CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Oxi hòa tan (Dissolved Oxygen – DO) trong nước rất cần thiết cho sự hô hấp của các thủy sinh vật như cá, tôm, động vật lưỡng cư, côn trùng v. Nồng độ DO trong các nguồn nước có thể dao động từ 0-18 mg/L, và đối với môi trường nước sạch tự nhiên giá trị này trong khoảng 8-10 mg/L [8]. Mức độ dao động này phụ thuộc vào cấu tạo địa chất của hồ, điều kiện địa lý tự nhiên, nhiệt độ, sự phân hủy chất vô cơ, hữu cơ trong nước, và một số tác nhân khác. Oxi có mặt trong nước thông quá các quá trình như khuếch tán từ không khí, sản phẩm của quá trình quang hợp, và một phần nhỏ do quá trình hòa tan oxi khi dòng nước chảy qua các khu vực như thác ghềnh.
Bất kể sự thay đổi nào về hàm lượng oxi hòa tan trong nước, dù cao hay thấp đều có ảnh hưởng đến sự phát triển bình thường của động vật thủy sản. Khi nồng độ DO trở nên quá thấp sẽ dẫn đến hiện tượng khó hô hấp, giảm hoạt động ở các loài động thực vật dưới nước, dẫn đến các tác động xấu lên hệ sinh thái. DO không chỉ có vai trò là nguồn dưỡng khí cần thiết cho hoạt động sống của sinh vật nuôi trồng, mà còn góp phần thúc đẩy sự phát triển của vi sinh vật hiếu khí, sự phân giải các chất hữu cơ, với việc đảm bảo hàm lượng DO phù hợp còn có tác dụng làm giảm các chất độc hại, ức chế hoạt động của vi sinh vật yếm khí có hại và tăng cường sức miễn dịch của các loài động vật thủy sản.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ oxi hòa tan trong nước Các yếu tố tự nhiên ảnh hưởng đến nồng độ DO trong môi trường nước có thể được phân chia thành hai nhóm chính là nguồn sinh và nguồn tiêu thụ oxi. Các nguồn này được diễn ra nhờ các quá trình như: quang hợp của thực vật thủy sinh, trao đổi oxi giữa không khí và nước, suy giảm do bị bùn hấp thu, do hô hấp của sinh vật thủy sinh, hay DO tham gia phản ứng oxi hóa với các chất hữu cơ hoặc chất khử khác.
như được minh họa ở hình 1. Minh họa các nguồn sinh và tiêu thụ oxi trong tự nhiên [9] 1.1 Sự trao đổi oxi giữa không khí và nước Hầu hết các nghiên cứu chỉ ra rằng hàm lượng oxi từ không khí vào nước là nguồn sinh lớn nhất của DO trong môi trường nước [10, 11]. Oxi không khí hòa tan vào nước khi nồng độ oxi trong nước ở trạng thái dưới mức bão hòa và sẽ thoát lại vào khí quyển khi nồng độ oxi trong nước ở mức quá bão hòa. Động lực của quá trình hòa tan oxi chính là sự chênh lệch oxi tại thời điểm đó.
Theo định luật Henry thì nồng độ của DO tỷ lệ với áp suất riêng phần của oxi trong không khí: C k p 2 (1.1) DO H O trong đó, kH là hằng số Henry ở 25 oC; p là áp suất riêng phần của oxi trong pha 2 O khí (atm). Như vậy khi áp suất riêng phần của oxi tăng lên thì càng có nhiều phân tử oxi hòa tan vào trong dung dịch, nồng độ DO sẽ tăng. Tốc độ hòa tan khí oxi vào nước còn phụ thuộc vào một vài yếu tố khác. Thứ nhất, phụ thuộc vào diện tích của ranh giới pha nước – không khí, diện tích tiếp xúc này càng lớn thì lượng oxi khuếch tán vào nước càng lớn.
Thứ hai, sự chuyển động của không khí gây ra sóng và tạo ra các dòng đối lưu, làm tăng tiết diện tiếp xúc 6 giữa không khí và mặt nước. Thứ ba, điều kiện thủy lực của nước, nếu nguồn nước tĩnh thì tốc độ hòa tan oxi vào nước sẽ phụ thuộc vào quá trình khuếch tán phân tử nên sự hòa tan oxi xảy ra chậm; nếu nguồn nước bị khuấy trộn (do các dòng nước nội tại, hoặc do đối lưu nhiệt) thì quá trình hòa tan khí sẽ phụ thuộc vào quá trình đối lưu. Tốc độ khuếch tán của oxi trong nước chỉ bằng khoảng 1/10000 tốc độ khuếch tán của oxi trong khí quyển, chính vì vậy môi trường nước là môi trường có tốc độ khuếch tán oxi thấp [12]. Nghiên cứu khác cũng đã cho thấy, quá trình hòa tan oxi từ khí quyển vào nước đóng vai trò là nguồn sinh oxi chủ yếu trong một vài trường hợp điển hình sau [13]: o Trường hợp các hoạt động sinh hóa trong ao hồ xảy ra chậm (mật độ tảo, mật độ vật nuôi thấp).
Khi đó nồng độ DO hầu như không đổi, đạt mức gần bão hòa do lượng oxi hòa tan từ không khí xuống tuy chậm nhưng đều. o Trong điều kiện gió to tạo ra sóng, làm cho nguồn nước được khuấy trộn mạnh, khi đó nồng độ DO tương đối đồng đều theo chiều sâu của nước, kể cả khi nguồn nước đó có các hoạt động sinh hóa xảy ra mạnh. o Trường hợp sục khí cơ học, hoạt động này vừa có tác dụng tăng cường khả năng tiếp xúc giữa không khí với nước, vừa tăng cường khả năng khuấy trộn. Để hiểu rõ sự khuếch tán của oxi diễn ra tại ranh giới pha nước – không khí, đã có nhiều nghiên cứu sử dụng các dạng khác nhau của phương trình mô phỏng sự trao đổi oxi tại ranh giới pha giữa nước và không khí.
Trong đó hai dạng thường gặp là: o Dạng cổ điển từ công trình của Streeter – Phelps [14-16]: CDOsat CDO C C (1.2) k 2 DOsat DO t o Dạng cải tiến [10, 17, 18]: CDO k C (1.3) C 7 2 DOsat DO t 8 trong đó, t: thời gian (s); k2: hệ số trao đổi oxi (s-1); C DOsat : nồng độ DO bão hòa trong nước (mg/L); CDO: nồng độ oxi hòa tan trong nước (mg/L), thường là hàm số của (x, y, z, t), tức là CDO = CDO(x, y, z, t) [14].2 Quá trình quang hợp và hô hấp của thủy sinh vật 1.1 Vai trò của oxi hòa tan trong quá trình quang hợp và hô hấp a) Với thực vật thủy sinh Nguồn sinh oxi ngoài sự khuếch tán từ không khí như đã trình bày ở trên, còn do sự quang hợp của các thực vật thủy sinh. Đây vừa là đối tượng tiêu thụ oxi cũng vừa là đối tượng tạo ra oxi cho môi trường nước, trong các loài thực vật thủy sinh thì tảo là yếu tố đóng vai trò tạo ra oxi chủ yếu nhất trong nước. Nhiều công trình khảo sát chỉ ra rằng, quá trình sinh hóa của tảo là yếu tố ảnh hưởng mạnh nhất đến lượng oxi hòa tan có trong ao hồ. Với mật độ tảo có trong các ao hồ tự nhiên hiện nay thì quá trình quang hợp là nguồn sản sinh oxi chính và quá trình hô hấp của tảo là nguồn tiêu thụ oxi chính [13].
Quá trình quang hợp có thể được chia thành hai phần: giai đoạn "sáng" và giai đoạn "tối". Giai đoạn sáng diễn ra trong hệ thống màng thylakoid của tế bào thực vật, ở đó hidro trong nước được tách ra và chuyển vào trong ion nicotinamit adenin dinucleotit phosphat (NADP+), tạo thành NADPH2 và giải phóng oxi. Giai đoạn tối diễn ra trong chất đệm của lục lạp ở tế bào thực vật, khi này NADPH 2 sẽ khử CO2 tạo thành hợp chất hữu cơ dạng cacbonhidrat (CH 2O)n. Cả hai giai đoạn này có sự tham gia xúc tác của adenosin diphosphat (ADP), adenosin triphosphat (ATP) và inorganic orthophosphate (Pi).
Hai giai đoạn này có thể được tóm tắt như sau [10]: 2H O + 2NADP + + 2e- 8hv O + 2NADPH 2 2 (1.4) 4ADP 4P e 4ATP 2 i CO + 2NADPH (CH O) + H O 2NADP + + 2e- 2 2 2 2 (1.5) 3ATP e 3ADP 3P i Phản ứng tổng hợp của hai giai đoạn trên sẽ là: 9 CO2 + H2O 8hv (CH2O) + O2 (1.6) Bên cạnh quá trình quang hợp, ở thực vật còn diễn ra sự hô hấp và quá trình đó làm tiêu thụ oxi. Sự quang hợp và hô hấp ở thực vật đều liên quan đến các quá trình chuyển hóa dạng nitơ và photpho, như biểu diễn tóm tắt dưới đây [19]: 106CO +16NH qu ang hô +ïp + HPO2- +108H O CH O (NH ) (H PO ) 2 4 4 hoâ 2 106 3 16 aáp 34 2 h taûo (1.7) 107O + 18H + 2 qu ang hô ïp 2- + 106CO +16NO +HPO +122H O+18H CH (NH ) (H PO ) 2 3 4 hoâ 2 3 4 2 h aáp 106 3 (1.8) 1 6 taûo 138O2 Khi mật độ tảo thấp, tốc độ quang hợp trên một đơn vị sinh khối tảo cao do đủ dinh dưỡng và ánh sáng, nhưng tổng lượng oxi thấp do mật độ thưa. Khi mật độ tảo tăng sẽ gây ra hiện tượng dư thừa oxi vào ban ngày do quang hợp nhiều và thiếu oxi vào ban đêm do hô hấp nhiều, làm ảnh hưởng đến quá trình hô hấp của động vật. Đồng thời, hàm lượng lớn của tảo trong nước sẽ dẫn đến khi tảo chết làm tăng lượng mùn đáy, kéo theo quá trình phân hủy bởi vi sinh vật tại bùn đáy tăng lên, làm hàm lượng chất hữu cơ tiêu thụ DO tăng theo.
Hơn nữa, khi tảo chết sẽ gây hiện tượng bùn lắng làm ao hồ ngày càng nông hơn, kết quả là làm thay đổi cấu trúc của môi trường sinh thái nước. Một trong những nguyên nhân góp phần vào sự phát triển vượt trội của thực vật thủy sinh thường gặp ngày nay đó là sự phú dưỡng ở các ao hồ. Đây là một dạng biểu hiện của ao hồ bị ô nhiễm do dư thừa các chất dinh dưỡng, với hàm lượng nitơ (N) lớn hơn 500 µg/L và photpho (P) lớn hơn 20 μg/L [20]. Sự dư thừa các chất dinh dưỡng này sẽ thúc đẩy sự phát triển của các loài tảo, rong, rêu và các thực vật thân mềm trong nước.
Hiện tượng phú dưỡng có thể làm DO vượt quá giá trị DO bão hòa từ 1,5 đến 2 lần do sự quang hợp của rong tảo diễn ra mạnh vào ban ngày, trong khi đó quá trình hô hấp của chúng vào ban đêm có thể tiêu thụ hoàn toàn lượng oxi hòa tan 1 trong nước. Sự biến động quá lớn của nồng độ oxi hòa tan giữa ngày và đêm như vậy 1 có thể làm cho các loài thủy sinh vật không kịp thích nghi với môi trường, sẽ ảnh hưởng đến sự cân bằng sinh học của môi trường sinh thái nước [20].