nước trên thế giới và ở Việt Nam
1.4.1. Khái quát về chỉ thị sinh vật, chỉ số tổ hợp sinh học cá và khả năng sử dụng các chỉ số tổ hợp sinh học cá để đánh giá chất lượng môi trường nước
1.4.1.1. Khái quát về chỉ thị sinh vật
Sinh vật chỉ thị là những sinh vật mẫn cảm với điều kiện sinh lý, sinh hóa, nghĩa là chúng hoặc hiện diện hoặc thay đổi hình thái, sinh lý, tập tính, số lượng cá thể do mơi trường bị ơ nhiễm hay môi trường bị xáo trộn. Sinh vật chỉ thị gồm các loại: sinh vật cảm ứng và sinh vật tích tụ
* Sinh vật cảm ứng: Là những sinh vật chỉ thị có thể tiếp tục hiện diện trong mơi trường ơ nhiễm thích ứng, phù hợp với tính chất của sinh vật chỉ thị, song có ít nhiều biến đổi do tác động của chất ô nhiễm như giảm tốc độ sinh trưởng, giảm khả năng sinh sản, biến đổi tập tính…
* Sinh vật tích tụ: Có tính chất chỉ thị trong mơi trường thích ứng và có khả năng tích tụ một số chất ơ nhiễm nào đó trong cơ thể chúng với hàm lượng cao hơn nhiều lần so với môi trường bên ngồi. Bằng phương pháp phân tích hóa sinh mơ cơ thể có thể phát hiện và đánh giá các chất ô nhiễm này dễ dàng hơn nhiều so với phương pháp phân tích thủy hóa.
Tính chỉ thị mơi trường của sinh vật có những thuộc tính cơ bản sau:
- Tính chỉ thị mơi trường của sinh vật dựa trên khả năng chống chịu của sinh vật với các yếu tố vô sinh của môi trường và tác động tổng hợp của chúng.
- Tính chỉ thị mơi trường của sinh vật được thể hiện ở các bậc khác nhau: cá thể, quần thể, quần xã…
+ Mức cá thể: Chất gây ô nhiễm hủy hoại chức năng sinh lý và làm thay đổi tập tính, giảm nhịp điệu tăng trưởng, tăng mức tử vong.
+ Mức quần thể: Chất gây ô nhiễm làm giảm số lượng và sinh vật lượng,, giảm mức sinh sản, tăng mức tử vong, làm biến động số lượng khơng theo một chu kì nào.
Do đó sinh vật khơng thể thích ứng được, khơng thể điều hòa được trạng thái tồn tại của mình.
+ Mức quần xã: Chất gây ơ nhiễm làm thay đổi về cấu trúc và hoạt động chức năng của nó. Chỉ cần một khâu nào đó trong quần xã bị tổn thuơng thì tồn bộ quần xã mất cân bằng, dễ dàng bị suy thối và diệt vong. Khi đó quần xã bị hủy hoại, cả hệ sinh thái cũng bị hủy hoại theo, các quần thể bị diệt vong, tính đa dạng sinh học và đa dạng di truyền cũng giảm và biến mất [15].
- Khả năng tích tụ các chất của sinh vật (còn gọi là hệ số tích tụ) đơi khi rất cao. Dù trong môi trường hàm lượng chất gây hại thấp và sinh vật tích tụ ít nhưng do hiện tượng “khuếch đại sinh học” hàm lượng qua xích thức ăn mà các sinh vật ở bậc dinh dưỡng cao hơn, kể cả con người, có thể bị ngộ độc rất lớn khi sử dụng sinh vật đó làm thức ăn [15].
1.4.1.2. Khái quát về chỉ số tổ hợp sinh học
Khi so sánh các kết quả đánh giá chất lượng môi trường nước bằng các phương pháp vật lí, hóa học và sinh học thì Cục mơi trường Mỹ (EPA) nhận thấy rằng, 50% trường hợp suy giảm môi trường nhận biết bằng các chỉ số sinh học trùng với sự suy giảm các chỉ số hóa học. Ngược lại, chỉ có 3% trường hợp nhận biết bằng các chỉ số hóa học trùng với các chuẩn mực sinh học. Từ đó EPA kết luận dùng chỉ số tổ hợp sinh học để đánh giá môi trường nước có nhiều ưu điểm, thuận lợi và chính xác hơn. Phương pháp này ngày càng được nhiều người sử dụng [22].
Chỉ số tổ hợp sinh học (IBI- Index of Bioctic Integrity) sử dụng phương pháp so sánh để đo trạng thái của một hệ thống sống như hệ sinh thái (Moyle và Randall, 1998) [43]. Các giá trị IBI được lập ra dựa trên hầu hết các thuộc tính hệ thống sống mà có chứa thơng tin về cấu trúc, chức năng và tổ chức của các quần xã sinh vật (Osborne và các cộng sự, 1992). Nhờ có các thuộc tính này mà IBI phản ánh được các thành phần của hệ sinh thái, kết cấu nơi sống và cấu trúc dinh dưỡng, sức sống cá thể và sự phong phú loài [34].
Phương pháp IBI là phương pháp tính điểm cho 12 chỉ số thuộc 3 nhóm: thành phần lồi và sự giàu có về lồi, cấu trúc dinh dưỡng, sự ưu thế vể điều kiện sống. Sau
đó dựa vào tổng điểm của IBI để đánh giá môi trường hoặc sức khỏe của hệ sinh thái theo các cấp độ khác nhau [31, 36]. Tuy nhiên, tùy điều kiện từng vùng mà có thể thay đổi các chỉ số sao cho phù hợp [39].
Việc sử dụng các phương pháp sinh học để đánh giá chất lượng môi trường nước có nhiều ưu điểm hơn các phương pháp khác:
- Phương pháp phân tích lí, hóa học xác định các yếu tố riêng lẻ trong môi trường nước ô nhiễm. Tác động này rất khác với tác động tổng hợp của toàn bộ các yếu tố. Tác động tổng hợp chỉ được thể hiện qua các dữ liệu sinh học, do phương pháp sinh học thu được trên cá thể sinh vật hoăc qua quần xã sinh vật trong môi trường nước bị ô nhiễm [27].
- Phương pháp phân tích lí hóa học xác định chất lượng mơi trường nước chỉ ở một thời điểm tức thời nhưng các chất ơ nhiễm có thể biến đổi hoàn toàn theo thời gian. Trong khi đó, phương pháp sinh học thể hiện được chất lượng môi trường nước qua một quá trình diễn ra trong một thời gian nhất định đủ cho một vài chu kì sống của sinh vật chỉ thị [39, 40].
- Các phương pháp phân tích lí hóa học hiện nay chưa có khả năng xác định các chất có hàm lượng siêu nhỏ trong mơi trường nước năm dưới giới hạn phân tích, trong khi đó phương pháp sinh học có khả năng gián tiếp xác định được các chất có hàm lượng siêu nhỏ, dựa vào khả năng tích tụ sinh học của sinh vật chỉ thị [36]
- Có đến hơn 1.500 chất ô nhiễm được thải vào trong môi trường nước, song chỉ có 25 chất trong số đó là được xác định bằng phương pháp thủy lí hóa. Với số lượng lớn các chất độc hại như vậy thì khơng phải cách phân tích lí, hóa nào cũng có thể kiểm sốt được các hóa chất thực tế đang gây ô nhiễm [27].
1.4.1.3. Khả năng sử dụng các chỉ số tổ hợp sinh học cá để đánh giá chất lượng môi trường nước
Những nghiên cứu sử dụng chỉ số tổ hợp sinh học IBI đã được ứng dụng ở nhiều sinh vật khác nhau như: cá, động vật không xương sống, sự kết hợp giữa cá và những sinh vật khác [31]. Nhưng chỉ số tổ hợp sinh học cá được ứng dụng nhiều nhất vì cá có nhiều ưu điểm sau:
Cá là động vật có xương sống ở nước. Cá có trong hầu hết các loại hình thủy vực. Ra khỏi nước, cá sẽ chết ngạt sau một thời gian. Nhiệt độ và hàm lượng oxi, hàm lượng chất dinh dưỡng, các chất độc trong nước ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống của cá. Các loài cá khác nhau có giới hạn nhiệt và nhu cầu oxi khác nhau. Một số loài nhạy cảm với mơi trường ơ nhiễm. Cá là một mắt xích quan trọng trong lưới thức ăn thuỷ vực và có vai trị rất quan trọng trong chu trình vật chất và năng lượng.
Phương pháp sử dụng cá làm sinh vật chỉ thị có những ưu điểm sau:
- Cá là sinh vật chỉ thị trong thời gian dài (vài năm) và phản ánh điều kiện môi trường sống rộng vì chúng sống tương đối lâu và di chuyển nhiều.
- Các mẫu cá thu thập được gồm các loài cá đại diện cho các khâu khác nhau trong chuỗi thức ăn (cá ăn tạp, cá ăn mùn bã hữu cơ, cá ăn động vật phù du, cá ăn thủy sinh vật bậc cao, cá dữ ăn cá). Chúng tổ hợp được các mắt xích thức ăn từ bậc thấp đến bậc cao, vì thế cấu trúc thành phần khu hệ cá phản ánh tổng hợp các điều kiện môi trường sống.
- Nhiều lồi cá nằm ở phần chóp của chuỗi thức ăn trong thủy vực và chúng lại được con người sử dụng làm thực phẩm, vì vậy cá là đối tượng quan trọng dễ nhận biết và được sử dụng để đánh giá ô nhiễm.
- Cá là đối tượng dễ thu thập mẫu và dễ phân loại đến lồi. Các mẫu cá có thể phân loại, đếm ngay tại hiện trường và thả trở lại mơi trường nước.
- Các khóa phân loại cá chuẩn thường có sẵn hơn là sách phân loại đối với các nhóm thủy sinh vật khác.
- Con người biết rõ hơn mơi trường sống của nhiều lồi cá so với môi trường sống của thủy sinh vật khác.
Vì vậy dùng chỉ số tổ hợp sinh học cá để đánh giá chất lượng nước là một biện pháp rẻ tiền, có hiệu quả được áp dụng ở Mỹ và nhiều nước khác trong đó có Việt Nam [22].
1.4.2. Những nghiên cứu sử dụng chỉ số tổ hợp sinh học cá để đánh giá chất lượng môi trường nước chất lượng môi trường nước
IBI được các nhà khoa học sử dụng ở nhiều nơi trên thế giới. Tại Mỹ có trên 30 bang đã sử dụng IBI (Karr 1981) [31]. Lần đầu tiên IBI được sử dụng để đánh giá chất lượng mơi trường nước ở các dịng suối thuộc Midwestern (Mỹ). Sau đó nó được biến đổi và sử dụng ở Canada, Mehico, Pháp, Ấn độ,…[31]. Ở Nam Carlina Coastal Plain, IBI được sử dụng để đánh giá tác động của môi trường (Paller và các cộng sự, 1996) [31]. IBI được Klayhans (1996) sử dụng ở các dịng sơng thuộc Nam Phi. IBI còn được áp dụng tốt trong việc xác định chất lượng nước của sông Kavango Namibia. Adams và các cộng sự (1992) đã so sánh các quần thể cá dọc theo một dịng sơng ơ nhiễm. Hall và các cộng sự (1994) đã sử dụng IBI để so sánh các quần thể cá ở các dòng suối thuộc Maryland Coastal Plain [31].
Kerans và Karr (1994) đã sử dụng IBI để xác định các điều kiện sống ở các dòng suối thuộc Tennesee; Frenzel và Swanson (1996) sử dụng IBI ở các thủy vực trung tâm Nebraska (Mỹ). Ganasan và Hughes (1998) đã sử dụng IBI ở các con sông thuộc Trung Ấn [31].
Fausch và cộng sự (1984) sử dụng 12 chỉ số để tính IBI. Khi đánh giá suy thối mơi trường sơng vùng đồng bằng miền Tây, Bramblett et all (1991) dùng 9 chỉ số. John Lyon (1992) đã dùng 12 chỉ số để kiểm định sinh học qua IBI đối với vùng nước ấm Winconsin. Robert M. Gughes và J. Gammon (1987) khi nghiên cứu vùng sơng Willamette có nêu chỉ số IWB (Index of well being) và IBI dùng 13 chỉ số. John Lyon, Sonia Navarro et all (1997) khi tính IBI đối với suối và sơng vùng trung tâm phía Tây Mexico đã dùng 10 chỉ số. Khi dùng chỉ số IBI để đánh giá môi trường sông Xen ở Pháp, Oberdoff và Hughes (1992) đã sử dụng 12 chỉ số. Ganasan và Hughes (1997) đã sử dụng 12 chỉ số IBI ở sông Khan và sông Kshipra thuộc Ấn Độ [22]. 1.4.2.2. Ở Việt Nam
Nguyễn Kiêm Sơn đã sử dụng 12 chỉ số IBI cho khu hệ cá suối thuộc vườn Quốc Gia Tam Đảo [22]. Nguyễn Kiêm Sơn cũng sử dụng 12 chỉ số IBI để đánh giá hiện trạng môi trường nước và thành phần lồi cá ở sơng Bồ, Thừa Thiên Huế [23]. Nguyễn Thành Nam, Nguyễn Kiều Oanh, Nguyễn Xuân Huấn, 2010 đã áp dụng 12 chỉ số IBI để đánh giá chất lượng nước suối khu bảo tồn thiên nhiên Vĩnh cửu, tỉnh Đồng Nai [16]. Nguyễn Thị Nam Hiền sử dụng 12 chỉ số IBI để đánh giá chất lượng
mơi trường nước sơng Chu, tỉnh Thanh Hóa [10]. Cịn có Đào Thị Nga sử dụng 12 chỉ số IBI cho khu hệ cá ở vùng hồ Quan Sơn, huyện Mỹ Đức, Hà Nội [17]. Nguyễn Thị Mai Dung đã áp dụng 12 chỉ số IBI để đánh giá chất lượng môi trường nước ở cửa sông Ba Lạt [7].
Ở Việt Nam hiện nay, việc sử dụng IBI để đánh giá chất lượng nước ngày càng phổ biến hơn do những ưu điểm và thuận lợi mà chỉ số IBI mang lại.