Đánh giá ảnh hưởng và mức độ tích lũy của đồng, kẽm, cacdimi trên cây bèo tấm (LEMNA GIBBA L.) Trong thử nghiệm độc cấp tính

1. HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
KHOA MÔI TRƯỜNG
----------
KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG VÀ MỨC ĐỘ TÍCH LŨY CỦA
ĐỒNG, KẼM, CACDIMI TRÊN CÂY BÈO TẤM (LEMNA
GIBBA L.) TRONG THỬ NGHIỆM ĐỘC CẤP TÍNH
Người thực hiên : NGUYỄN HỒNG NHUNG
Lớp : GICTB
Khóa : 56
Chuyên ngành : MÔI TRƯỜNG
Giáo viên hướng dẫn : THS. NGUYỄN THỊ THU HÀ
HÀ NỘI - 2016

2. LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan khóa luận tốt nghiệp với đề tài: “Đánh giá ảnh hưởng
và mức độ tích lũy của Đồng, Kẽm, Cadimi trên cây Bèo tấm (Lemnagibba L.)
trong thử nghiệm độc cấp tích” là công trình nghiên cứu của bản thân. Những
phần sử dụng tài liệu tham khảo trong khóa luận đã được nêu rõ trong phần tài
liệu tham khảo. Các số liệu và kết quả trình bày trong khóa luận hoàn toàn trung
thực, nếu có sai sót em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Hà Nội, ngày tháng năm 2016
Sinh viên
Nguyễn Hồng Nhung
i

3. LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian thực tập và thực hiện khóa luận tại Phòng thí nghiệm bộ
môn Công nghệ môi trường, Học viện Nông nghiệp Việt Nam, em đã hoàn
thành đề tài khóa luận tốt nghiệp: “Đánh giá ảnh hưởng và mức độ tích lũy
của Đồng, Kẽm, Cadimi trên cây Bèo tấm (Lemnagibba L.) trong thử nghiệm
độc cấp tích”. Để hoàn thành khóa luận này, ngoài sự nỗ lực của bản thân, em
đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô, bạn bè và gia đình.
Trước tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới ThS. Nguyễn Thị
Thu Hà, Giảng viên bộ môn Công nghệ môi trường, khoa Môi trường, đã trực
tiếp hướng dẫn và chỉ bảo tận tình cho em trong suốt quá trình thực hiện đề
tài. Em xin chân thành cám ơn cô Nguyễn Thị Khánh, anh Trần Minh Hoàng
cán bộ quản lý Phòng thí nghiệm bộ môn Công nghệ môi trường, cùng quý
thầy cô đang giảng dạy tại bộ môn Công nghệ môi trường đã giảng dạy và tạo
điều kiện thuận lợi, giúp đỡ em trong quá trình học và thực tập tốt nghiệp.
Em xin gửi lời tri ân sâu sắc tới quý thầy, cô trong khoa Môi trường đã
tận tình hướng dẫn, chỉ bảo kiến thức trong suốt quá trình em học tập tại Học
viện.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến toàn thể bạn bè, người thân, gia đình
đã luôn bên cạnh và ủng hộ em trong suốt thời gian qua.
Kính chúc quý thầy, cô dồi dào sức khỏe và gặt hái được nhiều thành
công trong công tác cũng như trong cuộc sống.
Hà Nội, ngày 23 tháng 5 năm
2016
Sinh viên:
Nguyễn Hồng Nhung
ii

4. MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN...............................................................................................i
iii

5. DANH MỤC BẢNG
LỜI CAM ĐOAN...............................................................................................i
Bảng 1.1 Khối lượng phân tử và khối lượng riêng của một số kim loại nặng. .5
Bảng 1.2: Sự phát thải toàn cầu của một số kim loại nặng...............................7
Bảng 1.3. So sánh độc tính của các kim loại nặng đối với sinh vật................10
Bảng 2.1: Môi trường nuôi cấy Bèo tấm Hoagland-arnon..............................29
Bảng 2.2: Dãy thí nghiệm độc tính của các kim loại nặng đối với Bèo tấm...29
Bảng 3.4: Nồng độ ảnh hưởng (EC) của các kim loại đến Bèo tấm...............47
Bảng 3.5: Các dải nồng độ kim loại Đồng, Cadimi, Kẽm trong thử nghiệm
mãn tính...........................................................................................................50
Bảng 3.6: Nồng độ tối đa cho phép của các kim loại (MATC).......................51
Bảng 3.7: Nồng độ các kim loại sử dụng tính toán BCF.................................53
iv

6. DANH MỤC HÌNH
.........................................................................................................................15
Hình 1.2: Bản đồ phân bố địa lý của bèo tấm năm 1986................................15
Hình 3.2: Sự thay đổi tỷ lệ biểu hiện của Bèo tấm tiếp xúc kim loại Đồng theo
thời gian...........................................................................................................42
v

7. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ASS Phương pháp phổ hấp thu nguyên tử (Atomic Absorption
Spectrometer)
BCF Hệ số tích lũy (Bioconcentration factor)
EC Nồng độ ảnh hưởng cho sinh vật thí nghiệm (Effective
concentration)
FAO Tổ chức Lương thực & Nông nghiệp Liên Hợp Quốc (Food and
Agriculture Organization)
MACT Nồng độ tối đa có thể chấp nhận (Maximum Acceptable
Toxicant Concentration)
LOEC Nồng độ thử nghiệm thấp nhất nhận thấy sự ảnh hưởng
(Lowest observed effects concentration)
NOEC Nồng độ thử nghiệm cao nhất không nhận thấy sự ảnh hưởng
(No observed effects concentration)
USEPA Cơ quan bảo vệ Môi trường Mỹ (United States Environmental
Protecti on Agency)
WHO Tổ chức Y tế Thế giới (World Health Oganization)
vi

8. MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết
Trong những năm gần đây, khi thế giới đang trên con đường phát
triển ở mức toàn cầu hóa thì vẫn đề ô nhiễm môi trường được đặt ra hết
sức cấp thiết. Tốc độ ô nhiễm ngày càng tăng nhanh, mức độ ngày càng
trầm trọng đã ảnh hưởng lớn đến hệ sinh thái toàn cầu, một trong những
chất xúc tác đẩy nhanh tốc độ ô nhiễm môi trường đó là sự dư thừa kim
loại nặng trong môi trường. Hầu hết các kim loại nặng như Pb, Hg, Cd, As,
Cu, Zn, Fe, Cr, Co, Mn, Se, Mo... tồn tại trong nước ở dạng ion. Chúng phát
sinh từ nhiều nguồn khác nhau, trong đó chủ yếu là từ các hoạt động công
nghiệp. Khác với các chất thải hữu cơ có thể tự phân hủy trong đa số trường
hợp, các kim loại nặng khi đã phóng thích vào môi trường thì sẽ tồn tại lâu
dài. Chúng tích tụ vào các mô sống qua chuỗi thức ăn mà ở đó con người là
mắt xích cuối cùng. Quá trình này bắt đầu với những nồng độ rất thấp của các
kim loại nặng tồn tại trong nước hoặc cặn lắng, rồi sau đó được tích tụ nhanh
trong các động vật và thực vật sống trong nước. Tiếp đến là các động vật khác
sử dụng các thực vật và động vật này làm thức ăn, dẫn đến nồng độ các kim
loại nặng được tích lũy trong cơ thể sinh vật trở nên cao hơn. Cuối cùng ở
sinh vật cao nhất trong chuỗi thức ăn, nồng độ kim loại sẽ đủ lớn để gây ra
độc hại. Con người, xét theo quan điểm sinh thái, thường có vị trí cuối cùng
trong chuỗi thức ăn, vì thế con người vừa là thủ phạm vừa là nạn nhân của ô
nhiễm kim loại nặng.
Việc loại trừ các thành phần chứa kim loại nặng độc ra khỏi các nguồn
nước, đặc biệt là nước thải công nghiệp là mục tiêu môi trường quan trọng
bậc nhất phải giải quyết hiện nay. Đã có nhiều giải pháp được đưa ra nhằm
loại bỏ kim loại nặng trong nước thải trước khi thải ra môi trường. Bên cạnh
các phương pháp hóa - lý với những ưu thế không thể phủ nhận được người ta
1

9. đã bắt đầu nghiên cứu sử dụng các biện pháp sinh học vì nhiều loài sinh vật
có khả năng hấp thu kim loại nặng. Xử lý kim loại nặng dựa trên hiện tượng
hấp thu sinh học (biosorption) có thể là một giải pháp công nghệ của tương
lai. Trong số các sinh vật có khả năng đóng vai trò là chất hấp thu sinh học
(biosorbent) thì loài Bèo tấm (Lemna gibba L.) được đặc biệt chú ý.
Bèo tấm có tên khoa học là Lemna gibba L. là nhóm thực vật một lá mầm
thủy sinh có phổ phân bố rất rộng cùng với tốc độ sinh trưởng nhanh, có tiềm
năng kinh tế cao. Ngoài ra, Bèo tấm là thực vật thủy sinh ưa thích được sử
dụng để làm sạch các nguồn nước thải. Chính vì những đặc điểm khác biệt so
với các đối tượng thực vật khác mà Bèo tấm ngày càng nhận được sự quan
tâm nghiên cứu của các nhà khoa học ở nhiều quốc gia trên thế giới. Các
nghiên cứu không chỉ tập trung vào việc giải mã bộ gen mà còn giải quyết rất
nhiều các vấn đề khác như nghiên cứu bản chất của quá trình hình thành chồi
ngủ (turion), khả năng đáp ứng với điều kiện bất lợi và quan trọng hơn là vai
trò của chúng trong sản xuất nhiên liệu sinh học, làm thực phẩm cho con
người, thức ăn cho chăn nuôi, xử lý nước thải…
Việc tích tụ các kim loại nặng là một vấn đề đáng quan tâm trong xử lý
nước thải. Tất cả các loài Bèo tấm đều có khả năng hấp thụ và tích lũy trong
cơ thể một hàm lượng rất cao các kim loại nặng như Cd, Cr, Pb… Vì thế,
chúng có tiềm năng to lớn trong việc sử dụng để xử lý các nguồn nước thải
hoặc các khu vực bị ô nhiễm bởi kim loại nặng như công nghệ thuộc da, hầm
mỏ… để hạn chế tối đa sự có mặt của các kim loại này trong chuỗi thức ăn.
Theo nhiều công bố thì Bèo tấm có khả năng hấp thụ được Cd, N, Cr, Zn, Sr,
Co, Fe, Mn, Cu, Pb, Al và thậm chí là Au (FAO,1999). Khả năng hấp thụ Fe
của L. minor đã mở ra triển vọng cho việc sử dụng Bèo tấm để giải quyết hiện
tượng nước nhiễm Fe ở những khu vực mỏ than bỏ hoang (Teixeira S và
cs,2014). Bên cạnh đó, loài này còn có khả năng hấp thụ Bo, As, Cd, Cu và
Si. L. gibba cũng là loài phù hợp để sử dụng trong xử lý nước thải sinh hoạt,
2

10. đồng thời chúng còn có hàm lượng protein và carbonhydrate cao, phù hợp cho
sản xuất nhiên liệu sinh học (Verma R và Suthar S,2014).
Trước tình hình đó, tôi thực hiện đề tài: “Đánh giá ảnh hưởng và mức độ
tích lũy của Đồng, Kẽm, Cadimi trên cây Bèo tấm (Lemnagibba L.) trong
thử nghiệm độc cấp tích”
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Đánh giá ảnh hưởng cấp tính và mãn tính của các kim loại Đồng,
Kẽm, Cadimi đến Bèo tấm (Lemna gibba L.)
- Xác định mức độ tích lũy các kim loại Đồng , Kẽm , Cadimi trên
Bèo tấm (Lemnagibba .)
3

11. Chương 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Hiện trạng nhiễm bẩn kim loại nặng trong môi trường nước
1.1.1. Khái niệm và nguồn gốc kim loại nặng trong môi trường
Kim loại nặng là kim loại có nguyên tử lượng lớn và thường có khối
lượng riêng lớn hơn 5g/cm3
. Chúng có thể tồn tại trong mọi thành phần của
môi trường. Trong khí quyển ở dạng hơi, trong thủy quyển ở dạng muối hòa
tan. Trong địa quyển ở dạng rắn, không tan, khoáng quặng… trong sinh
quyển chúng tồn tại trong cơ thể con người và các loài động thực vật ( Lê
Huy Bá, 2000).
Kim loại nặng không phân hủy sinh học (Tam & wong, 1995), không
độc khi ở dạng nguyên tố tự do nhưng nguy hiểm đối với sinh vật sống khi ở
dạng cation do khả năng gắn kết với các chuổi cacbon ngắn dẫn đến sự tích tự
trong cơ thể sinh vật sau nhiều năm (Shahidul & Tanaka, 2004). Đối với con
người, có khoảng 12 nguyên tố kim loại nặng gây độc như chì (Pb), thủy ngân
(Hg), nhôm (Al), asen (As), cadimi (Cd), niken (Ni)… Một số kim loại nặng
được tìm thấy trong cơ thể và thiết yếu cho sức khỏe con người chẳng hạn
như sắt (Fe), kẽm (Zn), magan (Mn), coban (Co), magie (Mg), Molip đen
(Mo) và đồng (Cu) mặc dù tồn tại với số lượng rất ít nhưng chúng lại hiện
diện trong quá trinh chuyển hóa. Tuy nhiên, ở mức thừa các nguyên tố thiết
yếu có thể gây nguy hại đến đời sống của sinh vật (Foulkes, 2000).
4

12. Bảng 1.1 Khối lượng phân tử và khối lượng riêng của một
số kim loại nặng
Tên kim loại Khối lượng phân tử
(g)
Khối lượng riêng
(g/cm3
)
Pt 195 21,4
Hg 200,56 13,59
Pb 207 8,92
Cu 64 8,9
Co 59 8,9
Ni 59 8,9
Cd 112 8,65
Fe 56 7,86
Cr 52 7,2
Mn 55 7,2
Zn 65 7,14
Kim loại nặng hiện diện trong tự nhiên đều có trong đất và nước, hàm
lượng của chúng thường tăng cao do tác động của con người. Các kim loại
nặng do tác động của con người là nguồn gây ô nhiễm kim loại nặng chủ yếu
khi chúng đi vào môi trường đất và nước. Các kim loại do tác động của con
người như As, Cd, Cu, Ni, Zn và Cr thải ra ước tính là nhiều hơn so với
nguồn kim loại có trong tự nhiên, đặc biệt đối với chì 17 lần (Kabata-Pendias
& Adriano, 1995). Nguồn kim loại nặng đi vào đất và nước do tác động của
con người bằng các con đường chủ yếu như phân bón, bã bùn cống và thuốc
bảo vệ thực vật và các con đường phụ như khai khoáng và kỹ nghệ hay lắng
đọng từ không khí.Cụ thể các hoạt động bao gồm:
- Hoạt động sản xuất công nghiệp
+ Công nghiệp nhựa: Co, Cr, Cd, Hg.
+ Công nghiệp dệt: Zn, Al, Ti, Sn.
+ Công nghiệp sản xuất vi mạch: Cu, Ni, Cd, Pb.
+ Công nghiệp bảo quản gỗ: Cu, Cr, As.
+ Thủ công mỹ nghệ: Pb, Ni, Cr.
5

13. - Hoạt động khai thác quặng có chứa kim loại
+ Đào, xơi và cặn thải, nhiễm bẩn thông qua phong hóa, xói mòn
thải ra As, Cd, Pb, Hg.
+ Vận chuyển qua quá trinh tuyển quặng, khai khoáng – nhiễm
bẩn do bụi thải ra As, Cd, Sb, Se.
+ Công nghiệp sắt thép thải ra Cu, Ni, Pb.
- Do trầm tích từ không khí.
+ Nguồn từ đô thị và khu công nghiệp, bao gồm chất thải thiêu
hủy cây trồng: Cd, Cu, Pb, Hg.
+ Công nghiệp luyện kim: As, Cd, Cr, Cu, Mn, Pb.
+ Đốt cháy xăng dầu: As, Pb, Sb, Se, Cd.
- Kim loại từ khai thác.
+ Bùn cặn: Cd, Cu, Cr, Mn, Mo, Pb.
+ Rửa trôi từ đất: As, Cd, Fe, Pb.
+ Phế thải: Cd, Cr, Cu, Pb, Zn.
+ Đốt rác, bụi than: Cu và Pb.
Có thể thấy kim loại nặng trong môi trường từ rất nhiều nguồn thải tuy
nhiên đóng góp nhiều nhất về việc gia tăng các kim loại trong môi trường cả
về thành phần và hàm lượng chủ yếu vẫn do các hoạt động của con người
(Trịnh Quang Huy, 2007).
Có nhiều con đường xâm nhập của kim loại nặng vào môi trường nước
có thể do lắng đọng của bụi trong không khí, qua quá trinh rửa trôi các kim
loại nặng trong đất, mưa axit hòa tan các muối của kim loại nặng rồi xâm
nhập vào nước ngầm sau đó theo dông chảy ra các thủy vực, hoặc cũng có thể
do hoạt động đổ thải trực tiếp của các nghành công nghiệp đã kể đến trực tiếp
vào các thủy vực nhận thải.
Theo Galloway và Freedmas (1982) sự phát thải toàn cầu một số kim loại
nặng do tự nhiên và nhân tạo.
6

14. Bảng 1.2: Sự phát thải toàn cầu của một số kim loại nặng
Đơn vị: 108
g/năm
Nguyên tố Tự nhiên Nhân tạo
Cd 2,9 55
Cu 190 2600
Zn 360 8400
Sb 9,8 380
As 28 780
Cr 580 940
Co 70 44
Pb 59 20000
Mn 6100 3200
Hg 0,4 110
Mo 11 510
Ni 280 980
Se 4,1 140
Ag 0,6 50
Sn 52 430
V 650 2100
(Nguồn: Galloway và Freedmas,1982)
Theo nghiên cứu của Galloway và Freedmas năm 1982 về sự phát thải
toàn cầu của kim loại nặng. Sự phát thải trong nghiên cứu là do hai nguồn là
tự nhiên và nhân tạo, chủ yếu nguồn phát thải nhân tạo của các kim loại lớn
hơn rất nhiều lần nguồn phát thải tự nhiên. Cu và Zn là hai kim loại có nguồn
phát thải tự nhiên tương đối lớn, Zn có số lượng phát thải 8400x108
tấn/năm
đứng sau kim loại Pb trong bảng 1.2 có lượng phát thải là 20000x108
tấn/năm;
đứng sau Pb, Zn, Mn là Cu với lượng phát thải là 2400x108 tấn/ năm; như
vậy Zn đứng thứ 2 và Cu đứng thứ 4 trên tổng số 16 kim loại nặng dùng phát
thải nhiều. Trong nghiên cứu trên, tuy Cd có lượng phát thải nằm trong nhóm
kim loại phát thải ít nhất, nhưng ngày này Cd đang được quan tâm rất nhiều vì
nó có mặt trong hầu hết các hoạt động sản xuất, khai thác.
1.1.2. Hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng tại Việt Nam
7

15. Theo nghiên cứu của tác giả Nguyễn Nhật Quang (2003) thì hàm lượng
kim loại nặng trên một số con sông khu vực Hà Nội cũng đã tăng khá nhiều
lần so với quy chuẩn, các mẫu nước mặt ở các dòng sông Hà Nội đa số ô
nhiễm nặng về Cr gấp từ 1 – 8 tiêu chuẩn cho phép. Cụ thể khu vực sông Sét
đoạn qua Đại Học Bách Khoa Hà Nội hàm lượng Asen đã vượt quá so với
quy chuẩn từ 1,5 đến 1,7 lần nguyên nhân được nhận định ở đây là nước thải
từ các hoạt động nghiên cứu khoa học, các xưởng thực nghiệm của trường.
Đối với kim loại Crom đa số các khu vực sông Tô Lịch vượt chuẩn từ 1 đến 9
lần, sông Sét gấp từ 6 đến 8 lần, hàm lượng Crom trong sông Hồng thì tương
đối thấp do lưu lượng dòng sông quá lớn. Nguyên nhân là do trên địa bàn
thành phố Hà Nội có quá nhiều nhà máy mạ điện và nước thải của các nhà
máy xả thẳng vào lòng các con sông nên tình trạng ô nhiễm kim loại nặng
mới lớn như hiện nay. Nồng độ Kẽm của hầu hết các sông nội thành Hà Nội
đều cao hơn tiêu chuẩn cho phép chỉ riêng vị trí phố Định Công trên sông Lừ
là vượt quá tiêu chuẩn cho phép (gấp 1,5 lần). Cũng trong nghiên cứu này của
tác giả, nước mặt trên địa bàn thành phố Hà Nội đang bị nhiễm kim loại Chì
nghiêm trọng trên các địa điểm lấy mẫu tại sông Tô Lịch, nồng độ kim loại
Chì cao gấp 6 đến 12 lần tiêu chuẩn, trên sông Sét vượt 9 đến 10 lần tiêu
chuẩn cho phép (TCVN1995).
Nghiên cứu của tác giả Nguyễn Viết Thành khi phân tích hàm lượng
kim loại nặng trong môi tường nước lưu vực sông Nhuệ Đáy cũng chỉ ra rằng.
Kết quả phân tích cũng thể hiện đã có sự gia tăng hàm lượng kim loại nặng
trong nước sông Nhuệ so với kết quả phân tích năm 2010 trong báo cáo tổng
hợp kết quả ‘‘Quan trắc môi trường nước lưu vực sông Nhuệ Đáy năm 2010”.
Theo kết quả phân tích trong nước sông Nhuệ năm 2011-2012 cho thấy
một số điểm lấy mẫu nước đã có hàm lượng kim loại nặng Đồng, Chì, Kẽm
vượt quá tiêu chuẩn cho phép đối với chất lượng nước mặt cột A2 QCVN
08/2008/BTNMT. Điểm Phú Diễn: 1,213 mgZn/l vượt 1,213 lần; điểm WS5
8

16. (Thanh Liệt): 0.328 mg Cu/l vượt 1,64 lần; 0,045 mg Pb/l vượt 2,25 lần (theo
Nguyễn Viết Thành, 2012).
1.1.3. Tác động của kim loại nặng đến môi trường và sinh vật
Cũng như các nguyên tố khác kim loại nặng có thể cần thiết cho sinh
vật, cây trồng hoặc động vật và cũng có thể là không cần thiết. Những kim
loại cần thiết cho sinh vật thì chỉ cần hàm lượng vừa đủ nếu ít hơn hoặc nhiều
hơn sẽ gây tác động ngược lại. Những kim loại không cần thiết thì dù chỉ với
một hàm lượng rất nhỏ ngay cả ở dạng vết cũng gây độc đối với sức khỏe con
người và sinh vật. Các kim loại có thể là cần thiết đối với loài này nhưng lại
là yếu tố gây độc hại đối với loài khác (Đặng Đình Bách, 2006). Ví dụ như
niken đối với thực vật thì đây là nhân tố gây độc và không cần thiết nhưng đối
với động vật thì niken lại là một yếu tố rất quan trọng
Với những kim loại cần thiết cho sinh vật cần lưu ý về hàm lượng của
chúng. Nếu quá ít sẽ gây ảnh hưởng đến quá trinh trao đổi chất, nếu quá nhiều
lại gây tác dụng ngược lại, gây độc cho cơ thể. Như vậy sẽ luôn tồn tại một
hàm lượng tối ưu của kim loại mà chỉ nằm trong khoảng giá trị đó nó tác động
tích cực lên cơ quan, cơ thể của sinh vật, thúc đấy quá trình sinh trưởng và
phát triển. Trong môi trường kim loại không bị phân hủy mà tích tụ trong cơ
thể sinh vật, tham gia chuyển hóa sinh học tạo thành các hợp chất độc hại
hoặc ít độc hại hơn. Kim loại nặng cũng có thể tồn tại trong môi trường đất
nước, trầm tích và được chuyển hóa nhờ sợ biến đổi các kim loại nặng và là
nguyên nhân gây biến đổi vòng tuần hoàn vật chất hóa, địa, sinh học của
nhiều loài.
Các nguyên tố kim loại còn lại là các nguyên tố không thiết yếu và có
thể gây độc tính cao khi hiện diện trong cơ thể, tuy nhiên tính độc chỉ thể hiện
khi chúng đi vào chuổi thức ăn, các nguyên tố này bao gồm Hg, Ni, Cd, Al, Pt
và Cu ở dạng ion kim loại. Chúng đi vào cơ thể qua các con đường hấp thụ
của cơ thể như hô hấp, tiêu hóa hay qua da. Nếu kim loại nặng đi vào cơ thể
9

17. và tích lũy bên trong tế bào lớn hơn sự phân giải chúng thì chúng sẽ tăng dần
và sự ngộ độc thể hiện (Foulkes, 2000). Do vậy người ta bị ngộ độc không
những với hàm lượng cao của kim loại mà cả khi với hàm lượng thấp và thời
gian kéo dài sẽ đạt đến hàm lượng gây độc. Tính độc hại của các kim loại
nặng được thể hiện qua:
Một số kim loại nặng có thể bị chuyển từ độc thấp sang dạng độc cao
hơn trong một vài điều kiện môi trường, ví dụ thủy ngân.
Sự tích lũy và khuếch đại sinh học của các kim loại nặng này qua chuổi
thức ăn có thể làm tổn hại các hoạt động sinh lý bình thường và sau cũng gây
nguy hiểm cho sức khỏe của con người.
Tính độc của các nguyên tố này có thể ở một nồng độ rất thấp khoảng
0,1-10mg.L-1 (Alkorta et al, 2004)
Ảnh hưởng sinh học và hóa học của kim loại nặng trong môi trường
còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ hòa tan của các muối, tính khử, tính
oxy hóa, khả năng tạo phức và khả năng tích tụ sinh học. Muối của các kim
loại nặng dễ tan hơn muốn của các kim loại kiềm, kiềm thổ nên chúng dễ
dàng đi vào môi trường nước hơn. Ion của các kim loại nặng Zn, Co, Fe… dễ
dàng kết hợp với các dẫn xuất của N, S tạo thành các phức chất bền vững
trong môi trường. Một số kim loại nặng lại có thể tạo nên các bậc oxy hóa
khác nhau bền vững trong điều kiện môi trường để tham gia phản ứng oxy
hóa khử chuyển thành các hợp chất ít độc hơn (Fe2+/
Fe3+
). Nhiều kim loại có
khả năng chuyển hóa sinh học với các thành phần hữu cơ trong cơ thể tạo
thành các hợp chất hữu cơ – kim loại như metyl thủy ngân tích tụ trong cơ thể
sinh vật và có tác động độc hại.
Bảng 1.3. So sánh độc tính của các kim loại nặng đối với sinh vật
Sinh vật Tính độc hại
Động vật nguyên sinh (Protozoa)
Giun đốt (Annelida)
Hg, Pb > Ag > Cu > Cd > Ni > Co > Mn > Zn
Hg > Cu > Zn > Pb > Cd
10

18. Động vật có xương sống (Vertibrata)
Vi khuẩn khoáng hóa nitơ (Bacteria)
Tảo (Algae)
Nấm (Fungi)
Thực vật bậc cao (Plants)
Ag > Hg > Cu > Pb > Cd > Zn > Ni >Cr
Ag > Hg > Cu > Cd > Fe > Cr > Mn > Zn, Ni > Sn
Hg > Cu > Cd > Fe > Cr > Zn >Ni > Co > Mn
Ag > Hg > Cu > Cd > Cr > Ni > Pb > Co > Zn
Hg > Pb > Cu > Cd > Cr > Ni > Zn
Nguồn: Richardson và Nieboer, 1980
Trong môi trường các kim loại phân bố không đồng đều nhau ở các
thành phần môi trường. Và ngay cả khi trong cùng một thành phần thì chúng
cũng có sự phân bố không giống nhau. Do đó nắm bắt được thành phần kim
loại ở một số địa phương có ý nghĩa quan trọng trong việc kiểm soát sự gia
tăng và quá trình tuần hoàn của kim loại (Sách hóa học môi trường). Từ tổng
kết của bảng 1.3 cho thấy Hg, Ag, Cu là ba kim loại xếp hàng đầu trong vấn
đề độc tính đối với hệ sinh thái sinh vật; xếp kế tiếp theo độc tính giảm dần
đối với sinh vật là các kim loại Pb, Cd cuối cùng là kim loại Ni.
1.2. Đặc điểm sinh học và sinh thái học của Bèo tấm (Lemna gibba L.)
1.2.1. Đặc điểm sinh học và sinh thái học của Bèo tấm
a. Khái niệm và phân loại thực vật.
Bèo tấm có tên khoa học là Lemna gibba L. thuộc họ Ráy- Araceae (cùng
họ với với cây ráy và khoai nước). Bèo tấm là nhóm thực vật một lá mầm thủy
sinh có phổ phân bố rất rộng cùng với tốc độ sinh trưởng nhanh, có tiềm năng kinh
tế cao và được quan tâm trong các nghiên cứu cơ bản. Hiện nay, phân họ Bèo
tấm (Lemnoideae) có 37 loài thuộc 5 chi: Spirodela, Landoltia, Lemna,
Wolffiella và Wolffia (Cao H.X và cs ,2015).
Kích thước bộ gen của các loài rất khác biệt (từ khoảng 150 Mbp ở Spirodela
polyrhiza đến 1881 Mbp ở Wolffia arrhiza (hình 1.1).
11

19. Hình 1.1: Các loài đại diện của 5 chi bèo tấm với kích
thước hệ gen tương ứng
(Nguồn: Cao và cộng sự, 2015)
Cùng với tốc độ tăng sinh khối cao, sinh khối từ Bèo tấm có chứa hàm
lượng protein cao là nguồn thức ăn quan trọng cho vật nuôi. Đặc biệt, Bèo
tấm được nuôi trồng trên ao hồ trở thành một thành phần trong mô hình vườn
- ao - chuồng mà không làm ảnh hưởng đến diện tích đất trồng cây lương thực
truyền thống. Ngoài ra, Bèo tấm là thực vật thủy sinh ưa thích được sử dụng
để làm sạch các nguồn nước thải. Chính vì những đặc điểm khác biệt so với
các đối tượng thực vật khác mà Bèo tấm ngày càng nhận được sự quan tâm
nghiên cứu của các nhà khoa học ở nhiều quốc gia trên thế giới. Các nghiên
cứu không chỉ tập trung vào việc giải mã bộ gen mà còn giải quyết rất nhiều
các vấn đề khác như nghiên cứu bản chất của quá trình hình thành chồi ngủ
(turion), khả năng đáp ứng với điều kiện bất lợi và quan trọng hơn là vai trò
của chúng trong sản xuất nhiên liệu sinh học, làm thực phẩm cho con người,
thức ăn cho chăn nuôi, xử lý nước thải…
b. Đặc điểm sinh học
12

20. Bèo tấm có cấu trúc cơ thể vô cùng đơn giản gồm lá, thân có độ phân
hóa thấp và có rễ như Spirodela, Landoltia, Lemna hoặc không có rễ như
Wolffiella và Wolffia (Cao H.X và cs,2015)
Bên cạnh sự khác nhau về kích thước hệ gen, số lượng bộ nhiễm sắc
thể (NST) của các loài Bèo tấm cũng rất thay đổi, đa số các loài có bộ NST 2n
= 40 (số lượng NST của các loài dao động trong khoảng 20 - 126 (Landolt E,
1987) (Wang W và cs, 2011).
Theo R A Leng và cs, 1995 thì Bèo tấm có cấu trúc đơn giản hóa bởi
chọn lọc tự nhiên. Lá của Bèo tấm có dạng phẳng và hình trứng, rễ của một số
loài Bèo tấm có xu hướng dài ra khi nguồn dinh dưỡng hay khoáng chất đang
cạn kiệt. Theo Trần Thị Kim Dung (2009) thì Lemnaceae thuộc nhóm cây
một lá mầm nhỏ nhất, phần lớn có cả lá, rễ, hoa, quả, những cây trưởng thành
không có thân cây; lá (cánh bèo) có kích thước khác nhau phụ thuộc vào từng
chi, từng loài.
Kích thước và số lượng rễ trên một cánh bèo ở các loài Bèo tấm không
giống nhau và phụ thuộc vào từng loài. Đa số những loài thuộc họ Lemna chỉ
có một rễ, S.polyrrhiza có từ 7-12 rễ hoặc nhiều hơn và có thể dài đến 10 mm,
Landoltia có 2-3 rễ và có thể lên tới 5 rễ với chiều dài tối đa có thể đạt được 6
mm. Ngoại trừ điều kiện khắc nghiệt, trong điều kiện thiếu nitơ, phosphate
hay các khoáng chất sẽ dài hơn. Trong khi đó, trong môi trường dinh dưỡng
thuận lợi, rễ ngắn hơn thậm chí có loài không hình thành rễ. Cấu trúc rễ của
Bèo tấm cũng hết sức đơn giản, không có các rễ con và không phản ánh sự
tăng trưởng cũng như sự tạo nhánh. Vì lẽ đó rễ của Bèo tấm rất mảnh và nhỏ.
Cũng giống như các loại rễ phổ biến khác, rễ Bèo tấm có cấu tạo gồm 4 phần
chính: Đỉnh rễ, vùng mô phân sinh, vùng kéo dài và vùng các tế bào thuần
thục (Trần Thị Kim Dung, 2009).
Hoa và các loài Bèo tấm đã được nghiên cứu tương đối kĩ. Chúng
thường hình thành và tồn tại trong thời gian ngắn và hiếm khi quan sát thấy.
Hoa các loại Bèo có thể hình thành trong thời gian ngắn hay dài khác nhau
13

21. tùy thuộc vào loài. Mỗi hoa thường có 2 nhị hoa và 1 vòi nhụy hoa duy nhất.
các nhụy hoa thường ngắn và khó quan sát hơn. Hoa của chi Wolffia là nhỏ
nhất trong thế giới các loài hoa, nó chỉ dài 0,3 mm ( Landolt E. 1986)
Quả của Bèo đa phần là nhỏ, có lớp vỏ ngoài khô, một số trong đó có
thể được quan sát thấy bằng mắt thường. Quả Bèo thường có dạng như một
túi có răng cưa, đôi khi có dạng dọc hơi phẳng, và thường chứa từ 1-6 hạt.
Quả có dạng túi nhỏ chứa không khí và hạt, nhằm mục đích giúp cây có thể
nổi được trên mặt nước. ( Landolt E. 1986)
Bèo tấm có hai phương thức sinh sản để duy trì nòi giống là sinh sản
hữu tính và sinh sản vô tính. Sinh sản vô tính chiếm ưu thế hơn so với sinh sản
hữu tính. Hình thức sinh sản hữu tính của Bèo tấm chỉ xảy ra khi chúng gặp điều
kiện bất lợi để bảo tồn nòi giống (Trần Thị Kim Dung, 2009). Bèo tấm sinh sản
vô tính bằng hình thức nảy chồi từ vùng đỉnh phân sinh nằm trong xoang ở vùng
gốc cánh. Ở điều kiện tối ưu, tốc độ sinh sản vô tính của Bèo tấm gần đạt mức
tăng theo hàm số mũ. Lượng cánh Bèo có thể tăng gấp đôi chỉ sau 24 giờ nuôi
cấy ở các loài sinh trưởng nhanh như L. aequimoctialis, W. microscopica. Với
sinh sản vô tính thì thời gian một vòng đời của cánh Bèo chỉ vài tuần.
c. Phân bố địa lý
Sự phân bố địa lý của Bèo tấm được thể hiện qua kết quả nghiên cứu của
Landolt vào năm 1986 (hình 1.2). Dễ dàng thấy rằng, từ cách đây 30 năm, các nhà
khoa học đã phát hiện ra sự có mặt của Bèo tấm ở tất cả các châu lục, trừ các địa
cực. Đặc điểm đó thể hiện khả năng thích nghi của Bèo tấm với các vùng khí hậu
khác nhau, từ vùng lãnh nguyên của Siberia cho đến rừng mưa nhiệt đới Amazon
mà không có sự sai khác đáng kể về kiểu hình (Lam E, Appenroth K.J, Michael T,
Mori K, Fakhoorian T; 2014) (Landolt E, 1986).
Bèo tấm phân bố trên khắp thế giới nhưng phổ biến và đa dạng nhất là
ở các khu vực nhiệt đới và cận nhiệt đới. Còn ở các vùng ôn đới và hàn đới thì
chúng chủ yếu phát triển mạnh trong các tháng hè. Bèo tấm thường xuất hiện
14

22. ở các khu vực nước đọng hoặc có dòng chảy chậm. Sự tăng trưởng nhanh
thường được ghi nhận ở các ao hồ nhỏ, đầm lầy vì đây là những khu vực có
nguồn dinh dưỡng dồi dào. Đặc biệt là ở khu vực có cá sấu sinh sống thì tốc
độ tăng trưởng của bèo tấm là cực đại. Một vài loài cũng tồn tại trong môi
trường nước nhiễm mặn (tối đa 2,5% NaCl đối với Lemna minor), tuy nhiên
chúng không tích lũy ion Na+ trong quá trình sinh trưởng (FAO,1999).
Hình 1.2: Bản đồ phân bố địa lý của bèo tấm năm 1986
(Nguồn: Landolt,1986)
Ở điều kiện sinh trưởng tối ưu (về nhiệt độ nước, pH, chiếu sáng,
nguồn dinh dưỡng), Bèo tấm có thể tăng gấp đôi sinh khối trong vòng 16-24
giờ. Theo tính toán lý thuyết, với tốc độ sinh trưởng như vậy thì chỉ sau 50
ngày, Bèo tấm có thể mọc kín 1 ha nuôi trồng với lượng ban đầu chỉ 10 cm2
và sau 60 ngày thì sẽ phủ kín toàn bộ diện tích 32 ha (.FAO,1999)
1.2.2. Những ứng dụng bèo tấm trong các nghiên cứu hiện nay
a. Các nghiên cứu hiện nay trên Bèo tấm
15

23. Cách đây 40 năm, William Hillman đã có một bài bình luận rất thuyết
phục về việc sử dụng Bèo tấm - đối tượng thực vật thuộc họ Lemnaceae làm
cây mô hình cho các nghiên cứu về sinh học thực vật. Chu kỳ sinh trưởng
nhanh, kích thước cơ thể nhỏ, cấu trúc đơn giản và việc dễ dàng đánh dấu
phóng xạ trên toàn bộ cơ thể là những ưu điểm vượt trội của Bèo tấm so với
các đối tượng thực vật khác. Vì vậy, dựa trên các luận điểm của Hillman, Bèo
tấm đã được sử dụng rất rộng rãi trong nghiên cứu sinh học thực vật và đã
giúp các nhà khoa học khám phá ra quá trình sinh tổng hợp auxin cũng như
con đường đồng hóa sulfur từ thập niên 60 đến 80 của thế kỷ XX (Lam E,
Appenroth K.J, Michael T, Mori K, Fakhoorian T;2014).
Trong thập kỷ vừa qua, vấn đề phát triển nông nghiệp bền vững là một
yêu cầu cấp thiết để hạn chế những tác động của sự biến đổi khí hậu cũng như
cung cấp các nguồn thức ăn chăn nuôi mới. Và một lần nữa, Bèo tấm lại được
quan tâm đến như một đối tượng thực vật mô hình vì các điểm khác biệt so
với các đối tượng thực vật khác. Bèo tấm có thể được sử dụng để xử lý nước
thải, cung cấp nguồn nguyên liệu mới cho sản xuất nhiên liệu và khí đốt sinh
học với rất ít yêu cầu về đất trồng (Lam E, Appenroth K.J, Michael T, Mori
K, Fakhoorian T; 2014).
16

24. Hình 1.3: Số lượng các công trình khoa học liên quan đến bèo tấm được
thống kê bởi ISI Web of Science
(Nguồn: ISCDRA, 2015)
b. Các ứng dụng hiện đại của Bèo tấm
 Nguồn nhiên liệu sinh học
Do tốc độ gia tăng dân số cũng như sự phát triển của các khu công
nghiệp lớn nên nhu cầu về năng lượng trên toàn thế giới tăng rất nhanh. Dầu
thô và khí tự nhiên (nhiên liệu hóa thạch), nguồn nhiên liệu chính hiện nay
với trữ lượng có hạn, sẽ cạn kiệt trong tương lai không xa. Để đáp ứng cho
nhu cầu nhiên liệu ngày càng tăng cao thì việc tìm ra nguồn nhiên liệu mới để
thay thế là vô cùng cấp bách. Ethanol, butanol và biogas là những nguồn
nhiên liệu mới, có khả năng tái sinh sẽ dần thay thế dầu thô và khí tự nhiên.
Trong vòng 10 năm qua, sản lượng bioethanol đã tăng rất nhanh và đạt 85,2
triệu lít trong năm 2012. Nguồn nguyên liệu để sản xuất bioethanol rất đa
dạng như hạt ngô (ở Mỹ), củ cải đường (ở Brazil, Ấn Độ), khoai lang, khoai
mì… Tuy nhiên, đây không phải là những nguồn nguyên liệu tối ưu vì tốn
17

25. diện tích đất canh tác, gây ra các ảnh hưởng đối với môi trường (hiện tượng
xói mòn đất) cũng như đây đang là những loại cây lương thực chính cho
người và gia súc (Cui W và Cheng J.J, 2015).
Với những ưu điểm của mình (thực vật thủy sinh, tốc độ sinh trưởng
nhanh, có thể phát triển được trong môi trường nước ô nhiễm, khả năng hấp
thụ N, P cao, hàm lượng tinh bột nhiều…), Bèo tấm là một lựa chọn tiềm
năng làm nguồn nguyên liệu thay thế để sản xuất nhiên liệu sinh học. Dưới
đây là một số nghiên cứu về khả năng ứng dụng của Bèo tấm trong sản xuất
nhiên liệu sinh học:
Sử dụng bèo tấm để sản xuất bioethanol và biobutanol: Bèo tấm rất
dễ nuôi trồng, chỉ chứa một lượng rất nhỏ lignin, trong khi đó lại tích lũy các
thành phần cao năng lượng khác trong phần tinh bột dễ lên men (chiếm 40-
70% tổng sinh khối) (Wang W and Messing J, 2015). Với các kỹ thuật nuôi
trồng bèo tấm hiện nay, hàm lượng tinh bột được tổng hợp nhờ quá trình
quang hợp là rất lớn, vì thế các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào việc hạn chế
các quá trình phân giải tinh bột (Cui W và Cheng J.J, 2015)
Các nghiên cứu chính bao gồm:
(1) Sự thiếu hụt P, K và N là nguyên nhân làm giảm quá trình dị hóa, từ
đó gia tăng hàm lượng tinh bột tích lũy trong cây. Năm 2009, Cheng và
Stomp đã nghiên cứu và thấy rằng khi cấy chuyển Bèo tấm từ môi trường
giàu dinh dưỡng sang môi trường chỉ có nước máy thì hàm lượng tinh bột tích
lũy trong S. polyrhiza tăng lên từ 20-45,8% sau 5 ngày;
(2) Năm 2011, Cui và cộng sự đã công bố điều kiện nhiệt độ thấp và thời
gian chiếu sáng kéo dài sẽ gia tăng sự tích lũy tinh bột ở S. polyrhiza . Cụ thể,
khi nhiệt độ ban ngày không thay đổi thì nhiệt độ thấp vào ban đêm sẽ kích
thích sự tích lũy tinh bột. Ngược lại, hàm lượng tinh bột không khác biệt
trong điều kiện thay đổi nhiệt độ ban ngày và giữ nguyên nhiệt độ ban đêm;
18

26. (3) Năm 1976, McLaren và Smith đã nghiên cứu và thấy rằng: sau 6
ngày nuôi cấy L. minor trong môi trường có mặt 10-6M ABA thì trọng lượng
tươi giảm 60% nhưng sinh khối khô tăng 220% và tinh bột trong sinh khối
khô tăng gần 500%.
Su và cộng sự (2014) đã chỉ ra rằng Bèo tấm là một cơ chất có tiềm năng
trong quá trình lên men vì dưới tác động của nấm men chúng không những
được chuyển hóa thành ethanol mà còn tạo ra các alcohol cao năng lượng
khác để sản xuất nhiên liệu sinh học.
Bên cạnh đó, việc thử nghiệm sản xuất sinh khối trên quy mô lớn cũng
đã được thực hiện. Năm 2011, Cui và cs đã xây dựng hệ thống nuôi và thu
sinh khối Bèo tấm đầu tiên để sản xuất ethanol tại North Carolina, Mỹ. Năm
2012, Farrell đã nuôi Bèo tấm trong một đầm rộng 23 ha và thấy rằngtrong
điều kiện thiếu dinh dưỡng thì hàm lượng tinh bột gia tăng từ >10% lên đến
trung bình 19%. Các yếu tố chính cần quan tâm khi nuôi trồng là: mật độ Bèo,
thời gian thu hoạch và bổ sung dinh dưỡng.
Sử dụng Bèo tấm để sản xuất khí sinh học (biogas): sử dụng quá trình
lên men kỵ khí các chất thải nông nghiệp và chăn nuôi để sản xuất khí sinh
học đã được nghiên cứu từ nhiều năm nay. Năm 1996, Clack đã thấy rằng bổ
sung thêm Bèo tấm trong giá thể lên men đã làm gia tăng đáng kể lượng khí
sinh học tạo ra (hơn 44% so với đối chứng) . Triscari và cộng sự cho thấy chỉ
cần bổ sung 0,5-2,0% Bèo tấm thì tổng lượng khí sinh học và methanol gia
tăng rất lớn, nhưng nếu bổ sung hơn 2% thì sự gia tăng không còn tiếp tục.
Nghiên cứu tiếp theo của Huang và cộng sự (2013) cũng tiếp tục khẳng định
vai trò của bèo tấm trong quá trình lên men tạo biogas. Trong nghiên cứu của
mình, Cu T.T.T và cộng sự (2015) đã tiến hành đề tài khảo sát sự hình thành
biogas từ các nguồn nguyên liệu phổ biến tại Việt Nam: phân gia súc, chất
thải lò mổ, phế phụ phẩm nông nghiệp… Kết quả nghiên cứu cho thấy,S.
polyrhiza cho hàm lượng CH4 (340 l/kg) cao hơn so với cỏ (220 l/kg) và rau
muống (110,6 l/kg).
19

27.  Xử lý nước thải
Nước là một nguồn tài nguyên thiên nhiên có hạn, trong khi đó nhu cầu
về nước phục vụ cho con người và sản xuất nông nghiệp ngày càng tăng. Bên
cạnh đó, việc sử dụng quá mức phân bón và thuốc bảo vệ thực vật trong sản
xuất nông nghiệp đã dẫn đến tình trạng ô nhiễm nguồn nước ngầm. Thực
trạng thiếu hụt nguồn nước sạch sinh hoạt đã và đang trực tiếp ảnh hưởng đến
hơn 1 tỷ người trên toàn thế giới. Việc sử dụng một số loài thực vật thủy sinh
có khả năng hấp thụ và chuyển hóa các chất trong nước thải được xem như là
liệu pháp sinh học có nhiều hứa hẹn để giải quyết vấn đề ô nhiễm nước thải
và tái sử dụng nguồn nước này (Muradov N và cs ,2014).
Do có khả năng sinh trưởng trong môi trường nước thiếu oxy và hấp thụ
các chất dinh dưỡng cần thiết như PO4
3
- và NO3
-
nên Bèo tấm được sử dụng
có hiệu quả cho việc xử lý nước thải. Vì thế, đây là loài thực vật được sử dụng
trong các phương pháp phân tích sinh học để đánh giá chất lượng nước, để xử
lý các loại nước thải bị nhiễm kim loại nặng (Appenroth K.J Crawford D.J và
Les D.H,2015).
Việc tích tụ các kim loại nặng là một vấn đề đáng quan tâm trong xử lý
nước thải. Tất cả các loài Bèo tấm đều có khả năng hấp thụ và tích lũy trong
cơ thể một hàm lượng rất cao các kim loại nặng như Cd, Cr, Pb… Vì thế,
chúng có tiềm năng to lớn trong việc sử dụng để xử lý các nguồn nước thải
hoặc các khu vực bị ô nhiễm bởi kim loại nặng như công nghệ thuộc da, hầm
mỏ… để hạn chế tối đa sự có mặt của các kim loại này trong chuỗi thức ăn.
Theo nhiều công bố thì bèo tấm có khả năng hấp thụ được Cd, N, Cr, Zn, Sr,
Co, Fe, Mn, Cu, Pb, Al và thậm chí là Au (FAO,1999). Khả năng hấp thụ Fe
của L. minor đã mở ra triển vọng cho việc sử dụng bèo tấm để giải quyết hiện
tượng nước nhiễm Fe ở những khu vực mỏ than bỏ hoang (Teixeira S và
cs,2014),. Bên cạnh đó, loài này còn có khả năng hấp thụ Bo, As, Cd, Cu và
Si. L. gibba cũng là loài phù hợp để sử dụng trong xử lý nước thải sinh hoạt,
20

28. đồng thời chúng còn có hàm lượng protein và carbonhydrate cao, phù hợp cho
sản xuất nhiên liệu sinh học (Verma R và Suthar S,2014).
Zhao và cộng sự (2015) đã so sánh tiềm năng ứng dụng của 4 dòng bèo
tấm thuộc 4 chi khác nhau để xử lý nước thải trong các pilot thử nghiệm trong
vòng hơn 1 năm. Kết quả nghiên cứu cho thấy, các dòng bèo tấm có những ưu
điểm riêng rất khác biệt:
(1) Lemna japonica 0223 và Landoltia punctata 0224 sinh trưởng quanh
năm, trong khi S. polyrhiza 0225 và Wolffia globosa 0222 lại không sống sót
trong điều kiện lạnh;
(2) L. japonica 0223 có sinh khối khô, hàm lượng protein thô, amino acid tổng
số và phốt pho là cao nhất, khả năng tích lũy N và P tổng số cũng rất cao;
(3) Trong điều kiện nghèo dinh dưỡng thì L. punctata 0224 có hàm
lượng tinh bột, sinh khối khô và khả năng tích lũy tinh bột là cao nhất;
(4) S. polyrhiza 0225 và W. globosa 0222 có tỷ lệ và hàm lượng
flavonoid tổng số cao. Vì thế, dựa trên kết quả của nghiên cứu này, có thể lựa
chọn các dòng bèo tấm phù hợp cho mục đích sản xuất.
Ví dụ: L. japonica 0223 là dòng có khả năng xử lý nước thải và sản suất
sinh khối tốt nhất, trong khi L. punctata 0224 lại là đối tượng thích hợp để sản
xuất tinh bột.
Nguồn thực phẩm cho con người và thức ăn chăn nuôi
Vì có hàm lượng N, P, K cũng như một số chất khoáng và protein cao,
Bèo tấm được nuôi trồng để cung cấp nguồn dinh dưỡng quan trọng trong
khẩu phần ăn của lợn, cá và gia cầm (FAO, 1999). Các thử nghiệm cho thấy,
bèo tấm có thể được sử dụng thay thế cho đậu nành và cá trong khẩu phần ăn
của cả gà trống, gà mái và gà con. Gà mái sử dụng 40% bèo tấm trong khẩu
phần hàng ngày cho trứng nhiều hơn với chất lượng tốt hơn.( Skillicorn P và
cs,1993)
21

29. 1.3. Phương pháp thử nghiệm độc tính của kim loại đối với thủy sinh vật
1.3.1. Nguyên lý của phương pháp thử nghiệm độc tính
Theo Lê Quốc Tuấn (2010), độc chất học môi trường là ngành khoa
học nghiên cứu “số phận” và ảnh hưởng của các hóa chất trong môi trường.
Độc chất học môi trường có thể chia ra thành 2 chuyên ngành: độc chất học
sức khỏe môi trường và đôck chất học sinh thái. Trong đó, độc học sinh thái
liên quan đến ngành nghiên cứu ảnh hưởng của độc chất lên nhiều loại sinh
vật cấu thành nên hệ sinh thái từ vi sinh vật cho đến động vật ăn thịt. Để đánh
giá ảnh hưởng của hóa chất trong môi trường cần phải sử dụng kiến thức
chuyên ngành của nhiều ngành khoa học khác nhau. Mục đích cuối cùng của
những đánh giá này là giải thích ảnh hưởng của hóa chất có mặt trong môi
trường (đánh giá quá khứ nguy hại) và dự đoán ảnh hưởng của các hóa chất
trước khi chúng được thải vào môi trường (đánh giá tiềm năng nguy hại). Hóa
chất gây nên các mối nguy hiểm cho môi trường thường có 3 đặc điểm sau:
bền vững trong môi trường, dễ tích lũy trong cơ thể và độc tính cao.
Mối quan hệ giữa liều lượng của một hợp chất và độc tính của hợp chất
là vấn đề quan trọng nhất trong độc học hoặc độc chất môi trường. Paracelsus
(1493-1541) – người đặt nền tảng cho độc học là người đã mô tả mối quan hệ
này, khi đó, ông viết: “ Mọi hóa chất đều có tính độc, không có chất nào
không độc. Một liều lượng đúng sẽ phân biệt một chất độc với một loại
thuốc”, và đó là nguyên tắc của độc học. để đánh giá mức độ độc, sử dụng
một công cụ gọi là dấu hiệu sinh học (biomarker) bao gồm các dạng:
+ Phơi nhiễm (Exposure) sử dụng những biểu hiện của sinh vật khi tiếp
xúc với hóa chất (từ không khí, nước, dược phẩm, thức ăn..) khi đó, những
biểu hiện này có thể là sự thay đổi trong thành phần hóa học của máu, của tế
bào. Nghiên cứu dạng này sử dụng kết quả thống kê trong tự nhiên ( ví dụ đối
tượng là con người) tuy nhiên nghiên cứu ảnh hưởng tới con người hoặc sinh
vật trong môi trường. Nghiên cứu này sử dụng đồng thời nồng độ trong cơ thể
và nồng độ trong môi trường phơi nhiễm.
22

30. + Đáp ứng ( Response) sử dụng những biểu hiện bên ngoài của sinh vật
khi bị ảnh hưởng bởi hóa chất (từ sự thay đổi sinh lý, hành vi cho tới bị bệnh).
Do đó, có rất nhiều loại biểu hiện cần được liệt kê và xác định trong nghiên
cứu (ví dụ: tăng hoặc giảm chức năng enzym, chức năng trao đổi chất, cấu
trúc và hình thái tế bào, bệnh học,..)
+ Mẫn cảm (Susceptibitily) sử dụng sự thay đổi về nồng độ của các
enzyme hoặc chuyển trạng thái của các enzyme. Ngoài ra, thuật ngữ này còn
xác định bằng phản ứng của cả quần thể ( thay vì một cá thể).
Trước tiên cần thảo luận rõ ràng về biểu hiện của chất độc đến sinh vật
bao gồm: biểu hiện hóa sinh, biểu hiện sinh lý và biểu hiện bệnh lý sau đây
gọi chung là các biểu hiện sẽ gia tăng khi liều lượng gia tăng. Tuy nhiên, đối
với phần lớn các chất độc không phải tất cả các sinh vật đều có biểu hiện
giống nhau hoặc tất cả các cơ quan của sinh vật đều có biểu hiện giống nhau.
Ở một cá thể hoặc một cơ quan được theo dõi ảnh hưởng của chất độc là có
hoặc không (được xác định bằng xác suất xuất hiện của sự kiện biểu hiện) do
đó cũng gọi là đáp ứng hữu hạn (quantal). Trong trường hợp này, sự tăng liều
lượng đồng nghĩa với việc tăng tỷ lệ sinh vật thử nghiệm thể hiện phản ứng.
a. Độc cấp tính
Độc cấp tính được định nghĩa là độc tính diễn ra trong thời gian phơi
nhiễm ngắn. Độc cấp tính trong môi trường thường liên quan đến tai nạn (ví
dụ: sự rò rỉ của hóa chất vào trong một con sông do tai nạn của một tàu chở hóa
chất) hoặc sự bất cẩn trong việc sử dụng hóa chất (ví dụ: sự phun hóa chất của
các máy bay nhưng không đúng mục tiêu). Các giới hạn xả thải được đưa ra
dựa vào chất thải công nghiệp hoặc chất thải sinh hoạt, khi được tuân thủ,
thường thành công trong việc bảo vệ sinh vật trong các vùng tiếp nhận khỏi bị
độc tính cấp.
Độc cấp tính của các chất môi trường được xác định qua thí nghiệm với
sự lựa chọn các loài đại diện trong hệ thống sinh thái (ví dụ: động vật có vú,
23

31. chim,cá, động vật không xương sống, thực vật có mạch, tảo. Cụ thể, USEPA
yêu cầu các kiểm nghiệm độc cấp tính với ít nhất 8 loài nước ngọt và nước
mặn khác nhau (16 kiểm nghiệm) bao gồm cá, động vật không xương sống,
và thực vật khi thành lập các tiêu chuẩn về một chất nào đó trong môi trường
nước. Sinh vật thử nghiệm được lưu trong môi trường hoặc tiếp xúc ngắn hạn
với chất độc có nồng độ khác nhau, thời gian lưu có thể là 24h, 48h, 96h tùy
từng loại.
b. Độc mãn tính
Độc mãn tính được định nghĩa như là độc tính do kết quả của sự phơi
nhiễm lâu dài của sinh vật đối với một độc chất nào đó. Độc tính lâu dài
thường liên quan đến các quá trình sinh sản, đột biến, nội tiết và rối loạn chức
năng phát triển. Tuy nhiên, phơi nhiễm mãn tính cũng có thể dẫn đến cái chết
trực tiếp không quan sát được trong quá trình phơi nhiễm cấp tính. Ví dụ,
phơi nhiễm mãn tính xủa các chất ái lực cao với lipid có thể dẫn đến sự tích
lũy sinh hoăc chất đó đến nồng dộ có thể gây chết sinh vật. Hoặc, sự di
chuyển các chất độc có ái lực với lipid giữa các thành phần lipid trong quá
trình sinh sản có thể dẫn đến cái chết. Về lý thuyết, điều quan trọng là nhận ra
rằng tất cả các chất gây nên độc tính cấp ở một nồng độ đủ cao, thì hầu như
không gây nên độc tính mãn tính.
1.3.2. Phương pháp tiến hành thử nghiệm độc tính
Để tiến hành đánh giá độc tính của một chất độc chỉ định, tiến hành lựa
chọn sinh vật thử nghiệm. Theo Lê Văn KHoa (2007), sinh vật thử nghiệm
phải đảm bảo phần lớn các tiêu chí sau: phổ biến, thông dụng, rẻ tiền hoặc dễ
kiếm trong tự nhiên; có nhiều dẫn liệu về đặc diểm sinh lý, sinh sản tự nhiên;
có vòng đời ngắn
Thử nghiệm được tiến hành bằng tiếp xúc nhân tạo các chất độc, quan
sát các biểu hiện ngộ độc của sinh vật trong thời gian đó, đánh giá chi tiết sau
thời gian tiếp xúc chất độc (phản ứng sinh lý, hóa sinh) và sau đó lập đường
cong liề lượng – phản ứng, xác định các thong số đánh giá mức độ. Trong đó:
24

32. Liều lượng: là đơn vị tiếp xúc của một hóa chất đối với sinh vật được
biểu diễn bằng nồng độc hoặc liều lượng tiếp xúc;
Nồng độ tiếp xúc: khối lượng/thể tích môi trường tiếp xúc;
Liều lượng tiếp xúc: khối lượng/trọng thể; khối lượng/diện tích bề mặt
tiếp xúc.
Phản ứng: là biểu hiện của một hoặc một vài bộ phận hoặc toàn bộ cơ
thể sinh vật trước những chất gây kích thích;
Mối quan hệ giữa liều lượng và phản ứng: định lượng ảnh hưởng của
việc tiếp xúc chất độc với những biểu hiện của sinh vật thử nghiệm.
Để xác định độc cấp tính, một phương pháp thử nghiệm thông dụng là
xây dựng một thí nghiệm mà một kết quả xác định (nghĩa là một phản hồi toàn
phần hay không: chết hay không ) được suy luận ra. Mối quan hệ giữa nồng độ
chất thử và phần trăm cá thể bị ngộ độc được xác định và một đường cong ngộ
độc gây chết sẽ được xác lập. Kết quả của các thử nghiệm ngắn hạn cho thấy
phần trăm cá thể sinh bị giết hay bất động trong nồng độ thử, và LC50, EC50
được ghi nhận bằng quan sát, tính toán hay nội suy. Các thử nghiệm độc cấp
tính của một chất được xác định được thông qua đánh giá các đại lượng LD,
LC, ED, EC. Các đại lượng này được suy ra từ đường cong biểu diễn liều
lượng và đáp ứng.
- LD (Lethal Dose): liều lượng gây chết, đơn vị mg/kg.
- LC (Lethal Concentration): Nồng độ gây chết, đơn vị mg/l.
- ED (Effective Dose): liều lượng gây ảnh hưởng, mg/kg.
- EC (Effective Concentration): nồng độ gây ảnh hưởng, mg/l.
Từ đồ thị ví dụ trên cho ta thấy đường cong đáp ứng với trục tung biểu diễn %
đáp ứng gây chết, trục hoành biểu diễn liều lượng. Từ đường cong đáp ứng ta
suy ra được liều lượng gây chết là LD50=100mg/kg. Thông thường các đại
lượng này đi kèm với các thong số: thời gian thí nghiệm, sinh vật được sử
dụng trong thí nghiệm, phần trăm (%) đáp ứng. Trong đó: thời gian phơi
nhiễm chất độc là 24h, 48h. 96h; phần trăm đáp ứng có thể lấy ở các mức 0%,
25

33. 10%, 50%, 90%, 99%. Tuy nhiên trong các giá trị này thì mức 50% được sử
dụng nhiều nhất.
Ngoài các tiêu chí đánh giá trên một số khái niệm khác cũng được sử
dụng trong các thử nghiệm độc tính bao gồm có : IC50 (inhibitory
concentration) và TC50 (Toxic Concentration) là nồng độ gây ức chế và gây
ngộ độc 50% sinh vật thử nghiệm.
1.3.3. Hiện trạng thử nghiệm độc tính của kim loại nặng
Trên thế giới tính đến hiện nay đã nhiều nghiên cứu đánh giá trên động
thực vật đối với độc tính của các kim loại nặng như kim loại Cadimi, Đồng,
Kẽm, Chì,… Tuy nhiên, do đặc trưng của các nghiên cứu này đề đánh giá ảnh
hưởng của nồng độ kim loại và tiếp xúc kim loại đối với con người nên kết
quả của các nghiên cứu này chủ yếu là chỉ ra giá trị Liều gây chết 50% sinh
vật thử nghiệm của các kim loại trên. Nghiên cứu cũng chú trọng đến các sinh
vật bậc cao (lớp thú) như chuột nhắt, chuột đồng, thỏ, lợn, chó, linh trưởng…
Trong đó, kết quả nghiên cứu và tổng hợp của các tổ chức y tế khá đầy
đủ về mức độ của các kim loại trong nghiên cứu này với động vật bậc cao. Ví
dụ, tổ chức kiểm soát và phòng ngừa bệnh dịch (CDC) tổng hợp lại rằng với
nồng độc Cadimi trong bảng khi vào trong cơ thể động vật rất độc và chúng
có thể gây chết 50% số động vật thử nghiệm chỉ sau vài phút. Từ đó, cũng có
nhiều phép nội suy cho phép tính nồng độ gây độc và nồng độ an toàn của Cd
trong nước đối với các sinh vật thử nghiệm.
Hiện nay, phần lớn các nghiên cứu tập trung về đánh giá độ độc tính
của kim loại nặng đến sức khỏe, vì vậy đối tượng thử nghiệm thường là các
loài trên cạn. Do đó, giá trị LD50 thường được xác định hon so với LC50
( thiên về các nghiên cứu độc chất sinh thái).
Thử nghiệm độc tính trong môi trường nước đối với các chất độc nói
chung và kim loại nặng nói riêng được tiến hành rất nhiều từ những năm 1960
và đã đem lại nhiều thành tựu đáng kể. Các sinh vật thử nghiệm thường được
sử dụng là vi khuẩn lam, bèo hoa dâu ( đối với thực vật) daphnia, cá, lưỡng
26
Tải bản FULL (file word 74 trang): bit.ly/37M4XoW
Dự phòng: fb.com/TaiHo123doc.net

34. cư… (đối với động vật). Nhiều tổ chức trên thế giới cũng đã công bố thủ tục
thử nghiệm đối với các loại sinh vật này (ASTM, OECD, USEPA).
27

35. Chương 2. ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng sinh vật thử nghiệm là loài Bèo Tấm (Lemna gibba L.)
được thu nhập tại các thủy vực không nhận bất kì nguồn thải công nghiệp
nào. Các cá thể ở giai đoạn trưởng thành, khoẻ mạnh, có kích thước đồng đều,
được để ổn định bằng cách nuôi trong môi trường nuôi cấy Bèo Tấm
(Hoagland-Arnon, 1950) hai ngày trước khi thử nghiệm
- Đối tượng hóa chất là các muối kim loại Cu2+
, Zn2+
, Cd2+
sử dụng dạng:
+ CuSO4.5H2O
+ 3CdSO4.8H2O
+ ZnSO4.7H2O
- Phạm vi nghiên cứu: Thử nghiệm độc cấp tính trên quy mô phòng thí
nghiệm với thời gian 4 ngày; Thử nghiệm mãn tính trên quy mô phòng thí
nghiệm với thời gian 30 ngày
2.2. Nội dung nghiên cứu
- Đánh giá ảnh hưởng cấp tính và mãn tính của các kim loại Đồng,
Kẽm, Cadimi đến bèo tấm (Lemna gibba L.)
- Xác định mức độ tích lũy các kim loại Đồng , Kẽm , Cadimi trên
Bèo tấm (Lemnagibba L.)
2.3. Phương pháp nghiên cứu
2.3.1 Thí nghiệm 1: thí nghiệm độc cấp tính
a. Phương pháp bố trí thí nghiệm
- Bèo tấm sau khi thu thập ngoài thủy vực về được nuôi trong môi trường
dinh dưỡng nhân tạo theo bảng 2.1.
28

36. Bảng 2.1: Môi trường nuôi cấy Bèo tấm Hoagland-arnon
Tên hóa chất Hàm lượng (g/l)
Ca(NO3)2 không ngậm nước 0,82045
KH2PO4 0,13609
KNO3 0,50555
MgSO4.7H2O 0,24076
Nguồn: Hoagland-Arnon (1950)
- Sau đó vớt Bèo ra cân bằng cân phân tích để vào các ô thí nghiệm,
mật độ Bèo tấm trong một ô thí nghiệm: 10g Bèo/l môi trường.
- Dải nồng độ các kim loại thí nghiệm nghiên cứu được trình bày ở
bảng 2.2:
Bảng 2.2: Dãy thí nghiệm độc tính của các kim loại nặng
đối với Bèo tấm.
Kim Loại Dải nồng độ (ppm)
Cu2+
0 0,005 0,05 0,5 5 50 500 5000
Cd2+
0 0,005 0,05 0,5 5 50 500 5000
Zn2+
0 0,005 005 0,5 5 50 500 5000
- Các điều kiện thí nghiệm chung:
• Thí nghiệm được tiến hành với điều kiện: chế độ chiếu sáng và
cường độ ánh sáng tự nhiên; thoáng khí.
• Thể tích thí nghiệm: 1 lít môi trường trong 1 ô thí nghiệm.
• Số lần lặp lại: 3 lần
b. Phương pháp đánh giá kết quả
- Theo dõi các chỉ tiêu
• Kích thước lá: sử dụng thước đo vật lý, đo khoảng rộng nhất trên
một cây. Mỗi mẫu chọn bất kì 10 cây, đo rồi lấy số liệu chung bình.
• Chiều dài rễ: cũng sử dụng thước đo vật lý, đo từ đầu rễ phía giáp với
cuống lá đễn đầu rễ còn lại. Mỗi mẫu chọn 10 cây, đo rồi lấy số liệu trung bình.
29
Tải bản FULL (file word 74 trang): bit.ly/37M4XoW
Dự phòng: fb.com/TaiHo123doc.net

37. • Khối lượng Bèo trong ô thí nghiệm: vớt tất cả Bèo trong một ô thí
nghiệm lên, để khô nước, rồi cân bằng cân thí nghiệm. Cân xong lại thả Bèo
vào môi trường giống cũ.
• Màu lá: quan sát trực tiếp bằng mắt, so sánh màu sắc các lá với mẫu
đối chứng.
• Đếm số lượng lá trên cây: chọn bất kì 10 cây trong một ô thí
nghiệm, đếm số lá trên cây rồi lấy kết quả trung bình.
• Đếm số cây bị ảnh hưởng: trong mỗi ô thí nghiệm lấy tất cả Bèo
trong một khoảng bất kì có diện tích 5x5 (cm), đếm số lượng Bèo trong ô đó,
số Bèo bình thường và số Bèo bất thường.
- Tần suất và số lần lặp lại: quan sát và đo đạc tối thiểu 10 cá thể thí
nghiệm/công thức sau những khoảng thời gian nhất định:0 giờ; 12 giờ: 24
giờ; 36 giờ; 48 giờ; 72 giờ; 96 giờ thí nghiệm.
• Đánh giá biểu hiện của sinh vật thử nghiệm
Biểu hiện của Bèo tấm thử nghiệm bao gồm các dạng:
Biểu hiện bình thường: màu lá xanh non đặc trưng; kích thước lá, khối
lượng lá, số nhánh lá trên một cây Bèo tăng ( theo Alonso và Camargo, 2011).
Biểu hiện bị ảnh hưởng: màu lá có thể bị chuyển màu, bị đốm, thâm
mép lá; kích thước, khối lượng và số nhánh tăng không đáng kể so với mẫu
trắng; hoại tử các cơ quan; chết. (theo Alonso và Camargo, 2011);
Biểu hiện bị ngộ độc: lá bị mất màu xanh hoàn toàn (hoại tử mô lá);
hoại tử các cơ quan khác; kích thước, khối lượng và số nhánh giảm đi so với
ban đầu và chết. (theo Siriwan Jantataeme và cộng sự, 1996).
Biểu hiện tử vong (chết): cá thể bị chết sau thời gian thử nghiệm
Toàn bộ kết quả về biểu hiện của sinh vật thử nghiệm được biểu diễn
dưới dạng tỷ lệ phần trăm của biểu hiện trên tổng số cá thể thử nghiệm.
• Tốc độ sinh trưởng của Bèo tấm trong một ô thí nghiệm theo
ngày được tính bằng công thức:
Tốc độ sinh trưởng (g/m2
/ngày) =
Khối lượng Bèo trong mẫu trong 1 ngày
Diện tích ô thí nghiệm
30 4217537