Nghiên cứu đề xuất chỉ tiêu vi khuẩn lam độc hại trong nước cấp sinh hoạt

Luận văn thạc sĩ môi trường phân tích quản lý tài nguyên và môi trường nghiên cứu đề xuất chỉ tiêu vi khuẩn lam có độc cho an toàn nước, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề

• Tác giả: Phạm Thị Nhẫn
• Người hướng dẫn: S Phạm Thanh Lưu
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP. HCM
• Chuyên ngành: Quản lý tài nguyên và môi trường
• Đề tài: Nghiên Cứu Đề Xuất Chỉ Tiêu Vi Khuẩn Lam Có Độc Cho An Toàn Nước Cấp Sinh Hoạt
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• DANH MỤC VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• MỞ ĐẦU
• Mục tiêu nghiên cứu
• Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• Nội dung nghiên cứu
• Phương pháp nghiên cứu
• Phương pháp thu thập và tổng hợp và xử lý số liệu
• Phương pháp khảo sát hiện trường
• Phương pháp phân lập và nuôi VKL
• Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về vi khuẩn lam
• 1.1.1. Phân bố của vi khuẩn lam
• 1.1.2. Hình thái và cấu trúc tế bào
• 1.1.3. Phân loại vi khuẩn lam
• 1.2. Độc tố vi khuẩn lam và nhóm độc tố microcystin
• 1.2.1. Độc tố của vi khuẩn lam
• 1.2.2. Cơ chế sản sinh độc tố của vi khuẩn lam
• 1.2.3. Độc tố microcystin
• 1.3. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 1.3.1. Độc tố vi khuẩn lam và sức khỏe con người
• 1.3.2. An toàn nước liên quan đến độc tố vi khuẩn lam
• 1.4. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 2. CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Thiết bị, vật dụng cho nghiên cứu
• 2.2. Phương pháp thu mẫu, phân lập và nuôi vi khuẩn lam
• 2.2.1. Phương pháp thu mẫu
• 2.2.2. Phương pháp phân lập và nuôi vi khuẩn lam
• 2.3. Xác định độc tố MCs trong nước mặt và trong mẫu VKL phân lập
• 2.4. Xử lý số liệu
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Các mẫu nở hoa, chủng loài vi khuẩn lam và hàm lượng độc tố MCs trong mẫu
• 3.2. Mối liên hệ giữa sinh khối vi khuẩn lam và hàm lượng độc tố microcystin
• 3.2.1. Sự tương quan giữa mẫu thu hiện trường (không nở hoa) và độc tố microcystin
• 3.2.2. Mối liên hệ giữa sinh khối vi khuẩn lam trong mẫu nở hoa thu ở hiện trường và mẫu phân lập với độc tố microcystin
• 3.3. Đề xuất chỉ tiêu vi khuẩn lam cho an toàn nước cấp
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về vi khuẩn lam và độc tố vi khuẩn lam

Vi khuẩn lam (vi khuẩn lam) đóng vai trò quan trọng trong hệ sinh thái nước. Chúng không chỉ là sinh vật quang hợp mà còn sản sinh ra các độc tố có thể gây hại cho sức khỏe con người. Độc tố vi khuẩn lam, đặc biệt là microcystin, đã được Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) xác định là mối nguy hiểm trong nguồn nước sinh hoạt. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự hiện diện của độc hại vi khuẩn lam trong nước sinh hoạt có thể dẫn đến nhiều vấn đề sức khỏe nghiêm trọng. Hệ thống xử lý nước ở Việt Nam vẫn chưa đủ khả năng loại bỏ hoàn toàn các độc tố này, dẫn đến việc cần thiết phải có các chỉ tiêu an toàn cho nước sinh hoạt.

1.1. Tình hình nghiên cứu về vi khuẩn lam

Nghiên cứu về vi khuẩn lam đã chỉ ra rằng chúng có mặt rộng rãi trong các nguồn nước ngọt. Việc phân lập và xác định mật độ vi khuẩn lam trong các mẫu nước đã được thực hiện để đánh giá mức độ ô nhiễm. Các nghiên cứu trước đây cho thấy rằng mật độ vi khuẩn lam tăng cao thường đi kèm với sự gia tăng nồng độ độc tố microcystin. Điều này cho thấy sự cần thiết phải theo dõi và kiểm soát các chỉ tiêu vi khuẩn lam trong nước sinh hoạt để đảm bảo an toàn cho sức khỏe cộng đồng.

II. Phương pháp nghiên cứu và thu thập dữ liệu

Nghiên cứu này sử dụng các phương pháp thu thập mẫu hiện trường và phân lập vi khuẩn lam. Mẫu nước được thu thập từ các khu vực khác nhau và được phân tích để xác định sự hiện diện của vi khuẩn lam và nồng độ độc tố microcystin. Phương pháp ELISA đã được áp dụng để xác định hàm lượng độc tố trong các mẫu nước. Kết quả cho thấy rằng nồng độ microcystin có thể đạt đến 0,25 µg/L trong nước và 0,451 µg/mg trong mẫu vi khuẩn lam phân lập. Những thông tin này là cơ sở cho việc đề xuất các chỉ tiêu an toàn cho nước sinh hoạt.

2.1. Phân tích mẫu và xác định độc tố

Quá trình phân tích mẫu nước bao gồm việc thu thập, phân lập và nuôi cấy vi khuẩn lam. Việc xác định nồng độ độc tố microcystin được thực hiện thông qua các phương pháp phân tích hiện đại. Kết quả phân tích cho thấy rằng hàm lượng độc tố trong các mẫu nước có sự biến động lớn, điều này cho thấy rằng việc theo dõi thường xuyên là cần thiết để đảm bảo an toàn cho nguồn nước sinh hoạt.

III. Đề xuất chỉ tiêu vi khuẩn lam cho an toàn nước sinh hoạt

Dựa trên các kết quả nghiên cứu, đề xuất ngưỡng mật độ vi khuẩn lam an toàn trong nước sinh hoạt là 0,13 mg/L, tương đương 2x10^6 tế bào/L. Đối với mẫu nở hoa và phân lập, ngưỡng này được đề xuất là 0,08 mg/L, tương đương 1,2x10^6 tế bào/L. Những chỉ tiêu này được xây dựng dựa trên việc phân tích mối liên hệ giữa mật độ vi khuẩn lam và nồng độ độc tố microcystin. Việc thiết lập các chỉ tiêu này không chỉ giúp các cơ quan quản lý dễ dàng theo dõi mà còn cảnh báo kịp thời các nguy cơ ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng.

3.1. Tác động của vi khuẩn lam đến sức khỏe cộng đồng

Sự hiện diện của vi khuẩn lam trong nguồn nước sinh hoạt có thể gây ra nhiều tác động tiêu cực đến sức khỏe con người. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng độc tố microcystin có thể gây ra các vấn đề về gan, hệ thần kinh và thậm chí là tử vong trong một số trường hợp. Do đó, việc đề xuất các chỉ tiêu an toàn là rất quan trọng nhằm bảo vệ sức khỏe cộng đồng và đảm bảo an toàn cho nguồn nước sinh hoạt.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm nguồn nước mặt do sự bùng phát của hơn 60 loài vi khuẩn lam có độc đang trở thành thách thức nghiêm trọng đối với an ninh nguồn nước tại Việt Nam. Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đã thiết lập ngưỡng giới hạn an toàn đối với độc tố microcystin trong nước cấp sinh hoạt là 1,0 µg/L nhằm ngăn ngừa nguy cơ tổn thương gan và ung thư tế bào gan. Tuy nhiên, các quy chuẩn quốc gia hiện hành gồm QCVN 08-MT:2015/BTNMT đối với nước mặt và QCVN 01:2009/BYT đối với nước ăn uống vẫn chưa đưa ra chỉ tiêu kiểm soát mật độ vi khuẩn lam và độc tố microcystin. Trong khi đó, các trạm xử lý nước cấp truyền thống tại khu vực phía Nam chưa thể loại bỏ hoàn toàn lượng độc tố hòa tan này.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Quản lý Tài nguyên và Môi trường của tác giả Phạm Thị Nhẫn thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh tập trung giải quyết bài toán cấp thiết trên. Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là đề xuất chỉ tiêu an toàn về mật độ và sinh khối vi khuẩn lam cho nguồn nước cấp sinh hoạt tại khu vực miền Nam, trọng tâm là các thủy vực chiến lược như hồ Trị An, hồ Dầu Tiếng, sông Sài Gòn và khu vực Bình Chánh.

Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi chuyển đổi chỉ tiêu phân tích độc tố microcystin đắt đỏ, phức tạp, kéo dài nhiều ngày thành chỉ tiêu sinh khối và mật độ tế bào có thể định lượng nhanh bằng kính hiển vi quang học trong vòng 24 giờ. Kết quả này cung cấp công cụ kiểm soát chất lượng nước hiệu quả, chi phí thấp cho các cơ quan quản lý và nhà máy cấp nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng lý thuyết độc học sinh thái thủy vực và cơ chế tổng hợp độc tố sinh học peptide vòng. Khung lý thuyết tập trung vào cấu trúc hóa học của microcystin, một heptapeptide vòng chứa bảy axit amin đặc trưng bởi nhóm Adda (3-amino-9-methoxy-2,6,8-trimethyl-10-phenyldeca-4,6-dienoic acid) và methyldehydroalanine (Mdha), là tác nhân chính gây ức chế chọn lọc protein phosphatase 1 và 2A dẫn đến hoại tử tế bào gan. Cơ chế sinh tổng hợp microcystin được kiểm soát bởi cụm gen mcy có kích thước khoảng 55 kilobase gồm 10 gen chức năng thông qua hệ enzyme phi ribosome.

Bên cạnh đó, đề tài áp dụng mô hình phân cấp cảnh báo an toàn nước uống của Chorus và Bartram. Mô hình này thiết lập các cấp độ can thiệp sinh thái dựa trên mật độ tế bào vi khuẩn lam: mức cảnh báo cấp 1 tại 2.000 tế bào/mL (sinh khối 0,2 mm³/L) và mức cảnh báo cấp 2 tại 100.000 tế bào/mL (sinh khối 10 mm³/L). Các khái niệm then chốt được chuẩn hóa bao gồm: sinh khối tươi vi khuẩn lam, hiện tượng nở hoa nước (water bloom), độc tố vi khuẩn lam dạng hòa tan và liều lượng thu nạp hàng ngày có thể chấp nhận được (TDI) theo khuyến cáo quốc tế ở mức 0,04 µg/kg/ngày.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được tổng hợp từ 25 mẫu thực nghiệm chuyên sâu (bao gồm 5 mẫu nở hoa tự nhiên ngoài hiện trường và 20 chủng vi khuẩn lam phân lập thuần khiết trong phòng thí nghiệm) kết hợp với 89 bộ số liệu thứ cấp từ các công trình nghiên cứu uy tín đã công bố tại Việt Nam. Phương pháp chọn mẫu hiện trường sử dụng lưới vớt phiêu sinh thực vật đường kính mắt lưới 25 µm tại các vùng cấp nước trọng điểm thuộc hồ Trị An và hồ Dầu Tiếng.

Quy trình phân lập tế bào đơn và tập đoàn được thực hiện qua kính hiển vi quang học với micropipet, sau đó nuôi cấy tăng sinh khối trong môi trường Z8 giàu khoáng chất ở điều kiện chuẩn hóa: nhiệt độ 25 ± 1 ºC, cường độ ánh sáng 3.000 Lux và chu kỳ quang 12 giờ sáng : 12 giờ tối.

Hàm lượng microcystin được xác định chính xác bằng phương pháp miễn dịch gắn enzyme ELISA cạnh tranh với bộ kit thương mại Abraxis có ngưỡng phát hiện cực thấp ở mức picogram/L. Quy trình phá vỡ tế bào nghiêm ngặt qua 5 chu kỳ đông lạnh sâu tại -70 ºC kết hợp siêu âm 15 phút và ly tâm lạnh 14.000 vòng/phút ở 4 ºC. Toàn bộ dữ liệu được phân tích hồi quy tuyến tính, kiểm định tương quan Pearson bằng phần mềm thống kê SPSS 16.0 và Microsoft Excel để xác định hệ số xác định R² và mức ý nghĩa thống kê P < 0,05.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã định danh thành công 4 chi vi khuẩn lam ưu thế tại các thủy vực miền Nam gồm Microcystis, Anabaena, Pseudanabaena và Cylindrospermopsis, trong đó chi Microcystis chiếm tỷ lệ áp đảo trong các đợt bùng phát nở hoa. Kết quả phân tích ELISA cho thấy hàm lượng độc tố microcystin trong 5 mẫu nở hoa dao động từ 0,004 đến 0,074 µg/g trọng lượng tươi (trung bình 0,034 µg/g tươi), trong khi 20 chủng phân lập phòng thí nghiệm đạt nồng độ từ 0,022 đến 0,493 µg/g trọng lượng tươi (trung bình 0,169 µg/g tươi).

Trong điều kiện tự nhiên không nở hoa, sinh khối vi khuẩn lam tại các nguồn nước mặt dao động trong khoảng 0,00013 – 10,9 mg/L (trung bình 1,2 mg/L), với nồng độ độc tố microcystin dao động từ 0,001 đến 1,14 µg/L (trung bình 0,25 µg/L). Phân tích thống kê xác lập mối tương quan thuận giữa sinh khối vi khuẩn lam và hàm lượng microcystin ngoài hiện trường với R² = 0,24 và P < 0,05.

Dựa trên ngưỡng quy định an toàn 1,0 µg microcystin/L của WHO, luận văn đã tính toán và đưa ra hai ngưỡng giới hạn kỹ thuật cụ thể:

• Đối với nguồn nước mặt tự nhiên (không nở hoa): Sinh khối tươi tối đa cho phép là 0,13 mg/L, tương đương mật độ 2,0 x 10⁶ tế bào Microcystis/L.
• Đối với vùng nước nở hoa và các chủng sinh độc: Sinh khối tươi tối đa cho phép là 0,08 mg/L, tương đương mật độ 1,2 x 10⁶ tế bào Microcystis/L.

Thảo luận kết quả

Hàm lượng độc tố trung bình 0,25 µg/L trong điều kiện tự nhiên tại khu vực miền Nam thấp hơn ngưỡng 1,0 µg/L của WHO nhưng đã tiệm cận mức cảnh báo của một số quốc gia có tiêu chuẩn khắt khe như Canada (0,5 µg/L) hay Nam Phi (0,8 µg/L). So sánh với các nghiên cứu tại miền Bắc, mức tích lũy độc tố tại hồ Dầu Tiếng và hồ Trị An thấp hơn đáng kể so với hồ Núi Cốc (4,2 – 119 µg/g tươi) và hồ Hoàn Kiếm (2,1 – 46,0 µg/L), phản ánh sự chi phối mạnh mẽ của các yếu tố nhiệt độ, dinh dưỡng nitơ, photpho và đặc tính chủng loài theo từng thủy vực.

Mối quan hệ giữa nồng độ microcystin và sinh khối vi khuẩn lam có thể được trực quan hóa rõ ràng qua biểu đồ phân tán hồi quy tuyến tính. Đồ thị này minh họa xu hướng gia tăng tuyến tính của độc tố theo sinh khối tế bào, với hệ số tin cậy P < 0,05 khẳng định tính hợp lệ sinh học. Ngoài ra, việc trình bày số liệu qua bảng so sánh đa chỉ tiêu giúp làm nổi bật sự khác biệt sâu sắc: ở giai đoạn nở hoa, khả năng tiết độc tố của vi khuẩn lam tăng vọt, đòi hỏi ngưỡng sinh khối kiểm soát phải nghiêm ngặt hơn 38,5% so với trạng thái tự nhiên (0,08 mg/L so với 0,13 mg/L). Điều này chứng minh rằng việc giám sát chất lượng nước không thể chỉ dựa vào nồng độ hóa lý thông thường mà phải kiểm soát chặt chẽ trạng thái sinh lý của quần thể vi sinh vật nổi.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm bảo đảm an toàn nguồn nước sinh hoạt cho hàng triệu người dân, luận văn đề xuất hệ thống giải pháp kỹ thuật và chính sách đồng bộ:

• Bổ sung quy chuẩn kỹ thuật quốc gia: Đề nghị Bộ Tài nguyên và Môi trường cùng Bộ Y tế sớm cập nhật chỉ tiêu sinh khối vi khuẩn lam vào QCVN 08-MT:2015/BTNMT và QCVN 01:2009/BYT trong giai đoạn 2024-2026, áp dụng mức trần sinh khối 0,13 mg/L (nước mặt tự nhiên) và 0,08 mg/L (vùng có nguy cơ nở hoa).
• Thiết lập mạng lưới quan trắc sinh học cảnh báo sớm: Các công ty cấp nước đô thị tại Đồng Nai, Bình Dương và Thành phố Hồ Chí Minh cần triển khai quy trình đếm mật độ tế bào kính hiển vi định kỳ 2 lần/tuần, phát tín hiệu cảnh báo cấp độ 1 khi mật độ vượt ngưỡng 1,2 x 10⁶ tế bào/L.
• Tối ưu hóa công nghệ xử lý nước mùa nở hoa: Nâng cấp dây chuyền xử lý tại các nhà máy nước thông qua tích hợp than hoạt tính bột (PAC), quá trình oxy hóa nâng cao bằng ozone hoặc chiếu xạ UV cường độ mạnh, nhằm đạt mục tiêu loại bỏ trên 95% dư lượng microcystin hòa tan.
• Xây dựng cơ sở dữ liệu dịch tễ học và độc học sinh thái liên vùng: Các viện nghiên cứu môi trường phối hợp cùng Sở Y tế thực hiện quan trắc độc học chuyên sâu tại hồ Dầu Tiếng và hồ Trị An theo chu kỳ 6 tháng/lần, đánh giá mức độ phơi nhiễm mạn tính qua chuỗi thức ăn thủy sản.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu cung cấp hệ thống dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác và luận cứ khoa học vững chắc cho nhiều nhóm đối tượng:

• Ban giám đốc và kỹ sư vận hành nhà máy nước cấp: Ứng dụng ngay ngưỡng sinh khối 0,13 mg/L và 0,08 mg/L để xây dựng quy trình kiểm soát rủi ro sinh học tại nguồn thu nước thô, chủ động điều chỉnh liều lượng hóa chất xử lý.
• Cơ quan quản lý nhà nước về môi trường và y tế dự phòng: Sử dụng cơ sở dữ liệu của đề tài để tham mưu hoàn thiện chính sách, xây dựng các tiêu chuẩn kỹ thuật địa phương về chất lượng nước ăn uống.
• Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học: Tiếp cận phương pháp luận phân lập vi khuẩn lam, quy trình chiết tách độc tố và kỹ thuật phân tích ELISA chuyên sâu phục vụ các đề tài độc học môi trường.
• Tổ chức quản lý lưu vực sông và bảo tồn hệ sinh thái: Tham khảo mô hình tương quan sinh thái để đánh giá mức độ phú dưỡng hóa nguồn nước và xây dựng phương án phục hồi chất lượng nước mặt tự nhiên.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao đun sôi nước thông thường không thể loại bỏ độc tố microcystin? Microcystin có cấu trúc heptapeptide vòng cực kỳ bền vững, không bị biến tính hay phá hủy ở nhiệt độ sôi 100 ºC và ổn định trong môi trường suốt nhiều tuần. Độc tố chỉ bị phân hủy khi xử lý bằng các chất oxy hóa mạnh như ozone, chlorine liều lượng cao hoặc hệ thống lọc than hoạt tính chuyên dụng.

Cơ sở khoa học nào dùng để xác định ngưỡng sinh khối 0,13 mg/L cho nước tự nhiên? Ngưỡng 0,13 mg/L (tương đương 2,0 x 10⁶ tế bào/L) được nội suy từ mô hình hồi quy tuyến tính thực nghiệm với P < 0,05, tương ứng với giới hạn nồng độ an toàn 1,0 µg microcystin/L do WHO ban hành nhằm bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Vì sao nước trong giai đoạn vi khuẩn lam nở hoa lại có giới hạn sinh khối nghiêm ngặt hơn (0,08 mg/L)? Trong giai đoạn nở hoa, hoạt tính sinh tổng hợp độc tố của các chủng vi khuẩn lam tăng cao đột biến, đạt mức trung bình 451 µg microcystin/g tươi. Do đó, chỉ cần một lượng sinh khối nhỏ 0,08 mg/L (1,2 x 10⁶ tế bào/L) đã đủ để giải phóng lượng độc tố chạm ngưỡng nguy hại 1,0 µg/L.

Phương pháp ELISA có ưu điểm gì vượt trội so với sắc ký lỏng cao áp HPLC? ELISA mang lại độ nhạy vượt trội ở mức picogram/L, quy trình thao tác đơn giản, thời gian phân tích nhanh và chỉ cần lượng mẫu rất nhỏ từ 0,05 đến 0,2 mg sinh khối khô, giúp giảm thiểu đáng kể chi phí xét nghiệm định kỳ so với thiết bị HPLC đắt tiền.

Quy chuẩn nước sinh hoạt tại Việt Nam hiện đã bắt buộc kiểm tra vi khuẩn lam chưa? Hiện nay cả hai quy chuẩn QCVN 08-MT:2015/BTNMT và QCVN 01:2009/BYT đều chưa đưa chỉ tiêu vi khuẩn lam và độc tố microcystin vào danh mục bắt buộc. Đây chính là khoảng trống pháp lý mà luận văn hướng tới việc cung cấp cơ sở khoa học để sớm bổ sung.

Kết luận

• Luận văn đã phân lập thành công 20 chủng vi khuẩn lam và thu thập 5 mẫu nở hoa tự nhiên, xác định hàm lượng microcystin trung bình đạt 0,169 µg/g tươi ở mẫu phân lập và 0,034 µg/g tươi ở mẫu nở hoa.
• Thiết lập phương trình tương quan tuyến tính có ý nghĩa thống kê (R² = 0,24; P < 0,05) giữa sinh khối vi khuẩn lam và hàm lượng độc tố microcystin trong điều kiện thủy vực nhiệt đới miền Nam.
• Đề xuất hai chỉ tiêu định lượng then chốt cho an toàn nước cấp sinh hoạt: giới hạn sinh khối 0,13 mg/L (2,0 x 10⁶ tế bào/L) cho nước tự nhiên và 0,08 mg/L (1,2 x 10⁶ tế bào/L) cho điều kiện nở hoa, tương ứng ngưỡng an toàn 1,0 µg MCs/L của WHO.
• Cung cấp giải pháp giám sát sinh học nhanh chóng, hiệu quả kinh tế cao, giúp các đơn vị cấp nước phát hiện sớm nguy cơ nhiễm độc nguồn nước trong vòng 24 giờ mà không phụ thuộc vào các phân tích hóa học tốn kém.
• Mở ra hướng nghiên cứu mở rộng quan trắc trên toàn quốc và tích hợp công nghệ oxy hóa nâng cao nhằm hoàn thiện khung quản lý an toàn cấp nước trong giai đoạn tiếp theo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Vi khuẩn lam (VKL) và độc tố của VKL là những phần tất yếu của tự nhiên. Tuy nhiên, do ảnh hƣởng trực tiếp và gián tiếp từ hoạt động con ngƣời, sự hiện diện, mật độ VKL và nồng độ độc tố của chúng ngày càng thƣờng xuyên và tăng cao trong thủy vực nƣớc cấp cho sinh hoạt. Độc tố VKL có ảnh hƣởng rất xấu đến sức khỏe con ngƣời với nhiều biến cố liên quan xảy ra trên thế giới do đó tổ chức y tế thề giới (WHO) đã đƣa ra quy chuẩn an toàn sức khỏe liên quan đến độc tố VKL microcystin (MCs) là 1 μg MCs/lít trong nƣớc dùng cấp sinh hoạt. Ở nƣớc ta, VKL và độc tố VKL bƣớc đầu đã đƣợc ghi nhận ở nhiều thủy vực.

Tuy nhiên, hệ thống xử lý nƣớc phục vụ sinh hoạt ở Việt Nam chƣa thể loại bỏ hoàn toàn độc tố VKL. Bên cạnh đó, quy định an toàn nƣớc uống ở nƣớc ta chƣa bao gồm chỉ tiêu độc tố VKL. Đồng thời, mối tƣơng quan giữa mật độ hay sinh khối VKL với nồng độ độc tố mà chúng sản sinh ra, chƣa đƣợc khảo sát, tổng hợp ở cấp độ vùng miền hay lãnh thổ. Phân tích nồng độ độc tố MCs trong nƣớc và trong VKL cần có thiết bị hiện đại, chí phí lớn, cần thời gian vài ngày và đòi hỏi ngƣời thực hiện có kỹ năng nghiên cứu cao.

Tuy nhiên, việc xác định sinh khối hoặc mật độ VKL trong môi trƣờng nƣớc có thể thực hiện nhanh chóng (trong ngày), tƣơng đối dễ dàng và chi phí rất thấp. Vì vậy, việc nghiên cứu sự hiện diện, khả năng sản sinh độc tố MCs của VKL trong các thủy vực/nguồn cấp nƣớc sinh hoạt ở Việt Nam là điều cân thiết. Đồng thời, việc đề xuất ngƣỡng an toàn của mật độ/sinh khối VKL trong nguồn nƣớc cấp có liên quan đến nồng độ độc tố MCs trong nƣớc mặt, 1 μg/L, (theo WHO), sẽ giúp cho các cơ quan quản lý, dễ dàng theo dõi và cảnh báo nguy cơ ảnh hƣởng xấu của độc tố lên sức khỏe cộng đồng. Mục tiêu nghiên cứu - Đề xuất chỉ tiêu an toàn về VKL trong nƣớc cấp sinh hoạt 1 1.

Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tƣợng: Độc tố VKL trong môi trƣờng nƣớc mặt - Phạm vị: Khu vực miền nam Việt Nam 1. Nội dung nghiên cứu - Nội dung 1: Tổng quan tài liêu nghiên cứu và có liên quan về VKL và độc tố VKL trong môi trƣờng nƣớc mặt. - Nội dung 2: Thu thập mẫu hiện trƣờng, xác định sự hiện diện của VKL và độc tố VKL. - Nội dung 3: Phân lập, nuôi và xác định sinh khối và nồng độ độc tố MCs trong mẫu nuôi.

- Nội dung 4: Đề xuất ngƣỡng mật độ/sinh khối an toàn đối với khu vực nghiên cứu. Phƣơng pháp nghiên cứu 1. Phƣơng pháp thu thập và tổng hợp và xử lý số liệu Số liệu thu thập đƣợc và số liệu thực tế đƣợc tổng hợp bằng phần mềm Excel và xử lý bằng phần mềm SPSS 16. Phƣơng pháp khảo sát hiện trƣờng - Lựa chọn khu vực khảo sát - Định danh và xác định mật độ VKL - Xác định nồng độ độc tố MCs trong mẫu thu hiện trƣờng 1.

Phƣơng pháp phân lập và nuôi VKL 1. Phƣơng pháp xử lý thống kê số liệu đạt đƣợc từ thu thập mẫu và từ thực nghiệm 1. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Độc tố MCs sản sinh bởi VKL trong môi trƣờng nƣớc đã đƣợc công bố bởi nhiều nghiên cứu trƣớc đây. Hàm lƣợng độc tố MCs thƣờng cao nhất khi có hiện tƣợng nở hoa của VKL.

Việc hiện diện với nồng độ độc tố MCs cao gây tổn thƣơng, nhiều bệnh tật đối với con ngƣời và vi sinh vật, ảnh hƣởng đến hệ sinh thái 2 Đề tài “Nghiên cứu đề xuất chỉ tiêu vi khuẩn lam có độc cho an toàn nƣớc cấp sinh hoạt” là nguồn tƣ liệu phục vụ và cung cấp nền tảng cho các nghiên cứu kế tiếp có liên quan đến VKL và độc tố MCs. Nghiên cứu sự hiện diện, khả năng sản sinh độc tố MCs của VKL trong các thủy vực làm nguồn cấp nƣớc sinh hoạt ở Việt Nam. Từ đó đề xuất ngƣỡng an toàn của mật độ/sinh khối VKL trong nguồn nƣớc cấp có liên quan đến nồng độ độc tố MCs an toàn trong nƣớc mặt, 1 μg/L, theo WHO Kết quả của đề tài là cơ sở giúp cho các cơ quan quản lý, dễ dàng theo dõi và cảnh báo nguy cơ ảnh hƣởng xấu của độc tố lên sức khỏe cộng đồng. 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.

Tổng quan về vi khuẩn lam 1. Phân bố của vi khuẩn lam Vi khuẩn lam (VKL) là một trong những sinh vật xuất hiện đầu tiên trên trái đất cách đây hàng tỷ năm và tồn tại cho đến ngày nay. Hầu hết các VKL có khả năng quang hợp, chúng sử dụng CO2, chất dinh dƣỡng vô cơ và ánh sáng để phát triển. Một số loài VKL có khả năng cố định đạm [21], sử dụng nitơ vô cơ (N2) cho quá trình tổng hợp các amino acid và protein.

VKL có thể cộng sinh với thực vật trong môi trƣờng nhƣ rêu, cây hạt trần và thực vật hạt kín nhằm hỗ trợ tăng trƣởng và sinh sản của chúng [15, 22]. Vi khuẩn lam (hình 1.1) có mặt trong cả môi trƣờng đất, nƣớc và không khí, đƣợc tìm thấy ở cả những nơi có điều kiện khắc nghiệt, từ vùng băng tuyết đến sa mạc và chịu đựng đƣợc nhiệt độ từ - 60C ở vùng cực đến 70oC ở các suối nƣớc nóng. Tuy nhiên VKL đƣợc tìm thấy nhiều nhất trong các thủy vực nhƣ ao hồ, sông suối, cửa sông và ven biển [15].1: Một số vi khuẩn lam trong nƣớc ngọt. Photo: Đào Thanh Sơn.

Trong thủy vực, VKL nhờ những đặc điểm thích ứng với nhiều điều kiện sống nhƣ tế bào chứa khí thể, có dị bào (hình 1.2) với chức năng thể chuyển hóa nitơ 4 trong không khí thành amonium nên có khả năng cạnh tranh rất lớn so với vi tảo. VKL là sinh vật sơ cấp trong môi trƣờng nƣớc, đóng một trò quan trọng trong hệ sinh thái thủy vực. Cùng với tảo, VKL cung cấp năng lƣợng sơ cấp cho những sinh vật ở bậc cao hơn trong tháp năng lƣợng. Đồng thời VKL giải phóng một lƣợng lớn oxy vào không khí thông qua quá trình quang hợp và liên quan chặt chẽ trong chu trình sinh – địa – hóa của nhiều yếu tố cơ bản các bon, nitơ, phốt pho [15].2: Một số VKL với đặc điểm sinh học cơ bản: (a) Microcystis với khí thể trong tế bào; (b) Anabaena với bào tử mũi tên và (c) Anabaena với dị bào mũi tên.

Hình thái và cấu trúc tế bào  Về hình thái Vi khuẩn lam có cấu trúc cơ bản bao gồm đơn bào, đa bào, tập đoàn, phân nhánh hoặc không phân nhánh với nhiều hình dạng khác nhau nhƣ hình cầu, hình trứng, hình thoi, hình ống, hình elip, hình quả lê. Những VKL có cấu trúc đơn bào (nhƣ Microcystis, Chroococcus) thƣờng có hình cầu, hình trứng. Chúng sinh sản bằng cách phân đôi tế bào. Sau khi phân bào, các tế bào VKL kết dính với nhau bằng dịch nhày do tự chúng tiết ra [2, 9].

Một số VKL có dạng phân nhánh. Nếu từ một tế bào của mao tản tiến hành phân chia cho ra một tế bào bên và tế bào này tiếp tục phân chia tạo ra một nhánh 5 thì đƣợc gọi là phân nhánh thật. Ngƣợc lại, nếu mao tản bên trong bao bị đứt rời do các đĩa phân cách hoặc hoại bào và một đầu của mao tản bị đứt vƣơn ra khỏi vỏ bao thành một sợi một bên, hoặc nếu một đoạn mao tản trong bao uốn cong rồi đứt ra và hai đầu mao tản tự do này phát triển tạo ra hai nhánh sợi thì đƣợc gọi là phân nhánh giả [2, 9].  Về cấu trúc tế bào Vi khuẩn lam thuộc nhóm tiền nhân, không có ti thể cũng nhƣ thể Golgi và lạp thể, không có màng nhân, không có lƣới nội sinh chất.

Thành tế bào của VKL cấu tạo bởi peptidoglican, tƣơng tự cấu tạo thành tế bào của vi khuẩn gram âm, bao gồm 2 lớp: Lớp peptidoglican cứng, dính liền với màng tế bào. Lớp lipopolisacharide ở phía ngoài. Peptidoglican là một hợp chất cao phân tử của N- acetylglucoamin và N-acetylmuramic acid đƣợc kết nối bởi các amino acid. Ở một số VKL, thành tế bào có bao nhầy bên ngoài.

Chất nguyên sinh của VKL đƣợc phân chia thành 2 vùng: vùng ngoài (gọi là sắc bào chất, chromatoplasme) tập trung các phiến thylakoid chứa sắc tố, thể ribosome và các thể hạt khác và vùng trong (vùng trung bào chất) chứa ADN. Trong tế bào chất của VKL còn có nhiều cấu trúc khác nhƣ thể cacboxy, sắc tố, ribosome [2, 9]. Một số loài VKL còn có tế bào dị hình (heterocyst) có chức năng cố định nitơ tự do của môi trƣờng. Tế bào dị hình có đặc điểm thƣờng trong suốt, lớn hơn tế bào dinh dƣỡng, có vách tế bào dày với các nốt u ở hai cực tế bào, nối liền tế bào dị hình với tế bào dinh dƣỡng cạnh nó [2, 9].

Phân loại vi khuẩn lam Dựa vào thành phần lipid, polyamine, carotenoid, đặc điểm hình thái, cấu trúc, chức năng, quá trình trao đổi chất, phân chia tế bào, các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm VKL đƣợc chia thành 5 bộ với khoảng 150 chi, 2. Bộ Chroococcales gồm những VKL có cấu tạo đơn bào, hình que hoặc hình sợi, sinh sản bằng cách phân đôi tế bào hoặc nảy chồi, không có dị bào 6 (heterocytes), hầu hết không di động gồm các chi tiêu biểu: Microsystis, Chroococcus, Gloeothece, Gleocapsa, Merismopedia. Bộ Pleurocapsales gồm những VKL có cấu tạo đơn bào hình que hoặc hình, có thể tạo dạng kết khối (aggregate); không có dị tế bào, chúng có thể phân cắt đƣợc nhiều lần, có loài di dộng, các chi tiêu biểu: Pleurocapsa, Dermocaps, Chroococcidiopsis. Bộ Oscillatorriales gồm những VKL dạng sợi, dạng lông (trichome) không phân nhánh chỉ có ở các tế bào dinh dƣỡng; phân đôi trên mặt phẳng, có kiểu đứt đoạn, không có dị tế bào; thƣờng di động.

Các chi tiêu biểu gồm Lyngbya, Osscillatoria, Prochlorothrix, Spirulina, Pseudanabaena. Bộ Nostocales gồm những VKL dạng sợi, dạng lông không phân nhánh có thể chứa các tế bào biệt hoá (specialized cell); phân đôi trên mặt phẳng, có kiểu đứt đoạn tạo thành đoạn sinh sản (hormogonia); có tế bào dị hình, thƣờng di động có thể sản sinh bào tử màng dày (akinetes). Các chi tiêu biểu gồm Anabaena, Cylindrospermum, Aphanizomenon, Nostoc, Scytonema, Calothrix. Bộ Stigonematales gồm những VKL dạng lông, dạng sợi, phân nhánh, phân đôi theo nhiều mặt phẳng, hình thành đoạn sinh sản (hormogonia), có tế bào dị hình, có thể sản sinh bào tử màng dày (alkinetes), các chi tiêu biểu là gồm Fischerella, Stigonema.

Độc tố vi khuẩn lam và nhóm độc tố microcystin 1.