CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1. Tổng quan về đối tượng nghiên cứu 1. Vi Khuẩn Lam 1. Giới thiệu chung Vi khuẩn lam (VKL) có mặt trong cả môi trường đất, nước và không khí, tuy nhiên VKL chủ yếu hiện diện trong các thủy vực như ao hồ, sông suối, cửa sông và ven biển.
Đại bộ phận VKL sống trong nước ngọt, ở các ao hồ có nhiều chất hữu cơ và góp phần hình thành hệ sinh vật nổi (plankton) của các thủy vực; một số phân bố trong nước mặn hoặc nước lợ, nơi bùn lầy hay đất ẩm ướt, trên đá và trên vỏ cây ẩm. Vi khuẩn lam được tìm thấy ở những nơi có điều kiện khắc nghiệt, từ vùng băng tuyết đến sa mạc và chịu đựng được nhiệt độ từ -60oC ở vùng cực đến 70oC ở các suối nước nóng (Đào Thanh Sơn, 2013). Vi khuẩn lam có cấu tạo đơn giản, một số có dạng đơn bào, phần lớn dưới dạng tập đoàn hay đa bào hình sợi, hình chuỗi hạt đơn hay phân nhánh. Vi khuẩn lam không có sinh sản hữu tính (là nhóm duy nhất của sinh vật sơ hạch không có đặc điểm này), chúng chỉ sinh sản sinh dưỡng hay sinh sản vô tính.
Chúng có cơ thể quang tự dưỡng hiếu khí, sống cần nước, CO2, chất vô cơ và ánh sáng. Tuy nhiên, cũng có một số loài có khả năng tồn tại một thời gian dài trong điều kiện tối hoàn toàn. Một vài loài có thể sống dị dưỡng, cộng sinh với nấm làm thành địa y, cộng sinh trong lá của bèo hoa dâu hay trong rễ của thiên tuế (Đặng Đình Kim và cs. Phân loại VKL Vi khuẩn lam được chia làm bốn bộ (Anagnostidis và Komarek, 1989; Đặng Đình Kim và cs.
Chlorococcales: dạng tập đoàn, tản phân cực, xuất hiện tế bào biệt hóa, phân chia tế bào. 5 Oscillatoriales: dạng sợi, phân chia tế bào chỉ xảy ra trong một mặt phẳng vuông góc với chiều dài của sợi, không có tế bào dị hình và bào tử màng nhày. Nostocales: dạng sợi, phân chia trong một mặt phẳng vuông góc với chiều dài sợi, có tế bào dị hình và bào tử màng nhày, phân nhánh giả. Stigonematales: những dạng hình sợi có heterocyte, akinete và phân nhánh thật.
Sinh thái Đa số VKL phát triển tốt nhất trong khoảng nhiệt độ từ 30 – 350C. Nhiều loài có thể phát triển ở nhiệt độ cao, thậm chí ở các suối nước nóng 70 – 80oC, một số có khả năng tồn tại ở nhiệt độ thấp (trong băng tuyết hay ở cực). Khoảng pH thích hợp cho VKL từ 7,5 – 10. Trong môi trường kiềm hoạt động cố định đạm của VKL mạnh hơn trong môi trường acid.
Vi khuẩn lam có khả năng làm giảm mức tác hại của những tia sáng có bước sóng ngắn nhờ sự tiết chất nhầy quanh tế bào, bảo vệ cho chúng tránh khỏi sự khô hạn cũng như ảnh hưởng gây hại của bức xạ mặt trời. Vì vậy, chúng có thể sống trong các vùng như ở Nam cực, vùng sa mạc khô cằn hay vùng núi cao, nơi băng giá hay trên tuyết. Độc tố Vi khuẩn lam Dựa vào cấu trúc hóa học, độc tố VKL có thể chia thành ba nhóm: Nhóm peptides vòng: gồm microcystin (MC) và nodularin. Nhóm alkaloid: gồm anatoxin-a, anatoxin-a (S), aplysiatoxin, cylindrospermopsin (CYN), lyngbyatoxin-a và saxitoxins.
Nhóm lipopolysaccharide (LPS) Dựa vào cơ chế gây độc, độc tố VKL được chia thành 5 nhóm: độc tố gan: MC, nodularin; độc tố thần kinh: anatoxin-a, anatoxin-a (s), homoanatoxin-a; độc tố gây dị ứng: lyngbyatoxin-a, aplysiatoxins; độc tố tế bào: CYN; nội độc tố: lipopolysaccharide endotoxin. Thường gặp nhất là độc tố thần kinh và độc tố gan. Độc tố thần kinh (Neurotoxins): Là các alcoloid dẫn truyền xung từ nơron thần kinh này sang nơron khác và từ nơron tới cơ của động vật và người. Dấu hiệu bị 6 nhiễm độc tố như: choáng váng, lảo đảo, co giật cơ, thở hổn hển và co quắp chân tay.
Khi bị nhiễm độc tố ở nồng độ cao thì hô hấp khó khăn, có khi ngừng thở. Độc tố thần kinh anatoxin được tổng hợp nhờ các loài VKL thuộc chi Anabaena, Aphanizomenon, Osillatoria và Trichodesmium. Độc tố gan (Hepatotoxin): gồm có MC và nodularin. MC được sản sinh từ một số các loài của chi Microcystis, Anabaena, Nostoc, Nodulariavà Oscillatoria.
Nước chứa các loài Microcystis gây độc thường có mùi tanh, sinh khối của Microcystis sau khi sấy khô có mùi tanh hắc. Nước thải sinh hoạt và nông nghiệp 1.1 Thành phần chính trong nước thải sinh hoạt Nước thải sinh hoạt là nước thải từ các khu dân cư, khu hoạt động thương mại, công sở, trường học và các cơ sở tương tự khác (Trần Văn Nhân, 2002). Nước sau khi sử dụng cho mục đích sinh hoạt của cộng đồng như tắm, giặt giũ, tẩy rửa, vệ sinh cá nhân,…được thải bỏ. Chúng thường được thải ra từ các căn hộ, cơ quan, bệnh viện, chợ, và các công trình công cộng khác.
Nước thải sinh hoạt ở các trung tâm đô thị thường thoát bằng hệ thống thoát nước dẫn ra các sông rạch, còn các vùng ngoại thành và nông thôn do không có hệ thống thoát nước nên nước thải thường được tiêu thoát tự nhiên vào các ao hồ hoặc bằng các biện pháp tự thấm (Lâm Vĩnh Sơn, 2008). Đặc trưng của nước thải sinh hoạt là thường chứa nhiều tạp chất khác nhau, trong đó khoảng 52% là các chất hữu cơ, 48% là các chất vô vơ và một số lớn vi sinh vật. Phần lớn các vi sinh vật trong nước thải thường ở dạng virut và vi khuẩn gây bệnh như tả, lỵ, thương hàn… Đồng thời trong nước thải cũng chứa các vi khuẩn không có hại có tác dụng phân hủy các chất thải (Trần Văn Nhân, 2002). Dựa theo thành phần và tính chất nước thải sinh hoạt (Bảng 1.1), ta thấy nước thải sinh hoạt có hàm lượng dinh dưỡng khá cao, đôi khi vượt cả yêu cầu cho quá trình xử lý sinh học (BOD5 : N : P = 100 : 5 : 1).
Trong nước thải sinh hoạt, hàm lượng nitơ và photpho rất lớn, nếu không được loại bỏ thì sẽ làm cho nguồn tiếp nhận nước thải bị phú dưỡng – một hiện tượng thường xảy ra ở nguồn nước có hàm lượng nitơ và 7 photpho cao, trong đó các loài thực vật thủy sinh phát triển mạnh rồi chết đi, thối rữa, làm cho nguồn nước trở nên ô nhiễm (Lâm Vĩnh Sơn, 2008).1 Thành phần/tính chất nước thải sinh hoạt (Bùi Xuân Thành, 2012). Các chỉ tiêu Nồng độ Thấp Trung bình Cao Tổng chất rắn hòa tan, mg/L 250 500 850 Chất rắn lơ lửng, mg/L 100 220 350 Chất rắn lơ lửng được, mg/L 5 10 20 BOD5 , mg/L 110 220 400 Tổng cacbon hữu cơ – TOC, mg/L 80 160 210 COD, mg/L 250 500 1000 Tổng Nitơ (theo N), mg/L 20 40 85 + Hữu cơ 8 15 35 + Amônia 12 25 50 + Nitrit 0 0 0 + Nitrat 0 0 0 Tổng photpho (theo P), mg/L 4 8 15 + Hữu cơ 1 3 5 + Vô cơ 3 5 10 Clorua, mg/L 30 50 100 Sunfat, mg/L 20 30 50 Dầu mỡ, mg/L 50 100 150 Coliform, MNP/100 mL 106 – 107 107 – 108 107 – 109 Chất hữu cơ bay hơi, µg/L <100 100 – 400 >400 8 1.2 Các chất gây ô nhiễm chính trong nước thải từ sản xuất nông nghiệp Nguồn nước này được tạo ra do sản xuất nông nghiệp. Để bảo vệ mùa màng, hàng năm một lượng lớn thuốc diệt trừ sâu bọ, côn trùng được sử dụng và để tăng độ phì nhiêu của đất, phân bón hóa học cũng được sử dụng rất nhiều. Khi bón phân và phun thuốc bảo vệ thực vật, một lượng đáng kể không được cây trồng tiếp nhận, chúng sẽ lan truyền và tích lũy trong đất, sau đó theo nước mưa chảy tràn vào các thủy vực và tích lũy trong nước.
Các chất ô nhiễm chính trong nước thải nông nghiệp: Thuốc bảo vê thực vật Thuốc bảo vệ thực vật (BVTV) là bất kỳ một chất hay hỗn hợp sử dụng nhằm mục đích ngăn ngừa, tiêu diệt, xua đuổi, giảm trừ các sinh vật gây hại. Thuốc BVTV là tên gọi chung cho cả thuốc trừ sâu, trừ bệnh cho cây trồng, thuốc trừ nấm mốc, côn trùng, diệt cỏ… dùng trong ngành nông nghiệp (Lê Huy Bá, 2000). Theo chu trình tuần hoàn của hóa chất BVTV, thuốc tồn tại trong nôi trường đất sẽ rò rĩ ra môi trường nước mặt do quá trình rửa trôi. Mặt khác, khi sử dụng hóa chất BVTV, nước có thể bị ô nhiễm thuốc trừ sâu nặng nề do nông dân đổ hóa chất dư thừa, chai lọ chứa hóa chất, nước súc rữa… Điều này đặc biệt nghiêm trọng khi các nông trường, vườn tược nằm gần kề các nguồn nước mặt (Lê Huy Bá, 2000).
Thuốc BVTV khi xâm nhập vào môi trường nước chúng phân bố rất nhanh theo gió và nước. Ngoài sự rửa trôi từ các cánh đồng và việc đổ, vứt hóa chất xuống thủy vực thì một nguyên nhân mà thuốc BVTV xâm nhập thẳng vào môi trường nước là do việc kiểm soát cỏ dại dưới nước, tảo, đánh bắt cá…Trong nước, thuốc BVTV có thể tồn tại ở các dạng khác nhau và đều có ảnh hưởng đến môi trường. Tác động của nó đối với sinh vật là: hòa tan, bị hấp thụ bởi các thành phần vô sinh hoặc hữu sinh và lơ lửng trong nguồn nước mặt hoặc lắng tụ xuống đáy và tích tụ trong cơ thể sinh vật. Các chất hòa tan trong nước dễ bị các sinh vật hấp thụ.
Các chất không hòa tan dễ bị lắng xuống bùn, đáy, ở dạng keo, khó bị sinh vật hấp thụ; có chất có thể trở thành trầm tích đáy, để rồi có thể tái hoạt động khi lớp trầm tích bị xáo trộn. Một vài chất có thể tích tụ 9 trong cơ thể sinh vật tại các mô khác nhau, qua quá trình trao đổi chất và thải trở lại môi trường nước qua con đường bài tiết (Lê Huy Bá, 2000). Thuốc BVTV tan trong nước có thể tồn tại bền vững và duy trì được đặc tính lý hóa của chúng trong khi di chuyển và phân bố trong môi trường nước. Các chất bền vững có thể tích tụ trong môi trường nước đến mức gây độc.
Một số thuốc BVTV có tính bền vững cao tích lũy trong chuỗi thức ăn với nồng độ cao dần lên, gọi là hiện tượng tích lũy sinh học. Các loài sinh vật có thể bị ngộ độc trực tiếp hoặc gián tiếp khi nguồn thức ăn của chúng bị ngộ độc.
