Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật môi trường: Nghiên cứu tính độc của kim loại Pb đối với Moina dubia trong hệ sinh thái nước ngọt hồ Hà Nội

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:180

Thêm vào BST

Báo xấu

33
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật môi trường "Nghiên cứu tính độc của kim loại Pb đối với Moina dubia trong hệ sinh thái nước ngọt hồ Hà Nội" trình bày các nội dung chính sau: Xác định các đặc điểm môi trường, phân bố các loài sinh vật phù du trong hệ sinh thái thủy vực nước ngọt hồ Hà Nội; Đánh giá độc tính mạn tính của Pb đối với sinh vật Moina dubia ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và sinh sản của sinh vật và đánh giá khả năng phục hồi các tính trạng của sinh vật khi phơi nhiễm mạn tính chì trong thời gian dài.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật môi trường: Nghiên cứu tính độc của kim loại Pb đối với Moina dubia trong hệ sinh thái nước ngọt hồ Hà Nội

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ---------------*****---------------- PHẠM THỊ HỒNG NGHIÊN CỨU TÍNH ĐỘC CỦA KIM LOẠI Pb ĐỐI VỚI MOINA DUBIA TRONG HỆ SINH THÁI NƯỚC NGỌT HỒ HÀ NỘI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Hà Nội - 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ---------------*****---------------- PHẠM THỊ HỒNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGHIÊN CỨU TÍNH ĐỘC CỦA KIM LOẠI Pb ĐỐI VỚI MOINA DUBIA TRONG HỆ SINH THÁI NƯỚC NGỌT HỒ HÀ NỘI Ngành: Kỹ thuật môi trường Mã số : 9520320 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS. HOÀNG THỊ THU HƯƠNG 2. TS. ĐINH VĂN KHƯƠNG Hà Nội - 2021 2
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. TS Hoàng Thị Thu Hương và TS. Đinh Văn Khương. Các số liệu và kết quả được nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được cá nhân hay tổ chức nào công bố trên bất kì công trình nào trong nước và ngoài nước. Hà Nội, ngày …….tháng…….năm 2021 Đại diện tập thể hướng dẫn Tác giả PGS. TS HOÀNG THỊ THU HƯƠNG Phạm Thị Hồng i
LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường đã đồng ý tạo điều kiện cho tôi thực hiện luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS. TS Hoàng Thị Thu Hương và TS. Đinh Văn Khương đã tận tình tâm huyết hướng dẫn giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô thuộc viện Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, Đại học Bách Khoa và Khoa Hóa và Môi trường, Đại học Thủy Lợi đã luôn giúp đỡ và động viên tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy cô, các nhà khoa học đã có ý kiến góp ý, phản biện và đánh giá để luận văn có thể hoàn thành. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình và bạn bè đã luôn động viên, khuyến khích, tạo điều kiện cho tôi trong suốt thời gian qua. Hà Nội, ngày .......tháng ..... năm 2021 ii
MỤC LỤC DANH MỤC CHỮ VIẾT HOA VÀ VIẾT TẮT ........................................................... iv DANH MỤC BẢNG BIỂU ..............................................................................................v DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................. vi MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHÊN CỨU ..............................................8 1.1 Hiện trạng chất lượng nước mặt khu vực Hà Nội .................................................8 1.2 Vai trò của động vật nổi trong hệ sinh thái .........................................................12 1.3 Sinh vật thử nghiệm Moina dubia ......................................................................13 1.3.1 Sự phù hợp của Moina dubia là sinh vật thử nghiệm ...................................13 1.3.2 Đặc điểm hình thái Moina dubia .................................................................15 1.4 Nghiên cứu độc học của Pb đến Moina dubia.....................................................18 1.4.1 Chì và tác động gây độc của Pb trong môi trường nước...............................18 1.4.2 Ảnh hưởng của môi trường tới ngưỡng độc cấp tính của chì đối với M. dubia 20 1.5 Tổng quan về mô hình liên kết phối tử sinh học (BLM) .....................................24 1.5.1 Sự phát triển của mô hình liên kết phối tử sinh học .....................................24 1.5.2 Cấu trúc mô hình BLM ...............................................................................27 1.5.3 Nghiên cứu và ứng dụng BLM ....................................................................33 1.6 Độc mạn tính của chì đối với sinh vật ................................................................36 CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM.............................40 2.1 Tính chất nước hồ tự nhiên và phân bố Moina dubia ..........................................40 2.1.1 Phương pháp thu mẫu nước và phân tích mẫu nước ....................................40 2.1.2 Phương pháp thu mẫu và phân loại động vật nổi .........................................43 2.2 Thuần hóa sinh vật thử nghiệm ..........................................................................44 2.3 Phương pháp tính toán độc cấp tính của chì và ứng dụng mô hinh BLM ............46 2.3.1 Xác định ngưỡng độc cấp tính EC50 của chì trong phòng thí nghiệm ...........46 2.3.2 Giải thuật toán học của mô hình BLM ........................................................49 2.3.3 Xác định ảnh hưởng của nồng độ các ion Ca2+, Mg2+, Na+, K+, H+ tới EC50 của chì đối với M. dubia ...........................................................................................55 2.3.4 Xác định dung lượng hấp phụ tối đa của kim loại trên bề mặt sinh vật ........57 2.3.5 Phương pháp hiệu chỉnh mô hình ................................................................59 2.4 Nghiên cứu độc mạn tính của kim loại đối với M. dubia ....................................60 2.5 Xử lý số liệu thống kê ........................................................................................62 ii
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.....................................................................63 3.1 Đặc điểm chất lượng nước và hệ sinh thái hồ tự nhiên tại Hà Nội ......................63 3.1.1 Tính chất nước cơ bản tại các hồ Hà Nội.....................................................63 3.1.2 Thành phần và mật độ động vật nổi trong nước hồ Hà Nội ..........................65 3.2 Kết quả nuôi thích nghi loại M. dubia trong phòng thí nghiệm ...........................69 3.3 Ngưỡng độc cấp tính của chì và ứng dụng mô hinh BLM ...................................72 3.3.1 Ảnh hưởng của nồng độ các ion Ca2+, Mg2+, Na+, K+, H+ đến giá trị EC50 của chì đối với M. dubia ...........................................................................................72 3.3.2 Xác định hệ số hấp phụ lớn nhất của chì trên bề mặt M. dubia ....................80 3.3.3 Tính toán các hệ số của mô hình và phương trình của mô hình....................84 3.3.4 Hiệu chỉnh mô hình trong điều kiện nước nền tự nhiên ...............................89 3.4 Nghiên cứu ảnh hưởng mạn tính của chì lên cơ thể sinh vật ...............................93 3.4.1 Tác động mạn tính của chì tới chỉ số phát triển của cơ thể của của M. dubia93 3.4.2 Khả năng phục hồi các ảnh hưởng sau phơi nhiễm .................................... 106 3.5 Đề xuất tích hợp kết quả nghiên cứu vào quá trình đánh giá rủi ro ô nhiễm kim loại và đề xuất các biện pháp kiểm soát ô nhiễm kim loại trong môi trường nước ....... 112 3.5.1 Đề xuất tích hợp kết quả của quả nghiên cứu trong đánh giá rủi ro ô nhiễm kim loại trong môi trường nước............................................................................... 112 3.5.2 Đề xuất các biện pháp kiểm soát ô nhiễm kim loại và hạn chế phát thải kim loại chì ra môi trường.............................................................................................. 118 KẾT LUẬN- KIẾN NGHỊ ........................................................................................... 122 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................. 124 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 125 iii
DANH MỤC CHỮ VIẾT HOA VÀ VIẾT TẮT Ký hiệu Tên Tiếng Anh Tên Tiếng Việt BLM Biotic Ligand Model Mô hình liên kết phối tử sinh học BOD5 Biochemical Oxygen Nhu cầu oxy sinh hóa sau 5 ngày Demand CEH Center for Ecology and Trung tâm Sinh thái và thủy văn Hydroogy COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa học EC50 Effect Concentration Nồng độ gây ảnh hưởng 50% cá thể thí nghiệm ED50 Effect Dose Liều lượng gây ảnh hưởng 50% cá thể thí nghiệm FIAM Free Ion Activity Model Mô hình hoạt độ ion tự do Hsp70 Heat shock protein 70 Protein shock nhiệt70 Hsp90 Heat shock protein 90 Protein shock nhiệt 90 IARC International Agency for Cơ quan Nghiên cứu Ung thư Quốc Research on Cancer tế Lethal Concentration Nồng độ gây chết 50% cá thể thí LC50 nghiệm SPM Subcellular Partitioning Mô hình tính toán độc tố mức độ cận Model tế bào TSS Total suspended Solid Tổng chất rắn lơ lửng TSIs Trophic State Index Chỉ số tình trạng dinh dưỡng USEPA United State Environmental Cơ quan Bảo vệ môi trường Mỹ Protection Agency OECD Organization for Tổ chức hợp tác và phát triển kinh tế Economic Cooperation and Development USGS United States Geological Cục khảo sát địa chất Mỹ Survey WHAM Windermere Humic Aqueous Mô hình tính toán dạng hoạt động Model của các chất tham gia WHAM- Windermere Humic Aqueous Mô hình tính toán độc học nội suy FTOX Model-Toxicity Function Minteq Mô hình tính toán dạng hoạt động chất (của USEPA) PHREEQC Mô hình tính toán dạng hoạt động các chất (của USGS) iv
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Các thông số phân tích ở phòng thí nghiệm……………………………………..42 Bảng 2.2 Yêu cầu cơ bản môi trường sống của Moina dubia……………………………..45 Bảng 2.3 Các thông số mô hình BLM…………………………….………………………53 Bảng 2.4 Điều kiện biên của các giá trị áp dụng trong tính toán……………………….…54 Bảng 3.1 Tính chất mẫu nước tại các hồ nội và ngoại thành Hà Nội (n=6) …………….63 Bảng 3.2 Thành phần các ion cơ bản trong nước các hồ Hà Nội (n=6) ………………….64 Bảng 3.3 Nồng độ kim loại trong nước các hồ nội thành và ngoại Hà Nội (n=6)...........…65 Bảng 3.4 Mật độ trung bình động vật nổi tại các hồ nội và ngoại thành Hà Nội…………66 Bảng 3.5 Thành phần dung dịch (tổng nồng độ các chất đưa vào dung dịch) của thí nghiệm ảnh hưởng của pH tới EC50 của chì đối với M. dubia………………………..……….…..73 Bảng 3.6 Thành phần dung dịch của thí nghiệm xác định ảnh hưởng của Ca2+ tới EC50 của chì đối với M.dubia……………………………………………………………….…...76 Bảng 3.7 Thành phần dung dịch của thí nghiệm xác định ảnh hưởng của Mg2+ tới EC50 của chì đối với M. dubia…………………..…………………………………………….…76 Bảng 3.8 Thành phần dung dịch trong thí nghiệm xác ảnh hưởng của ion Na+…….……78 Bảng 3.9 Thành phần dung dịch của thí nghiệm xác định ảnh hưởng của K+……….…...79 Bảng 3.10 Thí nghiệm xác định khối lượng M.dubia……………..………………...…….80 Bảng 3.11 Quá trình hấp phụ chì trên bề mặt sinh vật M.dubia, pH = 7 Số cá thể tham gia 10 cá thể (
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Hình thái của Moina dubia trưởng thành (nguồn: Tác giả)....................... 16 Hình 1.2 Hình thái học nhận dạng loài Moina( nguồn:[39]) ................................. 18 Hình 1.3 Các dạng của chì (Pb) trong dung dịch pH khác nhau (nguồn:[72]) ......... 22 Hình 1.4 Cấu trúc mô hình phân tích dạng hoạt động của ion trong dung dịch (WHAM) ............................................................................................................... 29 Hình 1.5 Dạng tồn tại của chì trong môi trường nước và cạnh tranh trên bề mặt phối tử sinh học [92] ...................................................................................................... 32 Hình 1.6 Cấu trúc mô hình BLM ........................................................................... 33 Hình 2.1 Sơ đồ lấy mẫu nước và động vật nổi tại các hồ nội và ngoại thành Hà nội .............................................................................................................................. 42 Hình 2.2 Dụng cụ thu mẫu mẫu động vật nổi ......................................................... 43 Hình 2.3 Nuôi thích nghi M.dubia trong phòng thí nghiệm .................................... 45 Hình 2.4 Thí nghiệm tìm giá trị độc cấp tính EC50 của chì đối với M.dubia ........... 47 Hình 2.5 Tính toán giá trị EC50 dựa vào đường cong đáp ứng liều lượng ............... 48 Hình 2.6 Sơ đồ hiệu chỉnh mô hình BLM .............................................................. 60 Hình 2.7 Duy trì To môi trường trong quá trình nuôi trong nghiên cứu độc tính mạn tính ........................................................................................................................ 62 Hình 3.1 Mối quan hệ giữa COD và mật độ Moina dubia trong nước .................... 67 Hình 3.2 Mối quan hệ nhiệt độ và thành phần động vật nổi trong hồ Trúc Bạch .... 68 Hình 3.3 Hình ảnh động vật nổi trong hồ Hà Nội ................................................... 68 Hình 3.4 Bình nuôi Moina Dubia sau khi thay nước .............................................. 69 Hình 3.5 Sự khác nhau về tổng số con sinh ra của 1 con cái khi nuôi M. dubia ở các môi trường khác nhau ............................................................................................ 70 Hình 3.6 Chu trình phát triển của Moina dubia ...................................................... 71 Hình 3.7 Đường cong liều lượng-đáp ứng của M.dubia với Pb tại pH=7.5 ............. 72 Hình 3.8 Sự tương quan giữa nồng độ H+ và giá tri EC50 ....................................... 74 Hình 3.9 Sự tương quan giữa nồng độ Ca2+ và giá tri EC50 .................................... 75 Hình 3.10 Sự tương quan giữa nồng độ Mg2+ và giá tri EC50 ................................. 77 Hình 3.11 Sự tương quan giữa nồng độ Na+ và giá tri EC50.................................... 78 Hình 3.12 Sự tương quan giữa nồng độ K+ và giá tri EC50 ..................................... 79 Hình 3.13 Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir ở pH =7 ............................. 81 Hình 3.14 Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir ở pH =6,8 .......................... 82 Hình 3.15 Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir ở pH =6,5 .......................... 83 vi
Hình 3.16 Mối quan hệ giữa f và R2 ....................................................................... 86 Hình 3.17 Mối quan hệ giữa giá trị EC50 từ thí nghiệm với nước nền nhân tạo....... 87 Hình 3.18 Mối quan hệ giữa giá trị EC50 từ thực nghiệm với nước nền tự nhiên và EC50 tính toán mô hình trước khi hiệu chỉnh (f=0,34) ............................................ 90 Hình 3.19 Mối liên hệ giữa f và R2 với điều kiện nước nền tự nhiên ...................... 91 Hình 3.20 Mối quan hệ giữa giá trị EC50 từ thực nghiệmvới nước nền tự nhiên và EC50 từ tính toán mô hình sau khi hiệu chỉnh ........................................................ 93 Hình 3.21 Ảnh hưởng của chì tới kích thước cơ thể M.dubia giai đoạn con non thế hệ F1 và F2 ............................................................................................................ 94 Hình 3.22 Ảnh hưởng của chì tới cơ quan vận động của M. dubia giai đoạn con non thế hệ F1 và F2 ...................................................................................................... 94 Hình 3.23 Tác động của Pb lên kích thước cơ thể M.dubia giai đoạn con non thế hệ F3 đến F9............................................................................................................... 95 Hình 3.24 Tác động của chì lên cơ quan vận động của M.dubia giai đoạn con non thế hệ F3 đến F9 .................................................................................................... 96 Hình 3.25 Ảnh hưởng của chì tới kích thước cơ thể M. duiba giai đoạn vị thành thế hệ F1 và F2 ............................................................................................................ 97 Hình 3.26 Ảnh hưởng của chì tới kích thước cơ quan vận động của M.duiba giai đoạn ấu trùng thế hệ F1 và F2 ............................................................................... 98 Hình 3.27 Ảnh hưởng của chì tới kích thước cơ thể M. dubia giai đoạn ấu trùng thế hệ F3 và F9 ............................................................................................................ 99 Hình 3.28 Ảnh hưởng của chì tới kích thước cơ quan vận động của M. dubia giai đoạn ấu trùng thế hệ F3 và F9 ................................................................................ 99 Hình 3.29 Ảnh hưởng của chì tới kích thước cơ thể M.dubia giai đoạn trưởng thành thế hệ F1 và F2 .................................................................................................... 100 Hình 3.30 Ảnh hưởng của chì tới kích thước cơ quan vận động M. dubia giai đoạn trưởng thành thế hệ F1 và F2 ............................................................................... 101 Hình 3.31 Ảnh hưởng của chì tới kích thước cơ thể M.dubia giai đoạn trưởng thành thế hệ F1 và F2. ................................................................................................... 101 Hình 3.32 Ảnh hưởng của chì tới kích thước cơ quan vận động M.dubia giai đoạn trưởng thành thế hệ F1 và F2 ............................................................................... 102 Hình 3.33 Ảnh hưởng của chì tới chỉ số sinh sản của M. dubia ở thế hệ F1 và F2 103 Hình 3.34 Ảnh hưởng của chì tới số lứa đẻ trung bình tổng số con trung bình trên mỗi cá thể M.dubia ở thế hệ F1 và F2 .................................................................. 104 Hình 3.35 Ảnh hưởng của chì chỉ số sinh sản của M.dubia F3-F9 ........................ 104 Hình 3.36 Ảnh hưởng của chì tới số lứa đẻ và tổng số con non sinh ra của M.dubia F3-F9 ................................................................................................................... 105 vii
Hình 3.37 Sự phục hồi kích thước cơ thể của M.dubia giai đoạn con non khi phơi nhiễm mạn tính F3-F9 ......................................................................................... 106 Hình 3.38 Sự phục hồi cơ quan vận động của M.dubia giai đoạn con non khi phơi nhiễm mạn tính F3-F9 ......................................................................................... 107 Hình 3.39 Sự phục hồi kích thước cơ thể của M.dubia giai đoạn ấu trùng khi phơi nhiễm mạn tính F3-F9 ......................................................................................... 107 Hình 3.40 Sự phục hồi cơ quan vận động của M.dubia giai đoạn ấu trùng khi phơi nhiễm mạn tính F3-F9 ......................................................................................... 108 Hình 3.41 Sự phục hồi kích thước cơ thể của M.dubia giai đoạn trưởng thành khi phơi nhiễm mạn tính F3-F9.................................................................................. 109 Hình 3.42 Sự phục hồi cơ quan vận động của M.dubia giai đoạn trưởng thành khi phơi nhiễm mạn tính F3-F9.................................................................................. 110 Hình 3.43 Sự phục hồi thời gian thành thục của M. dubia F3-F9 ......................... 111 Hình 3.44 Sự phục hồi số lượng con một lứa đẻ và tổng số con sinh ra của M.dubia F3-F9 ................................................................................................................... 111 Hình 3.45 Quy trình đánh giá rủi ro sinh thái Nguồn:[175] ................................. 113 Hình 3.46 Quy trình đánh giá rủi ro kim loại Nguồn: [109] ................................. 115 Hình 3.47 Tích hợp mô hình BLM vào hệ thóng mô hình trong đánh giá rủi ro kim loại Nguồn: [109] ................................................................................................ 116 viii
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong thời đại phát triển công nghiệp, chì được ứng dụng nhiều trong sản xuất và trở thành chất ô nhiễm phổ biến trong môi trường, gây ảnh hưởng đối với các hệ sinh thái. Ô nhiễm chì trong hệ sinh thái thủy sinh đang được cả thế giới và Việt Nam ngày càng quan tâm do tính độc và tính phổ biến của chúng trong môi trường nước mặt [1]. Chì khi xâm nhập vào môi trường nước, với nồng độ cao có thể gây độc cấp tính ngay gần các vị trí xả thải hoặc trong trường hợp pha loãng bởi môi trường chúng có thể gây ra các tác động mạn tính cho cơ thể sinh vật [2]. Chì là chất ô nhiễm không bị phân hủy sinh học, có thời gian tồn lại lâu trong môi trường, có tính độc cao và tích tụ cao trong cơ thể sinh vật. Một số nghiên cứu đã khẳng định mặc dù nồng độ chì trong nước nhỏ, nhưng lượng chì tích trữ trong cơ thể sinh vật rất cao và gây tác động lớn tới đa dạng sinh học. Độc tính của chì có thể gây các tác động về tăng trưởng và sinh lý đối với sinh vật [3], hoặc đột biến gen [4] về lâu dài sẽ dẫn đến suy giảm đa dạng sinh học tại các hệ sinh thái thủy vực. Tuy nhiên hiện nay ở Việt Nam, các nghiên cứu về tính toán ngưỡng tác động cấp tính và cơ chế ảnh hưởng mạn tính của các kim loại đối với cơ thể sinh vật còn hạn chế. Các quy chuẩn kỹ thuật giới hạn nồng độ kim loại, đặc biệt là chì trong môi trường thường được xây dựng căn cứ trên các nghiên cứu về độc cấp tính đối với các loài chỉ thị nhạy cảm. Việc xác định được các ngưỡng nồng độ của chì trong dòng xả thải, hay nồng độ trong môi trường cần được thực hiện thông qua chuỗi các thực nghiệm trong phòng thí nghiệm và thường mất nhiều thời gian và kinh phí. Trong khi độc tính của kim loại chì phụ thuộc vào tính chất môi trường nước, đặc biệt là pH và ion cạnh tranh các ngưỡng xả thải trong các quy định thường sử dụng một giá trị ngưỡng cho tất cả các vùng thủy vực dẫn đến quy định các ngưỡng xả thải chưa thật chính xác. Đây cũng là vấn đề mà các nhà khoa học trên thế giới và ở Việt Nam đang quan tâm nghiên cứu. Việc xây dựng các mô hình tính toán ngưỡng độc cấp tính của từng kim loại trong mối liên hệ với đặc tính môi trường trở thành vấn đề cấp thiết và đã được Cục môi trường tại Châu Mỹ [5] và Châu Âu [6] phát 1
triển thành các hướng dẫn. Ở Châu Á, các nghiên cứu về mô hình liên kết phối tử sinh học (BLM) mới được bắt đầu thực hiện và phần lớn điều chỉnh trên bộ số liệu độc học của các mô hình của Châu Mỹ và Châu Âu. Các bộ số liệu độc học trên các loài sinh vật sống trong hệ sinh thái quyết định tính chính xác của mô hình. Tuy nhiên, các số liệu độc học phục vụ cho phát triển mô hình trên những sinh vật bản địa của Châu Á còn hạn chế. Ở Việt Nam, nghiên cứu về BLM còn hạn chế đặc biệt chưa có các bộ số liệu độc học phù hợp phục vụ cho phát triển mô hình trên loài sinh vật phù du ở vùng nhiệt đới Việt Nam. Khi chì xâm nhập vào môi trường sẽ bị môi trường nước pha loãng khiến cho nồng độ của chúng giảm đi đáng kể và thường thấp hơn so với các quy chuẩn cho phép. Tuy nhiên ngay cả dưới ngưỡng cho phép, phần lớn chì do có khả năng tích lũy cao trong cơ thể sinh vật và khả năng khuếch đại sinh học qua các bậc thức ăn trong hệ sinh thái, có thể gây ra các tác hại mạn tính ảnh hưởng tới cơ thể sinh vật và cả hệ sinh thái. Các sinh vật khác nhau trong hệ sinh thái khi phơi nhiễm cùng kim loại có khả năng chịu mức độ tác động khác nhau do cơ chế thích nghi khác nhau đối với chất ô nhiễm là kim loại. Việc nghiên cứu các tác động tiềm tàng của kim loại đối với sinh vật và nghiên cứu sự thích nghi của kim loại khi phơi nhiễm mạn tính đang nhận được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước. Ở Việt Nam, các nghiên cứu độc tính mạn tính của kim loại chì thường tập trung ở nghiên cứu tích lũy và bước đầu có các nghiên cứu tác động mạn tính tới sinh sản của sinh vật [7]. Tuy nhiên các nghiên cứu về sự khôi phục các tổn thương sau quá trình phơi nhiễm mạn tính là chủ đề mới với thế giới và chưa được thực hiện tại Việt Nam. Vì vậy để góp phần hiểu rõ hơn về tác động cấp tính và mạn tính của kim loại đối với sinh vật thủy sinh bản địa trong điều kiện Việt Nam, nhằm góp phần đưa ra những giải pháp bảo vệ và duy trì đa dạng sinh học trong thủy vực nước ngọt trong bối cảnh phát triển kinh tế - xã hội hiện nay, đề tài “Nghiên cứu tính độc của kim loại Pb đối với Moina dubia trong hệ sinh thái nước ngọt hồ Hà Nội” đã được thực hiện trong khuôn khổ nghiên cứu sinh Tiến sỹ ngành Kỹ thuật môi trường tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội. 2
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án Với mục tiêu chính là nghiên cứu tính độc của kim loại Pb đối với Moina dubia trong hệ sinh thái nước ngọt hồ Hà Nội, nghiên cứu được thực hiện nhằm các mục tiêu cụ thể sau: - Nghiên cứu các tác động của các cation chính trong môi trường thủy vực tới ngưỡng độc cấp tính EC50 của chì đối với Moina dubia là loài động vật phù du đặc trưng với thủy vực nước ngọt hồ Hà Nội. Trên cơ sở đó phát triển thuật toán mô hình liên kết phối tử sinh học (BLM) phù hợp để tính toán ngưỡng độc cấp tính của chì đến Moina dubia trong điều kiện thủy vực nước ngọt hồ Hà Nội. - Đánh giá ảnh hưởng độc tính mạn tính đến sự phát triển và sự phục hổi tổn thương của M. dubia khi phơi nhiễm mạn tính với chì. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tượng nghiên cứu - Chì là kim loại phổ biến có độc tính mạn tính và cấp tính rõ rệt đối với sinh vật thủy sinh. Chì được sử dụng nhiều trong cuộc sống hiện đại từ sản xuất đến các sản phẩm tiêu dùng và trong hoạt động giao thông, nông nghiệp trở thành tác nhân gây rủi ro cao tới hệ sinh thái thủy sinh. - Đối tượng sinh vật là Moina dubia: Là sinh vật bản địa phân bố rộng khắp các thủy vực nước ngọt khu vực đồng bằng Bắc bộ, đặc biệt là trong các thủy vực hồ tĩnh. Đây là sinh vật đóng vai trò quan trọng trong chuỗi và lưới thức ăn trong hệ sinh thái thủy sinh. Moina dubia nằm trong nhóm các động vật nổi nhạy cảm nhất đối với kim loại và được ứng dụng như là chỉ thị cho ô nhiễm kim loại [8]. 3.2. Phạm vi nghiên cứu - Khu vực nghiên cứu: Hồ Hà Nội bao gồm các hồ nội thành và các hồ ngoại thành. Các thủy vực khu vực đô thị có khả năng tiếp nhận Pb từ các nguồn phát thải khác nhau và tích lũy trong hệ sinh thái hồ trong thời gian dài. - Thời gian nghiên cứu: + Thời gian nghiên cứu hiện trường: 1/2018 – 1/2019 và 5-12/2020. 3
+ Thời gian nghiên cứu trong phòng thí nghiệm: 6/2017 – 12/2020. 4. Phương pháp nghiên cứu của luận án - Phương pháp lý thuyết: Thực hiện nghiên cứu tổng quan các vấn đề nghiện cứu về độc tính của chì trên sinh vật thử nghiệm là M.dubia và tổng quan về phương pháp tiếp cận và phát triển mô hình BLM. Nghiên cứu tổng quan về các vấn đề tác động mạn tính và xu hướng nghiên cứu đối với kim loại trên động vật nổi. - Phương pháp thực nghiệm: Quan trắc và lấy mẫu hiện trường theo các theo các tiêu chuẩn kỹ thuật ở Việt Nam và trên thế giới; thực nghiệm nghiên cứu độc học cấp tính thông qua xác định EC50-24h của kim loại đến sinh vật thử nghiệm trong phòng thí nghiệm; thực hiện đánh giá ảnh hưởng mạn tính của chì lên M.dubia trong phòng thí nghiệm - Phương pháp kế thừa: Nghiên cứu đã kế thừa các nguyên lý tính toán về mô hình BLM; kế thừa các phương pháp đánh giá ảnh hưởng độc mạn tính và cấp tính của kim loại trên sinh vật thử nghiệm. - Phương pháp thống kê: Sử dụng thống kê Student T-test trên phần mềm SPSS 20. - Phương pháp mô hình hóa: Luận án đã ứng dụng mô hình PHREEQC để tính toán dạng tồn tại các nguyên tố trong dung dịch, phần mềm viết trên ngôn ngữ C mở đăng trên website của cục khảo sát địa chất Hoa Kì (USGS). Phần giải thuật tính toán giá trị EC50 của mô hình được viết trên ngôn ngữ Python. 5. Nội dung nghiên cứu của luận án Để đạt được các mục tiêu đã đề ra, nghiên cứu đã triển khai các nội dung Nội dung 1: Xác định các đặc điểm môi trường, phân bố các loài sinh vật phù du trong hệ sinh thái thủy vực nước ngọt hồ Hà Nội. Nội dung 2: Phân lập, nuôi và cho sinh sản sinh vật thử nghiệm. Triển khai các thí nghiệm độc học nhằm thu được bộ số liệu độc học cấp tính của chì đối với 4
sinh vật Moina dubia phục vụ phát triển mô hình liên kết phối tử sinh học (BioLigand Model – BLM) trong điều kiện môi trường nước ngọt hồ Hà Nội. Nội dung 3: Xác định các hệ số mô hình nhằm hoàn thiện các công thức trong mô hình BLM tính toán ngưỡng độc cấp tính của kim loại Pb dựa vào tính chất môi trường nước trong thủy vực nước ngọt hồ Hà Nội. Nội dung 4: Đánh giá độc tính mạn tính của Pb đối với sinh vật Moina dubia ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và sinh sản của sinh vật và đánh giá khả năng phục hồi các tính trạng của sinh vật khi phơi nhiễm mạn tính chì trong thời gian dài. 6. Những đóng góp mới của luận án Các đóng góp mới của luận án bao gồm: - Cung cấp bộ số liệu độc học cấp tích của chì phục vụ cho việc phát triển mô hình liên kết phối tử sinh học ở Việt Nam. Bộ số liệu phù hợp để giúp tính toán nhanh ngưỡng độc cấp tính của chì tại hệ sinh thái thủy vực hồ Hà Nội. - Diễn giải các bước giải thuật toán học rõ ràng của mô hình BLM làm cơ sở để phát triển các nghiên cứu về độc học cấp tích đối với kim loại khi sử dụng mô hình BLM trong nghiên cứu độc học tại các thủy vực ở Việt Nam. - Đánh giá được tại nồng độ thấp trong nước (tại ngưỡng khuyến cáo theo quy chuẩn QCVN), các ảnh hưởng của chì trên động vật nổi có thể tích lũy dần qua các thế hệ và chỉ biểu hiện ra sau thời gian phơi nhiễm đủ dài. Sinh vật mất khả năng thích nghi chống lại tác hại của chì khi chúng phơi nhiễm chì đủ dài sau 9 thế hệ. 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Về ý nghĩa khoa học Luận án góp phần bổ sung cơ sở khoa học về nghiên cứu độc học môi trường đối với kim loại chì trong môi trường nước thể hiện qua: 5
- Quy trình ứng dụng mô hình liên kết phối tử sinh học BLM để tính toán giá trị EC50 là đặc trưng cho ngưỡng độc cấp tính của kim loại nặng đến thủy sinh vật phù du trong môi trường nước ngọt đối với các đặc tính môi trường khác nhau. - Phát triển phương thức đánh giá ngưỡng độc mạn tính của kim loại đến sinh vật phù du ở nồng độ chì thấp trong điều kiện thực tế. Về ý nghĩa thực tiễn - Đánh giá ngưỡng độc cấp tính và tác động độc mạn tính của Pb đến Moina dubia, một mắt xích quan trọng trong chuỗi thức ăn cho phép đưa ra những thông tin cụ thể làm cơ sở cho việc đánh giá rủi ro và xây dựng quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng môi trường - Luận án góp phần từng bước hoàn thiện quy trình thực nghiệm và mô hình tính toán có thể được áp dụng đối với các nghiên cứu trong tương lai về độc học môi trường của các kim loại nặng khác và trên các đối tượng sinh vật nghiên cứu khác. 8. Cấu trúc của luận án Luận án trình bày các nội dung chính của nghiên cứu, phản ánh các kết quả nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết của nghiên cứu sinh. Trình bầy các cơ sở lý luận, giả thuyết khoa học và phương pháp nghiên cứu đã được sử dụng trong luận án, cũng như các kết quả thu được. Ngoài phần Mở đầu, Kết luận và Kiến nghị, Luận án được bố cục thành 3 chương gồm: - Chương 1. Tổng quan các vấn đề nghiên cứu - Chương 2. Phương pháp nghiên cứu - Chương 3. Kết quả nghiên cứu và thảo luận Luận án cũng đính kèm các phụ lục: Phụ lục 1: Xác nhận định danh sinh vật thử nghiệm Phụ lục 2: Số liệu quan trắc chất lượng nước tại các hồ nghiên cứu Phụ lục 3: Số liệu thí nghiệm độc cấp tính 6
Phụ lục 4: Số liệu nghiên cứu độc mạn tính 7
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHÊN CỨU 1.1 Hiện trạng chất lượng nước mặt khu vực Hà Nội Hà Nội là vùng đất có vị trí đặc biệt có nhiều hồ bao quanh. Hồ Hà Nội có chức năng chính là thoát nước và điều tiết tiểu khí hậu cho thành phố. Tuy nhiên do quá trình phát triển đô thị, số lượng hồ nội thành Hà Nội đã giảm cả số lượng và tổng diện tích các hồ. Tại 6 quận lõi nội thành Hà Nội có 122 hồ năm 2010 và số lượng hồ suy giảm còn 112 hồ năm 2015. Nhiều khảo sát cho thấy rằng việc xả thải trực tiếp nước thải sinh hoạt từ các hộ dân, nhà hàng quán xung quanh các hồ đã làm giảm chất lượng nước hồ [9]. Mật độ dân cư và các dịch vụ xung quanh đông đúc cùng với sự xâm lấn của rác thải cũng là một trong các nguyên nhân khiến cho chất lượng nước hồ suy giảm. Trong số 30 hồ nội thành Hà Nội được nghiên cứu từ 2010 đến 2015 giá trị BOD5 trong các hồ năm 2010 dao động từ 65 đến 80 mg/L. Trong khi đó năm 2015 giá trị BOD5 dao động từ 40 đến 60 mg/L. TSS từ 45 đến 90 mg/L trong năm 2010 và từ 40 đến 80 mg/L 2015. Phần lớn các hồ Hà Nội đều ở mức phì dưỡng, với nồng độ Chlorophyll-a trong khoảng 80 đến 700 µg/L. Theo đánh giá của Trung tâm Nghiên cứu Môi trường và Cộng đồng (CECR) cho thấy có 7 hồ ở mức độ phì dưỡng, 21 hồ ở mức độ siêu phì dưỡng và 2 hồ thiếu dữ liệu đánh giá. Một số hồ điển hình như hồ Tây, hàm lượng Chlorophyll-a từ 110 µg/L đến 120 µg/L. Nghiên cứu mới nhất (2020) cho thấy hàm lượng Chlorophyll-a trong hồ Gươm là 114,8 µg/L đến hơn 700 µg/L[10]. Tuy chất lượng nước trong những giai đoạn từ 2010 đến 2015 được cải thiện nhưng các chỉ số chính như amoni, nitrat, photphat vẫn vượt quá QCVN 08-MT:2015/BTNMT (B1). Nguyên nhân chủ yếu là do các hồ nội thành có chức năng chính tiêu thoát nước, lượng nước thải chưa qua xử lý một số nhà hàng ven bờ, nước chảy tràn từ đường phố làm giảm chất lượng nước các hồ. Một số hồ có chức năng xử lý nước thải, tuy nhiên khi mật độ dân số đô thị và các hoạt động sinh hoạt và sản xuất tăng lên khiến cho lưu lượng nước thải đưa vào hồ vượt quá khả năng chịu tải của hồ, khiến các hồ trở lên phì dưỡng. Đối với các hồ ở khu vực trung tâm, chức năng chủ yếu là điều tiết nước và tạo cảnh quan đô thị. Tuy nhiên, do các hoạt động xây dựng 8
phát triển đô thị và ô nhiễm kéo dài, một số hồ bị thu hẹp, lấn chiếm, bồi lắng, ảnh hưởng đến khả năng tiêu thoát nước của hồ. Tại Hà Nội, tính đến tháng 11/2016 mới có khoảng 20,62% tổng lượng nước thải sinh hoạt của thành phố được xử lý, còn lại trên 700.000 m3/ngày đêm vẫn chưa được xử lý mà thải trực tiếp vào môi trường [11]. Các khu dân cư xung quanh một số hồ chưa tiếp cận với hệ thống thu gom nước thải nên xả trực tiếp nước thải sinh hoạt vào hồ. Phần lớn các hồ nội đô đều là các hồ kín, khả năng lưu thông kém nên các hồ này đều ô nhiễm chất hữu cơ và dinh dưỡng. Các dòng sông chảy quanh thành phố như sông Sét, sông Lừ, sông Kim Ngưu, sông Tô Lịch cũng có chất lượng nước giảm sút và ô nhiễm ở nhiều mức độ khác nhau. Nồng độ các chất ô nhiễm chủ yếu là chỉ tiêu Nitơ tổng, Photpho tổng là 3,0-8,0 mg/L N , 0,15-0,56 mg/L P [12]. Nước các sông nội đô thực chất là hỗn hợp của nhiều dòng nước thải bao gồm nước thải bệnh viện, nước thải sinh hoạt, nước thải dịch vụ và nước mưa chảy tràn[13]. Các nghiên cứu môi trường nước mặt các khu vực ngoại đô Hà Nội khẳng định các giếng khoan ở đồng bằng Bắc bộ có hàm lượng phốt phát cao hơn mức cho phép (0,4mg/L) chiếm tới 71%, hàm lượng amoni lên đến 23,30 mg/L (gấp >200 lần tiêu chuẩn cho phép) ở Tân Lập (Đan Phượng) vào mùa khô, còn có 17/32 mẫu có hàm lượng mangan (Mn) vượt quá hàm lượng tiêu chuẩn. Chất lượng nước mặt tại các khu vực ngoại thành dùng cho nông nghiệp có hàm lượng TSS: 7 - 1018,6 mg/L; COD: 6,0 - 331,6mg/L; Nitrit: 0,001 - 0,756mg N/L; nitrat: 0,01 - 2,61mg N/L; amoni: 0,02 - 3,11mg N/L; phốtphát: 0,01 - 2,50mgP/L; phốtpho tổng số: 0,1 - 5,0mgP/L [14]. Chất lượng nước mặt khu vực ngoại thành chủ yếu ảnh hưởng của các hoạt động nông nghiệp do dư thừa và rửa trôi hàm lượng phân bón và xả thải công nghiệp. Tuy vậy so sánh với các hồ tự nhiên khu vực ngoại thành, nơi không có các tác động của các hoạt động nông nghiệp, hoạt động xả thải, xâm lấn thì chất lượng nước tại các hồ nội đô và ven đô kém hơn rất nhiều. Tại Việt Nam, tình trạng ô nhiễm chì trong các thủy vực xuất hiện phổ biến ở nhiều địa phương do nhiều nguyên nhân khác nhau. Hoạt động khai thác khoáng sản là một trong những hoạt động chính gây nên ô nhiễm chì tại nhiều thủy vực. Tại miền Bắc Việt Nam các mỏ khai thác kim loại tại các tỉnh Thái Nguyên, Lào Cai hiện 9