CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔ NG QUAN
1.2. Nghiên cứ uô nhiễm kim loại nặng sử dụng chỉ thị sinh học
1.2.2. Sự phát tán của kim loại nặng trong môi trường
KLN tham gia vào chu trình sinh địa hóa: dịng chảy của các nguyên tố chuỗi dinh dưỡng trong đó mắt xích đầu tiên là thực vật, mắt xích thứ hai xâm nhập vào cơ thể động vật và mắt xích cuối cùng được đại diện bởi kim loại di chuyển đến tế bào tiếp theo, thường dẫn đến tăng hàm lượng tế bào và tích tụ một phần
22
của chúng trong tế bào. Lượng KLN được hệ thống rễ cây lấy từ đất chủ yếu phụ thuộc vào mức độ tích tụ các nguyên tố riêng lẻ trong đất và khả năng cố định
phức hợp hấp phụ của đất. Khả năng hấp phụ của đất được quyết định bởi số
lượng và chất lượng của các chất keo trong đất tạo thành phức chất hấp thụ. Khi
độ pH của đất và hàm lượng các hạt nổi (chủ yếu là đất sét dạng keo) và chất hữu cơ (đặc biệt là chất thối rữa) tăng lên, sự sẵn có của các KLN đối với cây trồng bị giảm [25].
Mặt khác, vận chuyển và gây ô nhiễm KLN trong khí quyển tầm xa là một
q trình vận chuyển và tích tụ khí quyển của KLN của khơng khí [26]. Nhiều
KLN có trong các chất gây ơ nhiễm do con người gây ra như chất hữu cơ công nghiệp,thuốc trừ sâu và kim loại vi lượng đã được phân phối rộng rãi trên toàn cầu. Ngay cả những khu vực xa xơi nhất cũng có thể khơng nằm ngồi phạm vi của các chất gây ơ nhiễm phát ra từ các nguồn nhân tạo. Hình 1.7 dưới đây mơ
tả mơ hình khái niệm cho cơ chế mà các ngun tố KLN có thể được tích tụ
trong rêu cùng với phạm vi ảnh hưởng.
Hình 1.7. Mơ hình khái niệm cho cơ chế mà các ngun tố KLN có thể được
tích tụ trong rêu cùng với phạm vi ảnh hưởng [27].
Bụi đóng một vai trị quan trọng trong khí quyển do những tác động có hại của nó đối với sức khỏe con người, mơi trường và điều kiện khí hậu [28 - 29].
Bụi trong khơng khí được coi là một vấn đề quan trọng trong việc mang và phân phối mầm bệnh, chất ơ nhiễm và KLN. Khí thải khơng khí có thể tạo ra nhiều con đường tiếp xúc và do đó việc đánh giá chúng kéo dài từ việc đánh giá việc hít trực tiếp các chất gây ô nhiễm (bắt nguồn từ sự phân tán và tích tụ khơng khí)
23
đến nhiều con đường gián tiếp bao gồm tích tụ chất gây ơ nhiễm lên bềmặt đất, nước và thảm thực vật và sự chuyển giao và tích lũy tiếp theo của chúng trong chuỗi thức ăn [30]. Tốc độ kết tủa cao hơn có thể ảnh hưởng đến sự tích tụ của các chất, trong trường hợp này, các KLN có trong khí quyển ở dạng sol khí. Hầu hết các nguyên tố vi lượng được đưa vào bầu khí quyển dưới dạng sol khí mịn do hoạt động của con người và sau khi di chuyển một khoảng cách nào đó sẽ được tích tụ theo cách tự nhiên/hoặc được thải ra ngoài cùng với mưa, sương mù,... Hàm lượng các KLN trong nước mưa phụ thuộc vào một số yếu tố, chẳng hạn như vùng lân cận của các nguồn, lượng mưa và hướng của các khối khí [31].
1.2.3. Nghiên cứu ô nhiễm kim loại nặng trong khơng khí sử dụng chỉ thị sinh học rêu
1.2.3.1. Khái niệm chỉ thị sinh học
Sinh vật chỉ thị mơi trường là những đối tượng sinh vật có u cầu nhất định về điều kiện sinh thái liên quan đến nhu cầu dinh dưỡng, hàm lượng CO2, khả năng chống chịu một hàm lượng nhất định các yếu tố độc hại trong mơi trường sống. Do đó, sự hiện diện hay khơng của chúng biểu thị một tình trạng điều kiện sinh thái của môi trường sống nằm trong hay vượt quá giới hạn nhu cầu và khả năng chống chịu của đối tượng sinh vật đó. Sinh vật chỉ thị mơi trường có thể là các lồi sinh vật hoặc các tập hợp loài. Các điều kiện sinh thái tác động đến thực vật chỉ thị chủ yếu là các yếu tố gây hại như hàm lượng các chất dinh dưỡng, nhu cầu CO2, chất độc và các chất gây ô nhiễm khác.
Theo dõi chất độc hại gây ONKK là rất cần thiết để hiểu sự phân bố không gian và thời gian của chúng, mục đích cuối cùng để giảm thiểu tối đa tác hại của chúng đối với con người và sinh vật. Ngoài các phương pháp giám sát chất lượng khơng khí phổ biến hiện nay, phương pháp sử dụng chất chỉ thị sinh học như các loại thực vật có mao mạch (rêu, nấm và địa y) cũng là một phương pháp
để đánh giá rủi ro gây ra bởi ONKK và đã được sử dụng trong nhiều năm ở
Châu Âu và Bắc Mỹ [32]. Quan trắc sinh học (biomonitoring) được định nghĩa là việc sử dụng những sinh vật để đạt được những thông tin về đặc trưng của bầu khí quyển. Các sinh vật được sử dụng sẽ được gọi là “chỉ thị sinh học
(bioindicator)” hoặc “giám sát sinh học (biological monitor)”. Có sự khác biệt đáng kể giữa hai thuật ngữ trên. Chỉ thị sinh học liên quan tới tất cả các sinh vật sống sẽ cung cấp cho ta biết thông tin về môi trường hoặc đặc trưng của sự thay đổi mơi trường đó. Cịn giám sát sinh học là những sinh vật sống cung cấp thông
24
tin định lượng về tính chất mơi trường [33]. Các sinh vật chỉ thị sinh học có thể
phân thành các nhóm theo tác dụng khác nhau:
- Tác dụng giải đốn mơi trường là các lồi sinh vật chi thịmẫn cảm với điều kiện mơi trường khơng thích hợp, có thể sử dụng chúng làm công cụ để nhận biết tình trạng mơi trường.
- Tác dụng thăm dị là những lồi sinh vật chỉ thị thích nghi đối với môi
trường nhất định, sự xuất hiện của chúng có thể dùng để đo phản ứng và
thích nghi đối với sự thay đổi của môi trường.
- Tác dụng khai thác là các lồi sinh vật chỉ thị có thể chỉ thị rõ cho sự xáo trộn hay ô nhiễm môi trường.
- Tác dụng tích luỹ sinh học là các lồi sinh vật chỉ thị có khả năng tích luỹ các hố chất trong mơ của chúng.
Sinh vật thử nghiệm là các sinh vật được chọn lọc để nghiên cứu trong điều kiện thí nghiệm nhằm xác định các chất ơ nhiễm. Do đó, với việc lựa chọn các sinh vật phù hợp, chúng ta hồn tồn có thể giám sát chất lượng khơng khí ngay cả đối với những nơi xa xơi hẻo lánh, tức là ta có thể thực hiện phép đo chất ơ nhiễm trong phịng thí nghiệm ở cách xa vị trí treo mẫu. Thậm chí nếu bề mặt sinh vật chỉ thị bị nhiễm bẩn, ta hồn tồn có thể đem rửa sạch chúng trước khi thực hiện các phép đo bởi các chất ơ nhiễm mà ta quan tâm đã tích tụ ở bên trong sinh vật. Quan trắc sinh học cung cấp một phương pháp thụ động trong việc đo sự tích tụ của chất ơ nhiễm trong khơng khí sau một khoảng thời gian và
có một số ưu điểm sau:
- Khơng yêu cầu sử dụng thiết bị lấy mẫu tốn kém.
- Hàm lượng trong chất chỉ thị sinh học cao hơn các hệ thống giám sát khác. Điều này cải thiện độ chính xác của phép đo.
- Đa số những sinh vật chỉ thị đều phản ánh điều kiện bên ngồi trong một khoảng thời gian trung bình nhất định. Điều này vơ cùng quan trong khi nghiên cứu mức độ ơ nhiễm theo thời gian.
+ Tính chất của sinh vật chỉ thị:
- Sinh vật chỉ thị có khả năng chống chịu với các yếu tố vô sinh của môi
trường và tác động tổng hợp của chúng.
- Đặc điểm phản hồi tác động của nhân tố môi trường lên sinh vật chỉ thị
25
- Tính chỉ thị môi trường của sinh vật chỉ thị được thể hiện ở các bậc khác
nhau bao gồm:
+ Sinh vật chỉ thị: dấu hiệu về sinh lý, sinh hoá, tập tính, tổ chức tế bào của cá thể.
+ Quần thể sinh vật chỉ thị: cấu trúc quần thể các loài chỉ thị.
+ Quần xã sinh vật chỉ thị: một số nhóm sinh vật chỉ thị nào đó (sinh vật nổi, sinh vật đáy).
Nhờ tính chất của sinh vật chỉ thị có thể sử dụng khả năng tích tụ các chất ơ nhiễm trong cơ thể và giá trị biểu thị tác động tổng hợp của các yếu tố môi trường lên sinh vật để đánh giá môi trường thuận lợi và hiệu quả hơn so với một số phương pháp lý hố học.
+ Các tiêu chí lựa chọn sinh vật chỉ thị:
Các sinh vật chỉ thị được sử dụng để xác định hàm lượng các nguyên tố vết
trong khơng khí cần đáp ứng được một số tiêu chí lựa chọn sau [34]: - Sinh vật được chọn phải có độ phổ biến cao trong môi trường.
- Sinh vật được chọn phải có sẵn trong tự nhiên tại tất cả các mùa trong năm. Bởi vì một số thực vật phân chia bậc thấp phải phát triển để chống trọi lại thời tiết khắc nghiệt.
- Sinh vật được chọn nên có khả năng chịu đựng ơ nhiễm ở các mức độ khác
nhau.
Bên cạnh những tiêu chí quan trọng, cịn có những tiêu chí khác như [35]: - Sự thay đổi sinh học của sinh vật được chọn nên được giới hạn.
- Sinh vật được chọn phải có hàm lượng các ngun tố thấp hoặc khơng có.
- Đảm bảo khơng có sự hấp thụ ngun tố từ các nguồn khác.
- Phương pháp lấy mẫu và treo mẫu nên đơn giản và nhanh chóng.
1.2.3.2. Sử dụng rêu làm chỉ thị sinh học
Trong các q trình tích lũy sinh học, nhiều lồi sinh vật có thể tích luỹ các chất ô nhiễm trong các mô của chúng. Các sinh vật tích tụ có đặc điểm:
- Chất ô nhiễm được hấp thụ qua bề mặt cơ thể hay qua những cấu trúc đặc
trưng.
- Sự tích luỹ này có thể diễn ra trong suốt vịng đời của sinh vật mà khơng có tác động phụ xuất hiện.
- Hàm lượng tích luỹ trong mơ của sinh vật tích tụ có thể gấp 103 - 106 lần so với trong môi trường (hiện tượng "khuếch đại sinh học").
26
Khả năng tích tụ chất ơ nhiễm ở sinh vật tích tụ được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu, quan trắc, xử lý mơi trường. Những mơ tích luỹ các chất ô nhiễm biểu thị hàm lượng các chất này rất rõdo phản ánh cả q trình các chất ơ nhiễm xâm nhập vào môi trường và tác động lên sinh vật trong suốt thời gian dài. Từ sau những năm 1970, bắt đầu có các nghiên cứu sử dụng thực vật tích tụ để xử lý các đất bị ô nhiễm KLN (chịu được hàm lượng KLN cao hơn 10 - 100 lần so với các cây trồng nơng nghiệp). Đặc điểm của các lồi thực vật này là chỉ hấp thụ một hoặc một số KLN đặc trưng trong các bộ phận trên mặt đất (chồi, cành, lá). Vì vậy để xử lý các chất ơ nhiễm, người ta thu hoạch và tiêu huỷ các bộ phận tích luỹ của thực vật. Cho đến 2002 đã phát hiện 420 lồi có khả năng tích tụ KLN cao, trong đó: một số là nguồn thực phẩm, nhiều thực vật lớn và nhuyễn thể, cá (môi trường nước); địa y, rêu và thực vật có mạch (mơi trường đất, khơng khí). Trong đó, rêu được sử dụng rộng rãi cho quan trắc các KLN. Trong thực tế khó có lồi đơn lẻ nào đáp ứng được đủ các tiêu chuẩn của sinh vật chỉ thị về tích tụ. Trong các chương trình giám sát ơ nhiễm phải khắc phục theo hai cách: (1) quan trắc thụ động và thu mẫu (để phân tích hóa học) từ nơi cư trú đặc biệt của những sinh vật bản địa; (2) quan trắc chủ động (tại nơi cư trú) các sinh vật có ở vùng khơng ơ nhiễm.
Rêu là một loại thực vật khơng có hoa, phát triển mạnh trong mơi trường ẩm ướt và đã được sử dụng như một sinh vật chỉ thị để nghiên cứu ONKK [36]. Rêu có các tính chất phù hợp để trở thành một sinh vật chỉ thị như:
- Rêu có khả năng tích tụ các KLN hiệu quả.
- Rêu hấp thụ các chất gây ô nhiễm chủ yếu theo cách thụ động thông qua
trao đổi ion tự do qua lớp biểu bì phát triển kém của rêu.
- Rêu khơng có rễ thực sự, do đó chúng khơng thể hấp thụ chất dinh dưỡng
trực tiếp từ đất.
- Chất dinh dưỡng được hấp thụ từ khơng khí qua rêu có tỷ lệ bề mặt trên
khối lượng lớn, điều này sẽ cải thiện khả năng hấp thụ khơng khí của rêu.
- Rêu có tốc độ tăng trưởng chậm cho phép chúng có khả năng tích tụ các
chất ơ nhiễm trong một khoảng thời gian dài.
- Trong suốt thời gian sống, sự thay đổi về cấu trúc, Hình thái học của rêu là không đáng kể. Điều này sẽ không làm ảnh hưởng tới hàm lượng cũng như mức độ hấp thụ khơng khí của rêu.
- Rêu có khả năng sinh tồn cao và phân bố rộng ở nhiều nơi. Điều này rất
27
(a) Hypnum commutatum.
(b) Barbula indicar.
(c) Sphagnum girgensohnii.
Hình 1.8. Ảnh chụp của các loại rêuđược sử dụng để chỉ thị ô nhiễm KLN trong khơng khí ở Nga (a) và ở Việt Nam (b, c).
Rêu đã được thừa nhận là chỉ thị sinh học hiệu quả về ơ nhiễm KLN trong khơng khí ở Thụy Điển vào cuối những năm 1960 [37] do việc phân tích chúng
tương đối dễ dàng. Một số nghiên cứu sử dụng các loài rêu khác nhau làm chỉ thị sinh học khi khảo sát KLN trong khí quyển, chẳng hạn như rêu Pleurozium schreberi [38], Scleropodium purum [39], Hylocomiumvialens [39, 40],
28
Plagiothecium denticulatum, Bryum argentum và Sphagnum sp [41], Hypnum cupressiforme [42], Thuidium tamariscinum [40], Brachytechium salebrosum và Brachytechium rutabulum [43], Polytrichum formosum [44], và Sphagnum girgensohnii [45], Barbula indica [46]. Bảng 1.1 trình bày tổng hợp ảnh hưởng tương đối từ các loại nguồn khác nhau đối với 15 nguyên tố KLN được nghiên cứu thường xuyên nhất trong ơ nhiễm mơi trường khơng khí với một số lồi rêu như Hình 1.8.
Bảng 1.1. Các nguồn yếu tố đóng góp vào thành phần các KLN trong rêu [47].
Nguyên tố ONKK Bụi biển Rau quả Đất
Al +++ V ++ + Cr + ++ Mn -- +++ Fe + +++ Ni ++ ++ Cu ++ + Zn ++ - ++ + As +++ - Se ++ ++ Br +++ Sr +++ + Cd ++ + Sb +++ Hg ++ + Pb +++
+, ++, +++: đóng góp dương và tăng độ quan trọng; -, --, ---: đóng góp âm và giảm độ quan trọng.
29
1.2.4 Tình hình nghiên cứu ơ nhiễm kim loại nặng trong khơng khí sử dụng chỉ thị sinh học rêu
1.2.4.1. Nghiên cứu ô nhiễm KLN sử dụng chỉ thị sinh học
Các sinh vật sẵn có tự nhiên hoặc có mặt tại khu vực khảo sát ơ nhiễm được gọi là chỉ thị sinh học thụ động và phương pháp này gọi là phương pháp chỉ thị sinh học thụ động. Cây được sử dụng làm chỉ thị sinh học thụ động trong một số nghiên cứu [48, 51]. Địa y, quả trám, được coi là chỉ thị sinh học tốt nhất
của các chất gây ONKK [52 - 55]. Một số nghiên cứu đã được thực hiện bằng
cách sử dụng địa y làm chỉ thị sinh học.
Năm 1997, Loppi đã tiến hành một nghiên cứu để xác định hàm lượng KLN trong các loài địa y biểu sinh, lá và vỏ cây bản địa từ một khu vực Tuscany (miền trung nước Ý) đã được chọn cho cơng trình này [56]. Năm 2009,
Dymytrova [57] sử dụng địa y biểu sinh và rêu Bryophytes làm chỉ thị ơ nhiễm khí quyển ở thành phố Kyiv (Ukraine). Năm 2011, Blagnyte và Paliulis [58] đã theo dõi các KLN trong khu vực giao thông đông đúc tại Litva bằng rêu Pylaisia
polyantha. Năm 2013, Alam [59] đã xác định mức độ S, Cu, Cr, Cd, Zn, Pb và Cr trong lá ngải cứu Plagiochasma rupestre trong Vườn Quốc gia Ranthambhore
(Ấn Độ). Năm 2014, Mishra và Upreti [60] đã tiến hành một cuộc khảo sát về
KLN trong khu vực công nghiệp của Udham Singh Nagar (Ấn Độ) sử dụng Địa
y Pyxine cocoes (Sw.). Năm 2015, thủy ngân và asen đã được quan trắc theo không thời gian bằng kỹ thuật GIS trong các khu rừng lá kim ở phía đơng Tây Tạng - Trung Quốc bởi Tang [61].
1.2.4.2. Nghiên cứu ô nhiễm KLN sử dụng rêu trên thế giới
Do sự nguy hiểm của ONKK, hầu hết các nước trên thế giới đều đang triển khai các chương trình kiểm sốt chặt chẽ và thường xuyên mức độ ONKK tại quốc gia mình. Liên hợp quốc đã thành lập một ủy ban đặc biệt để hoạch định