CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM VỀ CHỈ THỊ SINH HỌC Chỉ thị sinh học [9]: Chỉ thị sinh học hay còn gọi là sinh vật chỉ thị là những đối tƣợng sinh vật có yêu cầu nhất định về điều kiện sinh thái liên quan đến nhu cầu dinh dƣỡng, hàm lƣợng oxy, cũng nhƣ khả năng chống chịu một hàm lƣợng nhất định các yếu tố độc hại trong môi trƣờng sống và do đó, sự hiện diện của chúng biểu thị một tình trạng về điều kiện sinh thái của môi trƣờng sống nằm trong giới hạn nhu cầu và khả năng chống chịu của đối tƣợng sinh vật đó. Chúng có thể là một loài hoặc nhóm loài mà các chỉ số về chức năng, mật độ và sự tồn tại của chúng đƣợc sử dụng để xác định tính nguyên vẹn của môi trƣờng và hệ sinh thái. 1 Các loại chỉ thị sinh học trong hệ thống giám sát Nguồn:Gerhardt,2004[10] Dựa theo các ứng dụng của các chỉ thị sinh học, gồm có ba loại: - Chỉ thị môi trường: Đây là một loài hoặc nhóm loài phản ứng với sự xáo trộn hoặc thay đổi môi trƣờng. Một hệ thống chỉ thị môi trƣờng là một tập hợp các chỉ số nhằm đánh giá trạng thái của môi trƣờng cho hoạch định chính sách môi trƣờng.
9 - Chỉ thị đa dạng sinh học: Sự phong phú các loài của một đơn vị phân loại chỉ số đƣợc sử dụng nhƣ là chỉ thị cho sự phong phú các loài trong một cộng đồng. Tuy nhiên, định nghĩa đã đƣợc mở rộng ra là "các thông số đo đƣợc của đa dạng sinh học", bao gồm các ví dụ phong phú loài, tính đặc hữu, các thông số di truyền, các thông số theo dân số riêng và các thông số cảnh quan. - Chỉ thị sinh thái: Đây là loài đƣợc biết đến là nhạy cảm với ô nhiễm, phân chia theo sinh cảnh hay các áp lực khác. Các phản ứng của chỉ thị này thƣờng theo cộng đồng.
- Chỉ thị ô nhiễm: Là một hoặc nhóm loài có khả năng tích lũy kim loại nặng trong cơ thể ở nồng độ cao hơn môi trƣờng xung quanh [62], đồng thời chúng có thể phản ứng hoặc tác động lại đối với những xáo trộn trong nguồn nƣớc (ví dụ nhƣ thay đổi màu tảo; di chuyển, sinh sản các loài thực vật khác,. Bằng những phƣơng pháp phân tích hóa học từ cơ thể của loài nghiên cứu, sẽ phát hiện dễ dàng hơn chất gây ô nhiễm môi trƣờng nƣớc [10]. Dựa theo phản ứng của cơ thể sinh vật gồm có 2 kiểu sinh vật chỉ thị là sinh vật cảm ứng và sinh vật tích tụ. - Sinh vật cảm ứng: Là những sinh vật chỉ thị có thể tiếp tục hiện diện trong môi trƣờng ô nhiễm thích ứng, phù hợp với tính chất sinh vật chỉ thị song có thể có ít nhiều biến đổi, do tác động của chất ô nhiễm nhƣ giảm tốc độ sinh trƣởng, giảm khả năng sinh sản, biến đổi tập tính.
- Sinh vật tích tụ: Là những sinh vật chỉ thị, không chỉ có tính chất chỉ thị cho môi trƣờng thích ứng, mà còn có khả năng tích tụ một số chất ô nhiễm nào đó trong cơ thể chúng với hàm lƣợng cao hơn nhiều lần so với ở môi trƣờng ngoài (kim loại nặng, chất organochlorine. Các dạng sinh vật chỉ thị: - Thực vật chỉ thị: Sự xuất hiện hay vắng mặt những loại thực vật nhất định hoặc các dạng sống thực vật trong 1 hệ sinh thái có thể cung cấp đầu mối quan trọng về chất lƣợng môi trƣờng. Ví dụ: Địa y thƣờng đƣợc tìm thấy trên đá và thực vật mục nát, cơ thể là dạng cộng sinh giữa tảo và nấm, chúng 10 phản ứng với sự thay đổi của môi trƣờng nhiệt đới về cấu trúc rừng, chất lƣợng không khí và khí hậu, nhƣ hàm lƣợng SO2 quá cao, ô nhiễm sulfur và nitơ. - Động vật chỉ thị: Sự tăng hay giảm mật độ động vật có thể chỉ ra nguy cơ hệ sinh thái bị phá hủy do ô nhiễm.
Ví dụ, nếu sự ô nhiễm làm suy giảm nguồn thức ăn quan trọng, những loài động vật phụ thuộc vào nguồn thức ăn đó sẽ bị giảm về số lƣợng. ngoài việc quan trắc kích thƣớc và số lƣợng của các loài nhất định, quá trình trao đổi chất của sinh vật, sự chỉ thị bao gồm công tác quan trắc nồng độ chất độc có trong mô của động vật, tỷ lệ thay đổi trong quần thể động vật gia tăng. - Vi sinh vật chỉ thị: Dùng nhƣ vật chỉ thị cho chất lƣợng nƣớc cũng nhƣ hệ sinh thái trên mặt đất, vi sinh vật còn dễ thu thập hơn các loài động vật khác. Một số vi sinh vật sinh ra những protein mới khi trong môi trƣờng ô nhiễm cadimium hay benzen.
Những protein đặc biệt này dùng nhƣ hệ thống cảnh báo sớm để phát hiện những mức độ ô nhiễm thấp. Loài chỉ thị: Là các loài mẫn cảm với điều kiện sinh lý và sinh hóa, nghĩa là chúng hoặc hiện diện hoặc thay đổi số lƣợng cá thể các loài chỉ thị do môi trƣờng bị ô nhiễm hay môi trƣờng bị xáo trộn. Quan trắc sinh học: Quan trắc sinh học (gồm luôn cả giám sát sinh học) là một phƣơng pháp quan sát ảnh hƣởng của các yếu tố bên ngoài vào các hệ sinh thái và phát triển của chúng trong một khoảng thời gian, hoặc trong việc xác định sự khác biệt giữa một vị trí và một vị trí khác [11]. Quan trắc sinh học ghi nhận những biến đổi về cấu trúc, chức năng của các thành phần hữu sinh và vô sinh, diễn ra trong hệ sinh thái; qua đó là cơ sở đánh giá nguyên nhân, dự báo diễn thế sinh thái và đề xuất các biện pháp duy trì cân bằng sinh thái [12].
Dấu hiệu sinh học: Dấu hiệu sinh học đƣợc hiểu là những cơ thể đã từng điều khiển sự tăng trƣởng hay sự thay đổi môi trƣờng xung quanh hay hệ sinh thái. Đó có thể là thực vật, động vật hay vi khuẩn mà sinh ra những tín hiệu phân tử nhất định khi phản ứng với những sự thay đổi của điều kiện môi trƣờng. 11 Dấu hiệu sinh học là những thể hiện của sự phản ứng sinh học của sinh vật đối với tác động lý hoá học của chất ô nhiễm trong môi trƣờng. Gần đây dấu hiệu sinh học này đã trở thành một phần không thể thiếu của chƣơng trình giám sát môi trƣờng ở một số nƣớc nhƣ là một sự bổ sung vào việc giám sát chất gây ô nhiễm thƣờng đƣợc sử dụng [13].
Dấu hiệu sinh học có 2 loại chính: dấu hiệu sinh lý-sinh hoá và dấu hiệu sinh thái. Dấu hiệu sinh lý – sinh hóa: Là dấu hiệu dễ nhận và có giá trị, nhất là các chỉ số liên quan đến khả năng sống sót, sự sinh trƣởng của cá thể (chỉ số ăn mồi, tiêu hóa, hô hấp), sự sinh sản quần thể (sinh trƣởng, tỷ lệ của ấu trùng). Dấu hiệu sinh thái thể hiện sự biến đổi của cấu trúc quần thể hoặc quần xã dƣới tác động của chất ô nhiễm. Có nhiều chỉ số đƣợc dùng để đánh giá sự biến đổi này nhƣ: Chỉ số thiếu hụt số loài; Chỉ số đa dạng sinh học; Chỉ số loài ƣu thế.
Sức khỏe hệ sinh thái sông [12]: Là khả năng của các hệ sinh thái sông có thể hỗ trợ và duy trì các quá trình sinh thái chủ yếu và quần xã sinh học với thành phần loài, độ đa dạng sinh học và các cơ cấu chức năng gần giống các môi trƣờng sống tự nhiên chƣa bị tác động. Việc sử dụng đất không hợp lí và các hoạt động của con ngƣời đều thải ra sông, kênh, rạch.đã khiến các nguồn nƣớc này rơi vào tình trạng ô nhiễm hoặc suy thoái đến mức không còn đem lại những giá trị sử dụng cho con ngƣời. Chỉ số sinh học: Chỉ số sinh học là những phép đo về mặt định tính hoặc định lƣợng hoặc cả hai nhằm nhận dạng, so sánh và phân loại các loài sinh vật có những mức độ nhạy cảm với sự biến đổi của môi trƣờng nƣớc. Một số chỉ số sinh học thƣờng dùng trong giám sát sinh học môi trƣờng nƣớc nhƣ sau: Bảng 1.
1 Một số chỉ số sinh học cho thủy vực nước chảy Nhóm sinh vật Chỉ số sinh học Chỉ thị loài Chỉ số chỉ thị giữa các Thực vật Thực vật nổi taxon Chỉ số đa dạng 12 Thực vật bám Chỉ thị loài Thực vật thủy sinh lớn Chỉ thị loài Chỉ thị loài Chỉ số chỉ thị giữa các Động vật nổi taxon Chỉ số đa dạng Chỉ số đa dạng Động vật không xƣơng Tích tụ kim loại nặng Động vật sống đáy cỡ lớn Hệ thống điểm BMWP Động vật không xƣơng Mức độ đa dạng sống đáy cỡ trung bình và Chỉ số đa dạng giun tròn Chỉ số sinh học tổ hợp Cá Tích tụ kim loại nặng Nguồn: Lê Hoàng Anh, 2009[14] 1.2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NGOÀI NƢỚC Trong lĩnh vực môi trƣờng nƣớc, các nhà khoa học trên thế giới đã có những công trình nghiên cứu dựa vào các sinh vật chỉ thị trong vòng 150 năm qua. Năm 1980 đã xác định đƣợc 46 loài tảo nƣớc ngọt chỉ thị cho nƣớc sạch, 50 loài và dƣới loài thƣờng có mặt trong vùng nƣớc ô nhiễm hữu cơ. Năm 1985 Green và cộng sự nhận thấy khi môi trƣờng nƣớc bị nhiễm các chất độc thì ngay lập tức mọi thành phần của khu hệ sinh vật đều bị tác động. Năm 2003 tại New England đ ã công bố sinh vật chỉ thị ở 19 hồ chứa trong nƣớc đối với 5 nhóm phân loại là tảo Silic, động vật phù du, động vật đáy, cá và chim,.
Quan trắc sinh học bắt nguồn từ Châu Âu và Bắc Mỹ, sau đó đã đƣợc ứng dụng rộng rãi và phổ biến. Ngƣời ta cho rằng sinh vật có thể bị tác động bởi các chất gây ô nhiễm ở nồng độ thấp hơn mức giới hạn phát hiện, đồng thời ảnh hƣởng của chất gây ô nhiễm lên sinh vật kéo dài nên sử dụng sinh vật làm chỉ thị trong nguồn nƣớc mang lại hiệu quả cao, hầu nhƣ trong những chƣơng trình giám sát trên các lƣu vực 13 sông chính của các nƣớc đều thực hiện quan trắc sinh học. Một số chỉ số sinh học đƣợc các nƣớc phát triển và đang phát triển sử dụng để đánh giá chất lƣợng nƣớc: Hình 1. 2 Các chỉ số ứng dụng của một số nước trên Thế giới Nguồn: Trương Quốc Phú, 2015[15] Bên cạnh đó, các nghiên cứu trên thế giới về ứng dụng chỉ thị sinh học vào quan trắc nƣớc sông cũng đã có bề dày phát triển lâu dài, và đã đi vào thực nghiệm với nhiều kết quả khả quan.