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 - 60C 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.
