Chương 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ CHỈ THỊ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG I. KHÁI NIỆM VỀ CHỈ THỊ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG1.1 Những khái niệm về sinh vật chỉ thị1.1.1 Khái niệm về môn họcTừ lâu các nhà khoa học thuộc các chuyên môn khác nhau đã sử dụng nhiều loài thực vật phục vụ cho công tác chuyên môn [bản đồ địa chất, phân bố khoáng sản, phân loại đất,…]Khi nghiên cứu môi trường nhận thấy: những sinh vật bị các chất gây ô nhiễm hoặc các chất tự nhiên có nhiều trong môi trường tác động, có thể biểu hiện những dấu hiệu dễ nhận biết.Các kiểu tác động của môi trường lên sinh vật có thể quan sát bằng mắt thường hoặc qua một số biểu hiện sau:• Những thay đổi về đa dạng loài, thành phần loài, nhóm ưu thế trong quần xã.• Tăng tỷ lệ chết trong quần thể, đặc biệt ở giai đoạn non.• Thay đổi sinh lí, tập tính của cá thể.• Khiếm khuyết về hình thái và tế bào của cá thể.• Sự tích lũy các chất ô nhiễm trong các cá thể.Việc nghiên cứu và sử dụng các sinh vật để đánh giá, kiểm soát và cải thiện môi trường đã đạt được nhiều thành tựu trên thế giới. Tất cả các nước phát triển đã có những nghiên cứu nhiều năm sử dụng các nhóm sinh vật để đánh giá môi trường và hình thành nên môn học chỉ thị sinh học môi trường.1.1.2. Khái niệm về sinh vật chỉ thị môi trườngMỗi đối tượng sinh vật có yêu cầu nhất định về điều kiện sinh thái liên quan đến nhu cầu dinh dưỡng, hàm lượng O2, khả năng chống chịu một hàm lượng nhất định các yếu tố độc hại trong môi trường sống. Do đó, sự hiện diện hay không của chúng biểu thị một tình trạng điều kiện sinh thái của môi trường sống nằm trong hay vượt giới hạn nhu cầu và khả năng chống chịu của đối tượng sinh vật đó.Đối tượng sinh vật: là sinh vật chỉ thị môi trường, có thể là các loài sinh vật hoặc các tập hợp loài.Các điều kiện sinh thái chủ yếu là các yếu tố vô sinh: Hàm lượng các chất dinh dưỡng, nhu cầu Oxy, chất độc và các chất gây ô nhiễm khác.1.1.3. Cơ sở của chỉ thị sinh học môi trường1.1.3.1. Cơ sở của việc sử dụng sinh vật làm chỉ thị môi trườngThành phần loài của một quần xã sinh vật được xác định bởi các yếu môi trường.Tất cả các cơ thể sống đều chịu tác động của các yếu tố môi trường sống, môi trường sống này cũng có thể bị ảnh hưởng từ môi trường xung quanh, đặc biệt bị tác động bởi các yếu tố vật lý và hóa học.Yếu tố tác động vào môi trường có thể hay không gây hại cho sinh vật đó, thì sinh vật này có thể hay không bị loại trừ ra khỏi quần thể, làm nó trở thành sinh vật chỉ thị cho môi trường.Hiểu biết về tác động của các yếu tố môi trường lên cơ thể sống có thể xác định được sự có mặt và mức độ có của nhiều chất trong môi trường.Như vậy, cơ sở cho việc sử dụng sinh vật làm vật chỉ thị môi trường dựa trên hiểu biết của con người về khả năng chống chịu của sinh vật với các yếu tố của điều kiện sinh thái [yếu tố vô sinh] với tác động tổng hợp của chúng.Các yếu tố vô sinh của môi trường: ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm, chất khí, chất dinh dưỡng dễ tiêu,…1.1.3.2. Tác động của các yếu tố vô sinh lên sinh vật Ánh sángÁnh sáng cần cho các hoạt động sống bình thường của động vật, cung cấp một số chất cần thiết cho động vật.Ánh sáng có vai trò đặc biệt quan trọng đối với thực vật: Cường độ và thời gian tác động của ánh sáng có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình quang hợp…Theo phản ứng với ánh sáng, sinh vật được chia thành hai nhóm:• Ưa sáng: Phi lao, bồ đề,…• Ưa tối: Cà độc dược, hành, dương xỉ,…Theo phản ứng của cây trồng với ánh sáng, có 3 nhóm:• Cây ôn đới• Cây nhiệt đới• Cây á nhiệt đới Nhiệt độTrong một phạm vi nhất định, nhiệt độ càng tăng thì càng làm tăng độ phát triển của sinh vật.Sinh vật có thể phản ứng với nhiệt độ bằng nhiều hình thức khác nhau. Nước và độ ẩmNước có vai trò rất quan trọng đối với sinh vật. Nước tham gia vào tất cả các hoạt động sống của sinh vật.Phân loại theo mức độ phụ thuộc vào nước, gồm:• Sinh vật ở nước: cá, thực vật thủy sinh,…• Sinh vật ưa ẩm cao: lúa, cói, lác,…• Sinh vật ưa ẩm vừa: tếch, trầu không,…• Sinh vật ưa ẩm thấp: xương rồng, thầu dầu,… Các chất khíKhí quyển cung cấp O2 và CO2 cho sinh vật, xử lý một phần các chất ô nhiễm.Khi thành phần, tỷ trọng các chất khí có trong khí quyển thay đổi có thể gây hại cho sinh vật.Thực vật có vai trò quan trọng trong xử lý các chất khí gây ô nhiễm môi trường [CO2, SO2]. Các chất khí hòa tan [muối]:Chất khoáng có vai trò quan trọng trong cơ thể sinh vật, giúp điều hòa các quá trình sinh hóa, áp suất thẩm thấu của dịch mô và các hoạt động chức năng khác.Sinh vật có khả năng hấp thu chất khoáng khác nhau. Đối với cây trồng, dinh dưỡng khoáng quyết định đến tình trạng sinh trưởng, năng suất, chất lượng sản phẩm cây trồng.Theo yêu cầu dinh dưỡng của thực vật, có 14 chất khoáng là dinh dưỡng thiết yếu cần cung cấp, được chia thành 3 nhóm nhu cầu:• Đa lượng: N, P, K• Trung lượng: Ca, Mg, S, Si• Vi lượng: Fe, Mn, Cu, Zn, Bo, Mo, Cl Môi trường mất cân đối hàm lượng các chất khoáng có thể dẫn đến gây rối loạn quá trình trao đổi chất làm sinh vật mắc bệnh và làm ảnh hưởng xấu năng suất, phẩm chất cây trồng.1.1.3.3. Khả năng biến đổi để thích nghi của sinh vật khi môi trường thay đổi Sự phản hồi của sinh vật đối với tác động từ môi trường.Sinh vật phản ứng lên tác động của môi trường bằng 2 phương thức: chạy trốn [động vật] và thích nghi.Sự thích nghi của sinh vật có thể là thích nghi hình thái hoặc thích nghi di truyền.• Thích nghi hình thái xảy ra trong suốt thời gian sống của cơ thể sinh vật dưới tác động của các yếu tố môi trường.• Thích nghi di truyền xuất hiện trong quá trình phát triển cá thể, không phụ thuộc vào sự có mặt hay vắng mặt của các trạng thái môi trường, được xây dựng và củng cố bởi các yếu tố di truyền. Biến động số lượngQuá trình biến đổi xảy ra do tác động ngẫu nhiên của các yếu tố môi trường, chủ yếu là do yếu tố thời tiết và khí hậu.Có thể ảnh hưởng lên số lượng cũng nư chất lượng cá thể trực tiếp hoặc gián tiếp qua sự thay đổi trạng thái sinh lý của cây, thức ăn, hoạt tính của thiên địch. Diễn thế sinh thái và tác động đến sinh vật chỉ thị môi trườngDiễn thế sinh thái tác động làm biến đổi môi trường sống gây rat hay đổi quần xã sinh vật.Tất cả các hoạt động kinh tế liên quan đến HST luôn chịu ảnh hưởng và tác động vào quá trình diễn thế sinh thái.Nguyên nhân xảy ra diễn thế sinh thái:• Nguyên nhân bên trong: gây nên nội diễn thế nằm trong chính tổ chức của chính HST, sự sinh sản và cạnh tranh sinh tồn của các sinh vật.• Nguyên nhân bên ngoài: bao gồm các yếu tố từ bên ngoài tác động lên HST làm thay đổi nó, gây nên ngoại diễn thế.Tác động làm biến đổi của môi trường gây ảnh hưởng trên cơ thể sống có thể quan sát:• Những thay đổi về thành phần loài hoặc các nhóm ưu thế• Những thay đổi về đa dạng loài• Tăng tỷ lệ chết trong quần thể…Do ảnh hưởng của diễn thế sinh thái mà các chỉ thị sinh học có thể sử dụng để đánh giá tình trạng suy thoái, đặc biệt là khu cần bảo tồn.1.1.4. Phân nhóm sinh vật chỉ thịDựa vào tác dụng của sinh vật chỉ thị:• Công cụ để giải đoán môi trường là các loài SVCT mẫn cảm với điều kiện môi trường không thích hợp, có thể sử dụng chúng làm công cụ để nhận biết tình trạng môi trường.• Công cụ thăm dò là những loài SVCT thích nghi đối với môi trường nhất định, sự xuất hiện của chúng có thể dung để đo phản ứng và thích nghi đối với sự thay đổi của môi trường.• Công cụ khai thác là các loài SVCT có khả năng tích lũy các chất trong mô của chúng.• Công cụ tích lũy SH: các loài SVCT có khả năng tích lũy các hóa chất trong mô 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 gây ô nhiễm.1.1.5. Tính chất của sinh vật chỉ thịKhả năng chống chịu của sinh vật với các yếu tố vô sinh của môi trường và tác động tổng hợp của chúng là một đặc điểm- Tính chất của SVCT.Đặc điểm phản hồi lên tác động của nhân tố môi trường bằng 2 hình thức: chạy trốn và thích nghi. Đây là tính chất thứ 2 của SVCTMT.Tính chỉ thị môi trường của SVCT được thể hiện ở các bậc khác nhau:• SVCT- dấu hiệu về sinh lý, sinh hóa, tập tính, tổ chức tế bào của cá thể SVCT.• Quần thể SVCT- cấu trúc quần thể các loài chỉ thị.• Quần xã SVCT- một số nhóm SVCT nào đó [sinh vật nổi, sinh vật đáy].Nhờ tính chất của SVCT có thể sử dụng khả năng tích tụ các chất ô 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 phương pháp lý hóa học. 1.1.6. Tiêu chuẩn để chọn sinh vật làm chỉ thị sinh học• Sinh vật đã được định loại rõ ràng.• Dễ thu mẫu trong tự nhiên, kích thước vừa phải.• Có phân bố rộng [phân bố toàn cầu].• Có nhiều tài liệu về sinh thái cá thể.• Có giá trị kinh tế hoặc là nguồn dịch bệnh.• Dễ tích tụ các chất ô nhiễm.• Dễ nuôi trồng trong phòng thí nghiệm.• Ít biến dị.1.2. Loài chỉ thịLoài chỉ thị là cá thể loài hay nhóm các loài sinh vật có đặc điểm sinh lý, sinh hóa mẫn cảm với tác động của tình trạng môi trường, chúng hoặc hiện diện hoặc thay đổi số lượng các loài khi môi trường sống bị ô nhiễm hay bị xáo trộn. Một số loài địa y là loài chỉ thị cho sự mẫn cảm với ô nhiễm SO2. Nhóm chỉ thị môi trường đất Secpentine có đặc điểm phát triển rời rạc và lùn. Một số loài cây rừng không chống chịu được với sự xáo trộn của môi trường có thể làm các cây chỉ thị cho tuổi của rừng cây.Các nhóm SVCT có thể dung trong đánh giá điều kiện sinh thái, các cá thể của loài chỉ thị đánh giá môi trường, lập bản đồ về sự ô nhiễm môi trường.1.3. Khái niệm mở rộng về sinh vật chỉ thị1.3.1. Sinh vật cảm ứngSVCT có thể tiếp tục tồn tại trong môi trường ô nhiễm dù có thể biến đổi do tác động của chất ô nhiễm.Nhờ đặc điểm này của sinh vật cảm ứng mà có thể nhận biết về đặc điểm của môi trường.1.3.2. Sinh vật tích tụSVCT không bị biến đổi trong môi trường bị ô nhiễm do có khả năng đặc biệt trong việc tích tụ những loại chất gây ô nhiễm nhất định trong mô với hàm lượng cao hơn nhiều so với môi trường.Vì vậy sinh vật tích tụ không chỉ có khả năng chỉ thị cho môi trường nhất định mà còn dễ bị phát hiện hơn qua những phân tích hóa học.Trong số những sinh vật loại này rêu thường được sử dụng rộng rãi nhất, tảo, thực vật lớn cũng thường được sử dụng, cá và động vật không xương sống cũng có thể sử dụng.1.3.3. Sinh vật thăm dò và cảnh báoSinh vật thăm dò và cảnh báo là những loài sinh vật bản địa đơn lẻ, có khả năng thể hiện phản ứng có thể đo được đối với chất ô nhiễm.Sinh vật thăm dò và cảnh báo được sử dụng như một chỉ thị cảnh báo sớm về sự có mặt của các chất ô nhiễm trong môi trường.1.4. Dấu hiệu sinh họcDấu hiệu sinh học là những thể hiện sự phản ứng của sinh vật đối với tác động của chất ô nhiễm trong môi trường.Có 2 loại chính:• Dấu hiệu sinh lý- sinh hóa• Dấu hiệu sinh thái1.4.1. Dấu hiệu sinh lý- sinh hóaDấu hiệu này dễ nhận biếtCó nhiều ý nghĩa, nhất là các chỉ số liên quan tới khả năng sống sót, sự sinh trưởng của cá thể, sự sinh sản của quần thể.1.4.2. Dấu hiệu sinh tháiDấu hiệu sinh thái thể hiện sự biến đổi của cấu trúc quần thể hoặc quần xã sinh vật dưới tác động cảu chất ô nhiễm.Khó nhận biết hơn, có thể nhận biết đánh giá bằng một số chỉ số: thiếu hụt loài, đa dạng sinh học, loài ưu thế.• Chỉ số thiếu hụt loài: được xác định trong trường hợp có số liệu khảo sát định kì về thành phần loài có mặt trong một khu sinh cư.• Chỉ số đa dạng sinh học: là chỉ số mang tính chất tổng hợp số lượng loài và số cá thể vào giá trị chung, để đơn giản hóa sự phức tạp của cấu trúc quần xã sinh vật.• Chỉ số loài ưu thế: khi mức độ ô nhiễm nặng, một số loài phát triển ưu thế về số lượng.1.5. Chỉ số sinh họcChỉ số sinh học là chỉ số dựa trên ảnh hưởng của OONMT và tác động của sự phân hủy chất hữu cơ lên sinh vật để đo đạc các tinh chất của môi trường, đánh giá sinh thái môi trường.Quan trắc chất lượng nước: các loài chỉ thị và mức mẫn cảm của chúng với ô nhiễm; Số lượng nhóm sinh vật chỉ thị có hoặc vắng mặt được sử dụng để tính toán chỉ số sinh học.Chỉ số sinh học được sử dụng đa dạng theo vùng địa lý: thang tính điểm của tổ chức nghiên cứu quan trắc sinh học được biến đổi để sử dụng ở nhiều nước.Các chỉ số sinh học được sử dụng khá đa dạng ở Anh và được sử dụng cho nhiều nước.1.6. Chỉ số đa dạngChỉ số đa dạng biểu thị độ phong phú loài trong môi trường đã chọn ở dạng giá trị đơn loài.Có ý nghĩa gián tiếp chỉ ra sự tăng ô nhiễm của một HST, làm cho các loài mẫn cảm sẽ giảm thiểu và dẫn đến việc suy giảm tính đa dạng tổng thể củ quần xã sinh vật.Sử dụng chỉ số đa dạng để đánh giá 3 khía cạnh của cấu trúc quần xã:• Số lượng loài hoặc độ phong phú loài.• Tổng lượng sinh vật [độ phong phú] của mỗi loài.• Tính đồng nhất phân bố các cá thể giữa các loài khác nhau [tính đồng đều].Hiện có một số phương pháp thông dụng tính chỉ số đa dạng là: Shannon- Weiner [H’], Simpson [D], Malgalef [DMg].1.7. Chỉ số tương đồngChỉ số tương đồng là sự so sánh độ phong phú loài tại hai điểm thu mẫu khác nhau, trong đó một điểm được xem làm đối chứng.Có nhiều cách tính chỉ số tương đồng, nhưng thông dụng nhất phương pháp tính: chỉ số Sorensen [C]; hệ số Jaccard [J]; chỉ số tương đồng quần xã Pinkham &Pearson [P].Sử dụng các chỉ số đa dạng và tương đồng có những ưu điểm và hạn chế nhất định.1.8. Chỉ thị hình thái và môCác thông số về hình thái, cung cấp những dấu hiệu có thể đo đạc hoặc nhìn thấy rõ tác hại do chất gây ô nhiễm gây nên cho sinh vật.Chỉ thị hình thái và mô có sự khác nhau giữa động vật và thực vật.1.8.1. Đối với thực vậtCác thông số [chỉ tiêu] thường sử dụng trong chỉ thị hình thái và mô:• Tốc độ sinh trưởng tương đối, trọng lượng, tuổi, chỉ số diện tích lá • Sự hư hại thực vật [có thể quan sát được bằng mắt] như: lá bị vàng, bị đốm hoặc hoại sinh [đặc biệt để quan trắc mưa axit].Trong nhiều trường hợp, chỉ thị hình thái- mô của một số loài thực vật được sử dụng để phát hiện sự có mặt một số chất gây ô nhiễm không khí [sự hư hại lá cây thuốc lá là chỉ dẫn cho ô nhiễm O3].1.8.2. Đối với động vậtCác thông số thường sử dụng trong chỉ thị hình thái và mô:• Tuổi, kích thước, tốc độ tăng trọng, tỷ lệ sinh sản.• Sinh trưởng không đối xứng và những thay đổi hình thái không do bệnh lý.• Sự xuất hiện các đặc tính bệnh lý: lở loét, bướu u, viêm tấy…II, VAI TRÒ CỦA CHỈ THỊ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG2.1 Vai trò của chỉ thị sinh học trong đánh giá môi trườngSự thiếu hoặc thừa dinh dưỡng, có chất ô nhiễm trong môi trường, gây ảnh hưởng lớn đến tình trạng sinh trưởng và sức sản xuất của thực vật làm trên lá thực vật xuất hiện những dấu hiệu bất thường: cây còi cọc, vàng lá, màu tía, mất màu, hoại tử … Dựa vào những dấu hiệu nêu trên ở thực vật cho phép đánh giá nhanh, rẻ tiền và hiệu quả hơn về những chất gây ô nhiễm ở các nồng độ khác nhau so với các phương pháp hiện đại khác.Trong những trường hợp cần thiết, bổ sung phương pháp phân tích đất, nước và thực vật. Còn đối với những chuyên gia chỉ thị sinh học môi trường không nhất thiết phải tiến hành phân tích thêm.Trong nhiều trường hợp dung chỉ thị sinh học môi trường còn là bước khởi đầu cho việc sử dụng hiệu quả các phương pháp nghiên cứu và đánh giá môi trường khác.Đặc biệt khai thác khả năng tích tụ các chất ô nhiễm và tác động tổng hợp của các yếu tố môi trường lên các sinh vật tích tụ làm cho chỉ thị sinh học môi trường là chỉ dẫn quan trọng cho việc thực hiện các phương pháp lý – hóa học.2.2. Vai trò của chỉ thị sinh học trong xử lý ô nhiễm môi trườngXử lý môi trường bị ô nhiễm là một quá trình phức tạp [ công nghệ, hiểu biết sâu về cơ chế hấp phụ, chuyên hóa …chi phí rất cao ].Trong khi đó khả năng làm sạch môi trường đất và nước bị ô nhiễm [ bởi kim loại, chất hữu cơ, thuốc sung và các chất phóng xạ ] bằng thực vật đang được coi như một loại công nghệ mới, đơn giản và rất hiệu quả.Hiện nay vấn đề ô nhiễm KLN và các hóa chất nguy hại khác đối với môi trường đất, nước đang phổ biến.Có nhiều phương pháp xử lý ô nhiễm KLN trong đất [ đào đất ô nhiễm đi chon lấp chỗ khác, rửa đất, cố định các chất ô nhiễm, xử lý nhiệt … ] nhưng các phương pháp trên đều rất tốn kém kinh phí, giới hạn về kĩ thuật và hạn chế về diện tích.Do đó, phương pháp sử dụng thực vật để xử lý ô nhiễm KLN trong đất, nước được quan tâm đặc biệt bởi kĩ thuật đơn giản, chi phí đầu tư rất thấp, an toàn và thân thiện với môi trường.III, GIÁM SÁT VÀ QUAN TRẮC SINH HỌC MÔI TRƯỜNG3.1 Khái niệm về giám sát và quan trắc sinh họcGiám sát sinh học gồm các khảo sát khác nhau tiến hành trong cùng một thời gian.trong đó khảo sát sinh học [điều tra sinh học] là sự kiểm kê tính các sinh vật, các biến đổi và những quá trình xảy ra trong một môi trường đã chọn.Quan trắc sinh gọc là việc giám sát sinh học với mục đích đặc trưng để đảm bảo tuân thủ những giới hạn các chất gây ô nhiễm trong môi trường theo bộ tiêu chuẩn đã được luật pháp quy định.Mặc dù quan trắc sinh học bao gồm giám sát sinh học, tuy nhiên cần phân biệt rõ hai khái niệm này.3.2 Ý nghĩa của quan trắc sinh họcNghiên cứu các phương pháp giám sát sinh học cho việc quan trắc chất lượng môi trường có thay thế cho các phương pháp hóa học đắt tiền.Các phương pháp quan trắc sinh học còn có thể tạo ra những ưu việt đáng kể so với phương pháp hóa học.Quan trắc ô nhiễm dựa vào việc thu mẫu vật để phân tích hóa học tại những khoảng thời gian khác nhau vừa tốn tiền vừa khó thực hiện đặc biệt trong điều kiện môi trường thay đổi [không khí hoặc dòng nước chảy], nhưng lại có thể thực hiện bình thường bằng phương pháp quan trắc sinh học.Nhiều chất gây ô nhiễm có thể có mặt trong môi trường nhưng không phát hiện được phương pháp phân được], trong khi đó lại có thể phát hiện được nhờ quan trắc sinh học.Do các sinh vật chỉ thị của quần xã sinh vật có khả năng phản hồi với bất kỳ chất ô nhiễm nào có trong môi trường dù ở mất rất thấp nên sự thay đổi được phát hiện [SVCT] đều có thể là dấu hiệu báo trước cho việc lấy mẫu phân tích hóa học đạt kết quả tốt.Tuy nhiên khi sử dụng quan trắc sinh học để đánh giá ô nhiễm cũng cần phải chú ý khả năng ảnh hưởng xấu tới kết quả của các yếu tố có liên quan.Những đặc điểm có tác động nhiều đến các quần xã động vật đáy thủy vực: vĩ độ, kinh độ, độ dốc, độ cao, khoảng cách từ nguồn, chiều rộng và độ sâu trung bình, nền đáy và độ kiềm có thể ảnh hưởng lên quần xã sinh vật đáy làm cho kết quả3.3 Các phương pháp quan trắc sinh họcTrong thực tế có thể sử dụng nhiều phương pháp quan trắc sinh học môi trường. Trong mỗi phương pháp có sự khác nhau về: loại giám sát, sinh vật chính được sử dụng, loại chất ô nhiễm chính được đánh giá, ưu điểm và nhược điểm.Các phương pháp quan trắc sinh học gồm:Loại giám sátSinh vật chính được sử dụngNhững chất ÔN chính được đánh giáƯu điểm Nhược điểmNghiên cứu cấu trúc quần xãĐV không xương sống,TV cỡ lớnChất thải hữu cơ, chất thải nuy hại, giàu dinh dưỡng…Dễ sử dụng giá thành rẻ, không có yêu cầu cao về thiết bị và kiến thức chuyên mônĐòi hỏi kiến thức của một số chuyên gia nhất định, sử dụng được cục bộ không đăc trưngCác chỉ thị SHĐV không xương sống cỡ lớn, TV lớn, tảo, địa yChất thải hữu cơ, giàu dinh dưỡng, axit hóa, khí độcDễ sử dụng giá thành rẻ, không đòi hỏi thiết bị chuyên dụngCần kiến thức của một số chuyên gia, sử dụng cục bộ, không đặc trưngPhương pháp VSVVi khuẩn Vật liệu phân và hữu cơGiá thành tương đối thấp, trực tiếp liên quan đến sức khỏe của con ngườiCần thiết bị và kiến thức chuyên giaSinh vật tích tụTV lớn, ĐV không xương sống, ĐV có xương sốngChất thải nguy hại, chất phóng xạChỉ thị có liên quan đến sức khỏe con ngườiTốn thời gian, đắt đòi hỏi thiết bị và nguồn lực được đào tạoPhép thử sinh họcVSV, TV lớn, ĐV không có xương sống, ĐV có xương sông nhỏChất hữu cơ, các khí độc, chất thải độc hạiKết quả nhanh, giá thành tương đối thấp, có khả năng nghiên cứu đa dạngCần có các nghiên cứu quan trắc tiếp theo trong thực tế.3.4. Lựa chọn sinh vật chỉ thị để quan trắc sinh họcĐầu tiên cần dựa vào tiêu chuẩn SVCT để lựa chọn cho phù hợp với những trường hợp cụ thể. Để lựa chọn sinh vật, trước hết cần xác định sinh vật ấy chỉ thị môi trường như thế nào. Có một số khuyến cáo cụ thể như sau: Đối với nước ngọt:Nhiều loại tảo có thể sử dụng là chỉ thị sinh học để đánh giá chất lượng nước tự nhiên [phát triển mạnh trong nước ấm, chứa nhiều dinh dưỡng].Ngoài tảo có thể sử dụng các loài thực vật lớn như các loài lau, sậy, bèo làm các thực vật chỉ thị cho hiện tượng phú dưỡng. Động vật nguyên sinh [sử dụng chất hữu cơ rắn làm thức ăn] được sử dụng làm sinh vật chỉ thị liên quan đến chuỗi thức ăn.Một số loại cá có thể được sử dụng như: chỉ thị sinh học để xác định chất lượng nước và ô nhiễm nguồn nước của thủy vực.Các nguyên sinh động vật, động vật đa bào, các loài nhuyễn thể và tôm, cá là thành phần động vật thường có mặt trong nguồn nước tự nhiên. Sự phát triển về chủng loại và số lượng cá thể của động vật trong nước phụ thuộc rõ rệt vào chất lượng nước và mức độ ô nhiễm nước. Do vậy nhiều loài thuỷ động vật chỉ thị cho đặc điểm chất lượng nước. Đối với vùng nước mặn:Việc thay đổi độ mặn của nguồn nước có thể đánh giá qua việc xác định sự tồn tại và phát triển các thủy sinh vật theo độ mặn như sau: Để đánh giá ô nhiễm do phân bắc:Có 3 nhóm vi sinh vật chỉ thị:• Nhóm Coliform đặc trưng là: Escherichiacoli [ E.coli ]• Nhóm Streptococci đặc trưng là: Streptococcus faecalis• Nhóm Clostridia khử sunfit [ SO3- ] đặc trưng là: Clostridium perfringentsHình ảnh Streptococcus faecalis và E.coli Sự có mặt các vi sinh vật này chỉ tình trạng nước bị ô nhiễm phân, có nghĩa là có thể có vi trùng gây bệnh và ngược lại.Trong 3 nhóm vi sinh vật chỉ thị trên, nhóm Coliform thường được phân tích vì: chúng là nhóm vi sinh vật quan trọng nhất trong việc đánh giá vi sinh nguồn nước và có đầy đủ các tiêu chuẩn của loài vi sinh chỉ thị lý tưởng.Để đánh giá mức độ ô nhiễm nước do chất thải sinh hoạt, ngoài các thông số hóa – lý cần thiết phải quan trắc các vi sinh vật chỉ thị: feacal coliform, tổng số Coliform và các sinh vật gây bệnh khác.Trong trường hợp đánh giá tác động của ô nhiễm đến hệ sinh thái nước cần quan trắc bổ sung về các sinh vật thủy sinh: động vật đáy không xương sống, thực vật nổi. Động vật đáy không xương sống [ ốc, hến, tôm, cua, ấu trùng, côn trùng ] : tương đối cố định tại đáy sông, hồ chịu ảnh hưởng của sự thay đổi liên tục chất lượng nước và chế độ thủy văn trong ngày. Thời gian phát triển khá lâu, dễ thu mẫu, dễ phân loài. Động vật đáy không xương sống có thể chỉ thị cho ô nhiễm hữu cơ, phú dưỡng, ô nhiễm do hóa chất độc KLN, hóa chất BVTV, hydrate dị vòng ; ô nhiễm do dầu mỡ. Đối với môi trường không khí thường lựa chọn các loại địa y, rêu và các thực vật hoang dã để quan trắc sinh học. Đối với môi trường đất thường sử dụng các loài thực vật tích tụ để quan trắc sinh học.Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CHỈ THỊ SINH HỌC MÔI TRƯỜNGI, CÁC PHƯƠNG PHÁP GIÁM SÁT SINH HỌC1.1. Nhóm phương pháp loài đơn lẻSử dụng phản ứng của những loài đơn lẻ - loài làm chỉ thị sinh vật nhảy cảm, sinh vật tích tụ.a, Sử dụng loài chỉ thị:Đánh giá tác động của chất gây ô nhiễm dựa trên sự có mặt của các loài chỉ thị đặc trưng [Năng bộp chỉ thị đất rất chua [PH: 4 - 5] rất nhiều Al3+ với C > 2000 ppm].Thường dùng trong đánh giá môi trường đất, ít dung để đánh giá môi trường nước [nhiều loài có thể không có mặt không lien quan đến chất lượng nước. b, Sử dụng sinh vật nhạy cảm:Đánh giá tác động của chất gây ô nhiễm qua ảnh hưởng của chúng tới: mật độ, sự phát triển và đặc điểm sinh lý của các sinh vật nhạy cảmCó khả năng phát hiện ảnh hưởng của các chất gây ô nhiễm ở những nồng độ khác nhau[ có hại đối với sinh vật].Có thể áp dụng trong những nghiên cứu liên quan đến những biểu hiện khác thường về hình thái sinh vật- khi những chất gây ô nhiễm đã phá vỡ sự phát triển bình thường của sinh vật[ vỏ của ấu trùng liên quan đến khả năng chống chịu với những hóa chất]1.2. Phương pháp đa loài Sử dụng những phản ứng của nhiều loài sinh vật [quần thể, quần xã] thông qua: các chỉ số sinh học, chỉ số đa dạng. Thường sử dụng trong quan trắc môi trường nước.Thường sử dụng trong quan trắc môi trường nước và sử dụng những nhóm sinh vật hay quần xã sinh vật.Được thực hiện theo 4 hình thức:• Đo mức độ phong phú: dựa vào số lượng đơn vị phân loại có mặt tại một địa điểm.• Liệt kê: ghi nhận tổng số các cá thể không cần nhận dạng, các cá thể bị tác động môi trường [số lượng có thể tăng hoặc giảm].• Đo đếm các nhóm sinh vật theo chức năng dinh dưỡng: nhằm xác định tỷ lệ giữa số lượng đơn vị trong nhóm dinh dưỡng đặc biệt nhờ đó có thể làm rõ những nhóm chống chịu với những dạng tác động nào đó [từ môi trường] tốt hơn.• Các chỉ số kết hợp: kết hợp các chỉ số có được từ những phép đo trên để tăng độ tin cậy cho kết quả nghiên cứu [so với khi áp dụng một phép đô riêng rẽ nào đó].II. Phương pháp sử dụng chỉ thị sinh học trong nghiên cứu ô nhiễm môi trường2.1 Sử dụng chỉ số sinh học2.1.1 Sử dụng chỉ số sinh học trong giám sát môi trườngShannen - Weiner sử dụng chỉ số đa dạng H’ và Margaleft sử dụng chỉ số đa dạng [D] để đánh giá mức độ ô nhiễm hữu cơ nguồn nước.Việc tính toán và xếp hạng chất lượng nước theo chỉ số đa dạng sinh học thể hiện ở bảng:Bảng đánh giá chất lượng nước theo chỉ số đa dạng sinh học.Sử dụng hệ thống tính điểm nhóm động vật đáy cỡ lớn của tổ chức quan trắc sinh học [BMWP] để đánh giá nhanh chất lượng nước.Mẫu vật thu được [tại các thủy vực] được phân loại.Dựa vào các chỉ thị tương ứng với họ [trong bảng tính điểm BMWP] để tính điểm cho từng họ.Cộng tất cả các điểm từ mỗi họ tại từng điểm nghiên cứu được tổng điểm số BMWP.Tính điểm số trung bình cho các đơn vị phân loại [ASPT: là chỉ số tương ừng với với một mức ô nhiễm [chất lượng] nước bằng cách chia tổng số điểm [BMWP] cho tổng số họ đã lấy để tính điểm.2.1.2. Sử dụng chỉ số sinh học trong quan trắc môi trườngCác số liệu được sử dụng để ấn định giá trị đánh số đối với các chỉ thị sinh học cá thể.Tổng các giá trị đánh số của tất cả các loài chỉ thị sinh học tại mỗi điểm thu mẫu [xác định] sẽ cho kết quả biểu thị kiểu ô nhiễm tại điểm đó.Tổng các giá trị hoại sinh của tất cả các chỉ thị sinh học tại một điểm chia cho tổng số các giá trị tần số gặp cho chỉ số hoại sinh hay chỉ số nhiễm bẩn tại một điểm đó.Chỉ số sinh học được sử dụng đầu tiên trong quan trắc môi trường là hệ hoại sinh [dung quan trắc ô nhiễm hữu cơ trong các sông].Các chỉ số sinh học khác được phát triển, để quan trắc các tác động chất hữu cơ trong nước chảy phổ biến nhất. Chỉ số TRENT, điểm số CHANDLER [CBS].Nhiều nước sử dụng rộng rãi điểm số BMWP của nhóm động vật đáy cỡ lớn để quan trắc môi trường nước [dựa vào xác định số loại và phân bố của động vật đáy không xương sống để phân loại mức độ ô nhiễm nước].Hệ hoại sinh được cải tiến, mới nhất dùn để đánh giá chất lượng ở CHLB Đức:Các chỉ số sinh học điều có hạn chế là phải sử dụng cùng với những số liệu có sẵn về lý – hóa học. Nhưng có ưu việt là tính toán đơn giản, cung cấp thông thông tin dễ hiểu về mức độ ô nhiễm.2.2. Sử dụng sinh vật tích tụ trong nghiên cứu môi trườngKhông ít sinhvật có thể tích tụ các chất gây ô nhiễm trong các mô của chúng qua quá trình tích lũy sinh học.Đặc điểm của các sinh vật tích tụ:• Chất ô nhiễm được hấp thụ qua bề mặt cơ thể, qua những cấu trúc đặc trưng, hoặc được nuốt vào cùng với thức ăn với tốc độ lớn hơn tốc độ đào thải từ cơ thể chúng.• Sự tích lũy này có thể diễn ra trong suốt vòng đời của sinh vật mà không có tác động phụ xuất hiện.• Hàm lượng tích luỹ trong mô của sinh vật tích tụ có thể gấp 103 – 106 lần so với trong môi trường “khuếch đại sinh học”.Khả năng tích tụ chất gây ô nhiễm ở sinh vật tích tụ được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu, quan trắc, xử lý môi trường.Những mô tích lũy các chất gây ô nhiễm biểu thị hàm lượng các chất gây ô nhiễm xâm nhập vào môi trường và tác động lên sinh vật trong thời gian dài.Từ sau những năm 1970 bắt đầu nghiên cứu việc sử dụng sinh vật tích tụ để xử lý các đất bị ô nhiễm kim loại nặng [chịu được hàm lượng kim loại nặng cao hơn 10 – 100 lần so với các cây trồng nông nghiệp bình thường khác].Đặc điểm của các loài thực vật này là chỉ hấp thụ một hoặc một số kim loại đặc trưng trong các bộ phận trong môi trường đất [chồi, cành, lá].Vì vậy để xử lý các chất gây ô nhiễm, người ta thu hoạch và tiêu huỷ các bộ phận tích lũy.Cho đến 2002 đã phát hiện 420 loài có khả năng tích tụ kim loại nặng 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 [môi trường đất, không khí], rêu được sử dụng rộng rãi trong quan trắc các kim loại nặng.Lựa chọn sinh vật tích tụ trong nghiên cứu môi trường theo tính chất của sinh vật chỉ thị.Trong thực tế khó có loài đơn lẻ nào đáp ứng được đủ các tiêu chuẩn của sinh vật chỉ thị về tích tụ, trong các chương trình giám sát ô nhiễm phải khắc phục bằng hai cách:Quan trắc thụ động và thu mẫu [để phân tích HH] từ nơi cư trú đặc biệt của các sinh vật bản địa.Quan trắc chủ động [tại nơi cư trú] các sinh vật ở các vùng không ô nhiễm.2.3. Phép thử sinh họcSử dụng sinh vật ở những điều kiện thí nghiệm [có đối chứng] để nghiên cứu, đánh giá môi trường.Nhiều phép thử sinh học đã được phát triển để sử dụng trong phòng thí nghiệm hoặc ngoài hiện trường Khả năng sử dụng các phép thử sinh học trong nghiên cứu vấn đề môi trường• Xác định các tác động ngắn hạn của liều lượng lớn chất ô nhiễm [cấp tính] đến cá thể, quần thể và quần xã.• Xác động tác động tiềm năng của các chất gây ô nhiễm [tác động dài hạn của những lượng thấp chất gây ô nhiễm khác nhau [mãn tính] đến cá thể, quần thể và quần xã.• Xác định sự đa dạng của ngưỡng độc hại [liên quan đến hiệu ứng gấy chết toàn bộ hoặc một nửa] và giới hạn chuẩn của các chất gây ô nhiễm.• Xác định rõ tính mẫn cảm của những sinh vật điển hình đối với các chất gây ô nhiễm đặc trưng.• Mô hình tác động và cách xâm nhập của các chất gây ô nhiễm vào các hệ sinh thái.• Nghiên cứu các biện pháp xử lý và chống ô nhiễm.Tiêu chuẩn lựa chọn sinh vật trong thí nghiệm sinh học.• Các tiêu chuẩn như đối với các sinh vật chỉ thị môi trường.• Cần phải có các tiêu chuẩn khác: Ở trạng thái khỏe mạnh, không dễ bị nhiễm bệnh và ký sinh; mẫn cảm và bền vững trong phản hồi với các chất gây ô nhiễmPhân biệt phép thử đa loài và đơn loài, thường dùng phép thử sinh học đơn loài, mặc dù phép thử đa loài có ưu việt hơn.Các thông số [chỉ tiêu] dùng để theo dõi sinh vật thí nghiệm [xác định tác động gây ra bởi ô nhiễm] khá đa dạng và hường là: những thay đổi trong tập tính, hình thái, sinh lý, sinh hóa.Sinh vật khác nhau thì chỉ tiêu khác nhau:VD:- vsv: BOD,…- Tảo: tốc độ tái sinh, sinh trưởng, hàm lượng diệp lục…- Động vật không xương sống và có xương sống: hiệu ứng gây chết, tốc độ tái sinh, tỷ lệ thức ăn…Khi tiến hành các phép thử sinh học thường áp dụng các phương pháp nghiên cứu trong nông học [thí nghiệm đồng ruộng,thí nghiệm chậu vại]. Vì vậy cần tìm hiểu và thực hiện đúng các phương pháp nghiên cứu tương ứng để đảm bảo kết quả của phép thử sinh học.2.4. Xây dựng bản đồ ô nhiễmSử dụng sinh vật chỉ thị để xây dựng bản đồ phân bố loài chỉ dẫn về phân bố ô nhiễm.Địa y mẫn cảm nhất với các loại chất gây ô nhiễm đặc biệt là sunfua ddioxxit [SO2] các quần xã địa y trong thành phố và trong các khu công nghiệp thường rất nghèo.Căn cứ vào biến đổi [không tgian và thời gian] trong phân bố địa y theo khả năng chống chịu của các loại đặc trưng có thể xây dựng bản đồ về nồng độ gây ô nhiễm SO2 ở cấp độ vùng và quốc gia.Rêu, vi nấm và ve cũng đuợc sử dụng để xây dựng bản đồ ô nhiễm một số chất khí.2.5. Phương pháp so sánhHiện nay phát triển phương pháp so sánh chỉ thị sinh học môi trường đối với các hệ thống nuớc ngọt. Trong đó xác định kiểu sinh thái đặc trưng và sử dụng các phương pháp đặc chọn lọc nhằm so sánh những thủy vực cùng kiểu nhưng không bị tác động.Kết quả biểu thị ra tính tương đồng theo % của các điểm nghiên cứu, điểm số %>90% chứng tỏ điểm đó không bị ô nhiễm2.6 Sử dụng vi sinh vật VSV là hợp phần quan trọng của các hệ sinh thái mà tính đa dạng và độ phong phú của chúng bị chi phối bởi những thay đổi của các yếu tố môi trường và có thể trở thành chỉ thị cho những kiểu ô nhiễm nhất định.Sự có mặt của quần xã nấm nước thải là chỉ thị ô nhiễm mức độ cao. Sự có mặt của các vi khuẩn sống trong ruột người và động vật là chỉ thị cho ô nhiễm nước thải sinh hoạtSử dụng thủy tinh, cốc nhựa khử trùng khi lấy mẫu phân tích 2.7 Sử dụng các loài đặc hữu, quý hiếm Các loài đặc hữu là các loài phân bố hẹp, thích ứng với môi trường sinh thái nhất định. Khi các yếu tố môi trường bị xâm hại thì quần thể các loài đặc hữu bị suy giảm số lượng cá thể hoặc không còn hiện diện ở đó- là cơ sở cho việc đánh giá hiện trang và bảo vệ môi trường. 2.8 Phương pháp diễn thế Sự phát triển của các quần xã sinh vật theo thứ bậc liên quan đến những biến đổi cấu trúc loài, các quá trình tiến triển quần xã sinh vật theo thời gian và hướng nhất định[ Tính kế tiếp của các quần xã có sự thay thế cho nhau trong từng vùng] gọi là diễn thế.Diễn thế xảy ra do môi trường vật lý thay đổi dưới sự tác động của quần xã và có thể dự đoán đượcPhương pháp dự báo diễn thế sinh thái:• Mô hình tính toán kinh nghiệm[ diễn thế dinh dưỡng môi trường thủy vực]• Lập bảng ma trận với tham số là các tác động từ môi trường bên ngoài và các diễn biến có thể xảy ra tương ứng trong hệ[ môi trường, đặc trưng sinh học].CHƯƠNG 3: CHỈ THỊ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG NƯỚCI, ĐẶC ĐIỂM MÔI TRƯỜNG NƯỚC1.1 Đặc điểm chung Là chất phổ biến, duy nhất gặp với khối lượng lớn ở 3 trạng thái rắn, lỏng và khí. Nước là chất chủ yếu của hệ sinh thái, nhu cầu quan trọng của sự sống, các hoạt động kinh tế Nước gồm: Nước khí quyển, Nước mặt, Nước dưới đất, Nước biển và nước đại dương1.2 Đặc điểm vật lý của nước tự nhiên• Nhiệt độ: biến động theo địa lý, mùa trong năm, thời tiết, ngày đêm; nhiệt độ có ảnh hưởng lớn đến sinh trưởng, sinh sản và di cư của các loài sinh vật sống trong nước• Độ trong, đục: do phù sa, chất lơ lửng, chất hòa tan và thủy sinh vật; ảnh hưởng đến sự phát triển của các loài thực vật trong nước• Màu: phù sa[ đỏ gạch], chất hòa tan[ vàng cam- sắt], chất lơ lửng[ trắng đục- bùn, nâu đen- chất hữu cơ], thủy sinh vật[ xanh nhạt- tảo lục, xanh đậm- tảo lam, vàng nâu- tảo silic]• Mùi: tanh và hôi[ vi khuẩn], tanh[ sắt], trứng thối[ H2S]• Vị: mặn[ NaCl], Ngọt[ CO2], Đắng chát[ Mg2+], Chua[ Fe, Al]• pH: tính chất đất, phân hủy hữu cơ, hô hấp của thủy sinh vật, quang hợp của thực vật1.3 Đặc điểm hóa học của nước tự nhiên• Các nguyên tố hóa học[ dạng ion] nồng độ ppm: Cl-, Na+, SO4-2, Mg2+, Ca2+, K+, HCO3-, Br-, Sr2+. Các nguyên tố nồng độ ppb: B, Si, F, N, P, Mo, Zn, Fe, Cu, Mn, Ni, Al. Trong nước biển thường chứa các chất này cao hơn nước sông hồ.• Oxy hòa tan[ DO]: hình thành do không khí, quang hợp của thủy sinh vật, rất cần thiết cho các hoạt động sống của sinh vật trong nước, biến động theo: mùa, thời tiết, ngày đêm, độ sâu, nhiệt độ và độ mặn• CO2 hòa tan: do hô hấp của thủy sinh vật và phân hủy chất hữu cơ, rất cần thiết cho sự quang hợp tạo chất hữu cơ của thủy vực nhưng nồng độ >10mg/l ức chế thủy sinh vật.• H2S; hình thành do phân hủy protein, phản sunfat hóa yếm khí; phụ thuộc vào: pH, nhiệt độ nước; nó rất độc cho thủy sinh vật• CH4: hình thành do phân hủy hữu cơ yếm khí, nhiều CH4 chứng tỏ nước nhiều hữu cơ, chất lượng kém• NH3: N hữu cơ, phân bón; hàm lượng NH3 tăng khi pH và nhiệt độ tăng, rất độc cho cá• NH4+: thức ăn tự nhiên, nếu nhiều sẽ làm thực vật phù du phát triển quá mức• NO2: nitrit hóa, phản nitrat hóa, rất độc với tôm cá• NO3-: dinh dưỡng dễ tiêu của thực vật, thức ăn cho tôm của thủy vực, nếu nồng độ quá cao sẽ làm tảo phát triển quá mức• P[ H2PO4-, HPO4-2 và PO4-3] dinh dưỡng của thực vật bậc cao, nguyên sinh động vật và vi sinh vật• Si[ nham thạch]: cần cho tảo khuê, động vật• BOD: Lượng oxy cần cho quá trình hô hấp của thủy sinh vật[ trong điều kiện nhất định], xác định ở 20 độ C trong 3[BOD3] đến 5 ngày[BOD5]. Nước có mật độ sinh vật cao thì BOD càng cao, dung để đánh giá mức độ giàu dinh dưỡng hay nhiễm bẩn của thủy vực• COD: Lượng oxy tiêu tốn cho sự phân hủy hữu cơ theo phản ứng: [CHO]n + O2 -> H2O + Q. Môi trường càng nhiều chất hữu cơ thì COD càng cao. COD dung để đánh giá mức độ dinh dưỡng của nước1.4 Các chất gây ô nhiễm nguồn nước