Phương pháp hiệu chỉnh mô hình

Thu mẫu nước hồ tự nhiên

Mẫu nước được thu từ các hồ tự nhiên để phục vụ cho việc hiệu chỉnh mô hình. Thu mẫu nước hồ tự nhiên được thực hiện cùng một thời điểm trên 13 hồ Hà Nội trong đó có 11hồ nội thành và 2 hồ ngoại thành Hà Nội. Mẫu nước hồ tự nhiên được đóng vào chai lấy mẫu và đưa về phòng thí nghiệm. Sau đó tiến hành các bước xử lý mẫu trong phòng thí nghiệm và thực hiện các thí nghiệm độc học như các bước đã nêu ở mục 2.3.1. Quy trình xác định giá trị độc cấp tính EC50 trên nền nước hồ tự nhiên được thực hiện giống như quy trình xác định giá trị EC50 với dung dịch nền là các nước nhân tạo . Các quy trình hiệu chỉnh BLM như trên đã được nhiều tác giả tiến hành như: Nghiên cứu hiệu chỉnh mô hình BLM của bạc với nước tự nhiên của G. K. Bielmyer và cộng sự [134]. Phương pháp hiệu chỉnh với nước hồ tự nhiên cũng được phát triển thành hướng dẫn hiệu chỉnh BLM với nước hồ tự nhiên trong báo cáo của OECD ở Châu âu [135].

Hiệu chỉnh mô hình với nước nền tự nhiên

Trong mô hình đã phát triển thực hiện với M. dubia dưới tác động của chì thì các hệ số KCaBL, KMgBL, KNaBL, KKBL, KHBL là các hệ số đặc trưng cho loài, giữ nguyên trong quá trình hiệu chỉnh. Hằng số KPbBL cũng là thông số đặc trưng cho loài.

50

PbBL

f là phần trăm kim loại chì tích lũy trên bề mặt phối tử gây chết 50% số lượng các thể trong loài. Trong điều kiện thí nghiệm trong phòng thí nghiệm, sử dụng với dụng dịch nhân tạo với hạn chế hàm lượng các chất đầu vào nên tác động của chì lên cơ thể sinh vật là tác động đơn lẻ của một kim loại độc. Tuy nhiên ngoài môi trường nước tự nhiên, các chất ô nhiễm kim loại ngoài chì còn có các kim loại khác như Cd, Cu, Zn các tác động cộng hưởng này có thể làm tăng hoặc làm giảm độc tính của chì đối với sinh vật. Vì vậy phần trăm tích lũy của kim loại lên cơ thể sinh vật gây chết 50% cá thể sinh vật sẽ thay đổi. Khi đó

50

PbBL

80

3.3.2 Xác định hệ số hấp phụ lớn nhất của chì trên bề mặt M. dubia

Xác định khối lượng của cá thể M. dubia

Tiến hành cân khối lượng M. dubia độ lặp 10 lần ta có được khối lượng của

M. dubia được biểu diễn trên bảng sau. Với giả thiết khi sau khi sấy ở nhiệt độ 80oC thì khối lượng trọng lượng giảm đi 70% tham khảo theo tài liệu [149].

Bảng 3.10 Thí nghiệm xác định khối lượng M.dubia

Số con thí nghiệm Tuổi thí nghiệm Độ dài các cá thể tham gia thí nghiệm (mm) Khối lượng khô (mg) Ước tính khối lượng ướt (mg) 50 20 giờ tuổi 0,45±0,013 0,00189 0,00441 50 20 giờ tuổi 0,443±0,013 0,00185 0,00432 50 20 giờ tuổi 0,451±0,011 0,00187 0,00436 50 20 giờ tuổi 0,443±0,013 0,00179 0,00418 50 20 giờ tuổi 0.452±0,013 0,00182 0,004247

Vậy khối lượng ướt trung bình của M. dubia được xác định là 0.0043 mg/cá thể

Xác định dung lượng hấp phụ tối đa của chì lên cơ thể M.dubia

Sau quá trình M.dubia hấp phụ chì lên bề mặt cơ thể với pH là 6,7; 7 và 6,5. Thông thường, với pH nhỏ hơn 7 lượng kim loại sẽ được hấ phụ lên cơ thể sinh vật là lớn nhất. Khi đó giá trị EC50 sẽ nhỏ nhất. Vì vậy để tìm dung lượng hấp phụ tối đa của chì lên cơ thể sinh vật thường sử dụng các pH có giá trị từ 6,5-7.ta thu được kết quả như sau:

Bảng 3.11 Quá trình hấp phụ chì trên bề mặt sinh vật M.dubia, pH = 7 Số cá thể tham gia 10 cá thể (<24 giờ tuổi) tại điều kiện cân bằng

Nồng độ Pb2+ ban đầu

Pb2+ tự do trong

dung dịch Ce (µg/l) qe(µg/µg) Ce/qe (µg/mg)

50 38 28,7 540,69 0,053

100 81,71 63 1087,79 0,0579

200 175 136 2267,442 0,0599

81

‘

Hình 3.13 Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir ở pH =7

Trong đó :

Co là nồng độ ban đầu trong dung dịch (µg/L)

Ce là nồng độ chất hấp phụ trong dung dịch tại thời điểm cân bằng (µg/L) qe là nồng độ chất hấp phụ trên bề mặt sinh học tại thời điểm cân bằng (µg/mg)

Phương trình cân bằng hấp phụ đẳng nhiệt mô phỏng hấp phụ chì trên bề mặt sinh học:

2 05 0,0108

y E x

Qmax = 1/2E-05 = 50000 µg/mg=241,54 mM/g

Bảng 3.12 Quá trình hấp phụ chì trên bề mặt sinh vật M.dubia , pH = 6,8 Số cá thể tham

gia 10 cá thể (<24 giờ tuổi) tại điều kiện cân bằng

Nồng độ Pb2+ ban đầu (Co)

Pb2+ tự do trong

dung dịch Ce (µg/l) qe(µg/µg) Ce/qe (µg/mg)

50 45 30,7 831,395 0,0369

100 89,61 68 1256,39 0,0541

200 185 146 2267,442 0,064

82

Hình 3.14 Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir ở pH =6,8

Trong đó :

Co là nồng độ ban đầu trong dung dịch (µg/L)

Ce là nồng độ chất hấp phụ trong dung dịch tại thời điểm cân bằng (µg/L) qe là nồng độ chất hấp phụ trên bề mặt sinh học tại thời điểm cân bằng (µg/mg)

Phương trình cân bằng hấp phụ đẳng nhiệt mô phỏng hấp phụ chì trên bề mặt sinh học:

2 05 0,0355

y E x

Qmax = 1/2E-05 = 50000 µg/g =241,56 mM/g

Bảng 3.13 Quá trình hấp phụ chì trên bề mặt sinh vật M.dubia , pH = 6,5 Số cá thể tham gia 10 cá thể (<24 giờ tuổi) tại điều kiện cân bằng

Nồng độ Pb2+ ban đầu

Pb2+ tự do trong

dung dịch Ce (µg/l) qe(µg/µg) Ce/qe (µg/mg)

50 47 30,7 947,67 0,032

100 94,61 70 1430,814 0,048

200 195 156 2267,442 0,0688

83

Hình 3.15 Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir ở pH =6,5

Trong đó:

Co là nồng độ ban đầu trong dung dịch (µg/L)

Ce là nồng độ chất hấp phụ trong dung dịch tại thời điểm cân bằng (µg/L) qe là nồng độ chất hấp phụ trên bề mặt sinh học tại thời điểm cân bằng (µg/mg)

Phương trình cân bằng hấp phụ đẳng nhiệt mô phỏng hấp phụ chì trên bề mặt sinh học:

0,0003 0,0281

y x

Qmax = 1/0003=33333,3µg/mg =123,45 mM/g

Theo quy luật thông thường khi pH càng thấp, chì tồn tại ở dạng linh động nhiều hơn nên nồng độ chì hấp phụ sẽ nhiều hơn tuy nhiên ở pH bằng 6.5 có ảnh hưởng tới quá trình trao đổi chất của M.dubia do đó mà lượng chì hấp phụ trên bề mặt sinh vật thấp hơn ở pH bằng 7.

Đánh giá kết quả từ 3 thử nghiệm ta tìm được dung lượng hấp phụ cực đại là logKPbBL = 0,241 M/g

84

3.3.3 Tính toán các hệ số của mô hình và phương trình của mô hình

Để tìm các hệ số mô hình tiến hành thay các giá trị của hệ số phương trình thực nghiệm Ri = ai/bi (trong đó ai, bi lần lượt là hệ số góc và hệ số tự do của phương trình dạng y=ai * x+bi của các phương trình (3.1), (3.2), (3.3), (3.4), 3.5. Ta có như sau: RH = 900; RCa = 233; RMg = 500; RNa = 200; RK = 233. Thay vào phương trình (2.20) và biến đổi ta có hệ phương trình 5 ẩn 5 phương trình sau:

4 3 4 3 4 3 1 0,026 0,137 0,076 0,077*10 0,233 10 0,038 0,298 0,164 0,16*10 K 0,5 10 0,0226 0,0238 1 0,0116 0,067*10 0,2 10 0,0216 CaBL MgBL NaBL KBL HBL CaBL MgBL NaBL KBL HBL CaBL MgBL NaBL KBL HBL CaB K K K K K x K K K K x K K K K K x K                       4 2 2 0,069 0,14 1 0,078*10 0,23 10 0,078 0,109 0,536 0,0567 1 0.9 10 L MgBL NaBL KBL HBL CaBL MgBL NaBL KBL HBL K K K K x K K K K K x             

Giải phương trình trên ta có: KCaBL = 0,304x103;

KMgBL = 0,630x103; KNaBL = 0,225x103; KKBL = 0,314x103; KHBL = 1,069x103

So sánh các hệ số KCaBL, KMgBL KNaBL KKBL KHBL nghiên cứu đối với M. dubia và với các hệ số mô hình của các sinh vật khác như Daphnia Magna (bảng 3.14)

Bảng 3.14 So sánh hệ số mô hình của M.dubia ( trong nghiên cứu này) với hệ số của mô hình de Schamphelaere và cộng sự [132] và Heijerick và cộng sự([150]

Giá trị Log K (Log cơ số 10)

Hệ số mô hình

Moina dubia (đối

tượng nghiên cứu với Pb)

Daphnia Magna

(kim loại nghiên cứu với Cu) [118]

Daphnia Magna

(kim loại nghiên cứu với Cu) [134]

Log KCaBL 2,48 3,47 3,34

LogKMgBL 2,8 3,58 3,12

LogKNaBL 2,352 3,19 2,37

LogKKBL 2,49 - -

Log KHBL 3,026 5,4 6,83

Kết quả nghiên cứu cho thấy hệ số giá trị Log KHBL = 3,026 cao nhất đối với thí nghiệm của H+ cho thấy H+ có ảnh hưởng lớn tới độc tính của chì trên M. dubia.

85

Hệ số này thấp hơn so với LogK của đồng tác động lên Daphnia, Karel De Schamphelaere và cộng sự [118] và Heijerick và cộng sự [150]. Trong khi đó các giá trị Log KCaBL, Log KMgBL, Log KNaBL nhỏ hơn các hệ số tương ứng của đồng với

D. Magna. Điều này chứng tỏ các ion cation Ca2+, Mg2+, Na+ có vai trò làm giảm tính độc của chì lên M. dubia ít hơn là đối với đồng trên D. Magna. Trong các cation này, hệ số của cation Mg+ và Ca+ có giá trị cao đặc biệt hơn so với Na2+ điều này cũng chứng tỏ Ca+ và Mg+ có tác động tới sự cạnh tranh với ion chì treen bề mặt M. dubia. Na+ và K+ có hệ số ảnh hưởng tương đương nhau trong việc cản trở chì xâm nhập vào cơ thể. Phát hiện trên cũng trùng với kết quả nghiên cứu của các nghiên cứu trước đó của Karel De Schamphelaere[132]. Một trong những ảnh hưởng của Na+ tới cơ thể sinh vật được các nghiên cứu trước để cập đó là việc tăng nồng độ cation Na+ sẽ làm mất điện tích của tế bào chất trong tế bào khi đó sẽ gây ra tác động độc cộng hưởng với tác động của chì lên M.dubia[151]. Trong nghiên cứu này đã đưa thêm ảnh hưởng của K tới độc tính của chì tới M. dubia trong khi các nghiên cứu khác chưa đưa giá trị K trong ảnh hưởng của cation tới độc tính của chị tới M. dubia. Ngoài tác động cạnh tranh như một cation đối với chì trên bề mặt phối tử, kali còn có tác động tới cơ chế hoạt động sinh lý của cơ thể M. dubia.

Các hệ số cân bằng đã xác định được đưa vào phương trình tính toán EC50 với công thức chung:

  50 2 2 50 50 . 1 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) (1 ).K PbBL CaBL MgBL NaBL KBL HBL PbBL PbBL f EC K Ca K Mg K Na K K K H f            

Trong đó: các hệ số được xác đình bằng thực nghiệm như sau: KCaBL = 0,304x103; KMgBL = 0,630x103; KNaBL = 0,225x103; KKBL = 0,314x103; KHBL = 1,069x103 Hệ số 50 PbBL

86

Hình 3.16 Mối quan hệ giữa f và R2

R2 tối đa đạt được ở giá trị f=0,34 với R2 = 0,7916 (hình 3.13)

Các hệ số liên kết giữa phối tử và các ion trong nước (Ca2+, Mg2+, Na+, K+, H+) ở loài M.dubia là một thông số quan trọng của mô hình để tính toán chính xác kết quả EC50. Các nghiên cứu về bộ số liệu về các hệ số liên kết độc học trong các nghiên cứu trước đó được thực hiện phần lớn trên các động vật nổi ôn đới. Hơn thế nữa, các nghiên cứu sau này tại các vùng nhiệt đới thường xác định gián tiếp các hệ số liên kết thông qua việc tính toán tương đối.

Kết quả nghiên cứu đã xác định các giá trị các hệ số liên kết phối tử sinh học là hệ số đặc trưng cho loài M.dubia nhiệt đới trực tiếp từ các thí nghiệm độc học. Các hệ số liên kết là đăc trưng của từng loài. Trên thực tế các dữ liệu độc học của từng loài càng phong phú, việc tính toán ngưỡng chịu tải cho hệ sinh thái bằng mô hình BLM càng trở lên chính xác.

87

Hình 3.17 Mối quan hệ giữa giá trị EC50 từ thí nghiệm với nước nền nhân tạo và từ tính toán mô hình

Hệ số giải thích được của mô hình (coeffecient determination) mô tả khả năng giải thích của mô hình là 79,16%, nói lên việc sử dụng mô hình sẽ xác định 79,16% sự thay đổi của EC50, phần còn lại là các yếu tố môi trường khác không kiểm soát được bằng mô hình. Khi sử dụng mô hình để xác định giá trị EC50, sai số Mape (Mean absolute percentage error – sai số phần trăm tuyệt đối) là 10,2%, nghĩa là mô hình tính toán có sai số trung bình tương đối 10,2 %. Như vậy, mô hình có thể tính toán giá trị độc cấp tính của chì đối với Moina dubia ở với độ chính xác cao (Hình 3.14).

88

Bảng 3.15 So sánh giá trị EC50Pb2+tính toán từ mô hình và giá tri EC50Pb2+từ thực nghiệm

H+ (mol/L) Ca2+ (mol/L) Mg2+ (mol/L) Na+ (mol/L) K+ (mol/L) EC50-Pb2+ thí nghiệm (x10-7) M EC50-Pb2+ mô hình (x10-7) M

8,34E-05 1,14E-04 5,96E-04 3,48E-04 3,29E-08 2,85 2,86

3,47E-04 1,15E-04 5,96E-04 3,38E-04 3,32E-08 3,21 3,03

6,93E-04 1,15E-04 5,96E-04 3,30E-04 3,35E-08 3,77 3,25

1,44E-03 1,13E-04 5,96E-04 3,20E-04 3,39E-08 4,19 3,73

2,86E-03 1,13E-04 5,96E-04 3,20E-04 3,44E-08 4,88 4,65

7,72E-05 1,22E-04 5,96E-04 3,33E-04 3,07E-08 2,66 2,86

7,49E-05 4,67E-04 5,96E-04 3,38E-04 3,11E-08 3,06 3,32

7,57E-05 1,83E-03 5,96E-04 3,27E-04 3,33E-08 3,84 5,15

7,65E-05 1,90E-03 5,96E-04 3,27E-04 3,19E-08 4,20 5,24

7,58E-05 2,34E-03 5,96E-04 3,17E-04 3,29E-08 4,85 5,83

7,43E-05 2,92E-03 5,96E-04 3,07E-04 3,38E-08 5,90 6,61

1,14E-04 1,19E-04 1,52E-04 5,83E-05 3,37E-08 2,53 2,48

1,14E-04 1,19E-04 5,96E-04 5,83E-05 3,34E-08 2,59 2,69

1,12E-04 1,19E-04 1,17E-03 5,83E-05 3,33E-08 2,79 2,97

1,12E-04 1,19E-04 1,56E-03 5,83E-05 3,37E-08 3,05 3,16

1,12E-04 1,19E-04 2,64E-03 5,83E-05 3,38E-08 3,49 3,67

1,12E-04 1,19E-04 3,22E-03 5,83E-05 3,38E-08 3,58 3,95

Đối với các dự đoán cho các thay đổi thí nghiệm thay đổi kali và canxi thì kết quả tính toán của mô hình và thí nghiệm có sự sai khác lớn hơn đối với các thí nghiệm thay đổi các cation khác. Giá trị EC50 tính toán từ mô hình lớn hơn so với giá trị EC50 thí nghiệm. Nguyên nhân là do trong quá trình thí nghiệm, ngoài các cation kim loại chính được tính toán trong mô hình, còn có các cation khác có vai trò trong sự phát triển của M. dubia ví dụ như Cu, Co, Mn, Se và các anion trong dung dịch Cl-, PO42-, CO32-, SO42. Các cation này và anion này hiện chưa được đưa vào mô hình tính toán. Nên có sự sai khác giữa kết quả tính toán và kết quả thực nghiệm. Ngoài ra các ảnh hưởng sinh lý của canxi và kali gây tác động tới M. dubia

ngoài các tác động cạnh tranh với chì trong quá trình sinh vật hấp thu chì vào cơ thể chưa được đưa vào mô hình để tính toán. Tuy nhiên số liệu cho thấy, các sai khác này nhỏ và trong phạm vi sai số cho phép của mô hình.

89

3.3.4 Hiệu chỉnh mô hình trong điều kiện nước nền tự nhiên

Mẫu nước tự nhiên được thu từ 11 hồ nội thành. Các tính chất nước của hồ tự nhiên được thể hiện trong bảng 3.16. Kết quả phân tích thống kê cho thấy giá trị EC50 thực nghiệm có mối tương quan có ý nghĩa đối với giá trị EC50 tính từ mô hình (P-value = 0,001).

Trong môi trường nước hồ đô thị, ngoài các cation chính được xem xét ảnh hưởng tới giá trị EC50-Pb2+ đối với Moina dubia như Ca2+, Mg2+, Na+, K+ còn có các cation và anion khác có tính chất phức tạp và có nồng độ lớn cũng ảnh hưởng làm tăng độc tính của chì đối với Moina dubia. Ngoài ra các hồ nội thành ngoài nguyên tố kim loại có độc tính đang xem xét là chì còn có các kim loại khác như asen, cadimi, đồng có trong nước tự nhiên làm tăng độc tính của chì khi thực hiện các thí nghiệm với nước nền là nước tự nhiên. Các hồ Hồ Kim Liên và Hồ Văn Chương có giá trị EC50-Pb2+ nhỏ nhất trong các hồ đã lựa chọn. Đối với những hồ ở tình trạng ô nhiễm nặng có nhiều ion ngoại lai sẽ làm tăng tính độc của một kim loại bất kì ở trong hồ.

Kết quả cho thấy giá trị EC50 trong thí nghiệm với nước hồ tự nhiên và giá trị EC50 tính toán theo mô hình có sự phân tán lớn hơn các kết quả thí nghiệm của môi