Tài liệu Chỉ thị hoàn chỉnh

A. MỞ ĐẦU Môi trường có tầm quan trọng đặc biệt đối với sự tồn tại và phát triển của đời sống con người, sinh vật và sự phát triển kinh tế, văn hóa, xã hội của đất nước, của dân tộc và nhân loại. Nhưng hiện nay môi trường sống của con người và các loài sinh vật đang ở trong tình trạng báo động về ô nhiễm môi trường và biến đổi khí hậu toàn cầu. Ô nhiễm môi trường làm thay đổi thành phần và cấu trúc của môi trường nó ảnh hưởng đến các hoạt động sống của các sinh vật cũng như ảnh hưởng đến hoạt động sản xuất và phát triển của con người. Làm cho môi trường sống của các loài sinh vật bị thu hẹp lại dẫn đến sự cạnh tranh về môi trường sống của các loài sinh vật diễn ra ngày càng mạnh mẽ. Một số loài sinh vật không có khả năng cạnh tranh thì sẽ bị đào thải và bị tuyệt chủng làm cho sự suy giảm đa dạng sinh học của các hệ sinh thái ngày càng trầm trọng. Đối với con người thì không gian sống bị thu hẹp và các hoạt động sản xuất, phát triển, giải trí,du lịch... của con người bị đình trệ làm cho nền kinh tế của đất nước bị thiệt hại nặng nề và phát triển chậm chạp. Đồng thời ô nhiễm môi trường cũng ảnh hưởng mạnh đến sức khỏe và tuổi thọ của con người.Chính vì vậy hiện nay công nghệ xử lý ô nhiễm môi trường được con người đặc biệt quan tâm phát triển với những cộng nghệ xử lý ô nhiễm hiện đại và có hiệu quả; song việc xử lý ô nhiễm môi trường vẫn chưa thể đạt được kết quả như con người mong đợi,và để áp dụng nhữn công nghệ hiện đại này vào xử lý môi trường thì đòi hỏi về thời gian và chi phí là rất nhiều. Hiện nay con người đã tìm ra một phương pháp mới để xử lý ô nhiễm môi trường đó phương pháp sử dụng sinh vật chỉ thị. Phương pháp này sử dụng các loài sinh vật có khả năng tích tụ các chất ô nhiễm để làm sinh vật chỉ thị cho chất gây ô nhiễm và những sinh vật có khả năng phân hủy các chất ô nhiễm để xử lý chất gây ô nhiễm.Đây là phương pháp ít tốn kém về kinh tế và thời gian đồng thời nó cũng không đòi hỏi cao về trình độ của con người. Chính vì thế mà các “sinh vật chỉ thị” đang được quan tâm rất nhiều vì nó có vai trò và ý nghĩa rất lớn trong phương pháp xử lý môi trường bằng phương pháp xử dụng sinh vật. 1 B. NỘI DUNG PHẦN I. KHÁI QUÁT VỀ CHỈ THỊ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG I. KHÁI NIỆM VÀ CƠ SỞ CỦA CHỈ THỊ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG 1.1 Những khái niệm về sinh vật chỉ thị sinh học 1.1.1. Khái niệm sinh vật chỉ thị sinh học môi trường Những đối tượng sinh vật có yêu cầu nhất định về điều kiện sinh thái liên quan đến nhu cầu dinh dưỡng, hàm lượng oxy, 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 đối tượng 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 1.1.2. Cơ sở của chỉ thị sinh học môi trường a. Cơ sở của việc sử dụng sinh vật chỉ thị làm chỉ thị môi trường Thành phần loài của 1 quần xã sinh vật được xác định bởi các yếu tố 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 mạnh bởi các điều kiện vật lý và hóa học Yếu tố tác động vào môi trường có thể hay không gây hại cho sinh vật nào đó, thì sinh vật này sẽ bị hoặc 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 xác định sựu có mặt và mức độ có của nhiều chất trong môi trường 2 Như vậy cơ sở cho việc sử dụng sinh vật làm vật chỉ thị môi trường dựa trên hiểu biết 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 sinh thái vô sinh của môi trường có thể là: ánh sáng, nhiệt độ, nước hay độ ẩm, các chất khí, các chất dinh dưỡng dễ tiêu b. Tác động của các yếu tố vô sinh lên sinh vật  Ánh sáng Ánh 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, tổng hợp và tích lũy các chất trong cây. Theo phản ứng với ánh sáng sinh vật được chia thành 2 nhóm: ưa sáng và ưa tối Ưa sáng: phi lao, bồ đề, thuốc lá, cà rốt, lúa, ngô Hình 1 :Rừng phi lao chắn cát Hình 2 : Cây bồ đề Ưa tối: cà độc dược, hành, dương xỉ, rêu, tảo silic ( có khả năng quang hợp khi ánh sáng ở ngưỡng tối thiểu) Hình 3 : Cà độc dược Hình 4 : Dương xỉ 3 Theo phản ứng của cây trồng với ánh sáng có thể chia ra cây nhiệt đới, cây ôn đới, cây á nhiệt đới Theo phản ứng của cây trồng với thời gian chiếu sáng có thể chia ra: cây có phản ứng ngày ngắn và ngày dài  Nhiệt độ Trong một phạm vi nhất định, nhiệt độ càng tăng tốc độ phát triển của sinh vật càng tăng. Sinh vật có thể phản ứng với nhiệt độ bằng nhiều hình thức khác nhau - Khi nhiệt độ cao, cây tích lũy nhiều đường, muối, tăng khả năng giữ nước, thoát hơi nước. Cây non thường chịu lạnh tốt hơn già - Khi bị nóng động vật có thể tỏa nhiệt, dẫn nhiệt, bốc hơi, giãn các mạch máu ngoại vi. Khi lạnh nó co mạch, hình thành lớp lông và mỡ dưới da dày, tăng sản nhiệt hoặc run rẩy Theo phản ứng của cây trồng với nhiệt độ có thể chia ra cây nhiệt đới, cây ôn đới, cây á ôn đới  Nước và ẩm độ Nước có vai trò rất quan trọng đối với sinh vật .Phân loại sinh vật theo mức độ phụ thuộc vào nước: - Sinh vật ở nước: cá, thực vật thủy sinh - Sinh vật ưa ẩm cao: lúa, cói, lác Hình 5: Hệ sinh vật dưới nước Hình 6 : Hình ảnh thu cói ở Phú Yên - Sinh vật ưa ẩm vừa: tếch, các cây họ Bạch đàn, trầu không … - Sinh vật ưa ẩm thấp, chịu hạn: xương rồng, bỏng nẻ, thầu dầu, trúc đào, sú, vẹt dù, cà phê, chè, phi lao, tiêu, rêu, địa y…  Các chất khí 4 Khí quyển cung cấp O2, CO2 ch sinh vật, xử lý một phần các chất khí ô nhiễm. Khi thành phần, tỷ trọng các chất khí trong khí quyển thay đổi, có thể có 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 khoáng hòa tan 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 các 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 theo nhu cầu: đa lượng, trung lượng và vi lượng 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 c. 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 phuong thức: chạy trốn hoặc thích nghi. Sự thích nghi của sinh vật có thể 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 hay vắng mặt của các trạng thái môi trường , được xác định và củng cố bởi các yếu tố môi trường  Biến động số lượng Quá 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. Qúa trình ảnh hưởng lên số lượng cũng như chất lượng cá thể trực tiếp hay 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 trường: tác động làm biến đổi môi trường sống gây thay đổi quần xã sinh vật Tất cả các hoạt động kinh tế liên quan đến hệ sinh thái luôn chịu ảnh hưởng và tác động vào quá trình diễn thế sinh thái Nguyên nhân sảy ra diến thế: - Nguyên nhân bên trong: gây nên nội diễn thế nằm trong tính chất của chính hệ sinh thái, sự sinh sản và sinh tồn của các sinh vật - Nguyên nhân bên ngoài: bao gồm các yếu tố từ bên ngoài tác động lên hệ sinh thái làm thay đổi nó, gây nên ngoại diễn thế 5 Tác động làm biến đổi của môi trường gây ảnh hưởng lên 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 - Tăng tỷ lệ chết trong quần thể - Thay đổi sinh lý và tập tính trong các cá thể - Những khiếm khuyết về hình thái và tế bào trong các cá thể - Sự tích lũy dần các chất gây ô nhiễm trong các mô của những cá thể Do ảnh hưởng của diễn thế sin thái mà chỉ các chỉ thị sinh học có thể sử dụng để đánh giá tình trạng sinh thái, đặc biệt là khu cần bảo tồn 1.1.3. Phân nhóm chỉ thị sinh vật - Các sinh vật chỉ thị có thể phân nhóm theo tác dụng : Công dung để giải đoán môi trường là các loài sinh vật chỉ thị 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 sinh vật chỉ tị 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 Công cụ khai thác là các loài sinh vật chỉ thị có thể chỉ thị rõ cho sự xáo trộn hay ô nhiễm môi trường Công cụ tích lũy sinh học- các loài sinh vật chỉ thị có khả năng tích lũy các hóa chất trong mô của chúng Sinh vật thử nghiệm – các sinh vật được chọn lọc để nghiên cứu trong điều kiện thí nghiệm nhằm xác định các chất ô nhiễm 1.1.4. Tính chất của sinh vật chỉ thị Khả năng chống chịu của sinh vật với các yếu tố vô sinh của môi trường và tác động tổng hợp của chúng. Đặc điểm phản hồi lên tác động của nhân tố môi trường bằng 2 hình thức chạy trốn hay thích nghi. Tính chỉ thị môi trường của sinh vật chỉ thị được thể hiện ở các bậc khác nhau: - Sinh vật chỉ thị - Quần thể sinh vật chỉ thị - Quần xã sinh vật chỉ thị Nhờ tính chất của sinh vật chỉ thị 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 lời và hiệu quả hơn so với phương pháp lý hóa học 6 1.1.5. Tiêu chuẩn để chọn sinh vật làm sinh vật 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 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 thị Loài chỉ thị là các 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 sunfua điôxyt Hình7 : địa y , vật chỉ thị cho môi trường đất Đặc tính của các nhóm thực vật phát triển trên đất secpentine thường chỉ có các nhóm cây phát triển rời rạc và lùn. Một số loài cây không thể chống chịu được sự xáo trộn môi trường và có thể là các cây chỉ thị cho tuổi của rừng cây. Các sinh vật chỉ thị có thể sử dụng trong đánh giá sinh thái, đánh giá môi trường và lập bản đồ về sựu mẫn cảm đối với môi trường 1.3. Khái niệm mở rộng 7 1.3.1 Sinh vật cảm ứng Sinh vật chỉ thị 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 môi trường 1.3.2. Sinh vật tích tụ Sinh vật chỉ thị không bị biến đổi trong môi trường bị ô nhiếm 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 các 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 co thể sử dụng 1.3.3 Sinh vật thăm dò và cảnh báo Sinh vật thăm dò và cảnh báo là những loài sinh vật ban địa đơn lẻ, có khả năng thể hiện phản ứng có thể đo được đối với chất ô nhiễm.Sinh vật này được sử dụng như một chỉ thị cảnh báo sớm về sự có mặt các chất ô nhiễm trong môi trường. Chúng được xâm nhập một cách thận trọng vào một môi trường, nơi bình thường không thể phát hiện được chúng và hoạt đông như các hệ sinh học cảnh báo sớm hoặc xác định sự lan rộng của ô nhiễm.Ví dụ điển hình là một số loài cá để chỉ thị sự suy giảm chất lượng nước 1.4. Dấu hiệu sinh học Dấu hiệu sinh học là những thể hiện sự phản ứng của sinh vật đối với tác động của chất ô nhiễm trong môi trường. Dấu hiệu sinh học có 2 loại chính: - Dấu hiệu sinh lý – hóa sinh - Dấu hiệu sinh thái 1.4.1. Dấu hiệu sinh lý – hóa sinh Đây là dấu hiệu dễ nhận biết , có 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 8 1.4.2. Dấu hiệu sinh thái Thể hiện sự biến đổi của cấu trúc quần thể hoặc quần xã sinh vật dưới tác động của 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 số loài: được xác định trong trường hợp có số liệu khảo sát định kỳ 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 một 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 học Chỉ số sinh học là các chỉ số dựa trên ảnh hưởng của ô nhiễm môi trường và tác động của sự phân hủy chất hữu cơ lên sinh vật để đo đạc các tính chất của môi trường, đánh giá sinh thái môi trường. Trong quan trắc chất lượng nước thì 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 dùng để tính toán chỉ số sinh học. Chỉ số sinh học được sử dụng đa dạng theo vùng địa lý. Thang tính điểm của của tổ chức nghiên cứu quan trắc sinh học (BMWP- Biological Monitoring Working Party) được biến đổi để sử dụng ở nhiều nước).Các chỉ số sinh học được sử dụng khá đa dạng và phổ biến ở Anh để đánh giá ô nhiễm 1.6. Chỉ số đa dạng Chỉ 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 hệ sinh thái, làm cho các loài mẫn cảm sẽ giảm thiểu và dẫn đến việc suy giảm tính đa dạng tổng thể của quần xã SV ( Ví dụ, hiện tượng tăng số lượng một số loài sinh vật trong những hồ kiệt dưỡng tự nhiên khi hồ bị tác động do ô nhiễm hữu cơ từ chất thải ) Sử dụng chỉ số đa dạng để đánh giá 3 khía cạnh của cấu trúc quần xã: - Số lượng loài hoặc độ phong phú - Tổng lượng sinh vật của mỗi loài - Tính đồng nhất phân bố các cá thể giữa các loài khác nhau Hiện có một số phương pháp thông dụng tính chỉ số đa dạng là: Shannon- Weiner (H') ; Simpson (D); Malgalef (DMg) 9 1.7. Chỉ số tương đồng Chỉ số tương đồng là sự so sánh độ phong phú loài tại 2 điểm thu mẫu khác nhau, trong đó một điểm được xem là đối chứng. Có nhiều kiểu tính chỉ số tương đồng, nhưng thông dụng nhất là phương pháp tính:Chỉ số Sorensen (C), Hế số Jaccard (J), Chỉ số tương đồng quần xã Pinkham và Pearson (P) . Sử dụng các chỉ số đa dạng và tương đồng có những mặt mạnh, mặt hạn chế Bảng 1: Các chỉ số đa dạng và những mặt mạnh, mặt yếu của chúng Mặt mạnh Mặt yếu Chỉ - Đơn giản khi tính toán - Các giá trị đa dạng thay đổi phụ thuộc vào số đa - Sự đa dạng dược biểu chỉ số được sử dụng, kỹ thuật thu mẫu, vị trí dạng thị là duy nhất, giá trị số nơi thu mẫu, có thể cả kích thước mẫu lượng dễ hiểu - Sự diễn giải các giá trị chỉ thị liên quan tới - Không cần những giả các mức ô nhiễm không áp dụng cho mọi thuyết về sự chống chịu trường hợp ô nhiễm của các loài - Không thể phân biệt giữa các quần xã chống - Có thể được sử dụng chịu và không chống chịu ô nhiễm hiện có. ngang nhau giữa việc - Sự phản hồi của quần xã với ô nhiễm không đếm và số lượng sinh thường xuyên tuyến tính và một số loài có thể khối tăng tính đa dạng - Không đòi hỏi việc - Phản ứng kém đối với các trường hợp ít bị ô định loài nhiễm Chỉ - Thường đơn giản khi - Các giá trị thu được thay đổi phụ thuộc vào số tính toán chỉ số được sử dụng tương - Tính tương đồng được - Bị tác động bởi kích thước mẫu và đôi khi đồng biểu thị là đơn lẻ, giá trị bởi sự phong phú mẫu số lượng dễ hiểu - Đòi hỏi điểm không ô nhiễm làm đối chứng - Không cần những giả - Không cần phân biệt giữa các quần xã chống định liên quan đến tính chịu và không chống chịu chống chịu của loài - Không cung cấp thông tin về bản chất các - Không đòi hỏi định chất ô nhiễm hiện có loài 1.8. Chỉ thị hình thái và mô Các thông số về hình thái, cung cấp những dấu hiệu có thẻ đo được hoặc nhìn thấy rõ tác hại do chất gây ô nhiễm gây nên cho sinh vật. Khác nhau giữa thực vật và động vật  Đối với thực vật: Các thông số thường sử dụng trong chỉ thị hình thái và mô 10 -Tốc độ sinh trưởng tương đối, trọng lượng tươi, chỉ số diện tích lá… - Sự hư hại thực vật như: lá bị đốm, lá bị vàng hoặc hoại sinh Trong nhiều trường hợp thì chỉ thị hình thái mô của một số loài thực vật mẫn cảm được sử dụng để phát hiện sự có mặt một số chất gây ô nhiễm không khí.  Đối với động vật Các thông số thường sử dụng trong hình thái và mô: - Tuổi, kích thước, tốc độ tăng trọng, tỷ lệ sinh sản. - Sinh trưởng không đối xứng ( bất thường về một phía của cơ thể so với phía khác) và những thay đổi hình thái không do bệnh lý. - Sự xuất hiện các đặc tính bệnh lý như: lở loét, bướu u, viêm tấy, hoại tử… II.VAI TRÒ, Ý NGHĨA CỦA CHỈ THỊ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG. 2.1. Quá trình phát triển nghiên cứu và sử dụng chỉ thị sinh học môi trường Con người đã sử dụng các thủy vực, đất làm nơi đổ rác thải ngay từ khi mới bắt đầu định cư. Thường thấy các dấu vết ô nhiễm rác thải trong các hồ và biến đổi tự nhiên của chúng qua nhiều thế kỉ.Vào cuối thế kỷ 19, nghiên cứu về ô nhiễm hồ đã bắt đầu phát triển như một bộ phận quan trọng trong nghiên cứu môi trường nước.Vào đầu thế kỷ 20, trong quan trắc môi trường đã bắt đầu sử dụng những sinh vật ở nước, mọc trên đất làm những sinh vật chỉ thị cho sự ô nhiễm. a) Đối với môi trường nước Đầu tiên một số tác giả đã sử dụng động vật không xương sống cỡ lớn để đánh giá ô nhiễm hữu cơ các thủy vực. Ưu điểm: dễ thu thập, dịnh lượng, bảo quản, thuận lợi cho giám định… Sau đó nhiều nhà nghiên cứu khác đã dung các nhóm sinh vật khác làm SVCT ô nhiễm hữu cơ nguồn nước thành công. + Liebman (1942) coi trọng việc sử dụng các sinh vật, đặc biệt là vi sinh vật trong đánh giá ô nhiễm hữu cơ nguồn nước. + Butcher (1946) đã sử dụng tảo làm SVCT cho ô nhiễm hữu cơ và ô nhiễm kim loại nặng (chính xác hơn) nguồn nước. + Kabler (1957) đã sử dụng nhóm vi khuẩn Ecoli làm chỉ thị cho ô nhiễm nước uống. + Lackey (1957) đã chỉ ra rằng, nếu xả trực tiếp nước thải vào sông, suối...Dẫn đến hàm lượng O2 sẽ giảm mạnh, gây chết nhiều loài, trừ một số loài trùng tiêm mao kị khí và trùng roi không màu (là SVCT). 11 + Dondoroff (1957) sử dụng loài cá (có khả năng chống chịu nhiệt, hàm lượng O2, độ pH) làm SVCT. + Patrich (1963) chỉ rõ: có thể dung tảo sillic để xác định mức ô nhiễm nước, do chúng rất nhạy cảm với tính chất vật lý và hóa học của nước. b) Đối với môi trường đất Việc phân tích cây trồng như một phương pháp xác định nhu cầu về phân bón đã được ứng dụng từ khá lâu.Việc “nhìn cây biết đất” đối với nhiều tác giả trở nên quen thuộc. Ann Mc Cauley và Clain Jones, năm 1999 cho biết, nhiều dấu hiệu rất đặc trưng xuất hiện trên lá cây khi đất thiếu hoặc thừa một nguyên tố dinh dưỡng nào đó và việc chẩn đoán dinh dưỡng thực vật qua lá thường cho kết quả đáng tin cậy. Trong suốt thế kỷ 20,nhờ hiểu biết về ảnh hưởng của ô nhiễm hữu cơ lên các quần xã sinh vật (trong nước, đất) và phản ứng cảu chúng ngày càng phát triển mà việc ứng dụng quan trắc sinh học môi trường ngày càng được mở rộng, là một trong những cơ sở làm công nghệ xử lý rác thải có nhiều tiến bộ. Sự tăng sử dụng các hóa chất tổng hợp tạo ra nhiều nguồn ô nhiễm. Nhiều loại hóa chất, chỉ ở nồng độ thấp cũng tác động nghiêm trọng lên HST. Nhiều nghiên cứu cho thấy, nhiều loại hóa chất có khă năng phá vỡ chức năng nội tiết ở quần thể động vật và chức năng trao đổi ở thực vật. Đây là cơ sở cho việc phát triển sử dụng chỉ thị sinh học trong nghiên cứu đánh giá ô nhiễm hóa chất. Hiện nay, nhiều loài sinh vật đã được sử dụng làm chỉ thị sinh học môi trường để đánh giá mức độ ô nhiễm, xác định nguồn ô nhiễm, địa điểm ô nhiễm và thời gian ô nhiễm.Nhiều loài thực vật ( cây thuốc lá, lúa mạch, rêu, tảo…) và động vật ( nhuyễn thể hai mảnh vỏ, cá, chim…) được sử dụng rộng rãi để đánh giá mức độ ô mhieemx KLN trong nước, đất và không khí.Và ở nhiều nước đã hình thành phương pháp sử dụng hiệu quả các SVCT để giám sát và quan trắc môi trường. Ở Nhật Bản, Mỹ, Úc và Ấn Độ đã dung trai nước ngọt, trai nước mặn, rêu và cỏ biển để kiểm soát chất lượng nước, không khí về mức độ ô nhiễm KLN, các chất gây hiệu ứng nhà kính, dư lượng thuốc BVTV và các chất phóng xạ. Ở Đan Mạch, Ý, Úc đã và đang sử dụng rộng rãi loài cỏ lươn (Zastera marina) và loài trai (Mytilus edulis ) trong phát hiện nguồn phát thải và đánh giá mức độ ô nhiễm KLN của các thủy vực. Ở Việt Nam, việc nghiên cứu và sử dụng SVCT để đánh giá chất lượng môi trường nước cũng đã được tiến hành. 12 - Lập được khóa định loại động vật không xương sống cỡ lớn, quy trình lấy mẫu và hệ thống tính điểm cho quan trắc sinh học ở các thủy vực nước chảy tại Việt Nam. - Sử dụng một số loài thực vật tích tụ: rau muống, ngổ nước, bèo tây…để nghiên cứu ô nhiễm KLN. - Thực hiện khóa nhận diện biểu hiện trên thực vật khi môi trường đất thiếu dinh dưỡng. Nhìn chung việc sử dụng các SVCT để quan trắc, đánh giá môi trường còn rất mới đối với nước ta. 2.2. Vai trò của chỉ thị trong đánh giá môi trường Sự thiếu hay thừa dinh dưỡng 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 có thể quan sát được bằng mắt ( cây còi cọc, lá vàng, mất màu, hoại tử). Ngộ độc làm thực vật có những dấu hiệu dị thường ( thấp lùn, lá bị mất màu xanh, vàng lá, hoại tử, cây có thể chết). Dựa vào những dấu hiệu nêu trên ở thực vật cho phép đánh giá nhanh, rẻ tiền và hiệu quả về những chất ô nhiễm ở các nồng độ khác nhau. Trong những trường hợp cần thiết, bổ sung phương pháp phân tích đất, nước và thực vật. tuy nhiên đối với những chuyên gia CTSH môi trường không nhất thiết phải tiến hành phân tích thêm. Trong nhiều trường hợp sử dụng CTSH 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 thông qua việc khai thác khả năng tích tụ các chất ô nhiễm trong SVCT và giá trị biểu thị tác động tổng hợp của các yếu tố môi trường lên các sinh vật tích tụ làm cho CTSH môi trường là chỉ dẫn quan trọng cho việc thực hiện các phương pháp lý hóa học 2.3. Vai trò CTSH trong xử lý ô nhiễm môi trường Xử lý môi trường bị ô nhiễm là một quá trình phức tạp ( công nghệ, cơ chế, chuyển hóa, chi phí cao,..). Có nhiều phương pháp để xử lý ô nhiễm kim loại nặng trong đất ( đào đất bị ô nhiễm, đi chôn lấp chỗ khác, rửa đất, xử lý nhiệt,…) nhưng các phương pháp trên đều rất tốn kém về kinh phí, giới hạn về kỹ thuât và hạn chế về diện tích. Do đó khả năng làm sạch môi trường đất và nước bị ô nhiễm ( bởi các kim loại, hợp chất hữu cơ, chất phóng xạ) bằng thực vật đang được coi như một loại công nghệ mới đơn giản và rất hiệu quả. 13 III. GIÁM SÁT VÀ QUAN TRẮC SINH HỌC MÔI TRƯỜNG 3.1. Khái niệm về giám sát và quan trắc sinh học môi trường Giám sát sinh học bao gồm các khảo sát giống nhau tiến hành trên cùng một môi trường theo thời gian. Trong đó khảo sát sinh học ( điều tra sinh học) là sự kiểm kê tĩnh các sinh vật, các biến đổi và những quá trình xảy ra trong cùng một môi trường đã chọn. Quan trắc sinh học là việc giám sát sinh học với mục đích đặc trưng để đảm bảo sự tuân thủ những giới hạn của các chất gây ô nhiễm trong môi trường theo bộ tiêu chuẩn đã được luật pháp quy định. 3.2. Ý nghĩa của quan trắc sinh học Nghiên cứu các phương pháp giám sát sinh học cho việc quan trắc chất lượng môi trường có thể thay thế các phương pháp phân tích hóa học đắt tiền. các phương pháp quan trắc sinh học có thể tạo ra những ưu việt đáng kể so với phân tích hóa học. Quan trắc ô nhiễm dụa vào việc thu mẫu vật để phân tích hóa học tại những khoảng thời gian khác nhau vừa tốn tiền lại khó thực hiện đặc biệt trong điều kiện môi trường thay đổi nhưng lại vẫn 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 bằng phân tích hóa học trong khi đó lại có thể phát hiện bằng quan sát sinh học. Tuy nhiên khi sử dụng quan trắc sinh học để đánh giá ô nhiễm cũng cần chú ý tới khả năng ảnh hưởng xấu tới kết quả của các yếu tố liên quan. Ví dụ môi trường dù môi trường nước có ô nhiễm hay không thì sự khác nhau về đặc điểm vật lý hóa học của 2 con sông có thể ảnh hưởng khác nhau lên quần xã sinh vật đáy làm cho kết quả quan trắc có thể khác nhau đáng kể. 3.3. Phương pháp quan trắc sinh học Trong thực tế có thể sử dụng nhiều phương pháp quan trắc sinh học môi trường. trong mỗi phương pháp có đặc điểm khác nhau về: loại giám sât, sinh vật chính được sử dung, loại chất ô nhiễm chính được đánh giá, ưu nhược điểm. các phương pháp quan trắc sinh học cụ thể trong bảng Bảng 2: Đặc điểm các phương pháp quan trắc sinh học Loại Sinh vật Chất ô nhiễm Ưu điểm Nhược điểm giám chính được chính được sát sử dụng đánh giá Nghiên Động vật Chất thải hữu Dễ sử dụng, giá Vẫn cần kiến thức cứu cấu KXS, thực cơ và chất rẻ, không yêu chuyên gia sử dụng 14 trúc quần xã Các chỉ thị sinh học vật cỡ lớn nguy hại, giàu dinh dưỡng Động vật Chất thải hữu KXS cỡ lớn, cơ, giàu dinh thực vật lớn, dưỡng, axit tảo, địa y hóa khí độc Phương Vi khuẩn Vật liệu phân pháp vi và hữu cơ sinh vật Sinh Thực vật lớn, Chất thải vật tích động vật nguy hại, chất tụ KXS, động phóng xạ vật có xương sống Phép Vi sinh vật, Chất hữu cơ, thử thực vật lớn, các khí độc, sinh động vật chất thải độc học KXS, động hại vật có xương sống nhỏ cầu cao về thiết bị và kiến thức chuyên gia Dễ sử dụng, giá rẻ, không cần thiết bị chuyên dụng Giá thành thấp, trực tiếp liên quan đến sức khỏe con người Chỉ thị các chất ô nhiễm liên quan đến sức khỏe con người cục bộ, không đặc trưng Cho kết quả nhanh, chính xác, giá tương đối thấp có thể nghiên cứu đa dạng Cần các nghiên cứu tiếp theo trong thực tế, cần kiến thức về thí nghiệm sinh học Vẫn cần kiến thức chuyên gia sử dụng cục bộ, không đặc trưng Cần thiết bị và kiến thức chuyên gia Tốn thời gian, đắt, đòi hỏi thiết bị và nhân lực được đào tạo 3.4. Lựa chọn sinh vật chỉ thị để quan trắc sinh học Cần dựa vào tiêu chuẩn SVCT để lựa chọn cho phù hợp với những trường hợp cụ thể. Cần xác định sinh vật lựa chọn đê chỉ thj cho môi trường có đặc điểm như thế nào. Một số khuyến cáo cụ thể như sau  Đối với nước ngọt - Nhiều loại tảo có thể sử dụng để đánh giá môi trường nước tự nhiên ( phát triển trong các nguồn nước chứa nhiều chất dinh dưỡng) - Ngoài tảo các loài thực vật lớn ( bèo, lau , sậy) có thể làm SVCT cho hiện tượng phú dưỡng - Động vật nguyên sinh ( sử dụng chất hữu cơ rắn làm thức ăn) sử dụng làm sinh vật chỉ thị liên quan đến thức ăn. - Một số loài cá có thể sử dụng làm chỉ thị sinh học đánh giá chất lượng nước và ô nhiễm nguồn nước của thủy vực  Đối với nước mặn 15 Việc thay đổi độ mặn của nguồn nươc có thể đánh giá qua việc xác định sự tồn tại và phát triển các thủy sinh vật theo độ mặn như sau: Hình ảnh thể hiện sự thay đổi về mặt sinh thái các loại thủy sinh theo độ mặn  Đối với nước ô nhiễm do phân bắc - Có 3 nhóm VSV chỉ thị: coliform( đại diện là escherichia coli –Ecoli), Steptococci ( đại diện là Steptococcus faecalis), Clostridia (đại diện là Clostridium perfringents) - Sự có mặt của các VSV này chỉ thị tình trạng nước bị ô nhiễm phân và ngược lại - Trong 3 nhóm VSV chỉ thị trên nhóm coliform thường sử dụng, là nhóm VSV quan trọng nhất trong việc đánh giá vệ sinh nước và dễ xác định, có đầy đủ các tiêu chuẩn của loài vi sinh chỉ thị. Đánh giá tác động của ô nhiễm đến hệ sinh thái nước cần quan trắc bổ sung về các thông số thủy sinh: - Động vật đáy không xương sống ( ốc, hến, tôm, cua,ấu trùng..) có khả năng chỉ thị ô nhiễm hữu cơ, các chất dinh dưỡng, kimloaij năng và hóa chất bảo vệ thực vật. ( - Tương đối cố định tại đáy, chịu ảnh hưởng liên tục chất lượng nước, dễ thu mẫu, dễ phân loại) , - Thực vật nổi: có khả năng chỉ thị ô nhiễm chất hữu cơ, phú dưỡng hóa, ô nhiễm do hóa chất độc (kim loại nặng, hóa chất BVTV), ô Nhiễm do dầu mỡ. 16 PHẦN II. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CHỈ THỊ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG I. CÁC PHƯƠNG PHÁP GIÁM SÁT SINH HỌC 1.1 Nhóm phương pháp loài đơn lẻ Sử dụng phản ứng của những loài đơn lẻ: loài chỉ thị, sinh vật nhạy cảm, sinh vật tích tụ - Sử dụng loài chỉ thị: Đánh giá tác động của các chất gây ô nhiễm dựa trên sự có mặt của các lòai chỉ thị đặc trưng. Thường dùng trong đánh giá môi trường đất, ít dùng trong đánh giá môi trường nước. - Sử dụng sinh vậy nhạy cảm: Đánh giá tác động của chất ô nhiễm qua ảnh hưởng của chúng tới mật độ, sư phát triển và đặc điểm sinh lí của các SV nhạy cảm. Có khả năng phát hiện ảnh hưởng của các chất ô nhiễm ở những nồng độ khác nhau. Có thể áp dụng trong những nghiên cứu liên quan đến những biểu hiện khác thường về hình thái sinh vật- khi chất ô nhiễm đã phá vỡ sự phát triển bình thường. - Sử dụng sinh vật tích tụ: đánh giá tác động của chất gây ô nhiễm thông qua các sinh vật có khả năng tích tụ các chất gay ô nhiễm trong cơ thể chúng. 1.2 Phương pháp đa loài Sử dụng những phản ứng của nhiều loài SV( quần thể, quần xã) thông qua các chỉ số sinh học, chỉ số đa dạng. Thường dùng trong quan trắc MT nước và sử dụng những nhóm sinh vật hay những quần xã sinh vật. Có thể thực hiện tho 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 - Đo đếm các nhóm sinh vật theo chức năng dinh dưỡng: Nhằm xác định tỷ lệ giữa số lượng động vật trong những 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 cố kết hợp: kết hợp các chỉ số có được từ những phép đo trên để đo độ tin cậy cho kết quả nghiên cứu 17 1.3. Phương pháp quan trắc cấu trúc quần xã Trong thực tế không thể giám sát quần xã sinh vật, thường chỉ chọn một số phân đoạn hoặc lát cắt của quần xã sinh vật để giám sát, quan trắc. Sinh vật nổi và sinh vật đáy đối với hệ sinh thái nước. Động vật KXS cỡ lớn hoặc thực vật lớn đối với các hệ sinh thái trên cạn. Thường dùng chỉ số đa dạng hoặc chỉ số tương đồng hoặc độ phong phú loài để nghiên cứu 1.4.Phương pháp phân tích đa biến Sự thiếu tính khách quan trong nghiên cứu có thể khắc phục bằng việc sử dụng phân tích đa biến. Liên kết những số liệu môi trường thích hợp đã biết về các mức ô nhiễm tại những điểm khác nhau để có thể suy đoán và tạo ra các giả thuyết. Gộp nhóm số liệu theo các cách khác nhau có thể phát hiện những gián đoạn trong các quần xã sinh vật từ các địa điểm khác nhau. II.PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG CHỈ THỊ SINH HỌC TRONG Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG 2.1. Sử dụng chỉ số sinh học 2.1.1 Sử dụng chỉ số sinh học trong giám sát môi trường Shannon – Weiner sử dụng chỉ số đa dạng H’ và Sargaleft 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 được thể hiện ở bảng Bảng 3. Đánh giá chất lượng nước theo chỉ số đa dạng Chỉ số đa dạng Chất lượng nước <1 Rất ô nhiễm 1-2 Ô nhiễm >2-3 Ô nhiễm nhẹ >3-4,5 Sạch >4,5 Rất sạch 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 ( tại các thủy vực) được phân loại - Dựa vào các chỉ thị tương ứng với họ để tính điểm cho từng ho - Cộng tất cả các điểm từ mỗi họ tại từng điểm nghiên cứu được tổng điểm số BMWP 18 - Tính điểm số trung bình cho các đơn vị phân loại (ASPT) là chỉ số sinh học tương ứng với một mức ô nhiễm ( chất lượng) nước bằng cách chia tổng số điểm (BMWP) cho tổng số họ đã lấy để tính điểm Bảng 4: Đánh giá chất lượng nước theo điểm Thứ hạng Chỉ số ô nhiễm Đánh giá chất lượng nước I 10-8 Không ô nhiễm, nước sạch II 7,9-6 Ô nhiễm nhẹ- hoại sinh nhẹ III 5,9-5 Ô nhiễm vừa- hoại sinh vừa IV 4,9-3 Ô nhiễm- hoại sinh TB V 2,9-1 Ô nhiễm nặng-hoại sinh mạnh VI 0 Ô nhiễm năng- hoại sinh rất mạnh 2.1.2. Sử dụng CSSH trong quan trắc môi trường Các 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 CTSH 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 CTSH tại một điểm chia cho tổng các giá trị tần số gặp cho chỉ số hoại sinh hay chỉ số ô nhiễm bẩn tại một điểm ( bảng) CSSH được sử dụng đầu tiên trong quan trắc môi trường là hệ hoại sinh ( dung quan trắc ô nhiễm hữu cơ trong các sông) Bảng 5. Chỉ số hoại sinh hay chỉ số ô nhiễm bẩn S = z(s.h)/zh với: S: chỉ số hoại sinh cho điểm s: giá trị hoại sinh đối với mỗi loài chỉ thị h: tần số gặp của mỗi loài Giá trị S Giá trị h 1: Hoại sinh nhẹ hay yếu 1. Gặp tình cờ 2: Hoại sinh vừa 2. Thường xuyên gặp 3: Hoại sinh vừa 3. Ngẫu nhiên 4: Hoại sinh mạnh Dãy chỉ số hoại sinh 1,0 – 1,5 Hoại sinh nhẹ Không ô nhiếm 1,5 – 2,5 Hoại sinh vừa Ô nhiễm hữu cơ yếu 2,5 – 3,5 Hoại sinh vừa Ô nhiễm hữu cơ mạnh 3,5 – 4,0 Hoại sinh mạnh Ô nhiễm hữu cơ rất mạnh Các chỉ số sinh học khác tuần tự được phát triển, chủ yếu để quan trắc tác động các chất hữu cơ trong nước chảy. Phổ biến nhất là chỉ số sinh học TRENT ở Anh, điểm số sinh học CHANDLER (CBS) 19 Nhiều nước sử dụng rổng rãi điểm số BMWP của nhóm động vật đáy cỡ lớn để quan trắc môi trường nước. Hệ hoại sinh được cải tiến, mới nhất được dùng để đánh giá chất lượng nước ở cộng hòa liên bang Đức. Các chỉ số sinh học đều có hạn chế là phải sử dụng cùng với những số liệu có sẵn về lý hóa học. Nhưng có ưu việt và tính toán đơn giản, cung cấp thông tin dễ hiểu về mức độ ô nhiễm. 2.2. Sử dụng sinh vật tích tụ Không ít sinh vật có thể tích lũy các chất ô nhiễm trong các mô của chúng qua quá trình tích lũy sinh học. Các SVTT có đặc điểm:  Chất ô nhiễm được hấp thụ qua bề mặt cơ thể, qua những cấu trúc đặc trưng, hay 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 lũy trong mô của SVTT có thể gấp 10 3 đến 106 lần so với trong môi trường – “ khuếch đại sinh học” Khả năng tích tụ chất ô nhiễm ở sinh vật tích tụ được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu, quan trắc, xử lý môi trường. Từ sau những năm 1970 bắt đầu nghiên cứu việc sử dụng thực vật tích tụ để xử lý các đất bị ô nhiễm kim loại nặng. Đặc điểm của các loài 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 ô nhiễm người ta thu hoạch và tiêu hủy các bộ phận tích lũy. Cho đến năm 2002 đã phát hiện 420 có khả năng tích tụ kim loại cao, trong đó: một số là nguồn thực phẩm, nhiều thực vật lớn và nhuyễn thê, địa y, rêu. Rêu được sử dụng rộng rãi trong quan trắc các KLN. Lựa chọn SVTT trong nghiên cứu môi trường phải theo tiêu chuẩn của SVCT. Trong thực tế thì khó có loài đơn le nào đáp ứng được đủ các tieu chuẩn của sinh vật chỉ thị về tích tụ và ta phải khắc phục theo 2 cách: quan trắc thụ động và thu mẫu từ nơi cư trú đặc biệt của những sinh vật bản địa, quan trắc chủ động các sinh vật có ở vùng không ô nhiễm 2.3. Phép thử sinh học Sử 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 hay ngoài hiện trường. Khả năng sử dụng phép thử sinh học trong nghiên cứu các vấn đề môi trường: - Xác định các tác động ngắn hạn của liều lượng lớn đến cá thê, quần thể và quần xã 20