HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
KHOA MÔI TRƯỜNG
------------------------&-------------------------
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
“NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ XÁC ĐỊNH ĐỘC TÍNH
CỦA NANO BẠC ĐỐI VỚI VI KHUẨN LAM
MICROCYSTIS AERUGINOSA”
Người thực hiện
: TRỊNH MINH SƠN
Lớp
: MTC
Khóa
: 57
Ngành
: MÔI TRƯỜNG
Giáo viên hướng dẫn : TS. ĐINH THỊ HẢI VÂN
TS. DƯƠNG THỊ THỦY
Hà Nội – 2016
HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
KHOA MÔI TRƯỜNG
Hà Nội – 2016
2
2
MỤC LỤC
3
DANH MỤC VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
cs
DNA
DO
Ecoli
FE SEM
LPS
M.aeuginosa
MCs
PEG
PST
PVA
PVP
UV-vis
Tên đầy đủ
Cộng sự
vào các thủy vực. Ô nhiễm dinh dưỡng diễn ra ngày càng nghiêm trọng tại các
thuỷ vực như sông, hồ, đầm nuôi trồng thuỷ sản,… luôn đi kèm với hiện
tượng nở hoa nước mà thực chất là sự phát triển mạnh mẽ của quần xã thực
vật nổi trong đó chủ yếu do vi khuẩn lam (VKL).
Ở Việt Nam, ô nhiễm môi trường nước mà chủ yếu là ô nhiễm chất hữu
cơ, chất dinh dưỡng, kéo theo bùng nổ thực vật nổi, trong đó có tảo độc đang
diễn ra rất phổ biến do tác động của các hoạt động của con người trong các
lưu vực sông, hồ... ..Tại các hồ như hồ Ba Bể, hồ Tây, hồ Hoàn Kiếm, hồ
Thác Mơ, hồ chứa Dầu Tiếng, hồ chứa Cấm Sơn, hồ chứa Núi Cốc,… đều
quan sát thấy sự hiện diện của vi khuẩn lam độc chủ yếu là các loài thuộc chi
Microcystis.
Vì vậy để ngăn ngừa, giảm thiểu tác động độc hại của tảo lam độc và độc
tố tảo lam, một số phương pháp kiểm soát đã được tiến hành bao gồm kiểm
soát bằng phương pháp vật lý, sinh học và hóa học. Tuy nhiên, mỗi phương
pháp sử dụng đều có ưu điểm và nhược điểm nhất định.
Trên thế giới việc sử dụng vật liệu nano để xử lý tảo đã được nghiên cứu
trong quy mô phòng thí nghiệm và bước đầu cho thấy hiệu quả ức chế sinh
trưởng một số loài tảo. Điều này cho thấy tiềm năng ứng dụng rộng rãi của kỹ
thuật tiên tiến này. Tác động của hạt nano đối với tảo lam bao gồm: loại bỏ
phốt pho sinh học, phá vỡ tế bào tảo lam, cố định độc tố microcysin và ngăn
chặn độc tố giải phóng ra môi trường. Cho đến nay, cơ chế tác động của vật
liệu nano lên một số sinh vật chưa được nghiên cứu nhiều. Sự tiếp xúc của
những loài tảo quang hợp nhân điển hình với nano có thể dẫn đến sự suy giảm
hàm lượng chất diệp lục, gây ra sự bất ổn về nhiễm sắc thể và xáo trộn quá
77
trình phân bào, liên quan tới dị tật về hình thái học ở bên trong sợi tảo. Trong
các hạt nano, nano bạc được chú ý bởi khả năng diệt khuẩn, nấm mốc và hoạt
tính sinh học của chúng.
1.1.1. Hiện tượng nở hoa của VKL trong các thủy vực
1.1.1.1. Định nghĩa sự nở hoa của nước
Sự nở hoa của thực vật nổi được định nghĩa là “sự bùng nổ” đáng chú ý
và rất đặc thù của toàn bộ cộng đồng sinh vật, có tác động trực tiếp hoặc gián
tiếp đến các hệ sinh thái do những hậu quả của chúng như sự thay đổi màu
nước, làm giảm hàm lượng khí oxy hòa tan, làm cá và động vật không xương
sống bị chết hay gây ngộ độc cho người (Nguyễn Tác An, 1999).
Theo Odum, vào những khoảng thời gian nắng ấm kéo dài, nhiệt độ
tăng cao thích hợp với sự phát triển của tảo, ở một số thủy vực thường xuất
hiện những váng tảo nổi kết đám trên mặt nước. Hiện tượng này được gọi là
nở hoa của nước.
Hiện tượng nở hoa của nước là kết quả sự giàu dinh dưỡng của nước
hay còn gọi là sự phú dưỡng (Eutrophication) kết hợp với các điều kiện thời
tiết khí hậu thích hợp (Neilan và cs, 2013).
1.1.1.2. Các nguồn gốc gây hiện tượng nở hoa của nước.
+ Nước thải từ các hoạt động sản xuất nông nghiệp.
Theo Zaimes và Schultz (2002), tải lượng các chất dinh dưỡng đổ vào
các hệ thủy văn có nguồn gốc từ nông nghiệp lớn hơn tải lượng dinh dưỡng
có nguồn gốc từ nguồn điểm thải. Ở Mỹ, vào những năm 1980 đất trồng trọt,
đồng cỏ và đất đồi đã góp phần chuyển tải 68% tổng P từ nguồn phát tán tới
môi trường nước mặt.
Ở Châu Âu, khoảng 37-82% tổng nitơ và 27-38% tổng phốtpho được
chuyển tải vào môi trường nước mặt từ các hoạt động nông nghiệp. Trong 270
dòng sông được quan trắc ở Đan Mạch, 94% tổng nitơ và 52% tổng phốtpho
có nguồn gốc từ nguồn thải phát tán, chủ yếu từ các hoạt động nông nghiệp.
99
Như vậy, có thể thấy rằng các hoạt động canh tác của con người có ảnh hưởng
lớn tới quá trình chuyển tải các chất dinh dưỡng từ đất vào môi trường nước
nghiệp thì nguồn phốt pho chủ yếu lại từ nước thải sinh hoạt.
Gia tăng dân số và đô thị hóa trong tương lai sẽ gây ô nhiễm môi
trường và đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước nếu không xây dựng hệ thống thu
gom nước thải và các trạm xử lý nước thải trong tương lai.
+ Ảnh hưởng từ các hoạt động du lịch
Tình trạng các khách sạn đổ thải thẳng ra môi trường ảnh hưởng không
nhỏ tới chất lượng nước mặt. Tại các trung tâm du lịch lớn thu hút nhiều du
khách và đặc biệt là vào các mùa lễ hội trong năm thì tại đây đã có những
biểu hiện ô nhiễm từ các hoạt động du lịch. Thông thường tại những vùng
nước mặt tiếp nhận các nước thải trực tiếp từ cống khai thác của khách sạn,
nhà hàng hàm lượng các chất dinh dưỡng thường có giá trị cao hơn hẳn so với
các vị trí khác, trong đó hàm lượng N và P cao hơn hẳn so với các thông số
quan trắc khác.
1.1.1.3. Các nguyên nhân dẫn đến hiện tượng nở hoa của nước
+ Nồng độ các chất sinh dưỡng trong thủy vực cao (đặc biệt là các
muối đa lượng Nito và Photpho)
Hai nguyên tố nitơ và phốtpho, đặc biệt là các muối đa lượng của nitơ
và phốtpho, thường là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng phú dưỡng, làm
bùng nổ sinh trưởng thực vật, mà trong đó chủ yếu là các loài tảo độc hại và
cỏ dại (Blomqvist và cs, 1994). Các nguyên tố này có mặt trong môi trường
nước hoặc là do nguồn ngoại lai, bao gồm nước thải sinh hoạt đô thị, nước
thải công nghiệp, nước rửa trôi đất canh tác, khai thác khoáng sản trong lưu
11
vực và nước thoát sau mưa,… hoặc là do nguồn nội tại có sẵn trong thủy
vực, là sản phẩm của quá trình quang hợp, trao đổi chất và năng lượng trong
chu trình sống của các loài thủy sinh trong thủy vực.
+ Cường độ chiếu sáng cao.
VKL có thể chịu đựng dải ánh sáng khá rộng và nhu cầu ánh sáng của
(2 - 100 µmol/ m2.s) (Rapala, 1998).
+ Nhiệt độ nước ấm.
Nhiệt độ nước được cho là một trong các yếu tố môi trường quan trọng
nhất ảnh hưởng đến sự phát triển của thực vật phù du trong các hệ thủy sinh.
Nhiệt độ nước có ảnh hưởng tới sự sinh trưởng và phát triển của các nhóm
tảo có sự khác biệt rõ rệt.
Nghiên cứu trước đây cho thấy tốc độ tăng trưởng của một số loài VKL
thường tăng theo nhiệt độ chỉ trong một phạm vi nhiệt độ nhất định và tốc độ
tăng trưởng phụ thuộc vào nhiệt độ của các loài VKL khác nhau khác biệt
(NEIS, 1997). Một số loài VKL có tốc độ sinh trưởng, hoạt động quang hợp
và hô hấp ở nhiệt độ tối ưu cao hơn so với những thực vật phù du khác. Theo
nhiều tác giả, nhiệt độ tối ưu cho sinh trưởng của một số chi VKL là khoảng
20-32oC và nhiệt độ cao trong thuỷ vực có thể là yếu tố chủ yếu quyết định
sự phát triển vượt trội của chúng (Rapala, 1995; Ressom và cs, 1994;
Crayton, 1993). Ví dụ, Wang và cs (2008) đã quan sát thấy nhiệt độ nước từ
24 đến 30°C là cần thiết cho nở hoa của VKL trong hồ Taihu, Trung Quốc.
Microcystis bắt đầu tăng trưởng và nổi lên trên mặt nước khi nhiệt độ
nước đạt 15°C và có thể chiếm ưu thế trong hệ thủy sinh tại nhiệt độ 25°C
hoặc cao hơn (Robarts, 1987).Robson và Hamilton, 2003 quan sát thấy
M.aeruginosa phát triển nhanh chóng ở nhiệt độ cao (20°C - 35°C)
(Robarts, 1987). Các cuộc khảo sát tại hồ Erie cho thấy tảo độc Microcystis
và hàm lượng độc tố của nó cũng cao hơn trong những tháng ấm hơn (Rinta,
2009).
13
Như vậy các yếu tố môi trường, nhiệt độ được coi là một trong những
yếu tố môi trường quan trọng nhất quyết định sự phát triển lấn át của VKL
trong thủy vực.
1.1.1.4. Ảnh hưởng của độc tố VKL đên môi trường sinh thái.
Hình 1.1. Hiện tượng phú dưỡng trong môi trường nước
(nguồn:lincoln.ne.gov)
a.
Ảnh hưởng của hiện tượng nở hoa tảo độc, tảo hại tới động vật thủy sản
Hiện tượng nở hoa của tảo có thể làm một số chỉ số môi trường biến
động lớn, DO và pH sẽ biến động rất lớn. Khi tàn lụi, sự phân hủy do vi
khuẩn hay do tác động hóa học đều tiêu hao một lượng Oxy đáng kể và thải ra
các khí độc.
Hiện tượng nở hoa của tảo có thể làm một số chỉ số môi trường biến
dộng lớn, DO và pH sẽ biến động rất lớn. Khi tàn lụi, sự phân hủy do vi
khuẩn lam hay do tác động hóa học đều tiêu hao một lượng Oxy đáng kể và
thải ra các khi độc cho các sinh vật sống trong môi trường, gây hại cho hệ
sinh vật đáy.
15
Độc tố sinh ra từ các loài tảo độc có thể làm thương tổn mang, ảnh
hưởng đến hoạt động hô hấp của động vật thủy sinh (ĐVTS), có thể gây hiện
tượng xuất huyết, vỡ mạch máu hay tác động tới hệ thần kinh của ĐVTS. Có
nhiều loại độc tố khác nhau được tiết ra từ các loại tảo khác nhau và trong
nhiều trường hợp cơ chế và đặc tính gây độc của các độc tố này chưa được
làm sáng tỏ. Tuy vậy, một số độc tố đã được nhận biết và hầu hết chúng đều
gây độc cho cá (Ichthyotoxic), trong đó loại gây độc cho hệ thống thần kinh
(Neurotoxins) thường gặp nhất.
Hiện tượng tảo độc, tảo hại nở hoa còn có tác hại làm tăng hàm lượng
Các dạng độc tố của VKL
VKL có khả năng tổng hợp các chất thứ cấp rất đa dạng. Các chất thứ
cấp do VKL sinh ra có độc tính được gọi là độc tố (độc tố VKL-cyanotoxins)
hoặc các chất có hoạt tính sinh học khác như khả năng chống vi rút, chống
ung thư, kháng nấm, các chất ức chế enzyme,… Độc tố VKL là nhóm độc tố
tự nhiên, rất đa dạng về cấu trúc hóa học và độc tính. Cho đến nay, độc tố
VKL được xếp thành nhiều nhóm khác nhau tùy theo quan điểm và lĩnh vực
nghiên cứu. Dựa trên cơ chế gây độc, các độc tố VKL được chia thành 5
nhóm chính: độc tố về thần kinh (anatoxin-a, anatoxin-a(s), homoanatoxin-a,
PSPs), độc tố về gan (microcystins, nodularin), độc tố tế bào
(cylindrospermopsin), độc tố gây dị ứng (lyngbyatoxin-a, aplysiatoxins) và
nội độc tố (lipopolysacccharide endotoxin) (Sinoven và cs, 1999; Codd và cs,
2005). Dựa trên cấu trúc hoá học độc tố VKL có thể được chia thành 3 nhóm
chính (bảng 1.1).
17
Bảng 1.1. Các nhóm độc tố do các chi VKL khác nhau sản sinh
Các cơ quan
Nhóm độc tố
của động vật bị
Chi VKL sản sinh độc tố
tác động
Cyclic peptides
s
Aphanizomenon,
Lyngbyatoxin-a
Saxitoxins
Umezakia
Lyngbya
Anabaena, Aphanizomenon,
Da, dạ dày ruột
Sợi thần kinh
Lyngbya,
Cylindrospermopsis
LPS
Lipopolysaccharides Gây khó chịu Tất cả các cyanobacteria
đến các mô tiếp
xúc với độc tố
Nguồn: (Hoogenboezem và cs, 2005)
c.
Vi khuẩn lam Microcystis aeruginosa và độc tố Microcystin
+ Microcystis aeruginosa
18
Carmlehael và
aeruginosa
cs, 1988
Microcystis
Microcytins
Nước ngọt
Henriksen,
botrys
1996
Microcysits
Microcytins
Nước ngọt,
Sabour và cs,
ichthyoblabe
nước lợ
2002
Microcystis
Microcytins
Nước ngọt,
Watanabe và
viridis
nước lợ
cs, 1988
Microcystis
Microcytins
Nước ngọt
Yasuno và cs,
wesenbergii
1995
(Cronber và Annadotter, 2006)
không chỉ tảo mà còn cả các thủy sinh vật khác. Thậm chí, ngay cả khi có hợp
chất nào đó có tác động chọn lọc lên tảo thì hậu quả của việc sử dụng những
chất này cũng còn là vấn đề cần bàn cãi như khả năng tiết độc tố ra môi
trường từ sinh khối tảo bị diệt, hoặc sự thiếu ôxy do quá trình phân hủy sinh
khối này gây ra dẫn đến việc cá chết hàng loạt… Bởi vậy giải pháp này
thường được thực hiện vào thời điểm đầu mùa khi tảo chưa tạo nước nở hoa.
Mặc dù có nhiều hạn chế, đôi khi đây là giải pháp duy nhất để lựa chọn, đặc
biệt là tại những hồ phì dưỡng (hypereutrophic) có lượng P trong đầu vào quá
cao. Do đó, việc tiếp tục tìm kiếm những chất diệt tảo có tác động chọn lọc và
ít tác dụng xấu lên môi trường nước là nhiệm vụ rất cần thiết.
Các tác nhân diệt tảo:
a.
Các chất vô cơ và hữu cơ
Đồng (Cu) ở dạng CuSO4.5H2O thường được sử dụng để diệt tảo do
khả năng ức chế quang hợp, quá trình hấp thu P và cố định N 2. Ưu thế của giải
pháp này là Cu tác động lên VKL mạnh hơn lên tảo lục, gây tác động nhanh
và giá thành tương đối thấp, tuy nhiên giải pháp này có nhiều hạn chế do các
tác động xấu lên môi trường như đã nêu ở trên.
Thông thường sinh trưởng của tảo bị ức chế ở nồng độ 5-10 µg/l, tuy
nhiên tại hiện trường để diệt tảo nồng độ này cao hơn nhiều ( > 1mg/l), đôi
khi trong trường hợp nở hoa nước mạnh nồng độ Cu tới 30-300mg/l cũng
không đạt hiệu quả mong muốn (Lam và cs, 1995). Do vậy giải pháp này
cũng rất ít được ứng dụng.
b.
Các chất vô cơ khác
gốc perhydroxy (HOO-) và gốc hydroxyl (OH •). Trong tự nhiên nhiều hợp
chất có tác động giống như các chất quang nhạy như chlorophyll tự do, các
chất mùn… Hầu hết các ROS đều tác động không chọn lọc. Thử nghiệm trên
hơn 40 dẫn xuất khác nhau cho thấy chúng có độc tính cao đối với cả tảo lam
lẫn tảo lục ở nồng độ dưới 1mg/L. Việc phát triển những ROS có hoạt tính lên
VKL và thích hợp cho sử dụng tại các thủy vực là một thách thức lớn cho
những nghiên cứu trong tương lai.
e.
Các chất hữu cơ
Nhiều chất diệt cỏ hữu cơ có hoạt tính độc cao đối với VKL như
Reglone A, nồng độ 2-4mg/l; simazin, 0,5mg/l; Diuron nồng độ 0,5 mg/l hay
paraquat, nồng độ 0,026 mg/l…Những chất hữu cơ này có ưu thế là có khả
năng bị phân hủy bằng sinh học do vi khuẩn (biodegradability). Tuy nhiên
23
việc sử dụng những chất này không an toàn cho môi trường và về mặt độc tố
học, hơn nữa chúng cũng tác động không chọn lọc và có giá thành cao
(Cooke, 2005).
f.
Các hợp chất và vật liệu tự nhiên
Có nhiều hợp chất và nguyên liệu tự nhiên có hoạt tính diệt tảo hoặc ức
chế sinh trưởng của tảo. Một số thực vật thủy sinh như Miriophyllum
spicatumtiết ra các chất có hoạt tính cảm nhiễm qua lại và ức chế sinh trưởng
của VKL. Tuy nhiên, lượng các chất này có đủ để ức chế sinh trưởng của tảo
trong toàn hồ không lại là vấn đề còn cần tranh luận (Berger, 2003; Nakai,
đang được nghiên cứu trong phòng thí nghiệm mà chưa được đưa vào ứng
dụng trong thực tiễn, bởi vậy chúng là những hợp chất có khả năng ứng dụng
trong tương lai và cần có nhiều nghiên cứu để làm sáng tỏ khả năng sử dụng
chúng trong thực tế.
Trên đây là tổng quan các phương pháp kiểm soát sự phát triển bùng
phát của VKL tại các thủy vực nước ngọt đã được nghiên cứu, thử nghiệm
hay ứng dụng trên thế giới. Mặc dù hiện có nhiều biện pháp khác nhau để
kiểm soát sự phát triển của VKL tại các thủy vực, tính hiệu quả của mỗi
phương pháp lại do nhiều yếu tố quyết định (kiểu và kích thước của thủy vực,
thời gian lưu của dòng nước, mức độ dinh dưỡng và dòng chảy dinh dưỡng
vào thủy vực, các thông số thủy lý, thủy hóa của thủy vực, chất lượng và hàm
lượng cặn lắng, thời vụ, nguồn cá….). Không có phương pháp nào là chung
cho mọi thủy vực. Kinh nghiệm ở nhiều nơi trên thế giới cho thấy sự kết hợp
một số phương pháp cả tại lưu vực sông lẫn xử lý trong hồ đem lại kết quả tốt
hơn nhiều so với việc sử dụng một phương pháp đơn lẻ. Mặt khác, việc lựa
chọn sử dụng hay kết hợp sử dụng những phương pháp nào lại phụ thuộc rất
nhiều vào khả năng tài chính của từng quốc gia cũng như tầm quan trọng của
thủy vực đối với quốc gia đó.
25
Copyright: Tài liệu đại học ©