Tài liệu Luận văn thạc sĩ sử dụng khuê tảo đáy trong đánh giá ô nhiễm môi trường nước ở thành phố bến tre

ĐINH LÊ MAI PHƯƠNG BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM VÀ ĐÀO TẠO KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VN HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Đinh Lê Mai Phương CÔNG NGHỆ SINH HỌC SỬ DỤNG KHUÊ TẢO ĐÁY TRONG ĐÁNH GIÁ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG NƯỚC Ở THÀNH PHỐ BẾN TRE LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành Sinh học thực nghiệm 2021 TP. HCM - Năm 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VN HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Đinh Lê Mai Phương SỬ DỤNG KHUÊ TẢO ĐÁY TRONG ĐÁNH GIÁ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG NƯỚC Ở THÀNH PHỐ BẾN TRE Chuyên ngành: Sinh học thực nghiệm Mã số: 8420114 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ SINH HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Phạm Thanh Lưu TP. HCM – Năm 2021 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu trong luận văn này là công trình nghiên cứu của tôi dựa trên những tài liệu, số liệu do chính tôi tự tìm hiểu và nghiên cứu. Chính vì vậy, các kết quả nghiên cứu đảm bảo trung thực và khách quan nhất. Đồng thời, kết quả này chưa từng xuất hiện trong bất cứ một nghiên cứu nào. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực nếu sai tôi hoàn chịu trách nhiệm. TP. HCM, ngày 10 tháng 10 năm 2021 Người cam đoan Đinh Lê Mai Phương ii LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Phạm Thanh Lưu – Viện Sinh học nhiệt đới – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã giúp tôi định hướng nội dung, tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài này. Nhân dịp này tôi cũng xin tỏ lòng cảm ơn chân thành tới các thầy cô, giảng viên Khoa Sinh học thực nghiệm Học viện Khoa học và Công nghệ đã chỉ dạy tận tình, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn. Tôi xin trân trọng cảm ơn tập thể phòng Công nghệ và Quản lý Môi trường, Viện Sinh học Nhiệt đới– Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện cơ sở vật chất và giúp đỡ tôi thực hiện nội dung nghiên cứu của luận văn. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè và những người thân đã ở bên tôi, tạo điều kiện cả về vật chất lẫn tinh thần trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. iii MỤC LỤC Lời cam đoan ......................................................................................................... i Lời cảm ơn ............................................................................................................. ii Mục lục................................................................................................................... iii Danh mục các ký hiệu, các chữ cái viết tắt ........................................................... v Danh mục các bảng ............................................................................................... vi Danh mục các hình vẽ, đồ thị ................................................................................ vii MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1 Chương 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ........................................................... 4 1.1. Đặc điểm chung của khuê tảo đáy............................................................... 4 1.2. Phân loại khuê tảo đáy ................................................................................ 9 1.3. Sinh thái của khuê tảo đáy .......................................................................... 10 1.4. Lược sử nghiên cứu .................................................................................... 11 1.4.1. Trên thế giới ......................................................................................... 11 1.4.2. Ở Việt Nam ........................................................................................... 13 1.5. Điều kiện tự nhiên vùng nghiên cứu .......................................................... 15 1.5.1. Đặc điểm địa lý tỉnh Bến Tre ............................................................... 15 1.5.2. Đặc điểm khí hậu, thời tiết ................................................................... 17 1.5.3. Hiện trạng chất lượng môi trường thủy vực tỉnh Bến Tre ..................... 18 Chương 2: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................ 19 2.1. Nội dung nghiên cứu ...................................................................................... 19 2.2. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................ 19 2.2.1. Địa điểm nghiên cứu ............................................................................... 19 2.2.2. Đo đạc các thông số hóa lý ..................................................................... 21 2.2.3. Thu mẫu khuê tảo đáy ............................................................................. 22 2.2.4. Phương pháp xử lý mẫu trong phòng thí nghiệm ................................... 23 2.2.5. Phương pháp định lượng khuê tảo .......................................................... 23 iv 2.2.6. Tính sinh khối khuê tảo ........................................................................... 23 2.2.7. Phân tích hàm lượng chlorophyll-a ......................................................... 26 2.2.8. Chỉ số chất lượng nước WQI ................................................................... 26 2.2.9. Phương pháp phân tích số liệu ................................................................ 27 Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................ 33 3.1. Kết quả đo các chỉ tiêu hóa lý ........................................................................ 33 3.2. Chỉ số chất lượng nước WQI .......................................................................... 36 3.3. Thành phần các loài khuê tảo đáy .................................................................. 37 3.4. Mật độ tế bào và loài ưu thế ........................................................................... 39 3.5. Các chỉ số sinh học và hiện trạng môi trường ................................................ 45 3.6. Phân tích mối liên hệ giữa khu hệ khuê tảo và các thông số môi trường hóa lý ............................................................................................................................ 48 Chương 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................ 52 4.1. Kết luận .......................................................................................................... 52 4.2. Kiến nghị ........................................................................................................ 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 53 PHỤ LỤC ............................................................................................................... 59 DANH MỤC BÀI BÁO CÔNG BỐ ..................................................................... 68 v DANH MỤC VIẾT TẮT ANOVA Phương pháp phân tích phương sai (analysis of varance) BOD5 Nhu cầu oxy hóa sinh học 5 ngày (Biochemical oxygen Demand) BT1- BT11 Ký hiệu các điểm thu mẫu ở thành phố Bến Tre CCA Phương pháp phân tích tương quan chính tắc (Canonical corespondence analysis) COD Nhu cầu oxy hóa học (Chemical Oxygen Demand) DO Oxy hòa tan (Desolved Oxygen) ĐBSCL Đồng bằng sông Cửu Long SD Thông số đĩa Secchi (Secchi disk) TDI Chỉ số phú dưỡng của quần xã khuê tảo (Trophic Diatom Index) TDS Tổng chất rắn hòa tan (Total Dissolved Solids) TSI Chỉ số trạng thái phú dưỡng (Trophic State Index) TSS Tổng chất rắn lơ lửng (Total Suspended Solids) vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 2.1. Tọa độ và vị trí các điểm thu mẫu ................................................................ 20 2.2. Công thức tính sinh khối tế bào ................................................................... 23 2.3. Bảng đánh giá chất lượng nước theo giá trị WQI (Bộ Tài nguyên và Môi trường, Quyết định Số: 1460/QĐ-TCMT Về việc ban hành Hướng dẫn kỹ thuật tính toán và công bố chỉ số chất lượng nước Việt Nam (VN_WQI). ..................27 2.4. So sánh giái trị của chỉ số Margalef với mức độ đa dạng sinh học ............. 28 2.5. Giá trị chỉ số H’ và chất lượng nước ............................................................ 29 2.6. Thang điểm đánh giá mức độ bền vững của quần xã khuê tảo đáy tương ứng với mức độ nhiễm bẩn. ......................................................................................... 30 2.7. Trạng thái dinh dưỡng và chất lượng nước theo chỉ số BDI, TSI và TDI .... 32 3.1. Bảng đánh giá chất lượng nước theo giá trị WQI và theo QCVN08MT:2015/BTNMT ở các điểm thủy vực thành phố Bến Tre ...............................36 3.2. Thành phần loài loài chiếm ưu thế trong mỗi điểm thu mẫu tại thủy vực thành phố Bến Tre ..........................................................................................................41 3.3. Kết quả đánh giá các chỉ số TDI, BDI và phân loại chất lượng nước vào mùa mưa ...................................................................................................................... 46 3.4. Kết quả đánh giá các chỉ số TDI, BDI và phân loại chất lượng nước vào mùa khô ....................................................................................................................... 47 3.5. Hệ số p giữa độ đa dạng, sinh khối, các chỉ tiêu sinh học và các biến số môi trường trong mùa mưa. ........................................................................................ 49 3.6. Hệ số p giữa độ đa dạng, sinh khối, các chỉ tiêu sinh học và các biến số môi trường trong mùa khô .......................................................................................... 49 3.7. Các nhóm vi tảo có tiềm năng sử dụng làm chỉ thị môi trường .................... 51 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 1.1. Bản đồ hành chính tỉnh Bến Tre ....................................................................... 16 2.1. Vị trí các điểm thu mẫu tại thành phố Bến Tre ............................................... 20 3.1. Các thông số hóa lý tại 11 điểm khảo sát ở thủy vực thành phố Bến Tre ........ 35 3.2. Cấu trúc thành phần loài khuê tảo đáy tại thành phố Bến Tre ở mùa mưa và mùa khô ............................................................................................................................ 38 3.3. Đồ thị biểu diễn sinh khối và mật độ tế bào khuê tảo đáy ở thành phố Bến Tre .................................................................................................................................. 40 3.4. Thành phần loài khuê tảo đáy ở thành phố Bến Tre trong 2 mùa .................... 43 3.5. So sánh các chỉ số sinh học ở vùng đô thị và ngoài đô thị của thành phố Bến Tre ........................................................................................................................... 44 3.6. Chỉ số đa dạng Shannon – Weiner (H’) và chỉ số ưu thế Simpson’s (D’) ở các điểm khảo sát trong 2 mùa. ..................................................................................... 46 3.7. Sự chi phối của môi trường hóa lý và quần xã khuê tảo đáy trong mùa khô (A) và mùa mưa (B) ....................................................................................................... 50 1 MỞ ĐẦU Phát triển đô thị là một xu hướng tất yếu của tất cả các quốc gia trên thế giới trong kỷ nguyên hiện đại hóa, khoa học – kĩ thuật tiên tiến. Hiện nay các đô thị tại đồng bằng sông Cửu Long đóng vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế đất nước, đặc biệt là trong giai đoạn nước ta đang phấn đấu để trở thành nước công nghiệp theo hướng hiện đại. Trong số các đô thị lớn ở đồng bằng sông Cửu Long không thể không kể đến thành phố Bến Tre, một trong những đô thị phát triển nhanh ở khu vực. Bến Tre là một tỉnh châu thổ nằm sát biển, Bến Tre có địa hình bằng phẳng, không có rừng nguyên sinh, chỉ có một số rừng thứ sinh và những dải rừng ngập mặn ven biển và ở các cửa sông. Bốn bề đều có sông nước bao bọc, Bến Tre có một hệ thống đường thủy chằng chịt gồm những con sông lớn từ biển Đông qua các cửa sông chính (cửa Đại, cửa Ba Lai, cửa Hàm Luông và cửa Cổ Chiên), ngược về phía thượng nguồn đến tận biên giới Campuchia. Do vậy, Bến Tre có vị trí đặc biệt trong thời chiến cũng như thời bình [1]. Thành phố Bến Tre (trước đây là thị xã Bến Tre) nằm trên bờ sông cùng tên, có diện tích 6.575 ha. Dân số của thành phố 124.499 người (2019). Phía bắc và đông bắc giáp huyện Châu Thành, đông và đông nam giáp huyện Giồng Trôm, tây và tây nam giáp huyện Giồng Trôm và giáp sông Hàm Luông. Ngày 9 tháng 8 năm 2007, thị xã Bến Tre được công nhận là đô thị loại III, chính thức trở thành thành phố thuộc tỉnh. Sau 12 năm, sự chuyển mình mạnh mẽ đã giúp thành phố Bến Tre đạt chuẩn đô thị loại II năm 2019. Sự chuyển đổi cơ cấu nền kinh tế theo xu hướng mới đã và đang làm cho quá trình đô thị hóa diễn ra với tốc độ nhanh chóng. Các hoạt động công, nông, lâm, ngư nghiệp đã tác động không nhỏ đến chất lượng nước ở các thuỷ vực trong thành phố Bến Tre. Cùng với sự đô thị hóa, các hoạt động sản xuất công nghiệp, du lịch tạo ra một lượng nước thải lớn, ảnh hưởng xấu đến chất lượng môi trường nước. Do vậy, ô nhiễm môi trường các thuỷ vực trong thành phố Bến Tre đã trở thành vấn đề được quan tâm. Theo chương trình quan trắc hằng năm của tỉnh Bến Tre, khu vực thành phố Bến Tre được xem là điểm nóng về suy giảm chất lượng môi trường. Trong chương trình quan trắc này, chất lượng nguồn nước mặt được đánh giá qua các thông số, chỉ tiêu hóa - lý là chủ yếu. Các thông số này chỉ nói lên được hiện trạng tức thời tại thời điểm khảo sát, khó có thể đánh giá sự biến động của môi trường trong thời gian dài. Muốn đánh giá được tác động của con người lên hệ sinh thái trong thời gian dài phải dựa vào chỉ tiêu sinh học để đánh giá. Tuy nhiên, việc sử dụng các 2 chỉ tiêu sinh học để xem xét chất lượng nền đáy ở các thủy vực trong tỉnh chưa được nghiên cứu đầy đủ trong các hoạt động đánh giá và quản lý chất lượng môi trường. Có nhiều phương pháp được áp dụng để đánh giá mức độ ô nhiễm môi trường. Trong đó phương pháp sinh học nhờ sử dụng các thủy sinh vật để đánh giá chất lượng môi trường, gần đây được nhiều nhà khoa học quan tâm. Trong hầu hết các thủy vực, yếu tố môi trường có tác động trực tiếp hoặc gián tiếp lên thủy sinh vật. Vi tảo là nhóm sinh vật sản xuất trong thủy vực. Chúng có vai trò quan trọng trong việc sản sinh ra nguồn năng lượng sơ cấp, tham gia vào các chu trình chuyển hóa vật chất trong tự nhiên và cung cấp sinh khối sơ cấp cho những sinh vật kế tiếp trong chuỗi thức ăn trong thủy vực. Trong đó, quần xã khuê tảo đáy có khả năng phản ánh được các đặc điểm môi trường và sức khoẻ sinh thái, do đó có tiềm năng ứng dụng làm chỉ thị sinh học trong các chương trình khảo sát, đánh giá hiện trạng, quan trắc chất lượng môi trường các thuỷ vực [2]. Vi tảo phân bố rộng khắp trong các môi trường thủy sinh, chúng là cầu nối giữa nhóm sinh vật sản xuất với các bậc dinh dưỡng cao. Chúng đóng vai trò quan trọng trong mạng lưới thức ăn và chu trình sinh địa hóa của thủy vực và chúng chịu sự chi phối của nhiều yếu tố môi trường như ánh sáng, pH, nhiệt độ và dinh dưỡng… Khuê tảo (còn gọi là tảo silic) là loại tảo đơn bào có kích thước nhỏ (20 µm – 100 µm), có vách silic và các hoa văn phức tạp trên bề mặt vỏ. Khuê tảo hiện diện trong môi trường nước ngọt, nước lợ và nước mặn và ngay cả trên nền đất ẩm. Bởi vì khuê tảo có tính ưu việt nổi trội và thường được sử dụng trong nhiều nghiên cứu đánh giá chất lượng nước do chúng có thành phần loài rất đa dạng, có chu trình phát triển ngắn, phân bố rộng, phản ứng nhanh với các thay đổi của các điều kiện môi trường, trong đó có nhiều loại nhạy cảm với sự thay đổi các tính chất vật lý, hoá học của môi trường nước, tài liệu phân loại phong phú.... Thêm vào đó quần xã khuê tảo thường có chu kỳ sinh sản nhanh. Do vậy chúng thường được sử dụng làm chỉ thị sinh học trong đánh giá chất lượng môi trường [3,4,5]. Chính vì vậy, đề tài “Sử dụng khuê tảo đáy trong đánh giá ô nhiễm môi trường nước ở thành phố Bến Tre” được đề xuất thực hiện. Việc điều tra thành phần loài khuê tảo đáy có ý nghĩa lớn, không chỉ phản ánh tính đa dạng sinh học tảo silic tại thủy vực thành phố Bến Tre mà còn xác định các đặc trưng phân bố sinh thái, mật độ và sinh khối của chúng nhằm tìm ra các loài, nhóm loài nhạy cảm có tiềm năng sử dụng trong các nghiên cứu đánh giá chất lượng môi trường nước. Mục tiêu của đề tài: 3 - Sử dụng quần xã khuê tảo đáy trong đánh giá hiện trạng và phân loại chất lượng môi trường nước trong khu vực thành phố Bến Tre. Đánh giá sự chi phối của các thông số môi trường nước lên quần xã khuê tảo đáy, trên cơ sở đó xác định các loài/ nhóm loài có khả năng làm chỉ thị cho ô nhiễm môi trường đô thị. Nội dung nghiên cứu của đề tài: - Khảo sát hiện trạng tính chất môi trường nước ở thủy vực thành phố Bến Tre bằng các thông số hoá lý. Khảo sát thành phần loài, tính đa dạng, mật độ và sinh khối của quần xã khuê tảo đáy cũng như cấu trúc phân bố quần xã khuê tảo đáy, biến động giữa mùa khô và mùa mưa ở khu vực thành phố Bến Tre. Đánh giá hiện trạng môi trường đối với chất lượng nước thông qua sự phản ánh của quần xã khuê tảo đáy. - Phân tích các thông số môi trường chi phối đến tính đa dạng, mật độ, sinh khối và phân bố của quần xã khuê tảo đáy. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài: - Kết quả nghiên cứu là cơ sở khoa học nhằm ứng dụng quần xã khuê tảo đáy trong đánh giá và phân loại chất lượng môi trường sinh thái ở khu vực đô thị. Trên cơ sở phân tích cấu trúc quần xã khuê tảo đáy sẽ giúp đánh giá các tác động của quá trình đô thị hóa lên hệ sinh thái thủy vực, từ đó có những biện pháp quản lý, bảo vệ môi trường. Đóng góp của luận văn: Nghiên cứu có ý nghĩa trong việc dự đoán chất lượng nước, là tài liệu tham khảo tốt cho các sinh viên ngành sinh học và môi trường. 4 Chương 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Đặc điểm chung của khuê tảo đáy a. Số lượng loài và nơi sống: Khuê tảo (tảo silic) có khoảng 10.000 đến 12.000 loài [6], khoảng 50.000 loài [7], khoảng 285 chi với hơn 100.000 loài [8]. Chúng có mặt ở hầu hết các môi trường sống ở nước ngọt, lợ, mặn dưới dạng phù du, đáy, bì sinh thực vật, và nội cộng sinh động vật [9]. b. Đặc điểm hình thái: Khuê tảo đáy có nhiều hình dạng khác nhau như hình que, hình nêm, hình thuyền, hình đĩa, hình nhiều góc cạnh, hình ống,... với các dạng đơn bào hay tập đoàn thường gặp trong tự nhiên ở nhiều hình dạng khác nhau [10]: - Có thể tách rời (separable colonies): các tế bào nối với nhau bằng chất silic hoặc gài móc vào nhau. - Mặt vỏ phân cách (separable valve): các tế bào nối với nhau bằng cấu trúc khác nhau giữa mặt vỏ của tế bào này với mặt vỏ của tế bào khác. - Chuỗi (chain): các tế bào sắp xếp thành chuỗi dài với các kiểu nối thông qua các sợi nối, tiếp giáp mặt vỏ, các lông gai, các gai đỉnh ở mép mặt vỏ. - Dạng dải (ribbons): các tế bào nối với nhau bằng các mặt vỏ tiếp xúc hoặc các gai ở viền mép mặt vỏ. - Dạng bậc chồng lên nhau (stepped chains): các tế bào nối với nhau theo cách một phần của tế bào này gối lên một phần của tế bào khác. - Dạng zigzag hay hình sao: các tế bào nối với nhau bằng các tấm chất nhầy. c. Tổ chức cơ thể và kích thước tế bào: Tảo đơn bào, thường sống thành tập đoàn. Tế bào có kích thước từ 2μm đến khoảng 2 mm. Vỏ: vỏ tế bào silic thường được tạo thành bởi các hợp chất silic và pectin. Tùy theo mức độ nhiều ít của hợp chất silic mà vỏ tế bào dày cứng như ở những loài sống sát đáy hoặc vỏ tế bào mỏng mảnh như ở các loài hoàn toàn sống phù du. Theo nghiên cứu của Richter hợp chất silic có thể là Na2Si2O5, nhiều tác giả cho rằng đó là SiO2H2O. Trong quá trình xử lí vật liệu mẫu nếu dùng acis fluohydric sẽ làm hợp chất 5 silic bị hòa tan, nếu dùng acid vô cơ mạnh thì pectin sẽ bị mất, chỉ còn lại hợp chất silic. Hầu như vỏ tế bào của tất cả các loài khuê tảo đều có cấu tạo vân hoa rất tinh vi, dưới dạng lỗ nhỏ và những buồng nhỏ (areola) [9]. Nhìn chung có thể chia thành các dạng sau: - Dạng cấu tạo là lỗ nhỏ xuyên qua vỏ là dạng đơn giản nhất, đó là những lỗ thông với bên ngoài, gồm có kiểu không chia nhánh và kiểu chia nhánh. - Dạng cấu tạo thành buồng rất nhỏ xuyên qua vỏ, gần giống với dạng trên nhưng phần giữa phình to ra thành buồng nhỏ như ở cấu tạo dạng vỏ của chi tảo thuyền cong (Pleurosigma). Quan sát độ phóng đại lớn thấy các buồng nhỏ sắp xếp thành ba đường thẳng giao chéo nhau. - Dạng cấu tạo là buồng khá lớn, miệng hở thông với phía trong tế bào như ở loài tảo đĩa Coscinodiscus asteromphalus. Cấu tạo những vân hoa này khá phức tạp nên quan sát bằng kính hiển vi thường sẽ thấy những hình dạng khác nhau. Đầu tiên tầng trên cùng thấy nhiều lỗ rất nhỏ có các màng phủ là lỗ rât (poroid), tầng giữa các buồng có hình 6 cạnh rõ ràng, tầng dưới cùng có một lỗ tròn to thông với bên trong tế bào và lỗ giữa (central pore). Các vân hoa xếp sít nhau tạo thành các tia thẳng hoặc cong, ở góc của các vân hoa tiếp giáp nhau đôi khi có một lỗ rất nhỏ thông với bên ngoài gọi là lỗ thông (pore) - Dạng cấu tạo là buồng khá lớn, miệng hở thông với bên ngoài như loài tảo Triceratium favus. Dạng này có cấu tạo giống như dạng trên, nhưng theo hướng ngược lại, lỗ giữa ở vách vỏ phía ngoài thông với bên ngoài, lỗ rây ở vách vỏ phía trong là đáy, ở các góc của vân hoa tiếp giáp nhau có những u lồi nhỏ nổi lên. Những dạng vân hoa trên là những cấu tạo điển hình của vỏ tế bào các loài trong bộ khuê tảo trung tâm (Centricae), thường sắp xếp theo dạng tỏa tia, tùy loại và tùy theo các vị trí khác nhau mà chúng to nhỏ khác nhau. Cấu tạo vân hoa ở vỏ tế bào của bộ khuê tảo lông chim (Pennatae) chủ yếu là những điểm vân tương đối đơn giản, do vách vỏ phía trong hoặc phía ngoài dày lên, uốn lõm xuống tạo thành lỗ nhỏ, không thông với bên ngoài, như ở chi tảo Diploneis. Điểm vân thường thấy hoặc rất nhỏ, xếp sít với nhau thành hàng gọi là tuyến vân hay đường vân (costae, rib). Trong bộ tảo này, vân hoa cũng biến dạng nhiều, có trường hợp cũng có lỗ thông qua vách vỏ như ở chi tảo Pleurosigma. Một số loài có lỗ tiết chất keo hình tròn hoặc hình trứng ở một đầu mặt vỏ như chi tảo Synedra, Grammatophora... nhờ đó các tế bào liên kết với nhau thành chuỗi [11]. 6 Rãnh dài (raphe), rãnh giả (Pseudoraphe): Rãnh dài là cấu tạo đặc biệt trên mặt vỏ tế bào của phần lớn các loài thuộc bộ khuê tảo lông chim, đó là cơ cấu để chuyển dịch của tế bào. Mặt vỏ tế bào của bộ khuê tảo lông chim thường hình bầu dục dài, hình thoi, chính giữa có một cấu tạo phản xạ ánh sáng khá mạnh là nốt giữa (central module). Rãnh dài nằm theo hướng của trục dài, thường là một đường ở tuyến giữa mặt vỏ nối liền hai nốt cực tới nốt giữa. Ở những loài trong bộ tảo lông chim không có rãnh dài, thường thì tuyến giữa mặt vỏ chạy theo trục dài hoàn toàn trơn nhẵn, không có các điểm vân được gọi là rãnh giả. Hai bên rãnh giả là các tuyến vân sắp xếp đối xứng, như ở chi tảo Achnanthes [10]. Đai xen kẽ (Intercalary band): Ở bộ khuê tảo trung tâm thường có các đường cong bao quan mặt vòng vỏ tế bào. Số lượng của chúng có thể tăng dần trong quá trình sinh trưởng của tế bào, cũng có những loài số lượng đai xen kẽ không thay đổi. Hình dạng của đai xen kẽ khác nhau ở mỗi loài, nhìn chung có thể chia ra thành hai dạng chủ yếu: - Dạng vảy cá thường thấy ở chi tảo Rhizosolenia, các gai xen kẽ ngắn, uốn cong, sắp xếp thành hàng như vảy cá hoặc như mắt lưới. Dạng cổ áo thường thấy như ở chi tảo Guinardia, chi tảo Coscinodiscus..., các đai xen kẽ bao vòng quanh mặt vòng vỏ tế bào, hai đầu uốn cong lại và nối vào đai bên cạnh như hình cổ áo [11]. Roi: Các tế bào mang roi chuyển động xuất hiện trong vòng đời của một số khuê tảo trung tâm và chỉ có ở giao tử đực. Giao tử hình trứng và có một roi phủ lông cứng (Pleuronematic flagellum) [9]. Các chất trong tế bào: Thành phần các chất trong tế bào khuê tảo cũng giống như các tế bào thực vật khác gồm có hạch (nucleus), nhân (nucleolus), chất nguyên sinh (protoplasm), thể sắc tố (chromatophore), thể hạch (pyrenoid) và những hạt dầu (oil) - Hạch hình cầu, hình thấu kính hoặc hình thận, thường nằm ở trung tâm tế bào, ở những tế bào cỡ lớn có khi hạch nằm trong khối chất nguyên sinh ở một bên vỏ tế bào. Dùng thuốc nhuộm blue methylen hoặc blue nile hạch bắt màu rất rõ ràng và có thể quan sát được một hoặc nhiều nhân trong hạch. Trong tế bào khuê tảo còn có trung tâm thể (centrosome) do H. L. Smith quan sát thấy đầu tiên ở chi tảo Suriren (Surirella) là một hạt nhỏ, đường kính khoảng 1,5 – 2 micron, nằm ở phần lõm của hạch hình thận [11]. 7 - Sắc tố: Sắc tố của khuê tảo gồm chlorophyll a, c1, c2 và các carotenoid (gồm β-caroten, fucoxanthin, diatoxanthin và diadinoxanthin), chủ đạo là fucoxanthin, chính sắc tố này quyết định màu vàng nâu đặc trưng cho tảo. Tất cả các sắc tố này đều nằm trong sắc thể. Sắc thể của tảo có một hoặc nhiều hạt tạo bột (pyrenoid) (Van den Hoek và cs., 1995). Thể sắc tố thường phân bố ở sát mặt vỏ hoặc mặt vòng vỏ tế bào, cũng có trường hợp chúng phân bố cả trong lông gai. Hình dáng và số lượng của chúng khác nhau tùy từng loài, có thể dạng hạt, dạng tấm hoặc dạng nhiều cạnh, có thể có một, hai hoặc nhiều sắc tố. Ở giữa hoặc lệch về một bên của thể sắc tố có khi có thể hạch hình tấm hoặc hình cầu. - Chất nguyên sinh của tế bào khuê tảo thường thành khối lớn ở giữa tế bào, từ đó có các sợi nối với lớp chất nguyên sinh ở sát thành vỏ tế bào. Xen kẽ giữa các sợi chất nguyên sinh có thể thấy những loại hạt dầu nhỏ và không bào [11]. - Chất dự trữ: Chất dự trữ quan trọng nhất của khuê tảo là chrysolaminarin (một loại β-1,3- linked glucan) được dự trữ ở dạng dung dịch trong các túi chứa đặc biệt. Ngoài ra khuê tảo cũng dự trữ các giọt lipid [9]. d. Hoạt động sống Khả năng chuyển động: Chỉ có một số nhóm khuê tảo có khả năng này. Tốc độ chuyển động của khuê tảo tối đa là 20 μm/s và sự di chuyển của tảo được xem là kết quả của sự vận động chất nguyên sinh qua hệ thống rãnh và các lỗ ở vỏ khuê tảo [10]. Sinh sản: Khuê tảo sinh sản vô tính bằng hình thức phân đôi tế bào, các cá thể mới được hình thành trong vỏ tế bào mẹ. Mỗi tế bào con sẽ nhận một nắp của tế bào mẹ làm nắp trên và hình thành nắp dưới lồng vào. Kết quả của một lần phân chia tế bào sẽ tạo nên một tế bào con có kích thước bằng tế bào mẹ và một tế bào có kích thước nhỏ hơn. Hình thức sinh sản này giúp tảo có thể gia tăng rất nhanh kích thước của quần thể, ước tính quần thể tảo sẽ nhân đôi số lượng từ 0,5 đến 6 lần trong một ngày tùy theo loài [12]. Do sẽ có một nửa số tế bào con giảm kích thước sau mỗi lần phân chia nên trong quần thể khuê tảo sẽ có một số tảo giảm dần kích thước. Khi tế bào giảm đến một kích thước tối thiểu nhất định, thường khoảng 1/3 kích thước lớn nhất của tảo thì tế bào tiến hành quá trình khôi phục kích thước bằng cách hình thành bảo tử sinh trưởng (auxospore) thông qua sinh sản hữu tính. Sinh sản hữu tính để hình thành nên bào tử sinh trưởng được coi là một cơ chế để khôi phục lại kích thước nguyên bản [9]. 8 Ở khuê tảo trung tâm diễn ra hiện tượng noãn giao. Tế bào mẹ sẽ cho ra 1 đến 2 giao tử cái (2 hoặc 3 tế bào con chết sau quá trình giảm nhiễm) và khoảng 4 -128 giao tử đực có roi được hình thành từ tế bào mẹ khác qua phân bào nguyên nhiễm sau khi đã phân bào giảm nhiễm. Sự kết hợp giữa giao tử cái và giao tử đực sẽ tạo thành hợp tử và phát triểm thành bào tử sinh trưởng lớn. Bào tử sinh trường sẽ tự hình thành vỏ silic có kích thước lớn. Ở khuê tảo Lông chim thường có hiện tượng đẳng giao, cả hai giao tử có hình dạng, kích thước như nhau và đều không có roi (trong một số trường hợp đặc biệt như ở chi Rahbdonema có dạng trung gian giữa noãn giao và đẳng giao: sự thụ tinh được kết hợp giữa tế bào giao tử cái và giao tử đực không roi dạng amip). Hai tế bào gần nhau, cùng được bao trong một bao nhầy. Sau khi phân bào giảm nhiễm có sự phân bào không đều và phần nhỏ hơn của hai tế bào bị tiêu hủy. Thành tế bào tách ra, một giao tử của tế bào thứ nhất sẽ di chuyển sang phối hợp với giao tử bị động của tế bào thứ hai và giao tử còn lại sẽ bị động chờ giao tử của tế bào thứ hai sang phối hợp. Kết quả của quá trình này cho ra một bào tử sinh trưởng ở mỗi tế bào. Bào tử sinh trưởng sẽ lớn dần lên để cho ra một tế bào mới [13]. Bào tử nghỉ (resting spore) và tế bào nghỉ (resting cell): Bào tử và tế bào nghỉ cho phép khuê tảo tồn tại trong một thời kì mà điều kiện bất thường bất lợi, suy kiệt chất dinh dưỡng và hồi phục, phát triển trở lại khi điều kiện thuận lợi. Cả tế bào nghỉ và bào tử chứa rất nhiều dưỡng chất. Ví dụ các chi tảo nước ngọt Stepahnodiscus, Fragilaria, Asterionella, Tabellaria, Diatoma và Aulacoceria tế bào nghỉ và bào tử tích nhiều giọt dầu lớn và hạt polyphosphate. Nhờ có dưỡng liệu mà các tế bào nghỉ có thể tồn tại trong trầm tích nhiều năm, có thể đến cả thập kỷ. Một số tế bào nghỉ cần phải trải qua một giai đoạn sống nghỉ mới nảy mầm. Tế bào nghỉ duy trì hình dáng giống tế bào dinh dưỡng nhưng vỏ của bào tử rất dày, có thể hình tròn và cấu trúc ít rõ hơn tế bào dinh dưỡng cùng loài. Vỏ của bào tử nghỉ gồm vỏ trên và vỏ dưới lồng vào nhau thành hộp hình cầu hay hơi dẹt, bề mặt vỏ có thể nhẵn hoặc có gai, hình dạng khác nhau tùy loài, đôi khi được làm tiêu chuẩn phân loại (ví dụ chi Chaetoceros). Khuê tảo nước ngọt có khuynh hướng hình thành tế bào nghỉ trong khi các khuê tảo ở vùng ven biển lại hình thành bào tử. Suy giảm nitơ là tác nhân thúc đẩy tảo hình thành bào tử. Các bào tử có thể tồn tại nhiều năm trong trầm tích. Nếu tảo được tách khỏi trầm tích và đưa lên tầng mặt nơi có đủ ánh sáng và chất dinh dưỡng thì tế bào nghỉ và bào tử sẽ nảy mầm và phát triển trở lại [11]. 9 1.2. Phân loại khuê tảo đáy Các nghiên cứu phân loại khuê tảo được tiến hành từ rất sớm, từ những năm đầu thế kỉ XIX, trong quyển “Systema Algarum” của Agardh đã xây dựng hệ thống phân loại tảo gồm 4 lớp: Hyalinae, Virides, Purpureae và Olivaceae. Khuê tảo đáy được xếp vào bộ Diatomae trong lớp Hyalinae và gồm 9 chi với đặc điểm nhận dạng là: có hình thể đặc biệt, phẳng và trong suốt [14].. Từ năm 1938 trở đi, càng có nhiều nhà khoa học nghiên cứu về phân loại khuê tảo như Ehrenberg, Kützing (1833, 1844), Smith (1853-1856), Ralfs (1861)... Nhìn chung ở thời kì đầu, hệ thống phân loại còn rất đơn giản. Sau đó, đến năm 1896, Schütt đề ra hệ thống phân loại khuê tảo với 2 bộ là Pennatae (gồm Rhaphideae và Pseudoraphideae) có các cấu trức sắp xếp dạng lông chim đối xứng nhau qua đường trung tuyến và Centricae (gồm Anaraphideae và Pleonemeae) có các cấu trúc sắp xếp dạng phóng xạ hoặc đồng tâm ở mặt vỏ. Hệ thống phân loại này được xem là cơ sở cho các nghiên cứu về sau [15,16,17].. Đến đầu thế kỉ XX, Karsten (1928) đưa ra một hệ thống phân loại khuê tảo đầy đủ hơn như sau [18].: - Bộ Centridae có 4 bộ phụ là Discoideae, Solenoideae, Biddulphioideae, Rutilaroideae - Bộ Pennatae có 7 bộ phụ thuộc 4 nhóm: + Nhóm không rãnh Araphideae có Fragilarioideae + Nhóm rãnh ngắn Rhaphideae có Eunotioideae + Nhóm một rãnh Monoraphideae có Achnanthoideae + Nhóm hai rãnh Biraphideae Nithzschioidae và Surirelloideae. có Naviculoidae, Epithemioideae, Năm 1937, Hendey đưa ra hệ thống phân loại khuê tảo hoàn chỉnh hơn, ông đã tìm ra nhiều đặc điểm khác nhau của khuê tảo trung tâm và khuê tảo lông chim. Hệ thống phân loại của Hendey được hoàn thiện vào năm 1964. Theo đó, hệ thống phân loại này gộp khuê tảo trung tâm và khuê tảo lông chim thành 1 bộ là Bacillariales và chia các nhóm tảo thành 11 bộ phụ [19].. Đầu thâp niên 90, hệ thống phân loại mới được Round và cs. (1990) công bố, trong đó ngành tảo Bacillariphyta được chia thành 3 lớp (Lớp Coscinodiscophyceae, Lớp Fragilariophyceae và Lớp Bacillariophyceae), 11 phân lớp với 45 bộ [8].. Đây 10 được xem là hệ thống phân loại khuê tảo chi tiết nhất cho đến nay. Những mô tả, so sánh đặc điểm hình thái, cấu trúc mặt vỏ là căn cứ chủ yếu cho việc sắp xếp các taxon bậc chi và họ vào các bậc phân loại cao hơn. Ở Việt Nam, một số tác giả nghiên cứu phân loại khuê tảo theo các hệ thống khác nhau như: Hoàng Quốc Trương (1962) với công trình “Phiêu sinh vạt trong vịnh Nha trang. 1- Khuê tảo – Bacillariales” và Trương Ngọc An (1993) với công trình “Phân loại tảo silic phù du biển Việt Nam” cũng dựa trên nền tảng là hệ thống của Karsten (1928) kết hợp với những bổ sung sắp xếp hợp lý của Kim Đức Tường (1965) gồm 3 bộ lớn và 18 họ khuê tảo được phân loại tới chi. Nghiên cứu này đã mô tả tương đối đầy đủ, chi tiết về hình dạng tế bào, các đặc điểm về sắc thể... ở mẫu sống, đặc điểm hình thái, cấu trúc vỏ tảo quan sát dưới kính hiển vi quang học và kính hiển vi điện tử của các loài khuê tảo ở Việt Nam. Đây là cơ sở để phân loại khuê tảo đáy trong các nghiên cứu ở nước ta [8,9,20,21]. 1.3. Sinh thái của khuê tảo đáy Hầu hết các loại khuê tảo đáy đều sống lơ lửng trong nước hoặc bám, đó là đặc điểm cơ bản khác với những thực vật khác. Tỷ trọng cơ thể của chúng hầu như bằng nước biển, hơi cao hơn đôi chút. Các cá thể tảo có xu hướng lắng dần xuống, để giữ cho cơ thể luôn lơ lửng trong tầng nước thích hợn đủ ánh sáng, đảm bảo cho sự quang hợp thuận lợi, chúng phải tiến hình điều chỉnh tỷ trọng cơ thể. Qua nghiên cứu quan sát của nhiều tác giả cho thấy trong tế bào khuê tảo đáy: có thể hình thành những không bào hoặc những chất dịch có tỷ trọng nhẹ để tế bào nổi lên. Ở một số loài, các tế bào tiết ra ra chất keo nhẹ, dạng sợi nối các tế bào với nhau thành chuỗi dài. Rất nhiều loài tảo silic có tế bào dep, mỏng, rất dài và nối thành chuỗi hoặc các tế bào có các phần phụ phức tạp, ở xung quanh mép hoặc vỏ hoặc các cực của mặt vỏ hình thành những lông gai dài tỏa ra hoặc những u lồi để liên kết với nhau thành chuỗi dài hoặc cong xoắn. Các lông gai ở các loài to nhỏ khác nhau, rất nhiều trường hợp lông gai tất to và dài, đối với những loài này phần tế bào chính trở thành rất nhỏ. Sự hình thành các phần phụ của tế bào, các tế bào nối thành chuỗi dài, chính là làm tăng sự ma sát với nước, làm cho các cơ thể khó lắng chìm [11]. 1.4. Lược sử nghiên cứu 1.4.1. Trên thế giới Các nghiên cứu đầu tiên về tính đa dạng của các quần xã khuê tảo và sử dụng chúng làm chỉ thị sinh trong đánh giá chất lượng môi trường nước bởi Patrick (1963), sau đó là các nghiên cứu của Shirota (1968), Kelly và Whitton (1995), Lenoir và 11 Coste (1996) được xem là nền tảng cho các nghiên cứu về khuê tảo và chỉ thị môi trường[22,23,24]. Patrick (1963) đã chỉ rõ có thể dùng khuê tảo để xác định mức độ ô nhiễm của nước. Vì quần xã khuê tảo có khả năng bị thay đổi khi môi trường thay đổi do chúng rất nhạy cảm với các tính chất vật lý, hoá học của môi trường nước. Trong một vài thập niên trở lại đây, nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới tiếp tục sử dụng khuê tảo đáy đáy để đánh giá chất lượng môi trường nước [22].. Khi xem xét mối quan hệ giữa khuê tảo đáy trên nền đáy mềm với sự biến đổi của các yếu tố môi trường, Jiang (1996) nhận thấy sự tác động của môi trường lên phân bố của tảo rất khác nhau giữa các vùng [25].. Tác giả cho rằng ở khu vực nghiên cứu (Skagerrak và Kattegat, thuộc thềm lục địa, hình thành từ cửa sông lớn giữa biển Bắc và biển Baltic) với độ mặn thấp và nhiệt độ cao vào mùa hè đã ảnh hưởng rõ nét tới tỉ lệ các nhóm tảo. Tuy nhiên kết quả thu được chỉ liên quan đến các nhân tố sinh thái như độ mặn và nhiệt độ mà bỏ qua các yếu tố dinh dưỡng khác của nước. Walker và cộng sự (2001) nghiên cứu về mối quan hệ giữa thành phần các loài động vật không xương sống và khuê tảo đáy với sự phú dưỡng nguồn nước ở vùng Melbourne, Victoria, Australia. Kết quả cho thấy hai loài đều nhạy cảm với các tác động của sự đô thị hóa nhưng các chỉ số về khuê tảo đáy phản ánh tốt hơn về sự phú dưỡng [26]. Năm 2002, các tác giả Fore và Grafe ở Mỹ đã tiến hành nghiên cứu dùng khuê tảo đáy để đánh giá môi trường sinh học của các con sông lớn ở Idaho. Khi xem xét mối quan hệ giữa khuê tảo đáy và những ảnh hưởng tác động của con người, căn cứ trên một số chỉ số như mật độ của các loài nhạy cảm với những tác động, tỉ lệ mật độ các loài dị dưỡng nitơ, tỉ lệ mật độ của các loài sống ở môi trường nhiễm bẩn, độ ưu thế của các loài ưa kiềm, tỉ lệ mật độ của các loài ưa Oxy, mật độ của các loài có khả năng chuyển động tốt và tỉ lệ các loài bị biến dạng vỏ. Từ đó đề xuất dùng khuê tảo đáy để chỉ thị môi trường. Cá, động vật không xương sống và khuê tảo đáy tương ứng với những mức độ dinh dưỡng khác nhau nhưng các tác giả cho rằng khảo sát quần xã khuê tảo đáy có thể thay thế cho khảo sát đánh giá về cá trong những trường hợp nước quá sâu hay những khu vực bảo vệ nghiêm ngặt không cho phép lấy mẫu. Khác với những loài có cuộc sống dài hơn, sự phản ứng nhanh của khuê tảo đối với điều kiện môi trường ở thủy vực làm cho chúng trở thành một công cụ hiệu quả cho việc đánh giá chất lượng nước theo mùa. Hơn nữa, trong trường hợp các thông số hóa học hay sinh học khác không phản ảnh được tình trạng môi trường thì khuê tảo sẽ là