7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
1.1.3.1. Phân loại theo hàm lượng phốtpho trong thủy vực
Dựa theo hàm lượng phốtpho và vai trò của phốtpho đối với phú dưỡngcó thể phân loại mức độ phú dưỡng trong thủy vực gồm 4 mức theo thứ tự hàm lượng phốtpho tăng dần như Bảng 1.1 [20].
Bảng 1.1. Nồng độ phốtpho và trạng thái phú dưỡng của thủy vực
Hàm lượng phốtpho tổng (mg/l) Mức độ dinh dưỡng
< 0,004 Cực kỳ nghèo dinh dưỡng - Ultra
Oligotrophic
0,004 ÷ 0,010 Nghèo dinh dưỡng - Oligotrophic 0,010 ÷ 0,035 Trung dưỡng - Mesotrophic 0,035 ÷ 0,100 Phú dưỡng - Eutrophic
> 0,100 Phú dưỡng nặng - Hypertrophic
(Nguồn : OECD – 1982) 1.1.3.2. Phân loại theo mật độ tảo
Dựa theo mật độ các loài tảo trong thủy vực có thể phân loại trạng thái phú dưỡng theo 5 mức như trong Bảng 1.2.
Bảng 1.2. Tương quan giữa mật độ tảo và trạng thái phú dưỡng
Trạng thái phú dưỡng Mật độ tảo (*106 cá thể/lít)
O. Atrophy 0,00
Cực kỳ nghèo dinh dưỡng
Ultra - Oligotrophy <0,01
Oligotrophy 0,01-0,05
Nghèo dinh dưỡng
Oligo-mesotrophy 0,05-0,10 Mesotrophy 0,10-0,50 Trung dưỡng Meso-eutrophy 0,50-1,00 Eutrophy 1,00-10,00 Phú dưỡng Eu-polytrophy 10,00-100,00 Polytrophy 100,00-500,00 Phú dưỡng nặng Hypertrophy >500,00
1.1.3.3. Phân loại theo hiện tượng nở hoa của nước
Dựa vào hiện tượng nở hoa trong nước, có thể chia làm 5 giai đoạn (Topachevski) như sau [4]:
Bảng 1.3. Phân loại hiện tượng nở hoa nước dựa vào sinh khối tảo
Giai đoạn Sinh khối tảo Hiện tượng
1 < 2,5 g/m3 không có nở hoa
2 2,5 – 10 g/m3 bắt đầu nở hoa
3 10- 100 g/m3 nở hoa vừa
4 100-500 g/m3 nở hoa mạnh
5 >500 g/m3 nở hoa hàng loạt
1.1.4. Ảnh hưởng của hiện tượng phú dưỡng
1.1.4.1. Ảnh hưởng tích cực
Trong nhiều trường hợp, phú dưỡng làm tăng sinh khối, cung cấp thức ăn cho cá, các sinh vật thủy sinh khác và góp phần vào sản xuất lương thực.
1.1.4.2. Ảnh hưởng tiêu cực
Thuỷ vực giàu dinh dưỡng gây nguy hại cho hệ thuỷ sinh và tác động xấu đến chất lượng nguồn nước sử dụng trong sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp và vui chơi giải trí [22]. Môi trường nước có chứa quá nhiều chất dinh dưỡng nitơ và phốtpho sẽ làm cho thực vật phù du phát triển mạnh, tăng sinh khối, đặc biệt là tảo que (filamentous algae), tảo xanh nở hoa (green algal bloom) và nhiều loại tảo độc khác (như microcystis). Hàm lượng chất diệp lục cũng tăng lên đáng kể và khi bị thối rữa, phân hủy dẫn đến làm giảm nghiêm trọng hàm lượng oxi hòa tan trong nước, yếu tố cơ bản của quá trình tự làm sạch của môi trường nước, đặc biệt là ở những nơi có độ sâu đáng kể. Sự phân hủy của tảo là một trong những nguyên nhân chính gây ra sự thiếu oxi nghiêm trọng trong nước. Quá trình này xảy ra theo phương trình (1.2):
CH2O106(NH3)16H3PO4 + 138O2
106CO2 + 122H2O + 16HNO3 + H3PO4 (1.2) Từ phản ứng (1.2), cho thấy cứ 1 phân tử thực vật phù du thì sử dụng 276 nguyên tử oxi để tiến hành phản ứng phân hủy, đồng thời giải phóng một lượng đáng kể CO2 và axit vào trong môi trường làm giảm pH của nước, làm cho nước bị nhiễm bẩn, có mùi hôi thối, cá chết hàng loạt. Đặc biệt là thải ra một số chất chứa độc tố có hại ảnh hưởng đến các thực vật thuỷ sinh và nguy hại đến sức khoẻ của con người.
Quá trình phú dưỡng làm thay đổi thành phần quần thể tảo trong thủy vực, làm bùng phát sự phát triển của loài tảo lam (hoặc vi khuẩn lam) là một loài có thể sản sinh ra độc tố microcystin. Đây là một loại độc tố gây tổn thương gan, chúng chứa những vòng peptit với hợp chất phổ biến là Microcystin. Hợp chất này được
tách ra đầu tiên từ loài vi khuẩn lam Microcystis aeruginosa, ngoài ra còn được tạo bởi những loài khác như Anaebaena, Nostoc, Osillatoria, Anaebaenopsis và
Hapalosiphon. Các loại này có heptapeptit mạch vòng chứa 1 aminoaxit đặc hiệu
(ADDA) chuỗi bên. Cho đến nay, đây là những dạng cấu trúc đặc hiệu chỉ gặp ở
microcystin và nodularin - một loại pentapeptit vòng của vi khuẩn lam ở trong nước
lợ [31].
Cơ chế gây độc của microcystin ở mức độ phân tử là ức chế hepatocyte protein photphat PP1 và PP2A. Từ đó gây ra siêu phosphoryl hoá cytokeratin và dẫn đến sự phá vỡ các vi sợi, thoát dịch tế bào và chảy máu gan động vật. Sự tiếp xúc lâu dài với nồng độ microcystin thấp trong nước uống là nhân tố gây ra ung thư gan ở người. Các nghiên cứu cơ chế độc học tế bào đã cho biết microcystin ảnh hưởng đến các cấu trúc tế bào, quá trình nguyên phân và điều này giúp giải thích khả năng kích thích gây ung thư của chúng [29]. Độc tố cũng gây ảnh hưởng xấu đến hai loại emzyme là serine-photphatase và threonin-photphatase liên quan đến sự điều hoà phát triển các tế bào nhân thật (Eukaryote). Photphatase có chức năng điều khiển sự hoạt động của tế bào động thực vật trong quá trình phân chia, sinh trưởng, trao đổi chất, sao chép AND và sự biểu hiện các tính trạng có liên quan. Điều đó cho thấy
microcystin có thể ảnh hưởng đến các chức năng của tế bào nhân thật ở mức độ
phân tử và từ đó có thể ảnh hưởng tới các động thực vật thuỷ sinh sống trong môi trường có sự tiếp xúc với loại độc tố này [31, 82].
Cụ thể, một số tác động tiêu cực của việc phú dưỡng thủy vực như sau: - Phá vỡ hệ thủy sinh thái (che sáng, ngăn cản oxi không khí hòa tan vào nước, giải phóng chất độc, tiêu tốn oxi khi phân hủy, gây chết thủy sinh vật,…).
- Tác động trực tiếp đến con người, gây nhiễm độc tảo ở người, rối loạn đường ruột, đường hô hấp. Về mức độ độc của tảo lam, nghiên cứu thế giới cho thấy nó độc gấp 50 – 100 lần so với hợp chất xyanua.
- Gây nên nạn thủy triều đỏ, nhiễm độc cá da trơn và phát triển sán lá.
- Tác động đến động vật bậc cao như gây ngộ độc động vật liên quan đến sự nở hoa của tảo, các độc tố gây bệnh cho chim nước.
- Tác động đến giá trị sử dụng thủy vực cho các mục đích sinh hoạt, công nghiệp, nuôi trồng thủy sản và giải trí du lịch nghỉ dưỡng. Giảm chất lượng đầu vào cho nguồn nước uống và nước sinh hoạt. Gây tắc nghẽn bộ lọc trong các nhà máy, xí nghiệp. Gây mất thẩm mỹ, gây mùi khó chịu do tảo phát triển, chết đi và bị phân hủy tạo ra các khí độc như H2S, CH4,…
Sự phú dưỡng nước hồ đô thị và các dòng sông, kênh dẫn nước thải gần các thành phố lớn đã trở thành hiện tượng phổ biến và là vấn đề bức xúc ở hầu hết các nước trên thế giới (Úc, Trung Quốc, Nam Phi, Mỹ,…) [54]. Phú dưỡng thủy vực tác động tiêu cực tới hoạt động văn hoá của dân cư đô thị, làm biến đổi hệ sinh thái nước hồ, tăng thêm mức độ ô nhiễm không khí của đô thị.
1.1.5. Sinh lý dinh dưỡng, tầm quan trọng của tỉ lệ N:P và giới hạn dinh dưỡng
1.1.5.1. Sinh lý dinh dưỡng và tầm quan trọng của tỉ lệ N:P
Vi khuẩn lam chiếm đa số trong hệ nước là do nhiều yếu tố, tất cả yếu tố đó là do khả năng cạnh tranh của chúng tốt hơn các loại thực vật khác trong hệ nước phú dưỡng. Giả thiết được nhiều nhà khoa học đưa ra để giải thích sự thống trị của tảo lam xanh (vi khuẩn lam, tảo xanh) trong các hệ nước phú dưỡng, bao gồm ánh sáng, nitơ hoặc CO2 là nguồn không giới hạn trong hệ phú dưỡng. Bên cạnh đó, một số nguồn giới hạn thay đổi trong suốt quá trình phú dưỡng, thúc đẩy vi khuẩn lam phát triển nhanh [43].
Bởi vì khi vi khuẩn lam nở hoa thường phát triển trong hồ phú dưỡng, vi khuẩn lam đòi hỏi nồng độ phốtpho và nitơ cao. Dữ kiện thực nghiệm cho thấy vi khuẩn lam có ái lực cao đối với nitơ và phốtpho so với các thực vật quang hợp khác. Điều này cho thấy chúng có khả năng cạnh tranh vượt trội so với các thực vật phù du khác dưới điều kiện giới hạn nitơ và phốtpho. Trong điều kiện dinh dưỡng cao, vi khuẩn lam có khả năng hấp thụ và lưu giữ phốtpho. Chúng có thể lưu giữ phốtpho để thực hiện phân chia từ 2 đến 4 tế bào, tương ứng với sự tăng từ 4 – 32 lần sinh khối của chúng [86]. Nồng độ phốtpho cho phép 0,1 mg/l là đủ để vi khuẩn lam nở hoa [14].
Sinh lý dinh dưỡng của vi khuẩn lam khác với các loại tảo khác là khả năng cố định nitơ từ không khí [43]. Khả năng cố định nitơ của vi khuẩn lam dưới điều kiện nitơ giới hạn, làm cho khả năng cạnh tranh của chúng rất lớn. Đồng thời, các loại tảo xanh khác không có khả năng cố định nitơ, ví dụ Microcystis aeuginosa, có khả năng cố định các dạng tồn tại khác của nitơ trong suốt thời gian thiếu hụt nitrat. Tỉ lệ nitơ : phốtpho (N:P) thấp theo giả thiết đưa ra bởi Pearsall [102], và sau đó phát triển bởi Smith [118], người đã tổng hợp và phân tích dữ kiện của 17 hồ trên thế giới, quan sát sự nở hoa của vi khuẩn lam xuất hiện khi tỉ lệ N:P thấp hơn 29:1 và tảo xanh là hiếm khi xuất hiện ở tỉ lệ N:P vượt quá giá trị này. Nếu giả thuyết tỉ lệ N:P thấp là đúng thì vi khuẩn lam cố định nitơ.
1.1.5.2. Giới hạn dinh dưỡng
Phốtpho là yếu tố quan trọng gây nên phú dưỡng của thuỷ vực, dẫn đến nhiều cách xử lý phú dưỡng dựa vào khả năng kiểm soát nồng độ phốtpho. Nó được chấp nhận rằng, kiểm soát P đạt hiệu qua cao hơn kiểm soát N, không giống như N, nguồn P sinh học không có sẵn trong không khí. Đồng thời, phương trình quang hợp (1.1), cho thấy 1 gam P thì cần 7 gam N để tạo thành chất hữu cơ trong quá trình này.
HPO42- + 16NO3- + 106CO2 + 122H2O + 18H+
(CH2O6)106(NH3)16H3PO4 + 138O2 (1.1) Điều này cho thấy giảm một lượng nhỏ phốtpho có ảnh hưởng rất lớn đối với sự phát triển của vi khuẩn lam so với giảm cùng một lượng nitơ. Thực tế, nitơ có sẵn trong không khí cho sinh vật có khả năng cố định N, làm cho chiến lược giảm P đạt hiệu quả cao trong công cụ quản lý phú dưỡng.
Ở Nam Phi, tiểu chuẩn về ortho-phốtphat của nước thải vào nguồn nước mặt là 1 mgP/L [52]. Tuy nhiên, ngay cả khi tiêu chuẩn này được tuân thủ, sẽ mất rất nhiều năm để giảm mức phốtpho xuống ngưỡng hiệu quả để kiểm soát sinh khối vi khuẩn lam ở các đập nước bị phú dưỡng. Điều này là do thực tế các hệ sinh thái thuỷ sinh hypertrophic (phì dưỡng) có cơ chế phản hồi đặc biệt, ổn định trạng thái dinh dưỡng (trophic) và sự thống trị của vi khuẩn lam. Một ví dụ cho việc này là lớp
trầm tích thiếu oxi điển hình của hệ nước hypertrophic, chúng có khả năng lưu giữ P cao. Thời gian lưu giữ cũng là yếu tố quan trọng, như đập, hồ và hồ chứa với thời gian lưu cao cho thấy nồng độ P giảm rất chậm, ngay cả khi đầu vào đã giảm xuống mức thấp nhất để đảm bảo cho thuỷ vực ở trạng thái mesotrophic (trung dưỡng) hoặc oligotrophic (nghèo dinh dưỡng) [29].
Từ các giả thuyết và các phân tích ở trên của một số tác giả trên thế giới, cũng như căn cứ vào thực tế của Việt Nam việc giảm nồng độ P trong hệ nước phú dưỡng hiệu quả cao hơn việc giảm nồng độ N tương ứng. Đồng thời phương pháp làm giảm nồng độ N trong nước là khó khăn và phức tạp.
1.1.6. Các phương pháp xử lý phốtpho nhằm kiểm soát phú dưỡng
1.1.6.1. Các phương pháp kỹ thuật và vật lý
a) Pha loãng và rửa
Trong một số trường hợp hiếm gặp, chất lượng nước hồ có thể được cải thiện bằng cách thêm nước sạch từ ngoài vào. Khi sử dụng phương pháp này, nồng độ phốtpho cần thiết cho sự phát triển của tảo lam sẽ bị giảm do quá trình pha loãng, khiến chúng khó phát triển. Ngoài ra, do nước liên tục được thay đổi cũng khiến các tế bào tảo nhanh chóng bị rửa trôi ra khỏi hồ. Nếu điều kiện cho phép, phương pháp xử lý này thậm chí còn có thể áp dụng được cho cả những hồ có hàm lượng dinh dưỡng hòa tan rất cao [147].
Xử lý bằng cách hòa loãng và rửa đã được tiến hành thành công ở một số hồ. Sinh khối tảo lam đã bị giảm đi rất nhiều sau khi áp dụng phương pháp tại hồ Moses ở Washington sau khi chu trình luân chuyển nước trong hồ bị giảm từ 10 ngày xuống còn 5 ngày. Lượng dinh dưỡng và thành phần tảo giảm đến 50%, độ trong của nước tăng đáng kể cũng là kết quả được ghi nhận khi xử lý hồ Green. Phương pháp này cũng thành công khi xử lý hồ Veluwe (Hà Lan) sau khi nước có chứa hàm lượng phốtpho thấp nhưng nhiều nitrat và canxi được sử dụng để rửa hồ. Thành phần quần thể tảo cũng thay đổi: Tảo lục và tảo mắt chiếm ưu thế thay cho tảo lam độc trước kia. Điểm trừ duy nhất và cũng là khó khắc phục nhất của phương pháp là yêu cầu sử dụng một lượng nước sạch khổng lồ, khiến nó khó có thể áp dụng rộng rãi [53, 56].
b) Đảo tầng nhân tạo (pha trộn)
Một vòng tuần hoàn trong toàn bộ cột nước theo chiều thẳng đứng sẽ khiến gia tăng khả năng hòa tan oxi trong nước, đồng thời làm giảm khả năng hòa tan P trong bùn đáy trở lại vào nước, đồng thời nó cũng mở rộng không gian sống của các loài sinh vật ưa khí. Bên cạnh đó, quá trình đảo trộn nước cũng có nhiều ảnh hưởng thuận lợi đến sinh khối và thành phần các loài phytoplankton.
Đảo trộn nước còn làm cho các loài phân hủy dinh dưỡng tiếp xúc nhiều hơn với ánh sáng và gia tăng tốc độ vô cơ hóa các chất dinh dưỡng. Phương pháp đảo trộn này phát huy hiệu quả tối đa ở các hồ sâu. Tuy nhiên, nếu độ đục của hồ nông cao thì nó cũng phát huy hiệu quả rõ rệt.
Chỉ có rất ít trường hợp việc đảo trộn này gây ra hậu quả có hại. Trong trường hợp được miêu tả bởi Fast và Hulquist [42], khí nén được sử dụng để đảo trộn hồ khiến hàm lượng nitơ hòa tan tăng cao, gây chết cá ở cuối dòng nước. Đảo trộn cũng có ảnh hưởng thành phần zooplankton. Việc làm ấm nước tầng đáy bằng việc đảo nó lên tầng mặt có thể gây hại cho một số loài cá ưa nước lạnh. Một số trường hợp do tầng đáy bị ô nhiễm dinh dưỡng quá nặng, việc đảo nó lên tầng mặt khiến cho tảo lam phát triển mạnh mẽ hơn.
Tác dụng lâu dài của phương pháp đảo trộn được ghi nhận trong việc kiểm soát tảo lam là ở hồ Nieuwe (Hà Lan). Trong suốt quá trình đảo trộn, thành phần tảo lam giảm từ 80% xuống còn 5 - 25%, còn các loài khác như tảo lục, tảo mắt gia tăng đáng kể. Sau khi xử lý, trong vòng một năm không có thêm một vụ bùng phát tảo lam nào được ghi nhận ở hồ này nữa [143].
c) Loại bỏ sinh khối tảo lam bằng phương pháp cơ học
Trong trường hợp tảo lam đã bùng phát tạo thành những cụm tảo khổng lồ, ta có thể sử dụng phương pháp cơ học để thu lấy sinh khối này tương tự như thu lấy dầu loang trong các thảm họa dầu tràn. Thiết bị thu thập được kéo bằng thuyền và sẽ thu thập váng tảo trên bề mặt. Nhiều loại thiết bị lọc nước cũng được sử dụng. Tuy nhiên, chỉ một phần nhỏ quần thể tảo lam trong hồ có thể được thu thập bằng phương pháp cơ học vì chúng phân bố đều trong cột nước cũng như tầng bùn đáy.
Vấn đề tiếp theo là xử lý phần sinh khối thu thập được, thường có mùi khó chịu và khá độc hại. Vấn đề này thường được giải quyết bằng phương pháp đốt.
Sử dụng hóa chất keo tụ khiến các tế bào tảo lam lắng xuống đáy hồ là sự lựa chọn tốt hơn khi loại bỏ tảo bằng phương pháp cơ học. Khi loại bỏ tảo, đồng thời một phần bùn đáy chứa dinh dưỡng cũng được loại bỏ theo. Kết hợp giữa hai