1. Giới thiệu về môi trường nước
1.1. Khái niệm về nước
Nước là một hợp chất hoá học rất đặc biệt, trong đó mỗi nguyên tử hydro góp một điện tử vào đôi điện tử dùng chung với nguyên tử oxy để tạo thành liên kết cộng hóa trị. Trong mỗi phân tử nước có hai nguyên tử hydro và một nguyên tử oxy.
H2 + O2 H2O
Hai nguyên tử hydro liên kết với oxy tạo góc liên kết 105o.
Trong nguyên tử oxy, hạt nhân của nó thường có điện tích rất mạnh. Chính vì thế nó có xu hướng kéo điện tử bật khỏi nguyên tử hydro nhỏ hơn. Kết quả là chúng có ưu thế trong mối liên kết cộng hóa trị. Do đó, trong phân tử nước có điện tích dương gần với ngun tử hydro và có điện tích âm gần với ngun tử oxy.
- Nước có M = 18 là nước thường, chiếm 99,8% tổng lượng nước tự nhiên. - Nước có M ≥ 19 là nước nặng, chiếm 0,2% tổng lượng nước tự nhiên. Hàm lượng các loại nước nặng trong tự nhiên phân bố rất khác nhau. Nguyên nhân là do hàng loạt các q trình vật lý, hóa học, sinh học xảy ra khác nhau tạo ra sự phân bố các đồng vị (H và O) khác nhau. Nước là một phân tử phân cực, nên các phân tử nước có tính chất hấp dẫn lẫn nhau nhờ lực hút tĩnh điện. Sự hấp dẫn này tạo nên mối liên kết hydro, nhờ đó ở nhiệt độ thường chúng ở trạng thái lỏng. Giữa các nhóm phân tử nước tồn tại xen kẽ với các phân tử nước đơn lẻ:
mH2O (H2O)m có ΔH < 0. Giá trị m thay đổi theo nhiệt độ (ở thể hơi m = 1; ở thể rắn m = 5;...).
Môi trường nước là môi trường sống chủ yếu của các đối tượng thủy sản.
Tùy theo đặc điểm sinh học của từng đối tượng mà chúng địi hỏi mơi trường nước khác nhau. Một số lồi thủy sản có thể tồn tại trong một thời gian nhất định mà không cần nhiều nước. Đối với các đối tượng thủy sản, môi trường nước thường được chia thành 3 loại dựa vào nồng độ muối có trong nước:
- Mơi trường nước mặn: độ mặn 25-30%o và cũng là nông độ muối của nước biển. Thích hợp cho ni các lồi cá biển, tơm hùm và rong biển.
- Môi trường nước lợ: độ mặn 2-25%0, chủ yếu là vùng cửa sơng ven biển
và có nguồn nước ngọt từ trong nội đồng đổ ra và chịu ảnh hưởng của thủy triều và nước mưa kết hợp với nước biển, làm cho nồng độ muối thay đổi theo mùa. Thích hợp cho ni các lồi cá tơm rộng muối.
- Môi trường nước ngọt: độ mặn < 0,5%0 chủ yếu là vùng nội địa. Thích hợp cho ni các lồi cá, tơm nước ngọt.
1.2. Diện tích nước ở Việt Nam
Diện tích mặt nước có thể khái quát qua Hình 3.1
Hình 3.1: Bản đồ ranh giới các lưu vực sông của nước ta (Nguồn: Dự án đánh
giá ngành nước, Cục Quản lý Tài nguyên nước, 2008)
2. Bản chất lý học của nước
Những tính chất vật lý chủ yếu của nước dưới đất gồm có: tỷ trọng, nhiệt độ, độ trong suốt, màu sắc, mùi, vị, tính dẫn điện, tính phóng xạ.
- Độ trong: Độ trong của nước phụ thuộc vào lượng khống bị hồ tan, các hợp chất cơ học, chất hữu cơ, vi tảo và chất keo tụ trong nước. Nước ngun chất thì trong suốt (thường gọi là khơng màu). Độ trong suốt là khả năng cho ánh sáng mặt trời xuyên qua, còn độ đục là khả năng cản những tia nắng mặt trời. Độ đục và độ trong của nước có ảnh hưởng đến cường độ chiếu sáng của mặt trời vào thủy vực nên có ảnh hưởng đến cường độ quang hợp của thực vật phù du.
- Màu: Màu của nước phụ thuộc vào thành phần hoá học và tạp chất có trong nước. Phần lớn nước khơng màu. Nước cứng có màu xanh nhạt, nước chứa Fe và H2S có màu lục nhạt; nước chứa chất hữu cơ thường có màu vàng nhạt. Nếu nước có nhiều tảo phát triển mà có màu đặc trưng theo từng loại tảo.
- Mùi: Mùi của nước có liên quan đến hoạt động của vi khuẩn phân hủy các hợp chất hữu cơ có trong nước. Nước thường khơng có mùi, khi chứa H2S có mùi Trứng thối và có các mùi khác nhau khi nước có chứa nhiều tạp chất khác nhau.
- Vị: Vị của nước do các loại muối, các chất khí, các tạp chất trong nước quyết định. Khi nước có chứa cacbonat canxi hay axitcacbonic thì nước có vị ngọt dễ chịu. Có chứa nhiều Mg2+ (lớn hơn 1g/L), Na2CO3, MgSO4, MgCl2 có mặt trong nước làm cho nước có vị chát. Nước chứa sắt có vị lợ, tanh.
- Tính dẫn điện: Tính dẫn điện của nước phụ thuộc vào tổng lượng muối trong nước, tính chất các muối và nhiệt độ của nước. Nước khoáng hố cao thường có tính dẫn điện mạnh.
- Tính phóng xạ: Các loại nước dưới đất hầu hết đều có tính phóng xạ. Tuy nhiên mức độ phóng xạ của chúng khác nhau.
- Nhiệt độ: Nhiệt độ trong nước bị ảnh hưởng trực tiếp bởi cường độ bức xạ mặt trời và nhiệt độ khơng khí, nhưng nhờ nước có khả năng giữ nhiệt tốt nên nhiệt độ nước khơng thay đổi lớn như nhiệt độ khơng khí. Sự thay đổi của nhiệt độ theo ngày và đêm tùy thuộc vào tính chất và độ sâu của thủy vực của thủy vực. Sự thay đổi nhiệt độ đột ngột 3-40C có thể làm cho tơm cá chết. Sự thay đổi nhiệt độ có ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất của động vật thủy sản. Quá trình trao đổi chất của động vật thủy sản tăng khi nhiệt độ gia tăng. Nhiều hoạt động sinh học của tơm cá như q trình sinh sản, nở trứng, thời gian hiệu ứng kích dục tố ln liên quan chặt chẽ đến sự thay đổi nhiệt độ môi trường sống và sự ảnh hưởng khác nhau tùy theo loài. Nhiệt độ cũng là nhân tố giới hạn phân bố các loài sinh vật.
- Khối lượng riêng cao và độ nhớt thấp: là đặc điểm thuận lợi cho đời sống thủy sinh vật, nhờ khối lượng riêng cao nên sức nâng đỡ lớn làm cho thủy sinh vật dễ trôi nổi. Ngược lại, độ nhớt thấp làm cho sức cản nhỏ nên thủy sinh vật bơi nhanh.
3. Bản chất hố học của nước
Sự hình thành thành phần hóa học của nước thiên nhiên phụ thuộc vào điều kiện hình thành, q trình di chuyển của nó, thành phần và các đặc tính hóa học của các chất mà nó tiếp xúc. Bao gồm các q trình chủ yếu sau:
- Q trình hố học (hồ tan, hấp thụ, oxy hóa khử,…). - Q trình sinh hóa (quang hợp, phân giải,…).
- Quá trình vật lý (bốc hơi, đóng băng, mưa, tan băng,…).
Sự tác dụng tương hỗ của nước với mơi trường xung quanh có thể làm tăng hàm lượng các chất trong nước, có thể làm giảm hàm lượng các chất trong nước và cũng có thể thay đổi thành phần hóa học của nước thiên nhiên.
Thành phần hóa học của nước phụ thuộc vào từng loại đất và vị trí loại đất đó tồn tại. Nước trong đất lưu thơng nhờ những rãnh nhỏ với đường kính trên 10 μm. Khi nước thấm qua các loại đất khác nhau thì sự thay đổi thành phần hóa học của nước cũng khác nhau.
Nước khi tiếp xúc lâu dài với đất, ngồi khả năng hịa tan các chất trong đất cịn có khả năng trao đổi chất với đất và như vậy cũng làm thay đổi thành phần hoá học của nước. Cụ thể:
- Đất hấp phụ các cation của nước: Đất là một hệ keo, các hạt keo đều mang điện
tích âm. Vì vậy keo đất có khả năng hấp phụ các cation của nước rất mạnh. - Đất có khả năng trao đổi các ion với nước: Khi hàm lượng một loại cation nào đó của nước khá cao thì có thể trao đổi với cation khác trong đất.
- Ảnh hưởng của chất hữu cơ:
+ Chất hữu cơ trong nước được hiểu là tàn tích hữu cơ đang phân hủy, tồn tại trong nước ở cả hai dạng hòa tan và lơ lửng, không bao gồm sinh vật sống, trừ sinh vật có kích thước rất nhỏ như vi sinh vật và tảo đơn bào, cũng khơng bao gồm các tàn tích hữu cơ thơ, có kích thước đủ lớn, có thể lấy ra khỏi nước.
+ Các chất hữu cơ sống và các sản vật mà nó sinh ra trong quá trình sống có ảnh hưởng rất lớn đến thành phần hóa học của nước tự nhiên.
- Ảnh hưởng của khí hậu: Khí hậu có thể làm thay đổi các q trình phong hóa; thay đổi hoạt động sống của các vi sinh vật; thay đổi q trình oxy hóa khử trong nước…
- Ảnh hưởng của nước ngầm: Nước ngầm tiếp xúc với nham thạch nhiều nhất, nên thành phần hóa học của nước ngầm chủ yếu phụ thuộc vào tầng nham thạch và đất chứa nó.
- Oxy hòa tan: Oxy là yếu tố cần thiết cho nhu cầu hơ hấp của cá và được tính bằng mg/l hay ppm. Nhu cầu oxy các loài cá khác nhau cũng khác nhau. Ví dụ: như nhóm cá đen (cá lóc, cá trê, cá rơ...) nhu cầu oxy thấp hơn nhóm cá
trắng (cà mè, cá chép, cá linh...). Ngồi ra, trong mơi trường oxy cịn cần cho quá trình phân hủy vật chất hữu cơ có trong thủy vực.
Trong mơi trường O2 có được nhờ khuếch tán từ khơng khí, quang hợp của thực vật thủy sinh và mất đi qua hô hấp của thủy sinh vật và phân hủy các vật chất hữu cơ có trong nước. Trong ao ni ban ngày thì q trình quang hợp xảy ra nhanh hơn q trình hơ hấp nên hàm lượng O2 tăng, cịn ban đêm thì ngược lại. Oxy từ: 0-0,3 mg/l: cá con có thể sống nếu nhiệt độ thấp
0,3-1 mg/l: tơm cá có thể chết nếu nhiệt độ cao 1-5 mg/l: tơm cá có thể sống nhưng phát triển chậm >5 mg/l: nồng độ lý tưởng đối với tôm cá
- Độ muối: Nồng độ muối có nghĩa là tổng hợp các ion trong nước. Nồng độ muối được tính là mg/l.
Độ muối của nước biển là đại lượng đặc trưng định lượng cho lượng các chất khống rắn hịa tan (các muối) trong nước biển.
Độ muối của nước biển có thể biến đổi trong những giới hạn khá rộng, nhưng tỷ lệ khối lượng giữa các thành phần chính của nó hầu như khơng đổi ở mọi vùng biển trên thế giới, trừ các vùng cửa sơng, đầm phá, vũng vịnh kín và các biển kém trao đổi với đại dương.
Ion Cl- được chọn cho mục đích này vì sự có mặt của nó trong nước biển với nồng độ lớn nhất. Nồng độ trung bình của Cl- trong nước bề mặt đại dương là 19,3534 g/kg.
Tuy nhiên độ mặn của các đại dương cũng có dao động. Sự dao động này phụ thuộc vào quá trình cân bằng của quá trình bốc hơi và ngưng tụ của nước biển. Quá trình này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như vị trí địa lý, khí hậu, mùa,… Chẳng hạn ở vùng nhiệt đới có độ mặn S‰ = 35,7 ; ở cực bắc và cực nam S‰ = 34,5.
Độ mặn của nước biển còn thay đổi theo độ sâu. Người ta nhận thấy rằng từ mặt của đại dương tới độ sâu khoảng 5000m độ mặn dao động trong khoảng từ 34,9 - 36,5.
Dựa vào độ mặn có thể phân thành nhiều loại thủy vực khác nhau: Nước ngọt <0,5%o; Nước lợ nhẹ 0,5-3%o; Nước lợ trung bình 3-16,5%o; Nước lợ nhiều 16,5-30%o; Nước biển 30-40%o. Nồng độ muối có ảnh hưởng đến sự phân bố của các giống loài thủy sinh vật, và sự thay đổi đột ngột của nồng độ muối cũng có thể ảnh hưởng đến sự sống của TSV.
+ pH từ 0-4 sinh vật bị chết
+ pH từ 4- 6.5 sinh vật sinh trưởng chậm (từ 4-5 không sinh sản) + pH từ 6.5- 9 sinh trưởng tốt
+ pH từ 9-11 sinh vật sinh trưởng chậm (từ 9.5- 11 không sinh sản) + pH >11 sinh vật chết
- Độ cứng và độ kiềm:
+ Độ cứng: là tổng hàm lượng ion Mg2+ và Ca2+ trong nước.
+ Độ kiềm: là hệ đệm trong mơi trường nước làm cho pH ít dao động. Độ kiềm được đo bằng tổng lượng mg CaCO3/l. Trong nước tự nhiên thì tổng CaCO3 là 5 đến >500 mg/L, nhưng ở nước mặt thì khá cao >116 mg/l. Độ cứng và độ kiềm có thể được cá tơm hấp thu trực tiếp qua mang và giúp cho q trình tạo vỏ, cá tơm sinh trưởng tốt trong phạm vi rộng của 2 yếu tố này từ 12-400 mg/L. Trong ao nuôi tôm nếu hàm lượng 2 yếu tố này thấp có thể gây nên hiện tượng mềm vỏ.
- NH3, NO2, NO3-: Trong mơi trường các yếu tố này có được từ sự phân hủy các vật chất hữu cơ, sản phẩm bài tiết của sinh vật, phân bón, có chứa protein trong thủy vực. Trong mơi trường thì NH3 tồn tại ở dạng khí và dạng ion NH4+ và tỉ lệ của 2 dạng này tùy thuộc vào nhiệt độ và pH của nước. Trong nước vi khuẩn có thể chuyển hóa NH3 độc sang NO2 độc, sang NO3- (không độc). Nồng độ NH3 trong mơi trường nước an tồn cho tơm cá là < 0,03 mg/L.
- H2S: Tường tích tụ ở đáy ao và sinh ra từ quá trình phân hủy vật chất hữu cơ có chứa S hay trong quá trình sulfate hóa với sự tham gia của vi khuẩn trong điều kiện yếm khí. H2S là loại khí cực độc đối với TSV, tác hại của nó là liên kết với Fe trong Hb trong máu cá, khơng có Fe thì Hb khơng có khả năng vận chuyển oxy cung cấp cho tế bào làm cho tế bào cá thiếu oxy, trao đổi khí và trao đổi chất bị ngừng trệ làm cho cá chết.
- Các nguyên tố vi lượng có trong nước: Các thành phần vi lượng trong nước là những thành phần tồn tại với hàm lượng < 1mg/L, tức là thuộc cỡ hàm lượng phần triệu, phần tỷ (ppm hay mg/L, ppb hay μg/L) hoặc nhỏ hơn nữa. Các thành phần vi lượng được tính hàm lượng ở cả hai dạng: dạng hịa tan (bao gồm cả khí hịa tan) và dạng lơ lửng.
Có thể chia thành phần vi lượng trong nước thành hai nhóm sau:
+ Các thành phần vơ cơ vi lượng: Hg, As, Se, Cd, Pb, Cu, Zn,,…, Br, I, F, xianua, sunfua,… tồn tại trong nước ở nhiều dạng như cation, anion, phức vô cơ, phức hữu cơ, khí (dạng hịa tan); ion hấp phụ vào các chất lơ lửng và chất keo
trong nước, các vi kết tủa của các khống thứ sinh được hình thành trong nước (dạng lơ lửng và dạng keo).
+ Các thành phần hữu cơ vi lượng: phenol và dẫn xuất, thuốc bảo vệ thực vật, chất tẩy rửa, dầu, mỡ,…
Các nguyên tố thuộc nhóm kim loại nặng (Cu, Ni, Co, Pb, Hg, Cd …) có rất ít trong nước thiên nhiên.
Ngun tố phóng xạ có tính cao nhất trong nước thiên nhiên. Hàm lượng của chúng rất nhỏ nhưng lại rất dễ nhận thấy. Các nguyên tố phóng xạ thường có trong nước thiên nhiên là Radon và Radi.
Tùy theo hàm lượng và dạng tồn tại của các thành phần vô cơ, hữu cơ vi lượng trong nước có thể là yếu tố có lợi hoặc gây nguy hiểm cho sự sống của thủy sinh vật và cả con người.
- Chất hữu cơ trong nước thiên nhiên: Trong nước thiên nhiên tồn tại các chất hữu cơ có thể chia làm hai loại:
+ Loại 1: Bao gồm các chất hữu cơ đã cấu tạo nên cơ thể các loại sinh vật
sống trong nước như các loại động vật, thực vật sống trong nước.
+ Loại 2: Bao gồm các chất hữu cơ do sinh vật thải ra trong quá trình
sống của chúng hoặc trong quá trình phân giải các chất hữu cơ từ cơ thể các sinh vật sau khi chết.
Các chất hữu cơ thường có thành phần rất phức tạp. Ngồi các ngun tố chính như cacbon, hyđro, oxy cịn có nhiều loại ngun tố khác như N, P, K, Ca, Fe, Na,…
Hàm lượng và mức độ khống hóa chất hữu cơ trong nước được xác định và đánh giá bởi hàng loạt các thông số sau:
- Các thông số biểu thị gián tiếp: oxy hoà tan (DO) và độ bão hịa oxy; nhu cầu oxy hóa học (COD); nhu cầu oxy sinh hóa (BOD); tỷ số COD/BOD; sự