy tổng cộng tại mỗi vị trí thu mẫu là 8kg. Toàn bộ mẫu lấy được sẽ được chuyển về Phòng Phân tích tổng hợp Viện Địa lý. 7kg mẫu này sẽ được dùng cho vào 4 bể thực nghiệm. 1kg còn lại được dùng một phần để xác định hàm lượng chất hữu cơ, thành phần cơ giới, Cd, Fe, Pb, Zn, một phần dùng để lưu mẫu.
2.4.1.6. Lấy mẫu thực vật
Hình ảnh các mẫu thực vật được dùng cho thí nghiệm được trình bày trong Hình 2.4.
Mẫu PT01- Thuỷ trúc
Cyperus alterfolious hay
Mẫu PT02 - Ngổ trâu
Enydra fluctuans Lour.
Mẫu PT03-
aquatica Forsk.
Ipomoea
Cyperus flabelliformis
Rottb.
Hình 2.4. Mẫu thực vật được dùng cho thí nghiệm
Các mẫu cây có độ đồng đều về chiều cao, màu sắc, cây chưa trưởng thành và đang phát triển tốt đã được lựa chọn cho thí nghiệm. Các mẫu TV được lấy vào cùng một thời điểm buổi sáng ngày 28/3/2015 . Mẫu được lấy với một lượng 2 kg cho một loài thực vật. Các mẫu cây sau khi được lấy về, một phần nhỏ 0,15kg được đưa đi giám sát xác định loài ở Viện Sinh thái và Tài nguyên Sinh vật (Phụ Lục), số còn lại được đưa về Phòng Phân tích tổng hợp Viện Địa lý, 0,9 kg được dùng cho
thí nghiệm nuôi trồng thực vật, phần còn lại dùng để phân tích xác định TN, TP, Cd, Fe, một phần dùng để lưu mẫu.
2.4.2. Nhóm phương pháp trong phòng thí nghiệm2.4.2.1. Phân tích thành phần chất lượng mẫu nước 2.4.2.1. Phân tích thành phần chất lượng mẫu nước
Các chỉ tiêu nhiệt độ nước, độ pH, độ dẫn điện, DO được đo ngay ngoài hiện trường và đo hàng ngày bằng máy đo nhanh chất lượng nước WQC-24/TOA. Hàm
lượng COD, BOD5, NH4+, NO3-, NO2-,TN, TP và các KLN trong mẫu nước được
phân tích theo các phương pháp trong Bảng 2.3.
Bảng 2.3. Các chỉ tiêu phân tích mẫu nước và phương pháp phân tích
STT Chỉ tiêu phân tích Đơn vị đo Phương pháp phân tích
COD mg/l TCVN 6491-1999 BOD5 mg/l TCVN 6001-1995 NH4 + mg/l TCVN 5988:1995 NO3 - mg/l TCVN 7323-1:2004 NO2 - mg/l TCVN 6178:1996 TN mg/l TCVN 6498:1999 TP mg/l TCVN 8940:2011 Fe mg/l TCVN 6193-1996 - Phương pháp trắc Zn mg/l 10. As, Cd, Pb, Hg mg/l phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa.
2.4.2.2. Phân tích thành phần chất lượng mẫu trầm tích
Phân tích trầm tích: Trầm tích sông Nhuệ được phân tích hàm lượng chất hữu cơ, thành phần cơ giới và 5 KLN As, Cd, Fe, Zn, Hg theo các phương pháp trình bày trong Bảng 2.4.
Bảng 2.4. Các chỉ tiêu phân tích mẫu trầm tích và phương pháp phân tích
ST Chỉ tiêu phân Đơn vị Phương pháp phân tích
T tích đo
1 Chất hữu cơ mg/kg TCVN 8726:2012- Chất lượng đất - Phương
pháp Kali bicromat
3 Pb mg/kg cadimi, đồng, chì, kẽm trong dịch chiết đất
4 Zn mg/kg bằng cường thủy. Các phương pháp phổ hấp
thụ nguyên tử ngọn lửa và không ngọn lửa.
5 As mg/kg TCVN 8467:2010 (ISO 20280:2007) Chất
lượng đất - Xác định asen trong dịch chiết đất cường thủy bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử theo kỹ thuật nhiệt điện hoặc tạo hydrua.
6 Hg mg/kg TCVN 8882: 2011 (ISO 16772: 2004) Chất
lượng đất - Xác định thủy ngân trong dịch chiết đất cường thủy dùng quang phổ hấp thụ nguyên tử hơi - lạnh hoặc quang phổ hấp thụ nguyên tử huỳnh quang hơi - lạnh.
2.4.2.3. Phân tích thành phần một số chất trong mẫu thực vật và hình thái giải phẫu của thân, lá, rễ
a) Phân tích thành phần một số chất trong mẫu thực vật
Mẫu thực vật trước và sau thí nghiệm được thu và được sấy khô ở nhiệt độ
70oC trong 24h đến khối lượng không đổi rồi được nghiền thành bột và phân tích
hàm lượng các KLN theo các phương pháp trong Bảng 2.5.
b) Làm tiêu bản nghiên cứu hình thái giải phẫu của thân, lá, rễ thực vật
Phương pháp làm tiêu bản và chụp ảnh qua kính hiển vi quang học được thực hiện nhằm hiểu rõ hơn về những đặc điểm cấu tạo của cơ quan sinh dưỡng: thân, rễ, lá và các đặc điểm chung nhất của các loài thực vật thủy sinh, xác định tỷ lệ, cấu tạo của biểu bì, mô mềm vỏ, trụ dẫn...và đặc điểm hình thái ngoài, cấu tạo trong của cơ thể thực vật trong quá trình phát triển và thích nghi với môi trường sống. Mẫu TV trước và sau TN được lấy và được sử dụng làm tiêu bản nghiên cứu hình thái giải phẫu. Những đặc điểm thay đổi sau khi hấp thu lượng lớn chất ô nhiễm đã được quan sát phát hiện.
Bảng 2.5. Các chỉ tiêu phân tích mẫu thực vật và phương pháp phân tích thành phần các chất trong các mô rễ, thân, lá thực vật
phân tích vị
1 TN mg/g TCVN 6498:1999 - Xác định tổng nitơ theo phương pháp
Kjeldahl cải biên
2 TP mg/g TCVN 8940:2011- Xác định photpho tổng số- Phương
pháp so màu
3 Fe mg/g TCVN 8119:2009- Rau quả- Xác định hàm lượng sắt-
Phương pháp đo quang dùng 1,10-Phenanthrolin
4 Zn mg/g TCVN 7811-1:2007-Rau quả và sản phẩm rau quả- Xác
định hàm lượng kẽm- Phương pháp phân tích cực phổ
* Chuẩn bị mẫu làm tiêu bản hiển vi:
- Cắt mẫu: Vị trí các cơ quan sinh dưỡng thuộc đối tượng nghiên cứu có kích thước trung bình nên phương pháp cắt mỏng mẫu bằng tay được sử dụng. Lát cắt phải đảm bảo vuông góc với trục thẳng của vật cắt. Cách cắt mẫu phải tuỳ thuộc