2.1.1. Đối tượng
Đối tượng nghiên cứu là sức khỏe của hệ sinh thái hồ Đồng Nghệ, được suy ra từ các thành phần gồm: sinh khối thực vật phù du, sinh khối động vật phù du và các thông số exergy, structural exergy.
2.1.2. Phạm vi
Về không gian: Khu vực nghiên cứu là Hồ Đồng Nghệ, thuộc xã Hòa Khương, huyện Hòa Vang, thành phố Đà Nẵng.
Các mẫu nước dùng để phân tích được thu tại 10 vị trí dọc theo chiều dài của hồ, theo thứ từ gần đập đến xa đập.
Bảng 2.1. Tọa độ vị trí thu mẫu
Kí hiệu Tọa độ Vị trí tương đối
Kinh độ Vĩ độ DN1 15.951446 108.082701 Gần đập chắn DN2 15.950878 108.080560 DN3 15.950228 108.078270 DN4 15.950176 108.075308 Giữa hồ DN5 15.950827 108.071460 DN6 15.951459 108.068056 DN7 15.950785 108.064004 DN8 15.950309 108.060484 Xa đập chắn DN9 15.950609 108.057158 DN10 15.949004 108.056585
Về thời gian: Nghiên cứu được tiến hành từ tháng 11/2015 đến tháng 4/2016, kéo dài từ mùa mưa qua đầu mùa khô.
Hai đợt thu mẫu chính thức được tiến hành ngày 25/1/2016 và ngày 5/3/2016.
2.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu tài liệu thứ cấp, tổng quan về cách tiếp cận, định nghĩa, phương pháp, công cụ đánh giá sức khỏe hệ sinh thái nói chung và sức khỏe hệ sinh thái hồ nước ngọt nói riêng;
Thực hiện thu thập các số liệu về các indicator bằng việc thu mẫu thực địa tại hồ Đồng Nghệ, phân tích phòng thí nghiệm, tính toán, đo lường, tham chiếu, làm cơ sở dữ liệu cho việc đánh giá sức khỏe hệ sinh thái bằng EHIM;
Tính toán chỉ số EHI thông qua số liệu đã xử lí và phân tích kết quả thu được để đưa ra kết luận về sức khỏe hệ sinh thái hồ Đồng Nghệ vào các đợt thu mẫu.
2.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.3.1. Phương pháp thu mẫu 2.3.1. Phương pháp thu mẫu
Thu mẫu động vật nổi: lọc 15-30l nước qua lưới chóp với mắt lưới 50µm, giữ lại khoảng 100ml nước, cho vào chai PE và cố định bằng dung dịch lugol theo hướng dẫn của tài liệu [16] và TCVN 6663-6:2008 [8]. Mẫu sau đó được bảo quản tối và vận chuyển về phòng thí nghiệm Khoa Sinh – Môi trường.
Thu mẫu thực vật nổi: thu trực tiếp 500ml nước bằng cách nhúng ngập chai PE dưới mặt nước 20cm. Mẫu sau đó được cố định bằng dung dịch lugol, bảo quản tối và vận chuyển về phòng thí nghiệm Khoa Sinh – Môi trường theo hướng dẫn của SMEWW (Standard methods examination of wastewater) và TCVN 6663-6:2008 [8].
2.3.2. Phương pháp phân tích mẫu
Xác định sinh khối động vật nổi: Mẫu nước chứa động vật nổi cô đặc được lọc chân không qua giấy lọc sợi thủy tinh GF/C sau khi loại bỏ thủ công các mảnh vụn. Giấy lọc sau đó được sấy khô ở nhiệt độ 60oC trong tủ sấy trong vòng 24h. Tiếp đến, giấy lọc chứa động vật phù du được cân trên cân điện tử. Sinh khối động vật phù du được tính bằng cách lấy hiệu khối lượng giấy lọc chứa mẫu sau khi sấy và giấy lọc đã được sấy khô và xác định khối lượng trước khi được dùng để lọc mẫu [16].
Xác định sinh khối thực vật nổi: Sinh khối thực vật nổi được tính thông qua hàm lượng chlorophyll-a (mg/l) trong mẫu nước theo TCVN 6662:2000. Lắc để trộn kỹ mẫu, lọc chân không một thể tích mẫu xác định qua giấy lọc sợi thủy tinh GF/F. Lấy giấy lọc chứa mẫu đặt vào bình chiết để tiến hành chiết sắc tố bằng etanol nóng. Lấy chính xác 20ml etanol 90% cho vào bình chiết ngập hết giấy lọc, đóng nắp để tránh bay hơi, lắc nhẹ để ổn định phần cặn. Đun cách thủy trong vòng 5 phút, sau đó lấy ra và để nguội ở nhiệt độ phòng trong 15 phút. Dung dịch được chiết sau đó đem ly tâm để lấy phần trong mang đi đo quang.
Dùng pipet chuyển một phần chiết trong vào cuvet của máy đo phổ UV-VIS, để lại một ít đủ cho bước axit hóa. Đo độ hấp thụ ở bước sóng 665nm và 750nm so với etanol (mẫu trắng). Axit hóa phần chiết còn lại (10ml) bằng 0.01 ml HCl 0.3M, lắc và đo độ hấp phụ ở 665nm và 750nm sau 5 đến 30 phút.
Nồng độ Chlorophyll-a (mg/l) được tính bằng công thức: ρc =
(A−Aa)
Kc x R−1 R x 103Ve
Vsd
Trong đó:
+ A = A665 – A750 là độ hấp thụ của phần chiết trước axit hóa;
+ As = A665 – A750 là độ hấp thụ của phần chiết sau axit hóa;
+ Ve là thể tích phần chiết, tính bằng mililit;
+ Vs là thể tích mẫu đã lọc, tính bằng lit;
+ Kc = 82 l/μg.cm là hệ số hấp thụ phổ đặc trưng cho chlorophyll-a;
+ R = 1.7 là tỷ số A/Aa, cho dung dịch chlorophyll – a;
+ d là chiều dài quang của cuvet, tính bằng centimet;
+ 103 là hệ thập phân số của Ve.
Đối với thực vật phù du, sắc tố diệp lục chiếm khoảng 1-2% khối lượng khô (trung bình là 1.5%). Do đó, sinh khối của thực vật phù du được tính bằng cách lấy tích của hàm lượng chlorophyll-a và hệ số 67 [8].
2.3.3. Tính toán các thông số nhiệt động học
Exergy và structural exergy là hai thông số nhiệt động học được dùng phản ánh những đặc tính ở cấp độ hệ thống của hệ sinh thái.
Exergy, một thông số nhiệt động học được đề xuất sử dụng như một indicator cho hệ sinh thái lần đầu tiên vào cuối những năm 70. Những nghiên cứu trong suốt hai thập kỉ đã hình thành nên nguyên lí “exergy tối ưu” hay “định luật sinh thái của nhiệt động học” [52]. Trong sinh thái học, exergy của một hệ thống được định nghĩa là “khối lượng công việc” mà một hệ thống có thể thực hiện khi nó được đưa về trạng thái cân bằng nhiệt động học với môi trường của nó. Nói cách khác, exergy là năng lượng được sinh vật sống sử
dụng để tạo nên cấu trúc và tổ chức của hệ sinh thái hay tổng năng lượng cần để đưa hệ sinh thái về tập hợp các chất vô cơ. Một hệ sinh thái càng xa trạng thái cân bằng (trạng thái tham chiếu) khi cấu trúc và tổ chức của nó càng phức tạp, tức exergy càng cao. Tổ chức của một sinh vật được thể hiện qua hàm lượng thông tin chứa trong gen trong khi cấu trúc được phản ánh bởi sinh khối [22].
Bên cạnh exergy, structural exergy là thông số sử dụng để mô tả khả năng sử dụng nguồn tài nguyên sẵn có của các sinh vật trong hệ sinh thái, được tính bằng cách chia exergy cho tổng sinh khối (sinh khối của sinh vật và vật chất vô cơ). Sự suy giảm structural exergy trong môi trường nước ngọt bị biến động đồng nghĩa với việc sự suy giảm khả năng sử dụng vật nguồn tài nguyên có sẵn, hay theo cách nói của Odum (1985), là sự suy giảm trong hiệu suất sử dụng tài nguyên. Do đó, structural exergy có thể là một indicator để mô tả định lượng những dự đoán của Odum về hiệu suất sử dụng tài nguyên trong hệ sinh thái nước ngọt.
Jorgensen (1995) đã đưa ra công thức để tính toán exergy của một hệ sinh thái như sau [17, 23]:
Ex = R * T * ∑ (Ci ∗ Wi)𝑛
𝑖=1 (J/l)
Ex = ∑ (Ci ∗ Wi)𝑛
𝑖=1 (g/l)
Trong đó, R là hằng số khí lí tưởng (R= 8.4 J.mol−1.K−1 và khối lượng phân tử trung bình của chất mùn (detritus) là 100.000 [52], T là nhiệt độ tuyệt đối (thường bằng 300oK), Ci là nồng độ/hàm lượng của thành phần thứ i trong hệ sinh thái, Wi là hệ số chuyển đổi của thành phần thứ i. Wi được tính từ lượng thông tin chứa trong gene (Xem bảng 2.2).
Bảng 2.2. Số gen gần đúng và hệ số chuyển đổi đối với một số sinh vật
Kí hiệu Số gen trung bình Hệ số
W* W** Vi khuẩn 600 19.9 x 105 2.7 Tảo 850 25.2 x 105 3.4 Nấm men 2,000 49.3 x 105 5.8 Nấm 3,000 70.3 x 105 9.5 Bọt biển 9,000 196.1 x 105 26.7 Động vật phù du 50,000 1055.8 x 105 144
Sâu 100,000 2104.4 x 105 287
Cá 120,000 2523.8 x 105 344
Động vật có vú 140,000 2943.2 x 105 404
*Khi sử dụng đơn vị g/l cho hàm lượng các thành phần *Khi sử dụng đơn vị gdetritus/l cho hàm lượng các thành phần Chuyển đổi đơn vị của exergy được thực hiện như sau:
g/l gdetritus/l: chia (7.34*105) [52] gdetritus/l J/l: nhân 18,700 [18] Do đó: g/l J/l: nhân 0.025
Structural exergy (Exst) được tính bằng công thức sau: Ex = R * T * ∑𝑛 ((CiCt) ∗ Wi)
𝑖=1 (J/g khối lượng khô) Ex = ∑ ((Ci
Ct) ∗ Wi)
𝑛
𝑖=1 (g/g khối lượng khô)
Trong đó, Ct là tổng hàm lượng sinh khối (tổng của tất cả Ci)
Tùy vào đặc điểm của hệ sinh thái hồ được nghiên cứu, có thể lựa chọn các thành phần khác nhau để tính toán exergy và structural exergy như thực vật nổi, động vật nổi, thực vật bậc cao ngập nước, động vật đáy… Càng nhiều thành phần được sử dụng trong công thức thì kết quả càng phản ánh chính xác hiệu quả sử dụng năng lượng của hệ sinh thái. Trong nghiên cứu này, do điều kiện có hạn nên tôi chỉ dựa vào sinh khối thực vật nổi và động vật nổi để tính toán exergy và structural exergy.
2.3.4. Phương pháp đánh giá sức khỏe hệ sinh thái bằng EHIM
EHIM được ứng dụng để đánh giá sức khỏe hệ sinh thái hồ Đồng Nghệ, thành phố Đà Nẵng. Chỉ số EHI trong nghiên cứu này sẽ được tính dựa trên các ecological indicator gồm: sinh khối thực vật nổi (BP), sinh khối động vật nổi (BZ), tỉ lệ sinh khối động vật nổi và thực vật nổi (BZ/BP), exergy (Ex) và structural exergy (Exst). Ưu điểm khi sử dụng bộ indicator này là thông tin mà nó phản ánh liên quan đến hệ sinh thái (bản chất) nhiều hơn các thông số quan trắc lí hóa mang lại (phản ánh điều kiện môi trường), đảm bảo phản ánh được các cấp độ cấu trúc, chức năng và hệ thống của hệ sinh thái.
Dựa trên các sub-EHI của các indicator riêng biệt, chỉ số EHI của toàn hệ sinh thái được tổng hợp thông qua một trọng số w. Điều này cho phép đánh giá sức khỏe của hệ sinh thái một cách chính xác hơn, toàn diện hơn và
kết quả đầu ra mang tính trực quan cao, dễ hiểu và dễ dàng so sánh, thích hợp cho mục tiêu giám sát chung.
Tính sub-EHI:
Trong hầu hết các hệ sinh thái hồ, indicator có mối quan hệ mất thiết nhất với tình trạng sức khỏe hệ sinh thái là sinh khối thực vật nổi (BP) và hàm lượng Chl-a. BP hay Chl-a cao nhất tương ứng với sức khỏe hệ sinh thái là kém nhất [56]. Do đó, BP được chọn làm indicator cơ bản, các indicator BZ, BZ/BP, Ex và Exst là các indicator bổ sung, giúp kết quả về sức khỏe hệ sinh thái chính xác hơn và toàn diện hơn.
Đầu tiên, tính EHI(BP) – indicator cơ bản, sau đó tính EHI (BZ), EHI(BZ/BP), EHI(Ex) và EHI(Exst) dựa trên sự tương quan giữa BZ, BZ/BP, Ex, Exst đối với BP.
Theo nghiên cứu của Carlson (1977) về chỉ số tình trạng dinh dưỡng TSI, mối quan hệ giữa sức khỏe hệ sinh thái và sinh khối thực vật phù du là theo phân phối lo-ga-rit [5]. Do đó, EHI(BP) có thể được tính theo công thức:
EHI(BP) = 100 * (lnCmax - lnC) / (lnCmax – lnCmin) (*) Trong đó, Cmin và Cmax lần lượt là giá trị sinh khối thực vật phù du đo được thấp nhất và cao nhất trong tất cả các mẫu, tương ứng với EHI(BP) bằng 100 và bằng 0. Trong dữ liệu của 30 hồ ở Ý, giá trị Cmin là 0.004 (mg/l) và Cmax là 150 (mg/l) [56].
Các mối quan hệ giữa BP và các indicator bổ sung được thể hiện bằng phân tích hồi quy tuyến tính và được suy ra từ công thức (*).
Tính trọng số ω:
Trọng số ω cho mỗi thành phần được tính dựa trên hệ số tương quan của indicator cơ bản BP đối với các indicator bổ sung theo công thức [56]:
Với r là hệ số tương quan giữa BP và các indicator bổ sung. Tính EHI
EHI được tính dựa vào sub-EHI và trọng số của mỗi thành phần theo công thức [56]:
EHI = ∑ ωi x subEHI
n
i=1
2.3.5. Phương pháp xử lý số liệu và hình ảnh
Các phần mềm Origin, Microsoft Excel, SPSS được sử dụng để thống kê mô tả, phân tích tương quan, kiểm định độc lâp phi tham số và vẽ biểu đồ thể hiện kết quả. Bản đồ khu vực nghiên cứu được thiết kế bằng phần mềm Mapinfo, Microsoft Powerpoint và Photoscape.
CHƯƠNG 3
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
3.1. GIÁ TRỊ CÁC INDICATOR 3.1.1. Sinh khối thực vật phù du (BP) 3.1.1. Sinh khối thực vật phù du (BP)
Trong hệ sinh thái thủy vực, thực vật phù du đóng vai trò là sinh vật sản xuất, thông qua quá trình quang hợp để tạo ra sinh khối từ CO2 và năng lượng mặt trời, làm nguồn thức ăn chủ yếu cho động vật phù du và các sinh vật tiêu thụ cao hơn [2, 40]. Là khởi điểm của lưới thức ăn phức tạp, cộng với sự nhạy cảm đối với những biến đổi của môi trường [2], sự thay đổi về sinh khối của sinh vật phù du là một trong những dấu hiệu dễ nhận thấy nhất khi thủy hệ sinh thái có những biến động đáng kể, ví dụ như việc sinh khối thực vật phù du tăng mạnh gây ra “triệu chứng” nước nở hoa, là chỉ thị cho “căn bệnh” siêu phú dưỡng khiến sức khỏe hệ sinh thái giảm sút [56].
Kết quả sinh khối thực vật phù du tại các vị trí khác nhau ở hồ Đồng Nghệ qua 2 đợt thu mẫu được thể hiện trong bảng 3.1 và hình 3.1 sau:
Bảng 3.1. Sinh khối thực vật phù du qua các đợt thu mẫu
Hình 3.1. Sinh khối thực vật phù du qua các đợt thu mẫu Vị trí thu mẫu Sinh khối đợt 1 (mg/l) Sinh khối đợt 2 (mg/l) DN1 - 0.794 DN2 2.513 0.661 DN3 1.587 0.397 DN4 - 0.595 DN5 - 0.132 DN6 1.488 0.397 DN7 0.198 0.397 DN8 0.496 0.198 DN9 1.687 0.265 DN10 0.496 0.132 Trung bình 1.209 ± 0.774 0.397 ± 0.215
Kết quả phân tích cho thấy giá trị sinh khối thực vật phù du trong đợt 1 có sự chênh lệch khá lớn giữa các vị trí thu mẫu trong khi khoảng dao động của nó trong đợt 2 lại nhỏ hơn. Trong đợt 1, giá trị sinh khối lớn nhất ghi nhận được tại vị trí thu
mẫu DN2 với 2.513 mg/l và nhỏ nhất tại vị trí DN7 với chỉ 0.198 mg/l, sinh khối trung bình toàn khu vực nghiên cứu là 1.209 ± 0.77 mg/l. Đối với đợt 2, sinh khối thực vật phù du lao động trong khoảng từ 0.132 – 0.794 mg/l và trung bình là 0.397 ± 0.215 mg/l, thấp nhất ở vị trí DN6 và DN10 (0.132 mg/l), cao nhất ở vị trí DN 1 (0.794 mg/l).
Sự chênh lệch lớn giữa sinh khối thực vật phù du tại các vị trí khác nhau trong một hồ chứa bị ảnh hưởng bởi các yếu tố về thủy văn và điều kiện tự nhiên. Do sự thay đổi từ hệ sinh thái sông suối sang hệ sinh thái hồ nên hồ chứa mang những đặc điểm giao thoa giữa 2 hệ sinh thái này. Theo Kimmel và cộng sự (1984), có một sự phân vùng dọc theo chiều dài của hồ chứa từ khu vực tiếp nhận nguồn nước đến gần đập chắn dựa trên các đặc điểm thủy lý-hóa [29]. Có thể chia hồ chứa thành BP phân vùng như sau (hình 3.2):
Hình 3.2. Sự khác nhau về các đặc điểm lý – hóa – sinh giữa ba phân vùng của một hồ chứa điển hình (Nguồn: Kimmel và cộng sự [29])
Cụ thể hơn, Thorton và cộng sự (1990) đã đưa ra mô hình thể hiện gradient của một số thông số theo chiều từ xa đến gần đập chắn để cho thấy được mối tương quan giữa các thông số này [44].
Hình 3.3. Sự thay đổi một số thông số dọc theo chiều dài của hồ chứa (Nguồn: Thorton và cộng sự [44])
Hình 3.3 cho thấy, sự biến động của sinh khối thực vật phù du trong một hồ chứa điển hình có mối tương quan khá rõ với các thông số điều kiện môi trường khác như: dinh dưỡng, ánh sáng, vận tốc dòng chảy… Sinh khối thực vật phù du ở phân vùng chuyển tiếp thường cao hơn phân vùng sông và phân vùng hồ do điều kiện ở đây khá ổn định, các tác động hạn chế về ánh sáng và dinh dưỡng thấp, tốc độc dòng chảy không quá lớn trong nguồn dinh dưỡng vẫn được cung cấp đầy đủ.
Tuy nhiên, số liệu thu thập được của nghiên cứu này lại cho thấy sự sai khác so với mô hình lý thuyết khi trong cả hai đợt thu mẫu, những vị trí cho kết quả sinh khối thực vật cao nhất đều nằm về phía gần đập chắn (DN1 và DN2) – khu vực