PHỤ LỤC
Trang
PHỤ LỤC
Trang 1
MỞ ĐẦU 4
CHƯƠNG 1 5
SINH VẬT CHỈ THỊ MÔI TRƯỜNG 5
1.1. KHÁI NIỆM VÀ VAI TRÒ CỦA SINH VẬT CHỈ THỊ MÔI TRƯỜNG 5
1.2. SINH VẬT CHỈ THỊ MÔI TRƯỜNG NƯỚC 6
1.2.1. Sinh vật chỉ thị phú dưỡng 6
1.2.2. Sinh vật chỉ thị ô nhiễm kim loại nặng 11
1.3. SINH VẬT CHỈ THỊ MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ 13
1.3.1. Thực vật chỉ thị môi trường không khí 13
1.3.2. Động vật và người chỉ thị môi trường không khí 16
1.4. SINH VẬT CHỈ THỊ MÔI TRƯỜNG ĐẤT 18
1.4.1. Vi sinh vật chỉ thị môi trường đất 18
1.4.2. Thực vật chỉ thị môi trường đất 19
1.4.3. Động vật chỉ thị môi trường đất 25
CHƯƠNG 2 27
ỨNG DỤNG VI SINH VẬT TRONG BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG 27
2.1. ỨNG DỤNG VI SINH VẬT TRONG XỬ LÝ PHẾ THẢI HỮU CƠ 27
2.1.1. Phương pháp xử lý phế thải hữu cơ 27
2.1.2. Các chế phẩm vi sinh vật sử dụng trong xử lý phế thải hữu cơ 29
2.1.3. Một số ví dụ ứng dụng vi sinh vật trong xử lý phế thải hữu cơ 32
2.2. ỨNG DỤNG VI SINH VẬT TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI 42
2.2.1. Khái niệm về xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học 42
2.2.2. Điều kiện để xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học 43
2.2.3. Khu hệ vi sinh vật trong nước thải 43
2.2.4. Thành phần và cấu trúc các loại vi sinh vật tham gia xử lý nước thải
44
2.2.5. Xử lý nước thải bằng vi sinh vật trong điều kiện tự nhiên 45
LỜI NÓI ĐẦU
Bài giảng Biện pháp sinh học trong xử lý môi trường được biên soạn để giảng
dạy học phần Biện pháp sinh học trong xử lý môi trường trên cơ sở kế hoạch đào tạo
hệ đại học theo tín chỉ ngành Khoa học môi trường, Địa chính Môi trường và một số
ngành có chuyên môn gần của Trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên. Bài giảng
này cung cấp cho sinh viên những kiến thức cơ bản nhất về ứng dụng sinh vật trong
chẩn đoán môi trường và biện pháp sinh học xử lý môi trường bị ô nhiễm.
Trong khi biên soạn, tác giả đã bám sát phương châm giáo dục của Nhà nước
Việt Nam và gắn liền lý luận với thực tiễn. Đồng thời với việc kế thừa các kiến thức
khoa học hiện đại trên thế giới, tác giả đã mạnh dạn đưa các kết quả nghiên cứu mới
nhất của Việt Nam vào trong tài liệu, đặc biệt là các kết quả nghiên cứu ở vùng núi
phía Bắc Việt Nam.
Bài giảng Biện pháp sinh học trong xử lý môi trường bao gồm 4 chương:
Chương 1: Sinh vật chỉ thị môi trường.
Chương 2: Ứng dụng vi sinh vật trong xử lý môi trường.
Chương 3: Ứng dụng thực vật trong xử lý môi trường.
Chương 4: Ứng dụng động vật trong xử lý môi trường.
Tác giả cảm ơn sự đóng góp ý kiến cho việc biên soạn cuốn bài giảng này của
các thầy cô giáo Khoa Tài nguyên và Môi trường, Trường Đại học Nông Lâm Thái
Nguyên.
Đây là cuốn bài giảng được biên soạn công phu, nhưng chắc chắn không tránh
khỏi những thiếu sót. Vì vậy chúng tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của
đồng nghiệp và các độc giả.
Xin chân thành cảm ơn.
Tác giả
3
MỞ ĐẦU
KHÁI NIỆM MÔN HỌC
Ô nhiễm môi trường ngày càng trở nên vấn đề của toàn cầu. Ở nước ta, trước
đây ô nhiễm môi chủ yếu xảy ra ở một số khu vực như đô thị đông dân cư, một vài nơi
Tất cả sinh vật sống trên trái đất, kể cả con người đều chịu ảnh hưởng bởi các
điều kiện vật lý và hóa học trong môi trường sống xung quanh. Mặc dù sinh vật đều có
biên độ thích ứng với môi trường sống, nhưng ít nhiều đều bị ảnh hưởng khi môi
trường sống thay đổi. Có thể nói, sinh vật là tấm gương phản ánh điều kiện môi trường
mà nó đang sống. Đây chính là cơ sở khoa học cho việc lấy sinh vật làm chỉ thị phản
ánh môi trường.
Trên cơ sở những hiểu biết về tác động của các yếu tố vật lý, hóa học lên
những cơ thể sống mà người ta có thể xác định được sự có mặt và cả các mức của
nhiều chất có trong môi trường. Như vậy, thông qua sinh vật chỉ thị chúng ta có thể
nhận biết được thực trạng môi trường mà nó đang sống. Sự tác động của môi trường
lên cơ thể sinh vật sống có thể quan sát thấy bằng mắt hoặc qua một số biểu hiện sau:
- Những thay đổi về thành phần loài hoặc các nhóm ưu thế trong quần xã sinh
vật.
- Những thay đổi về đa dạng loài trong quần xã.
- Tỷ lệ chết trong quần thể gia tăng, đặc biệt ở giai đoạn non, mẫn cảm như
trứng, ấu trùng, cây con…
- Thay đổi sinh lý và tập tính trong các cá thể.
- Những khiếm khuyết về hình thái và tế bào trong các cá thể.
- Sự tích lũy dần các chất gây ô nhiễm hoặc sự trao đổi chất của chúng trong
các mô của những cá thể.
Sử dụng sinh vật chỉ thị môi trường đã và đang là hướng đi không chỉ giảm chi
phí mà còn thân thiện với môi trường. Vì vậy, trên thế giới việc nghiên cứu và sử dụng
các sinh vật để đánh giá, kiểm soát và cải thiện môi trường đang được quan tâm của rất
nhiều quốc gia.
Thành phần loài của một quần xã sinh vật ở một vùng được xác định bởi các
yếu tố môi trường mà các yếu tố này chính là điều kiện để quàn thể sinh vật đó tồn tại
và phát triển. Nếu trong quá trình tồn tại và phát triển, các yếu tố môi trường trở nên
gây hại cho một sinh vật nào đó thì sinh vật này sẽ bị loại trừ ra khỏi quần thể, kể cả
khi các điều kiện gây hại này chỉ xảy ra trong một thời gian ngắn. Chính điều kiện này
đã làm cho các sinh vật trở thành vật chỉ thị cho các yếu tố môi trường.
Ô nhiễm môi trường nước được đánh giá bởi khá nhiều chỉ tiêu và cũng có
nhiều phương pháp để đánh giá các chỉ tiêu ấy. Tuy nhiên, có hai hiện tượng ô nhiễm
phổ biến là hiện tượng phú dưỡng và tích lũy kim loại nặng trong nước là đáng quan
tâm hơn cả.
1.2.1. Sinh vật chỉ thị phú dưỡng
Phú dưỡng là hiện tượng thường gặp trong các hồ đô thị, các sông và kênh dẫn
nước thải. Biểu hiện phú dưỡng của các hồ đô thị là nồng độ chất dinh dưỡng N, P cao,
tỷ lệ P/N cao do sự tích luỹ tương đối P so với N, sự yếm khí và môi trường khử của
lớp nước đáy thuỷ vực, sự phát triển mạnh mẽ của một số loài vi sinh vật và thực vật
thủy sinh bậc thấp như tảo, rong, rêu…sự kém đa dạng của các sinh vật nước, đặc biệt
là cá, nước có màu xanh đen hoặc đen, có mùi khai thối do thoát khí H
2
S v.v
Nguyên nhân của hiện tượng phú dưỡng là sự tích lũy chất dinh dưỡng mà chủ
yếu là N và P. Sự tích lũy này thông qua nước thải, nước chảy tập trung từ khu vực
6
dân cư, đô thị và cuối cùng là do tích lũy thông qua hoạt động sống của động thực vật
trong nước đã bị ô nhiễm.
Những thực vật phát triển trong điều kiện phú dưỡng khi chết sẽ tạo nên khối
lượng lớn các hợp chất hữu cơ. Những hợp chất hữu cơ này trong quá trình ôxy hóa sẽ
tiêu thụ nhiều ôxy hòa tan trong nước (nhờ quá trình khuếch tán bề mặt từ khí quyển).
Điều này dẫn đến sự thiếu hụt ôxy nghiêm trọng và quá trình phân giải chất hữu cơ
xảy ra theo hướng kỵ khí, làm biến đổi hình thái một số hợp chất hữu cơ trong nước
như tăng nồng độ các chất khử (H
2
S, NH
3
, CH
4
…), chuyển hóa các ion kim loại (Fe,
• Vi sinh vật:
Chủ yếu là sự xuất hiện phổ biến của tảo, bao gồm:
- Tảo lam: Phormidium, Anabacna, Oscilatoria, Anacystis, Lyngbia, Spirulina.
- Tảo lục: Careia, Spirogyra, Teraedron, Cocum, Chlorella, Stigeoclonium,
Chlamydomonas, Chlorogonium, Agmenllum.
- Tảo Silic: Nitochia, Gomphonema.
- Tảo mắt: Pyro botryp – Phacus, Lepocmena – Eugrema.
Các loại tảo có sự phân bố nhiều ít khác nhau trong các môi trường phú dưỡng
và ở độ sâu khác nhau. Nhận biết phổ biến là nhìn nước ao, hồ, sông kênh dẫn nước
thải chuyển sang màu xanh, xanh đen và hiện tượng “nở hoa” do tảo.
7
Thủy triều đỏ (red tide), hiện tượng nở hoa nước (water bloom) là thuật ngữ chỉ
sự nở hoa của các loài vi tảo. Đây là hiện tượng tự nhiên xảy ra do mật độ tế bào vi tảo
gia tăng lên đến hàng triệu tế bào/lít (thông thường có khoảng 10 - 100 tế bào vi
tảo/ml, nhưng trong trường hợp “nở hoa” mật độ có thể lên trên 10.000 tế bào/ml) làm
biến đổi màu của nước biển từ xanh lục đậm, đỏ cho đến vàng xám (người dân ven
biển thường gọi là nước cám, nước mùn cưa).
Hiện tượng thủy triều đỏ có liên quan chặt chẽ tới sự phú dưỡng của thủy vực.
Nguyên nhân của hiện tượng trên có liên quan đến các yếu tố môi trường như: nhiệt
độ, độ mặn và hàm lượng muối dinh dưỡng cũng như các trường khí - thủy văn. Ngoài
ra, các chất thải từ hoạt động của con người như nuôi trồng thủy sản thiếu quy hoạch,
sự phát triển của các nhà máy chế biến thủy sản, hóa chất… cũng là một trong các
nguyên nhân dẫn đến sự hình thành Thủy triều đỏ. Hầu hết các loài vi tảo biển nở hoa
thường đưa đến hậu quả làm cho môi trường xấu đi, hàm lượng ôxy hòa tan suy giảm
nhanh chóng, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến đời sống thủy sinh vật.
Tảo chết và chìm xuống đáy thủy vực và bị phân hủy bởi các vi sinh vật khác
đặc biệt là vi khuẩn. Kết quả gây nên hiện tượng thiếu ôxy trong các tầng nước làm
chết các loài thủy sản. Quá trình này làm thay đổi thành phần hóa học trong nước, gây
tăng các khí độc. Đến nay, các nhà khoa học đã xác nhận có khoảng trên 300 loài vi
tảo đã hình thành sự nở hoa làm thay đổi màu nước. Trong đó có khoảng 1/4 loài (70 -
• Thực vật:
Chỉ thị thực vật đặc trưng của phú dưỡng là rong, rêu và các loại bèo.
Khi môi trường nước bị phú dưỡng, ta có thể dễ dàng nhận ra sự xuất hiện ngày
càng nhiều của rong, rêu và sự phát triển với tốc độ nhanh của bèo tấm, bèo cái, bèo
tây, hoa súng….
Dưới đây là một số hình ảnh về các loại thực vật xuất hiện trong môi trường
phú dưỡng.
Hình 1.4: Rong, rêu
Hình 1.5: Bèo tấm, bèo tây
• Động vật:
Trong môi trường phú dưỡng ta có thể quan sát thấy các loại động vật điển
hình:
- Động vật đáy không xương sống như nghêu, sò, ốc, hến….
- Giáp xác như tôm, cua, rùa, ba ba….
- Thân mềm, giun, côn trùng….
- Cá: ít.
10
Có thể tham khảo kết quả nghiên cứu của De Pauw D. và G. Vanhooren về mối
quan hệ giữa sinh vật nổi chỉ thị với tình trạng dinh dưỡng trong hồ của Bỉ ở bảng 1.1.
Bảng 1.1: Sinh vật nổi chỉ thị cho tình trạng dinh dưỡng của hồ
Thông số Tình trạng dinh dưỡng
Kiệt dưỡng Trung bình Phú dưỡng
Tảo/ml (Algae) 0 – 2.000 2.000 – 15.000 > 15.000
Chất diệp lục (mg/m3) (Các giá trị
cực đại trong vùng chiếu sáng)
0 - 3 3 - 20 > 20
Sản xuất sơ cấp (g C/m
2
/ngày) 0 – 0,2 0,2 – 0,75 > 0,75
11
Khác với phú dưỡng, sự ô nhiễm kim loại nặng trong nước khó phát hiện và
nhận biết hơn khi quan sát bằng mắt.
Sinh vật chỉ thị ô nhiễm kim loại nặng:
• Vi sinh vật:
Vi sinh vật rất mẫn cảm với kim loại nặng, khi môi trường nước bị ô nhiễm kim
loại nặng thì các loại vi sinh vật sẽ phát triển kém. Như vậy, vi sinh vật không điển
hình lắm trong chỉ thị sinh học đối với môi trường nước bị ô nhiễm kim loại nặng.
• Thực vật:
Có khá nhiều loài thực vật chỉ thị môi trường nước bị ô nhiễm kim loại nặng.
Điển hình là các loại bèo (bèo tây, bèo tấm, bèo cái), hoa súng, lau sậy, cỏ nến, cỏ
năn….
Khi quan sát thực vật để chẩn đoán môi trường nước bị ô nhiễm kim loại nặng
ta cần chú ý rằng các loại cây trên sẽ phân bố là chủ yếu, còn các cây thông thường rất
ít thấy.
Một lưu ý nữa là đa số các loại thực vật chỉ thị môi trường nước nhiễm kim loại
nặng đồng thời cũng là chỉ thị môi trường nước phú dưỡng. Vì vậy cần quan sát các
các loại sinh vật khác nữa.
• Động vật:
Trong môi trường nước ô nhiễm kim loại nặng có các loại động vật chỉ thị sau:
- Động vật đáy không xương sống như nghêu, sò, ốc, hến….khá phổ biến. Các
loại động vật này thường được sử dụng để đánh giá ô nhiễm kim loại nặng vì chúng đă
được định loại rõ ràng, dễ nhận dạng, có kích thước vừa phải, số lượng nhiều, dễ tích
tụ chất ô nhiễm, có thời gian sống dài và có đời sống tĩnh tại.
- Cá: Là chỉ thị điển hình cho môi trường nước ô nhiễm kim loại nặng. Tuy
nhiên, do cá di chuyển liên tục nên gây khó khăn cho việc xác định mức độ ô nhiễm.
Trên thế giới, một số công trình nghiên cứu đã lựa chọn được một số loại cá điển hình
làm chỉ thị cho môi trường nước ô nhiễm kim loại nặng vì chúng có khả năng tích tụ
cao hàm lượng kim loại nặng trong mô của chúng. Điển hình là loài cá rô Tilapia, cá rô
đồng.
- Hoạt động giao thông, nhất là đường bộ.
- Hoạt động sản xuất nông nghiệp do sử dụng hóa chất bảo vệ thực vật.
Để xác định môi trường không khí có bị ô nhiễm hay không và ô nhiễm do cái
gì thì thông thường người ta phải lấy mẫu không khí để phân tích và so sánh kết quả
với tiêu chuẩn quy định. Tuy nhiên, thông qua chỉ thị sinh học cũng có thể đánh giá
định tính đối với môi trường không khí bị ô nhiễm hay không. Các chỉ thị sinh học
môi trường không khí chủ yếu là thực vật và động vật, còn vi sinh vật rất khó quan sát
và không điển hình.
1.3.1. Thực vật chỉ thị môi trường không khí
1.3.1.1. Các dấu hiệu tổn thương thực vật do ô nhiễm không khí gây nên
Ô nhiễm không khí gây tổn thương cho thực vật đã được biết đến từ lâu. Những
tổn thương thực vật thường xuất hiện gần các thành phố lớn, nhà máy luyện kim, lọc
dầu, sản xuất phân bón, nhà máy nhiệt điện, xi măng…, sân bay, đường cao tốc và
đường phố nơi có mật độ giao thông cao.
13
Dấu hiệu tổn thương thực vật do ô nhiễm không khí thường rất dễ nhầm lẫn với
dấu hiệu của các bệnh do nấm, vi khuẩn, virus, côn trùng và mối, hoặc do thiếu, thừa
dinh dưỡng. Đây là điểm đáng lưu ý khi sử dụng thực vật để chẩn đoán môi trường
không khí. Trước tiên chúng ta phải xem xét các nhân tố ngoài ô nhiễm không khí
bằng phương pháp loại dần.
Sự tổn thương do ô nhiễm không khí thường rất khốc liệt vào mùa nóng, bầu
trời trong, phẳng lặng hoặc thời tiết ẩm ướt và áp suất không khí cao.
Sự tổn thương do ô nhiễm không khí đối với thực vật có thể là mãn tính hoặc
cấp tính. Nếu là mãn tính thì thưpng làm cho lá cây bị vàng, xoăn lá, cây thấp lùn và
sinh trưởng chậm. Còn cấp tính thì làm chết mô một phần lá, cành hoặc cả lá, cành nên
rất dễ nhận biết.
Sau đây là một số ví dụ về tác động do ô nhiễm không khí đối với thực vật:
Nồng độ của Ôzôn cao trong không khí thường làm cho lá cây bị tổn thương
lốm đốm, đó là những đốm lá bị hoại sinh (bảng 1.2).
Bảng 1.2: Một số thực vật thường bị O
đỉnh lá ở những thực vật lá rộng và cháy ở đỉnh lá ở cỏ và cây lá kim.
Tác động của bụi lên thực vật rất rõ, đó là tạp ra một lớp bụi phủ kín bền mặt lá
cây, cành và thân. Lâu ngày và không có mưa, cây sẽ ngừng sinh trưởng và có thể
chết.
1.3.1.2. Thực vật chỉ thị môi trường không khí
Những phương pháp sinh học để quan trắc ô nhiễm không khí xung quanh dựa
trên các nguyên lý sử dụng khu hệ sinh vật (biota) như những thể tổng hợp (integrator)
cho sự tiếp xúc môi trường. Các loài trong khu hệ thực vật được sử dụng làm chỉ thị
sinh học cho những thay đổi của môi trường dựa vào khả năng mẫn cảm của chúng.
Ngược với những kết quả của chỉ thị sinh học cung cấp thông tin về những thay
đổi trong chất lượng của môi trường, phương pháp quan trắc sinh học lại hiểu nhiều
hơn về phương diện số lượng (MesjtriK và Pospisil, 1988). Những ưu thế của nó là đòi
hỏi thông tin về độ lớn tích lũy các chất ô nhiễm, sự phân bố lại trong cơ thể và sự
phân bố địa lý của ô nhiễm được phát hiện.
Thực vật chỉ thị là thực vật mà các dấu hiệu bị tổn thương của chúng xuất hiện
khi bị tác động bởi nồng độ nhất định của một hay hỗn hợp các chất gây ô nhiễm.
Thực vật chỉ thị là cảm nhận (sensor) hóa học có thể nhận dạng khi có chất gây
ô nhiễm trong không khí. Để quan trắc thường dựa vào đặc trưng về số lượng mà
không phải là chất lượng. Do đó, thực vật dùng đẻ quan trắc không chỉ là vật chỉ thị
mà còn giúp thu nhận các đánh giá về mặt số lượng.
Thực vật được xem là chỉ thị khi chúng tích lũy trong mô những chất gây ô
nhiễm hoặc những sản phẩm trao đổi chất sản sinh do kết quả tác động tương hỗ thực
vật với chất gây ô nhiễm. Từ kết quả của sự tác động, thực vật có thể thay đổi tốc độ
sinh trưởng, thời gian chín, ra hoa, sự tạo thành quả và hạt kém đi, thay đổi quá trình
sinh sản và cuối cùng là giảm sức sản xuất năng suất. Một hoặc tất cả các thông số nêu
trên có thể sử dụng để xác định sự xuất hiện của chất gây ô nhiễm trong không khí
xung quanh và tiến hành thí nghiệm để nhận dạng, làm rõ sự thay đổi của thực vật với
một chất hoặc hỗn hợp các chất gây ô nhiễm.
Một số thực vật như địa y (Lichens, Peltigesa, Xanthoria) và rêu (Bryiphyta) là
những vật tích lũy các chất gây ô nhiễm không khí, chủ yếu là các kim loại nặng chúng
Hình 1.8: Chỉ thị ô nhiễm O
3
1.3.2. Động vật và người chỉ thị môi trường không khí
Ô nhiễm môi trường không khí tác động có hại đến sức khỏe của người và động
vật và rất ít khi người ta phát hiện ra sự tác động ấy, vì đa số các chất gây ô nhiễm
không khí là không màu, không mùi vị.
Đối với động vật: Biểu hiện ra ngoài rõ nét nhất khi động vật bị phơi nhiễm bởi
tác động mãn tính của ô nhiễm không khí là đa số bị thay đổi màu lông hoặc da và
thay đổi về tốc độ tăng trọng. Còn trong trường hợp bị tác động cấp tính thì đa số là bị
bệnh và chết.
Một thí nghiệm đồng ruộng đối với thỏ nhà sử dụng sự phơi nhiễm ô nhiễm
không khí vùng lân cận của nhà máy luyện Pb cho thấy: Sau một thời gain phơi nhiễm,
hàm lượng Pb trong máu của thỏ thí nghiệm tăng lên chắc chắn so với không phơi
nhiễm. Thỏ bị chết theo các nhóm 3 con sau phơi nhiễm kéo dài 1, 3, 6, 9 và 12 tháng.
Ở một thí nghiệm quan trắc ảnh hưởng của Mg trong không khí đến phôi của
động vật cho thấy: Những con chuột và thỏ cái cho tiếp xúc với Mg trong vòng 6
tháng khi được phối với các con đực không bị phơi nhiễm thì tỷ lệ thụ tinh chỉ có 40 %
so với bình thường và kích thước của lứa con đó nhỏ hơn.
16
Đối với người: Quan sát và giám định sức khỏe đối với người là hướng rất quan
trọng trong giám sát ô nhiễm môi trường không khí. Trong điều kiện nhiễm mãn tính
thường sẽ rất nguy hiểm vì biểu hiện từ từ và khó xác định, nhưng sẽ làm cho người bị
bệnh và đa số là những bệnh nguy hiểm. Trường hợp nhiễm cấp tính rất dễ phát hiện vì
thường biểu hiện ra ngoài rất rõ như đau đầu, mệt mỏi, ngứa ngáy, rụng tóc, ngất và có
thể chết.
Những vật liệu sinh học người có thể lấy mẫu được bao gồm máu và nước tiểu,
tóc, móng chân tay và răng rụng. Tính nhạy bén của tóc như chỉ thị cho sự tiếp xúc với
các kim loại độc hại cũng đã được Benecko (1991) đề cập đến. Xác định nồng độ As
đã được tiến hành trong trên tóc, nước tiểu và máu được lấy ra từ nhóm bé trai 10 tuổi
sống trong vùng bị ô nhiễm As do đốt than đá có hàm lượng As cao. Trong tất cả các
17
dịch cuối cùng gây lên tác động về sức khỏe (phản ứng tức giận và tính mẫn cảm quá
cao).
1.4. SINH VẬT CHỈ THỊ MÔI TRƯỜNG ĐẤT
Hệ sinh thái trong đất và tính đa dạng của chúng có vai trò cực kỳ quan trọng vì
nó cung cấp thông tin, chức năng sản xuất và chức năng hỗ trợ cho sức sản xuất của
đất. Nghiên cứu hệ thống sinh vật chỉ thị của đất nhằm mục đích đưa ra cách nhìn tổng
hợp, toàn diện về hiện trạng của hệ sinh thái đất trong mối liên quan chặt chẽ với nhiều
chức năng hỗ trợ sức sống của đất như tính sản xuất, khoáng hóa, chu trình dinh
dưỡng, khả năng cung cấp thức ăn khoáng cho cây trồng.
Trong đánh giá môi trường đất có thể phân ra thành hai dạng điển hình:
- Thoái hóa môi trường đất: Thoái hoá là khái niệm để chỉ sự suy giảm theo
chiều hướng xấu đi so với ban đầu. Thoái hoá đất được hiểu là quá trình suy giảm độ
phì nhiêu của đất từ đó làm cho sức sản xuất của đất bị suy giảm theo.
Theo một định nghĩa khác thì thoái hoá đất là các quá trình thay đổi các tính
chất hoá lý và sinh học của đất dẫn đến giảm khả năng của đất trong việc thực hiện các
chức năng của đất như: Cung cấp chất dinh dưỡng và tạo ra không gian sống cho cây
trồng, vật nuôi và hệ sinh thái, điều hoà và bảo vệ lưu vực thông qua sự thấm hút và
phân bố lại nước, mưa, dự trữ độ ẩm, hạn chế sự biến động của nhiệt độ, hạn chế ô
nhiễm nước ngầm và nước mặt bởi các sản phẩm rửa trôi.
- Ô nhiễm môi trường đất: Đất bị ô nhiễm được hiểu là khi hàm lượng một số
nguyên tố hóa học có trong đất vượt quá ngưỡng thường có của loại đất đó, hoặc đất
chứa một một số chất gây độc trực tiếp.
Ô nhiễm đất không những làm giảm khả năng sản xuất của đất mà còn làm ảnh
hưởng đến cây trồng, gia súc và con người.
Ô nhiễm đất còn làm hại đến môi trường khác như nước ngầm, nước mặt và
không khí, từ đó ảnh hưởng đến con người.
1.4.1. Vi sinh vật chỉ thị môi trường đất
Việc sử dụng vi sinh vật làm chỉ thị sinh học cho môi trường đất đến nay ít
được áp dụng vì khó có thể quan sát bằng mắt thường. Mặc dù khi đất bị thoái hóa
chuyển màu vàng, đẻ nhánh và phân cành kém, hoạt động quang hợp và tích lũy giảm
sút nghiêm trọng, dẫn tới suy giảm năng suất.
Photpho (P): Photpho cần cho tất cả các loại cây trồng nhưng rõ rệt nhất là với
cây họ đậu vì ngoài khả năng tham gia trực tiếp vào các quá trình sống của cây, chúng
còn thúc đẩy khả năng cố định đạm của vi sinh vật cộng sinh.
Khi thiếu P, lá cây ban đầu có màu xanh đậm, sau chuyển màu vàng, hiện tượng
này bắt đầu từ các lá phía dưới trước, và từ mép lá vào trong. Cây lúa thiếu P làm lá
nhỏ, hẹp, đẻ nhánh ít, trỗ bông chậm, chín kéo dài, nhiều hạt xanh, hạt lép. Cây ngô
thiếu P sinh trưởng chậm, lá có màu lục rồi chuyển màu huyết dụ.
19
Sinh
trưởng và
sức khỏe
thực vật
Ngưỡng thiếu
Ngưỡng đủ
Ngưỡng độc hại
Tổng lượng các chất dinh dưỡng dễ tiêu
Kali (K): Kali cần thiết cho mọi loại cây trồng, nhưng quan trọng nhất đối với
nhóm cây chứa nhiều đường hay tinh bột như lúa, ngô, mía, khoai tây Bón K sẽ làm
tăng hiệu quả sử dụng N và P.
Biểu hiện rất rõ khi thiếu K là lá hẹp, ngắn, xuất hiện các chấm đỏ, lá dễ héo rũ
và khô. Cây lúa thiếu K sinh trưởng kém, trỗ sớm, chín sớm, nhiều hạt lép lửng, mép
lá về phía đỉnh biến vàng. Ngô thiếu K làm đốt ngắn, mép lá nhạt dần sau chuyển màu
huyết dụ, lá có gợn sóng. Điều đặc biệt là K có vai trò quan trọng trong việc tạo lập
tính chống chịu của cây trồng với điều kiện bất thuận (hạn, rét) cũng như tính kháng
sâu bệnh, vì vậy nếu thiếu K sẽ làm những chức năng này suy giảm đi.
Lưu huỳnh (S): Lưu huỳnh tham gia trong thành phần protein, axit amin,
vitamin, có vai trò quan trọng trong quá trình trao đổi lipit và sự hô hấp của cây.
Biểu hiện đặc trưng khi cây thiếu S cũng có hiện tượng vàng lá như khi thiếu N,
mật thiết đến hàm lượng diệp lục trong chúng.
20
Sự thiếu hụt Fe thường xảy ra trên nền đất có đá vôi. Lá cây thiếu sắt sẽ chuyển
từ màu xanh sang vàng hay trắng ở phần thịt lá, trong khi gân lá vẫn còn xanh. Triệu
chứng thiếu sắt xuất hiện trước hết ở các lá non, sau đến lá già, vì Fe không di động từ
lá già về lá non.
Mangan (Mn): Mn là nguyên tố hoạt hóa rất nhiều enzym của các quá trình
quang hợp, hô hấp và cố định nitơ phân tử.
Triệu chứng điển hình khi cây thiếu Mn là phần gân lá và mạch dẫn biến vàng,
nhìn toàn bộ lá có màu xanh sáng, về sau xuất hiện các đốm vàng ở phần thịt lá và phát
triển thành các vết hoại tử trên lá. Nếu thiếu nghiêm trọng sẽ gây khô và chết lá. Triệu
chứng thiếu Mn có thể biểu hiện ở lá già hay lá non tùy theo từng loại cây.
Đồng (Cu): Đồng là nguyên tố hoạt hóa nhiều enzym của quá trình tổng hợp
protein, axit nucleic và dinh dưỡng nitơ của cây.
Hiện tượng thiếu đồng thường xảy ra trên những vùng đất đầm lây, ruộng lầy
thụt. Cây trồng thiếu đồng thường hay có hiện tượng chảy gôm (rất hay xảy ra ở cây
ăn quả), kèm theo các vết hoại tử trên lá hay quả. Với cây họ hòa thảo, nếu thiếu đồng
sẽ làm mất màu xanh ở phần ngọn lá.
Bo (B): B là một trong những nguyên tố vi lượng có hiệu quả nhất với cây
trồng. B tác động trực tiếp đến quá trình phân hóa tế bào, trao đổi hocmon, trao đổi N,
nước và chất khoáng khác, ảnh hưởng rõ rệt nhất của B là tới mô phân sinh ở đỉnh sinh
trưởng và quá trình phân hóa hoa, thụ phấn, thụ tinh, hình thành quả.
Khi thiếu B thì chồi ngọn bị chết, các chồi bên cũng thui dần, hoa không hình
thành, tỷ lệ đậu quả kém, quả dễ rụng, rễ sinh trưởng kém, lá bị dày lên.
Molypden (Mo): Mo có vai trò rất quan trọng trong việc trao đổi nitơ, tổng hợp
Vitamin C và hình thành lục lạp của cây.
Thiếu Mo sẽ ức chế dinh dưỡng đạm của cây trồng nói chung, đặc biệt của các
cây họ đậu.
Kẽm (Zn): Zn tham gia hoạt hóa khoảng 70 enzym của nhiều hoạt động sinh lý,
sinh hóa của cây.
Dấu hiệu ngộ độc ở thực vật:
Khi một hoặc một vài nguyên tố dinh dưỡng đa, trung lượng hoặc vi lượng vượt
quá ngưỡng thì sẽ gây độc hại cho cây. Tuy nhiên, cũng có một số nguyên tố không
gây độc.
Thừa N sẽ làm cây sinh trưởng quá mạnh, do thân lá tăng trưởng nhanh mà mô
cơ giới kém hình thành nên cây rất yếu, dễ lốp đổ, dễ bị sâu bệnh tấn công. Ngoài ra
sự dư thừa N trong sản phẩm cây trồng (đặc biệt là rau xanh) còn gây tác hại lớn tới
sức khỏe con người. Nếu N dư thừa ở dạng NO
3
-
thì khi vào dạ dày, chúng sẽ vào ruột
non và mạch máu, sẽ chuyển hemoglobin (của máu) thành dạng met-hemoglobin, làm
mất khả năng vận chuyển oxy của tế bào. Còn nếu ở dạng NO
2
-
chúng sẽ kết hợp với
axit amin thứ cấp tạo thành chất Nitrosamine - là một chất gây ung thư rất mạnh.
Thừa P không có biểu hiện gây hại như thừa N vì P thuộc loại nguyên tố linh
động, nó có khả năng vận chuyển từ cơ quan già sang cơ quan còn non. Tuy nhiên, khi
thừa P sẽ làm giảm khả năng hút Fe, Mn và Zn và làm chúng bị thiếu trong cây, dẫn
đến ức chế sinh trưởng của cây.
Thừa dư và gây ngộ độc Al: Làm cho rễ phát triển kém, lá vàng úa và da cam ở
giữa gân lá, sau đó là trắng lá giữa gân rồi lá bị chết héo và viền lá bị táp nắng.
Đối với các nguyên tố trung lượng và vi lượng, cây cần một lượng nhỏ, nhưng
thiếu chúng nhiều chức năng của thực vật bị phá vỡ. Ngược lại, trong thực tiễn sản
xuất do hoạt động công nghiệp, làng nghề và hoạt động khai khoáng đã dẫn đến dư
thừa các nguyên tố vi lượng và trung lượng trong đất và dẫn đến ngộ độc cho cây
(bảng 1.6).
Nhìn chung, thiếu hay thừa chất dinh dưỡng đều làm cho cây sinh trưởng phát
triển kém, giảm sức sản xuất và gây ra những dấu hiệu không bình thường có thể quan
> 500 Đốm màu nâu trên gân lá, hoại tử
ở đỉnh và gân lá, lá bị xoắn tròn
Mo Bón vôi và bón bổ sung
Mo
> 1.000 Chuyển màu vàng sang da cam
(đôi khi tím), dóng và đốt ngắn
Zn Dưới tán cây và cây trồng
trong nhà có mái che
> 400 Ít xảy ra. Dấu hiệu giống thiếu Fe
và Mn
(Thomas Dierolf, 2001)
1.4.2.2. Thực vật chỉ thị đất ô nhiễm kim loại nặng
Đất bị ô nhiễm kim loại nặng là đất có hàm lượng quá lớn so với bình thường
(vượt ngưỡng) của một hoặc nhiều các nguyên tố có thể là dinh dưỡng vi lượng như
Cu, Mn, Zn và Ni, hoặc các nguyên tố không phải là dinh dưỡng như Cd, Pb, As, Hg,
Se. Nhìn chung, đất bị ô nhiễm kim loại nặng đều làm ảnh hưởng đến sinh trưởng và
phát triển của cây. Khi đất bị ô nhiễm kim loại nặng đa số thực vật bị ngừng sinh
trưởng và dẫn đến chết. Tuy nhiên cũng có một số loài thực vật lại không bị chết và
thậm chí có loài còn sinh trưởng phát triển tốt.
Từ hiện tượng đó, người ta đã phân ra được hai nhóm thực vật trong chỉ thị ô
nhiễm kim loại nặng trong đất, đó là:
- Nhóm thực vật có khả năng chống chịu với nồng độ kim loại cao gọi là “siêu
chống chịu”.
- Nhóm thực vật có khả năng thu hút kim loại nặng và tích lũy vào các bộ của
cây gọi là “siêu hấp thụ kim loại”.
Đến nay người ta đã phát hiện được trên 450 loài thực vật có khả năng thu hút
kim loại nặng trong đất. Trong số này có khá nhiều loài được tìm thấy ở Việt Nam.
Sau đây là một số loại thực vật điển hình làm chỉ thị cho đất bị ô nhiễm kim loại
nặng ở Việt Nam:
23
1.4.3. Động vật chỉ thị môi trường đất
Cho đến nay chưa có nhiều nghiên cứu về sử dụng động vật đất làm chỉ thị sinh
học. Tuy nhiên, chúng ta đều hiểu rõ rằng, khi đất bị ô nhiễm hoặc bị thoái hóa sẽ làm
giảm đáng kể động vật đất như giun đất, mối, kiến
Để đánh giá độ phì nhiêu của đất người ta thường dùng giun đất làm chỉ thị.
Giun đất và các động vật đất khác như tiểu túc, nhuyễn thể và động vật có xương tham
gia tích cực vào quá trình phân huỷ xác động thực vật, đào xới đất, tạo điều kiện cho
không khí, nước và vi sinh vật thực hiện quá trình phân huỷ chất hữu cơ, giúp cho thực
vật bậc cao dễ dàng lấy được chất dinh dưỡng từ đất. Vì vậy giun đất nhiều hay ít là
chỉ thị tốt cho đánh giá đất đó tốt hay xấu.
Ngoài ra người ta còn sử dụng mối như là một chỉ thị sinh học cho độ phì đất.
Chúng ta đã được biết khá nhiều mặt lợi ích của các loài mối, ví dụ như: Chúng phân
giải xenlulô thực vật, tăng mùn cho đất, là mắt xích thức ăn trong chu trình luân
chuyển vật chất trong hệ sinh thái v.v… Ngày nay, mối còn được chú ý nhiều với vai
trò là chỉ thị sinh học trong các nghiên cứu về sự phục hồi của hệ sinh thái. Đã có
những nghiên cứu cho thấy, nhiều loài mối rất nhạy cảm với sự thay đổi của môi
trường sống, sự có mặt hay biến mất của một số loài gắn liền với những biến đổi của
điều kiện môi trường, đặc biệt là thảm thực vật và cấu trúc đất.
Hình 1.16: Mối Hình 1.17: Giun đất
25
Copyright: Tài liệu đại học ©