Chì được coi là một trong những chất ô nhiễm phổ biến có thể tồn tại trong môi trường dưới dạng tan, tích tụ trong trầm tích và không bị phân hủy bởi vi sinh vật thủy sinh. Ngoài ra chì còn có hệ số tích lũy cao trong cơ thể sinh vật và khuếch đại sinh học qua các bậc thức ăn nên kim loại có tác động tiềm tàng lớn tới hệ sinh thái. Những nghiên cứu về chì, ngoài các nghiên cứu về độc cấp tính liên quan tới các xả thải hoặc các tai nạn hóa chất tại các lưu vực, các nghiên cứu cũng tập trung vào nghiên cứu độc mạn tính của chì đối với sinh vật. Trong khi nghiên cứu cấp tính trọng tâm tìm ra được ngưỡng độc cấp tính mà tại ngưỡng đó có thể gây tổn thương lập tức tới quần thể và hệ sinh thái, thì nghiên cứu tác động mạn tính nhằm đánh giá những tác động tiềm tàng lâu dài của hệ sinh thái bởi vì ngay cả khi chất ô nhiễm dưới ngưỡng cho phép cũng có thể gây những tác động lớn tới toàn bộ quần thể và toàn hệ sinh thái. Nồng độ chì trong nước tự nhiên nhìn chung khá nhỏ cỡ µm – mg (10-6 – 10-3 g). Trong điều kiện bình thường và thời gian phơi nhiễm ngắn, các chì với nồng độ thấp có thể chưa tác động tới cơ thể sinh vật. Tuy nhiên do chì có đặc tích tích lũy trong cơ thể sinh vật nên khi phơi nhiễm trong thời gian dài, và khi môi trường nước thay đổi như nhiệt độ, pH thì nồng độ chì có thể sẽ vượt quá khả năng thích nghi và chịu đựng của sinh vật và hình thành các tác động mạn tính tới cơ thể sinh vật. Các nghiên cứu về tác động mạn tính của chì thường tiến hành với các thí nghiệm quan trắc qua nhiều thế hệ sinh vật thử nghiệm bị phơi nhiễm và đòi hỏi các kỹ thuật quan trắc, phân tích số liệu dài và đủ lớn. Nhìn chung các sinh vật sống ở dưới nước phơi nhiễm thường xuyên với nguồn ô nhiễm chì trong thời gian phơi nhiễm mạn tính bộc lộ sớm hơn so với các sinh vật trên cạn. Một cách tổng quan, nghiên cứu mạn tính ảnh hưởng của kim loại tới sinh vật hiện nay đã phát triển tập trung vào các mảng sau: nghiên cứu tích lũy kim loại trong cơ thế sinh vật; nghiên cứu cơ chế ảnh hưởng của kim loại từng quy mô tế bào, từng cơ quan và toàn cơ thể sinh vật.
37
Các nghiên cứu tích lũy chì trong cơ thể sinh vật cho thấy chì là một trong những kim loại có hệ số tích lũy trong cơ thể sinh vật cao hơn so với các nguyên tố kim loại khác như Cr và Cd. [111]. Tuy nhiên các nghiên cứu khác lại khẳng định là hệ số tích lũy của chì trong cơ thể sinh vật nhỏ hơn Cu và lớn hơn Cd [112]. Điều đó chứng tỏ sự tích lũy kim loại chì trong cơ thể sinh vật phụ thuộc rất lớn vào trong môi trường nước. Tuy từng đặc điểm tính chất môi trường nước sinh sống, chì có thể được đưa vào cơ thể khác nhau. Một số nghiên cứu chỉ ra rằng, khi trong môi trường nước thiếu Ca thì Pb sẽ được ưu tiên đưa vào cơ thể sinh vật để làm nhiệm vụ thay thế Ca trong cơ thể [113]. Xét trong cả lưới thức ăn thì chì tích lũy ít hơn ở động vật nổi và có dây hiệu khuếch đai sinh học tích lũy cao ở những bậc sinh thái cao hơn như động vật nổi cỡ lớn, cá, vịt [114]. Khi chì xâm nhập vào trong nước kể cả với những nồng độ nhỏ không đáng kể, một phần chúng sẽ được đào thải qua các cơ quan chuyên hóa của cơ thể như thận, chúng tích lũy một phần trong các bộ phận của cơ thể như xương [115].
Các tác động mạn tính của chì đối với sinh vật tuy không gây chết ngay cho sinh vật nhưng lại là những tác động nghiêm trọng liên quan tới biến đổi gen [116], đặc tính sinh sản và rối loạn các hoạt động protein trong cơ thể sinh vật [117]. Đối với sinh vật dưới nước, do sự tiếp xúc liên tục, chì dễ dàng xâm nhập vào cơ thể chúng. Các tích lũy của chì phụ thuộc vào vị trí từng cơ quan và thời gian phơi nhiễm sẽ ảnh hưởng khác nhau tới sinh lý, sinh sản của cơ thể và sau đó ảnh hưởng tới tỉ lệ tử vong của sinh vật [118]. Các nghiên cứu về mạn tính cũng khẳng định rằng, sự xâm nhập của các kim loại gây độc vào cơ thể con người có thể làm bất hoạt các hoạt động của enzym và thời gian dài sẽ gây nên những tác động tới quá trình sinh sản, duy trì nòi giống của sinh vật. Kim loại còn có tác động tới trao đổi chất [119], tỉ lệ tử vong, kích thước cơ thể và sinh lý của động vật thủy sinh [120]. Gần đây các nghiên cứu trên thế giới tập trung nghiên cứu các động mạn tính cộng hưởng các yếu tố khác như sự có mặt của kim loại khác, nhiệt độ và các chất hữu cơ làm trầm trọng hơn tác động của kim loại[121].
Một số nghiên cứu về tác động của chì tới sinh hóa cơ thể sinh vật thủy sinh tập trung vào cấp độ phân tử và tế bào. Khi xâm nhập vào trong cơ thể, chì sẽ dẽ dàng bắt cặp với các thụ thể có nhóm sulfua trong hầu hết phân tử Lewis axit trong
38
tế bào. Kim loại sẽ có ái lực tương tương tác với các nhóm sulphur đó và sẽ tác động lên các hoạt động của enzym trong cơ thể sinh vật [122]. Tại các vị trí màng tế bào (mang ngoài và màng nội bào) nơi có các enzym hoạt động với chức năng vận chuyển, sự xâm nhập của kim loại vào bên trong tế bào sẽ phá vỡ cân bằng các bơm điện tích của màng và do đó làm rối loạn chuyển hóa cơ thể [123] mặc dù cơ thể sinh vật cũng cơ chế chống lại sư xâm nhập của kim loại vào cơ thể bằng cách bật hoạt chúng trong protein Metallothioneins (MTs)[124].
Các nghiên cứu về tác động mạn tính của kim loại tới sinh vật thủy sinh hiện đang được quan tâm đặc biệt là trong bối cảnh chất ô nhiễm và biến đổi khí hậu tăng cao. Ở Việt Nam các nghiên cứu về ảnh hưởng độc mạn tính của kim loại tới sinh vật thủy sinh hiện đang được phát triển bởi các nhà khoa học Việt Nam. Loài đặc hữu Daphnia lumholtzi [125] được khẳng định là loài giáp xác râu ngành rất nhạy cảm đối với ô nhiễm kim loại trong môi trường nước. Nghiên cứu của tác giả Quách Lệ Thu và cộng sự với Chì và As trên Daphnia magna tại Việt Nam và được khẳng định là hai kim loại có tác động tới sự sinh sản và tỉ lệ sống sót của
D.magna[126]. Tuy nhiên những tác động của các kim loại khác nhau lên các loài là khác nhau. Liệu thời gian phơi nhiễm có ảnh hưởng tới mức độ tác động của kim loại lên cơ thể sinh vật? Liệu các tác động mạn tính trong thời gian phơi nhiễm nhất định có thể biến mất khi sinh vật không tiếp tục phơi nhiễm với hóa chất là các câu hỏi đặt ra cần được nghiên cứu và trả lời. Trong nghiên cứu này, sẽ tập trung làm rõ và chứng minh những vấn đề đặt ra cho các câu hỏi nghiên cứu trên.
Tóm lại:
Kim loại chì là một kim loại phổ biến trong sản xuất và đời sống hàng ngày. Việc nghiên cứu ảnh hưởng cấp tính và mạn tính của kim loại chì tới sinh vật thủy sinh rất cần thiết trong bối cảnh ô nhiễm chì đang trở nên phổ biến trong các thủy vực. Việc nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới ngưỡng độc cấp tính của kim loại tới sinh vật thủy sinh sẽ giúp việc xác định ngưỡng độc riêng tại từng thủy vực có tính chất khác nhau. Mặt khác, khi phát triển mô hình tính toán ngưỡng độc cấp tính cho từng thủy vực sẽ giúp các nhà quản lý đề xuất ngưỡng xả thải bảo vệ hệ sinh thái tốt hơn. Tính toán ngưỡng độc cấp tính cũng như để xây dựng tiêu chuẩn chất lượng
39
nước đang được châu Á và thế giới quan tâm. Việt Nam là quốc gia đang phát triển thuộc vùng nhiệt đới, nơi có nhiều sinh vật bản địa phát triển đa dạng nhưng cũng là nơi chịu nhiều tác động ô nhiễm tại các thủy vực. Việc ứng dụng và phát triển mô hình BLM tại Việt Nam là rất cần thiết để tính toán ngưỡng chịu tải của hệ sinh thái, bảo vệ hệ sinh thái thủy sinh. Các nghiên cứu về độc học đặc biệt là bộ số liệu độc học phục vụ cho mô hình BLM ở Việt Nam còn hạn chế. Để mô hình BLM khi ứng dụng được dự báo chính xác thì việc nghiên cứu bộ số liệu độc học đối với sinh vật bản địa và phương thức phát triển công thức của mô hình BLM là rất cần thiết . Trên thực tế, sinh vật, ngay cả khi sống trong môi trường có nồng độ chất ô nhiễm dưới ngưỡng quy chuẩn cũng chịu những tác động tiềm ẩn. Các tác động này có thể gây đến những thay đổi cấu trúc loài trong hệ sinh thái và gây suy giảm về đa dạng sinh học. Các tác động mạn tính của kim loại chì đối với sinh vật bản địa vùng nhiệt đới nói chung và Việt Nam nói riêng cần được nghiên cứu và khẳng định. Ngoài ra việc thích nghi tới các tác động mạn tính của chì và việc mất đi các khả năng thích nghi với các động đó như thế nào cũng là một trong những hướng nghiên cứu cả thế giới và Việt Nam đang quan tâm cũng được thực hiện trong nghiên cứu này.
40
CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 2.1 Tính chất nước hồ tự nhiên và phân bố Moina dubia
2.1.1 Phương pháp thu mẫu nước và phân tích mẫu nước
Địa điểm nghiên cứu
Để xác định giá trị đặc trưng về tính chất nước của các hồ tự nhiên Hà Nội, nghiên cứu tiến hành lựa chọn các hồ có đặc điểm đại diện gồm hồ Bảy Mẫu và hồ Trúc Bạch là hai hồ nội thành, có tình trạng ô nhiễm chất hữu cơ cao. Hai hồ ngoại thành được lựa chọn là Quan Sơn và Tuy Lai là các hồ tự nhiên, ít chịu tác động bởi các hoạt động phát triển đô thị. Thời gian thu mẫu gồm 12 đợt kéo dài từ tháng 1 năm 2018 đến tháng được 5 năm 2020. Các điểm lấy mẫu được mô tả trên hình 2.1.
Hồ Bảy Mẫu
Hồ Bảy Mẫu (21,011465°N; 105,843251°E) nằm trong công viên Thống Nhất thuộc quận Hai Bà Trưng ở Hà Nội. Diện tích mặt nước khoảng 28 ha. Hồ tiếp giáp với đường Đại Cồ Việt, phía đông nam và đông là đường Vân Hồ III chạy ra đường Nguyễn Đình Chiểu. Phía bắc giáp với công viên Thống Nhất, phía tây được chắn bởi đường Lê Duẩn. Bên kia đường là hồ Ba Mẫu. Trong khuôn viên hồ Bảy Mẫy có trạm xử lý nước thải cho khu vực quận Hoàn Kiếm và Hai Bà Trưng (khoảng 45.000 người) với diện tích lưu vực thoát nước lên đến 217ha. Chất lượng nước thải sau xử lý xả ra đạt TCVN 7222:2002. Nước sau khi được xử lý sẽ được bơm bổ cập cho các hồ Thiền Quang, Bảy Mẫu và Ba Mẫu góp phần giảm thiểu ô nhiễm nước các hồ.
Hồ Trúc Bạch
Hồ Trúc Bạch (59°59′N 189°59′E) thuộc quận Ba Đình, Hà Nội. Diện tích mặt hồ 22ha, thông dòng với hồ Tây thông qua nhánh cống. Cạnh hồ có trạm xử lý nước thải Trúc Bạch công suất xử lý nước thải trung bình 2.300m3/ngày đêm với chất lượng nước sau xử lý đạt tiêu chuẩn loại B QCVN14:2008/BTNMT, cho phép xả thải vào hồ Trúc Bạch. Tuy nhiên, dù hoạt động hết công suất thì cũng chỉ xử lý được 1/3 lượng nước thải đổ vào hồ. Ngoài ra hồ Trúc Bạch chịu áp lực bởi lượng nước chảy từ các nhà hàng, quán nước xung quanh và nước chảy tràn đổ vào hồ khiến chất lượng nước hồ Trúc Bạch luôn ở mức thấp.
41
Hồ Quan Sơn
Hồ Quan Sơn (20°41'40.0"N 105°41'35.1"E) thuộc huyện Mỹ Đức - Hà Nội. Đây là hồ tự nhiên có diện tích mặt nước là 850ha. Hồ nằm cách Hà Nội khoảng 50 km về hướng Nam Tây Nam, là hồ ngoại thành Hà Nội và không chịu tác động của các hoạt động phát triển đô thị. Hồ Quan Sơn có chức năng chính là cùng cấp nước tưới cho sản xuất nông nghiệp của các xã trong huyện Mỹ Đức.
Hồ Tuy Lai
Hồ Tuy Lai (20°45'59.8"N 105°39'39.0"E) nằm cách trung tâm thành phố Hà Nội khoảng 45 km về phía Tây Nam. Đây là hồ nước tự nhiên có diện tích mặt 26,5 km2 được bao quanh bởi các dải núi đá vôi. Kích thước mặt hồ nơi rộng nhất là 810m; kích thước bề mặt nơi eo hẹp nhất 118m. Chức năng chính của hồ Tuy Lai là điều tiết nước lũ và cung cấp nước cho nông nghiệp của huyện Mỹ Đức, Hà Nội.
Thu mẫu nước và động vật nổi
Quá trình lấy mẫu tuân thủ theo hướng dẫn tiêu chuẩn ISO 17025 và quy chuẩn TCVN 5994:1995 (ISO 5667-4:1987) về chất lượng nước-lấy mẫu- hướng dẫn lấy mẫu nước ở hồ ao tự nhiên và nhân tạo. Tại hiện trường, tiến hành đo các thông số nhiệt độ (To), pH, bằng thiết bị đo đa chỉ tiêu tại hiện trường HORIBA U- 53G Multiparameter và độ trong (Secchi Disk) đo bằng đĩa Secchi tiêu chuẩn.
Hồ Trúc Bạch
42 Hồ Quan Sơn Hồ Tuy Lai
Hình 2.1 Sơ đồ lấy mẫu nước và động vật nổi tại các hồ nội và ngoại thành Hà nội
Phương pháp bảo quản đối với mẫu nước (theo TCVN 6663-3:2008). Các mẫu nước được lấy đầy vào chai nhựa màu trắng bọc nilon đen có nắp nhựa. Các mẫu nước xác định kim loại được bảo quản ngay tại hiện trường bằng axít HNO3 để đưa pH của mẫu < 2. Các mẫu được bảo quản lạnh ở 4oC, và phân tích ngay trong 5 ngày kể từ ngày lấy mẫu. Đối với các mẫu nước xác định Chlorophyll-a (Chl-a) sẽ được xác định ngay sau khi chuyển về phòng thí nghiệm. Mẫu nước sau khi lấy được xử lý theo tiêu chuẩn và được phân tích tại phòng thí nghiệm theo TCVN tương ứng ở bảng 2.1.
Bảng 2.1 Các thông số phân tích ở phòng thí nghiệm
STT Thông số phân tích ở PTN Đơn vị Phương pháp
2 COD mg/l TCVN 6491:1999
3 Tổng Ni tơ (Nitơ Kjeldahl+ NO2—N + NO3—N)
mg/l Nitơ Kjeldahl (4500-Norg C, ISO 5663:1984)) 4 NO2--N mg/l TCVN 8742:2011 5 NO3--N mg/l TCVN 8742:2011 6 Tổng Phốt pho mg/l TCVN 6202:1996 7 Chlorophyll-a (Chl-a) mg/l SMWW 10200 H 8 Tổng Ca, Mg mg/l TCVN 6224 : 1996 9 Clorua (Cl-) mg/l TCVN 6194 : 1996
43
STT Thông số phân tích ở PTN Đơn vị Phương pháp
10 Kim loại nặng Pb, Zn, Cu, Cd
mg/l ICP-MS, ELEMENT,
Finnigan MAT, EPA 200,8
Tình trạng phì dưỡng đánh giá thông qua chỉ số phì dưỡng (TSIs) [127] được tính cho các hồ theo công thức sau:
4
TN TP Chl a SD
TSI TSI TSI TSI
TSI
Trong đó:
TSITP = 60-14,42ln(48/TP); TSIChl = 9,81 ln (Chl-a) + 30.6;
TSISD = 60 – 14.41 ln(SD) (SD-Secchi Depth; m); TSITN =54,45+14,43ln TN;
2.1.2 Phương pháp thu mẫu và phân loại động vật nổi
Mẫu động vật nổi được thu trực tiếp trên hồ một cách ngẫu nhiên cách mặt nước 0,5 m vào buổi sáng. Dụng cụ lấy mẫu có mặt lưới có kích thước là 200 µm dùng để thu các động vật nổi kích thước lớn (macrozooplankton). Mẫu động vật nổi sau khi thu mẫu được bảo quản trong chai với formaline 5% và đưa vào phòng thí nghiệm để phân loại.
44
Từ 100ml mẫu thu ngẫu nhiên lấy 50ml mỗi mẫu sau đó lấy 1ml tạo tia zíc zắc trong buồng đếm Sedgwick Rafter để xác định thành phần động vật nổi và mật độ động vật nổi. Các động vật nổi được quan sát và xác định dựa trên các yếu tố chính dựa theo các đặc điểm loài theo hướng dẫn sách “Động vật chí” tập 5 [128] và được sử dụng trên kính soi nổi (Nikon, Japan, model: TMS-F) thị kính (× 40). Số lượng động vật nổi được tính bằng trung bình cộng số con mỗi lần đếm mẫu và được tính thành số cá thể trên 1 lít nước.
2.2 Thuần hóa sinh vật thử nghiệm