Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Ảnh hưởng của ô nhiễm kim loại nặng lên sự biến động năng lượng dự trữ và hoạt tính enzyme glutathione S-transferase của cá Chép (Cyprinus carpio) và cá Rô Phi (Oreochromis niloticus) trong lưu vực sông Nhuệ - Đáy

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:82

Thêm vào BST

Báo xấu

29
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là đánh giá sự tích tụ KLN (Cu, Pb, Zn và Cd) trong mang, gan, thận của cá chép và cá rô phi theo mùa và theo mặt cắt trong khu vực nghiên cứu; phân tích sự biến động của nồng độ protein và hoạt tính GST trong cùng mẫu cá phân tích kim loại nặng; bước đầu xác định tương quan giữa nồng độ kim loại nặng tích tụ với nồng độ protein và hoạt tính GST trong cùng mẫu cá phân tích.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Ảnh hưởng của ô nhiễm kim loại nặng lên sự biến động năng lượng dự trữ và hoạt tính enzyme glutathione S-transferase của cá Chép (Cyprinus carpio) và cá Rô Phi (Oreochromis niloticus) trong lưu vực sông Nhuệ - Đáy

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- VŨ THỊ HUYỀN TRANG ẢNH HƢỞNG CỦA Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG LÊN SỰ BIẾN ĐỘNG NĂNG LƢỢNG DỮ TRỮ VÀ HOẠT TÍNH ENZYME GLUTATHIONE S-TRANSFERASE CỦA CÁ CHÉP (CYPRINUS CARPIO) VÀ CÁ RÔ PHI (OREOCHROMIS NILOTICUS) TRONG LƢU VỰC SÔNG NHUỆ - ĐÁY LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2014 I
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- VŨ THỊ HUYỀN TRANG ẢNH HƢỞNG CỦA Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG LÊN SỰ BIẾN ĐỘNG NĂNG LƢỢNG DỮ TRỮ VÀ HOẠT TÍNH ENZYME GLUTATHIONE S-TRANSFERASE CỦA CÁ CHÉP (CYPRINUS CARPIO) VÀ CÁ RÔ PHI (OREOCHROMIS NILOTICUS) TRONG LƢU VỰC SÔNG NHUỆ - ĐÁY Chuyên ngành: Sinh Thái Học Mã số: 60.42.20 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGÔ THỊ THÚY HƢỜNG PSG.TS. LÊ THU HÀ Hà Nội - 2014 II
ỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi xin được gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô đã giảng dạy trong chương trình Cao học bộ môn Sinh thái học, những người đã truyền đạt cho tôi những kiến thức hữu ích về sinh thái học và môi trường làm cơ sở cho tôi thực hiện tốt luận văn này. Tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc tới TS. Ngô Thị Thúy Hường, PGS. TS. Lê Thu Hà đã tận tình hướng dẫn cho tôi trong thời gian thực hiện luận văn. Mặc dù trong quá trình thực hiện luận văn gặp nhiều khó khăn nhưng những gì Cô đã giúp đỡ, hướng dẫn và chỉ bảo đã giúp tôi thêm niềm tin và cố gắng để hoàn thành nghiên cứu này. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các Thầy Cô trong PTN Sinh thái học và Sinh học môi trường đã tạo điều kiện về trang thiết bị, kỹ thuật để thực hiện các thí nghiệm cho nghiên cứu này. Tôi xin gửi lời cảm ơn tới các anh, chị, bạn bè đang công tác tại Viện Địa chất và Khoáng sản đã nhiệt tình tham gia, giúp đỡ trong việc thu mẫu cũng như xử lý mẫu thí nghiệm. Nghiên cứu này là một phần của đề tài được tài trợ bởi Quỹ Phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia (Nafosted), mã số 106.13-2011.04. Tôi xin trân trọng cảm ơn Quỹ Phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia (Nafosted) đã đầu tư và tạo mọi điều kiện về kinh phí để chúng tôi có thể thực hiện nghiên cứu này. Sau cùng tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến gia đình đã luôn tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt quá trình học cũng như thực hiện luận văn, cám ơn sự động viên chân tình mà bạn bè, anh chị, các em đã dành cho tôi trong suốt thời gian qua. Hà Nội, tháng 1 năm 2014 Học viên Vũ Thị Huyền Trang I
MỤC ỤC MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI IỆU.................................................................... 3 1.1. Tổng quan về các loài cá nghiên cứu ...................................................................... 3 1.1.1. Cá chép (Cyprinus carpio) ............................................................................ 3 1.1.2. Cá rô phi (Oreochromis niloticus) ................................................................ 5 1.1.3. Các cơ quan trong cá và các chỉ thị sinh học thường được sử dụng trong nghiên cứu độc học sinh thái ......................................................................... 6 1.2. Ảnh hưởng của kim loại nặng đối với cá ................................................................ 8 1.2.1. Sự tích lũy của kim loại nặng trong cơ thể cá .............................................. 8 1.2.2. Ảnh hưởng của tích lũy kim loại nặng lên protein - nguồn năng lượng dự trữ quan trọng ở cá ................................................................................. 11 1.2.3. Ảnh hưởng của tích lũy kim loại nặng lên hoạt tính của enzyme glutathione S-transferase (GST)............................................................................ 13 1.3. Tổng quan về khu vực nghiên cứu ........................................................................ 16 CHƢƠNG 2: ĐỊA ĐIỂM, ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................................................................................................... 19 2.1. Địa điểm nghiên cứu .............................................................................................. 19 2.2. Phương pháp thu mẫu ............................................................................................ 20 2.3. Chuẩn bị mẫu phân tích ......................................................................................... 21 2.4. Phân tích mẫu ......................................................................................................... 21 2.4.1. Phân tích kim loại nặng ............................................................................... 21 2.4.2. Phân tích protein .......................................................................................... 22 2.4.3. Phân tích GST .............................................................................................. 22 2.5. Phân tích và xử lý số liệu ....................................................................................... 23 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO UẬN ......................................................... 24 3.1. Phân tích và đánh giá nồng độ kim loại nặng tích tụ trong cá............................. 24 3.1.1.Biến động của sự tích lũy kim loại nặng trong các mô phân tích theo mùa.......................................................................................................................... 24 II
3.1.2. Sự tích lũy kim loại nặng trong các mô phân tích theo mặt cắt................ 26 3.2. Sự thay đổi của nồng độ protein - nguồn năng lượng dự trữ trong cơ thể cá ..... 29 3.2.1. Theo mùa...................................................................................................... 29 3.2.2. Theo mặt cắt ................................................................................................. 31 3.3. Sự biến động của hoạt tính enzyme GST tính trên 1 g trọng lượng tươi ................ 32 3.3.1. Theo mùa...................................................................................................... 32 3.3.2. Theo mặt cắt ................................................................................................. 32 3.4. Hoạt tính enzyme GST tính trên 1 mg protein ..................................................... 34 3.4.1. Theo mùa...................................................................................................... 34 3.4.2. Theo mặt cắt ................................................................................................. 35 3.5. Mối tương quan giữa nồng độ kim loại nặng với nồng độ protein và hoạt tính GST ......................................................................................................................... 38 3.5.1. Tương quan giữa nồng độ kim loại nặng với nồng độ protein ................. 39 3.5.2. Tương quan giữa nồng độ kim loại nặng tích lũy và hoạt tính enzyme GST ........................................................................................................... 48 KẾT UẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................... 57 TÀI IỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 59 III
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Nồng độ của đồng, kẽm, cadmium, chì (mg/kg) trong các cơ quan khác nhau của cá chép thu thập từ lưu vực sông Nhuệ - Đáy trong bốn mùa thu mẫu (giá trị trung bình + SEM)...................................................................... 25 Bảng 3.2: Nồng độ của đồng, kẽm, cadmium, chì (mg/kg) trong các cơ quan khác nhau của cá rô phi thu thập từ lưu vực sông Nhuệ - Đáy trong bốn mùa lấy mẫu (giá trị trung bình + SEM) ...................................................................... 26 Bảng 3.3: Nồng độ của đồng, kẽm, cadmium, chì (mg/kg ww) trong các cơ quan khác nhau của cá chép thu thập từ các mặt cắt khác nhau của lưu vực sông Nhuệ - Đáy trong bốn mùa lấy mẫu (giá trị trung bình ± SEM) ................. 28 Bảng 3.4: Nồng độ của đồng, kẽm, cadmium, chì (mg / kg ww) trong các cơ quan khác nhau của cá rô phi thu thập từ các mặt cắt khác nhau của lưu vực sông Nhuệ - Đáy trong bốn mùa lấy mẫu (giá trị trung bình ± SEM) ................. 29 Bảng 3.5: Sự khác biệt có ý nghĩa thống kê về thay đổi nồng độ các Biomarker (protein, GST, gst/mg protein) giữa mang, gan, thận cá chép và cá rô phi theo mùa (mùa thu, mùa đông, mùa xuân, mùa hè) được đánh dấu * (*: p
DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Cyprinus carpio (Nguồn ảnh: Mike Kroessig) ...................................... 4 Hình 1.2: Oreochromis niloticus (Nguồn ảnh: Danon J. Moxley) ........................ 5 Hình 1.3: Bốn loại GST (David Sheehan, sử dụng chương trình RasMol) ......... 14 Hình 2.1: Sơ đồ vùng nghiên cứu và vị trí thu mẫu trong lưu vực sông Nhuệ - Đáy (Nguồn: Đề cương dự án Nhuệ - Đáy – Ngô Thị Thúy Hường, 2011) ..... 20 Hình 3.1: Sự biến động nồng độ protein ở cá chép và cá rô phi theo mùa .......... 30 Hình 3.2: Sự biến động nồng độ protein ở cá chép và cá rô phi theo mặt cắt ........... 31 Hình 3.3: Sự biến động của nồng độ GST ở cá chép và cá rô phi theo mùa ....... 32 Hình 3.4: Sự biến động của nồng độ GST ở cá chép và cá rô phi theo mặt cắt ........ 34 Hình 3.5: Sự biến động của nồng độ GST trong 1mg protein ở cá chép và cá rô phi .................................................................................................................... 35 Hình 3.6: Sự biến động của nồng độ GST trong 1mg protein ở cá chép và cá rô phi .................................................................................................................... 36 Hình 3.7: Sự tương quan giữa nồng độ protein (mg/g) với nồng độ Pb (trọng lượng mg/kg) trong thận cá chép vào mùa đông ....................................... 40 Hình 3.8: Sự tương quan giữa nồng độ protein (mg/g) với nồng độ Cu (trọng lượng mg/kg) trong mang cá rô phi vào mùa xuân ................................... 41 Hình 3.9: Sự tương quan giữa nồng độ protein (mg/g) với nồng độ Cu (trọng lượng mg/kg) mang cá chép vào mùa hè .................................................. 41 Hình 3.10: Sự tương quan giữa nồng độ protein (mg/g) với nồng độ Cd (trọng lượng mg/kg) thận cá chép ở mặt cắt 2 ..................................................... 42 Hình 3.11: Sự tương quan giữa nồng độ protein (mg/g) với nồng độ Cu (trọng lượng mg/kg) thận cá rô phi ở mặt cắt 3 ................................................... 43 Hình 3.12: Tương quan giữa nồng độ protein (mg/g) với nồng độ Pb (trọng lượng mg/kg) trong thận cá rô phi ở mặt cắt 3..................................................... 44 Hình 3.13: Sự tương quan giữa nồng độ protein (mg/g) với nồng độ Pb (trọng lượng mg/kg) trong gan cá chép ở mặt cắt 4 ............................................. 45 V
Hình 3.14: Sự tương quan giữa nồng độ protein (mg/g) với nồng độ Cu (trọng lượng mg/kg) trong mang cá rô phi ở mặt cắt 4 ........................................ 45 Hình 3.15: Sự tương quan giữa nồng độ protein (mg/g) với nồng độ Cu (trọng lượng mg/kg) trong thận cá rô phi ở mặt cắt 4 .......................................... 46 Hình 3.16: Sự tương quan giữa nồng độ protein (mg/g) với nồng độ Pb (trọng lượng mg/kg) trong gan cá rô phi ở mặt cắt 4 ........................................... 46 Hình 3.17: Sự tương quan giữa nồng độ protein (mg/g) với nồng độ Pb (trọng lượng mg/kg) trong thận cá rô phi ở mặt cắt 4 .......................................... 47 Hình 3.18: Sự tương quan giữa nồng độ protein (mg/g) với nồng độ Pb (trọng lượng mg/kg) trong mang cá chép ở mặt cắt 5 .......................................... 47 Hình 3.19: Sự tương quan giữa nồng độ GST (μmol/g/phút) với nồng độ Cu (trọng lượng mg/kg) trong gan cá rô phi vào mùa thu ......................................... 49 Hình 3.20: Sự tương quan giữa nồng độ GST (μmol/g/phút) với nồng độ Pb (trọng lượng mg/kg) trong thận cá chép vào mùa xuân ....................................... 50 Hình 3.21: Sự tương quan giữa nồng độ GST (μmol/g/phút) với nồng độ Pb (trọng lượng mg/kg) trong gan cá chép ở mặt cắt 2 ............................................. 51 Hình 3.22: Sự tương quan giữa nồng độ GST (μmol/g/phút) với nồng độ Cu (trọng lượng mg/kg) trong thận cá chép ở mặt cắt 2 ............................................ 51 Hình 3.23: Sự tương quan giữa nồng độ GST (μmol/g/phút) với nồng độ Cu (trọng lượng mg/kg) trong thận cá chép ở mặt cắt 3 ............................................ 52 Hình 3.24: Sự tương quan giữa nồng độ GST (μmol/g/phút) với nồng độ Pb (trọng lượng mg/kg) trong gan cá chép ở mặt cắt 4 ............................................. 53 Hình 3.25: Sự tương quan giữa nồng độ GST (μmol/g/phút) với nồng độ Pb (trọng lượng mg/kg) trong thận cá rô phi ở mặt cắt 4 .......................................... 53 VI
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ANOVA Phân tích phương sai một nhân tố BIOMARKER Chỉ thị (dấu hiệu) sinh học CAT Catalase CDNB 2,4-Dinitrochlorobenzene DPBS Dulbecco’s Phosphate Buffered Saline EC Enzyme Commission number GPxs Glutathione Peroxidases GSH Glutathione GST Glutathione S–transferase KLN Kim loại nặng LVS Lưu vực sông MC Mặt cắt ROS Reactive oxygen species Phản ứng ô xi hóa SD Standard Deviation Độ lệch tiêu chuẩn Độ lệch tiêu chuẩn SEM Standard Error of Mean của giá trị trung bình United Nations Environment Chương trình môi UNEP Programme trường liên hợp quốc WHO World Health Organization Tổ chức y tế thế giới VII
MỞ ĐẦU Kim loại nặng (KLN) là thành phần đặc trưng của các chất thải công nghiệp. Hiện nay, các ngành công nghiệp của Việt Nam đều đang ở giai đoạn đầu của sự phát triển và chưa có đủ các phương tiện cần thiết để giảm và loại trừ ảnh hưởng xấu của chất thải công nghiệp đến môi trường. Mặt khác, các chế tài về xử phạt môi trường còn chưa nghiêm. Do vậy, sự ô nhiễm kim loại nặng trong các thuỷ vực ngày càng trở nên trầm trọng. Các kim loại này khi được thải vào nước làm cho nước bị nhiễm bẩn, ảnh hưởng xấu đến môi trường sinh thái và các loài sinh vật sống trong nước. Các kim loại nặng khi đã được phóng thích vào môi trường thì sẽ tồn tại lâu dài, tích tụ vào các mô sống của sinh vật qua chuỗi thức ăn mà ở đó con người là mắt xích cuối cùng. Các kim loại Cd, Pb, Cu, Zn đều là các kim loại có độc tính cao đối với sinh vật và con người nếu vượt quá ngưỡng cho phép. Mặc dù nồng độ các chất độc tích tụ trong cơ thể sinh vật chưa cao nhưng khi tồn tại và tích tụ lâu dài, chúng có thể làm tổn thương sinh vật ở các mức độ khác nhau hoặc thậm chí có thể gây chết. Với số dân lên tới hơn 10 triệu người từ 6 tỉnh, thành phố, đặc biệt có thủ đô Hà Nội sống trong lưu vực sông (LVS) Nhuệ - Đáy, nên hoạt động kinh tế xã hội nói chung, nông nghiệp và thuỷ sản nói riêng, gắn liền với LVS là rất lớn, thêm vào đó là sự tăng nhanh về nhu cầu nuôi trồng, đánh bắt cũng như sử dụng thuỷ sản làm nguồn thực phẩm. Sự ô nhiễm KLN trong nước sông và bùn đáy có nguồn gốc từ sự rửa trôi trong nông nghiệp, chất thải sinh hoạt, làng nghề và đặc biệt là từ các nhà máy và các khu công nghiệp. Hiện trạng này có thể dẫn tới sự tích tụ sinh học trong các loài cá tự nhiên và các loài cá nuôi lấy nguồn nước từ sông. Tùy theo mức độ tích tụ, nó có thể có tác động xấu tới sức khoẻ sinh lý của cá (ức chế và gây rối loạn miễn dịch, mất cân bằng nội tiết hoặc bị stress về mặt sinh lý), làm thay đổi các thông số sinh hoá trong các mô và máu (Basa và Rani, 2003) hoặc ảnh hưởng đến sức khoẻ sinh sản và sự phát triển bền vững của quần đàn cá tự nhiên cũng như nghề nuôi trồng thuỷ sản (NTTS). Hơn nữa, vấn đề về vệ sinh an toàn 1
thực phẩm và sức khoẻ người tiêu dùng không được đảm bảo khi tiêu thụ các sản phẩm nhiễm độc KLN này. Trước tình trạng ô nhiễm ngày càng gia tăng trong LVS, Chính phủ và một số cơ quan hữu quan đã tiến hành nghiên cứu và đánh giá hiện trạng môi trường trên hệ thống sông Nhuệ - Đáy cũng như hiện trạng môi trường nước phục vụ NTTS. Tuy nhiên, những nghiên cứu đó chủ yếu chú trọng vào việc đánh giá mức độ ô nhiễm do tác động của các nhà máy, làng nghề, nước thải sinh hoạt, dựa vào tiêu chuẩn nước sinh hoạt, nước dùng cho NTTS và nước thải. Trong khi đó, những nghiên cứu về ảnh hưởng của ô nhiễm kim loại nặng lên sức khoẻ sinh lý của một số loài cá nước ngọt có giá trị kinh tế trong lưu vực sông Nhuệ-Đáy hầu như chưa được tiến hành. Chính vì vậy, việc nghiên cứu“Ảnh hưởng của ô nhiễm kim loại nặng lên sự biến động năng lượng dự trữ và hoạt tính enzyme glutathione S-transferase của cá chép (Cyprinus carpio) và cá rô phi (Oreochromis niloticus) trong lưu vực sông Nhuệ - Đáy” là việc làm cần thiết, nhằm góp phần thúc đẩy và phát triển nghề NTTS bền vững, và phục vụ cho việc nâng cao nhận thức về an toàn vệ sinh thực phẩm của người dân. Nghiên cứu được thực hiện nhằm các mục tiêu sau: - Đánh giá sự tích tụ KLN (Cu, Pb, Zn và Cd) trong mang, gan, thận của cá chép và cá rô phi theo mùa và theo mặt cắt trong khu vực nghiên cứu. - Phân tích sự biến động của nồng độ protein và hoạt tính GST trong cùng mẫu cá phân tích kim loại nặng. - Bước đầu xác định tương quan giữa nồng độ kim loại nặng tích tụ với nồng độ protein và hoạt tính GST trong cùng mẫu cá phân tích. 2
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI IỆU 1.1. Tổng quan về các loài cá nghiên cứu 1.1.1. Cá chép (Cyprinus carpio) 1.1.1.1. Đặc điểm phân loại và phân bố Cá chép là một loài cá nước ngọt phân bố rộng rãi ở khắp các ao, hồ, sông suối giàu chất dinh dưỡng [32]. Phân loại: Giới: Animalia (động vật) Ngành: Chordata (động vật có dây xương) Lớp: Actinopterygii (lớp cá vây tia) Bộ: Cypriniformes (bộ cá chép) Họ: Cyprinidae (họ cá chép) Giống: Cyprinus (cá chép) Loài: Cyprinus carpio. Thân cá hình thoi, mình dây, dẹp bên. Viền lưng cong, thuôn hơn viền bụng. Đầu cá thuôn, cân đối, mõm tù, có hai đôi râu: râu mõm ngắn hơn đường kính mắt, râu góc hàm bằng hoặc lớn hơn đường kính mắt. Mắt vừa phải ở hai bên, thiên về phía trên của đầu. Khoảng cách hai mắt rộng và lồi. Miệng ở mút mõm, hướng ra phía trước, hình cung khá rộng; rạch miệng chưa tới viền trước mắt. Hàm dưới hơi dài hơn hàm trên. Môi dưới phát triển hơn môi trên. Màng mang rộng gắn liền với eo. Lược mang ngắn, thưa. Răng hầu phía trong là răng cấm, mặt nghiền có vân rãnh rõ. Khởi điểm của vây lưng sau khởi điểm vây bụng, gần mõm hơn tới gốc vây đuôi, gốc vây lưng dài, viền sau hơi lõm, tia đơn cuối là gai cứng rắn chắc và phía sau có răng cưa. Vây ngực, vây bụng và vây hậu môn ngắn chưa tới các gốc vây sau nó. Vây hậu môn viền sau lõm, tia đơn cuối hóa xương rắn chắc và phía sau có răng cưa. Hậu môn ở sát gốc vây hậu môn. Vây đuôi phân thuỳ sâu tương đối bằng nhau. 3
Vẩy tròn lớn. Đường bên hoàn toàn, chạy thẳng giữa thân và cuống đuôi. Gốc vây bụng có vẩy nách nhỏ dài. Lưng xanh đen, hai bên thân phía dưới đường bên vàng xám, bụng trắng bạc. Gốc vây lưng và vây đuôi hơi đen. Vây đuôi và vây hậu môn đỏ da cam [3, 5]. Cá chép phân bố rộng trên thế giới, trừ Nam Mỹ, Madagasea và châu Úc, Tây Bắc Mỹ. Cá sống tự nhiên hay nuôi trong các ao, đầm, hồ [2, 48]. Ở Việt Nam, cá chép có nhiều dạng hình khác nhau: Chép Bạc, Chép Kính, Chép Đen, Chép Hồng, Chép Hoa, Chép Lưng Gù, Chép Cẩm... Hình 1. 1: Cyprinus carpio (Nguồn ảnh: Mike Kroessig) 1.1.1.2. Một vài đặc điểm sinh học Cá chép có thể sống sót trong môi trường có độ mặn lên đến khoảng 5‰, pH tối ưu của 6,5 - 9,0 [48] và nhiệt độ 0 - 40°C. Nhiệt độ nước dao động từ 20°C đến 27°C là điều kiện tối ưu cho sự sinh trưởng và phát triển của cá chép [5]. Cá chép có thể tồn tại trong điều kiện nồng độ oxy thấp (0,3 - 0,5 mg/l) cũng như quá bão hòa [48]. Cá chép là sinh vật sống ở tầng đáy và chủ yếu là ăn tạp, chúng thường ăn các loài động vật như côn trùng nước, giun, động vật thân mềm, và động vật phù du. Ngoài ra, cá chép còn ăn thân, lá và hạt của cây thủy sinh và trên cạn, thực vật thủy sinh mục nát, giáp xác... [6, 48]. Cá chép có kích thước ở mức trung bình, con to nhất có thể đạt 15 – 20 kg. Tốc độ tăng trưởng giảm cùng với sự gia tăng chiều dài [7]. Thành phần cấu trúc của các loài cá chép sông Hồng đều nằm trong nhóm 7 tuổi. Cá chép thành thục sau khi được 1 tuổi. Chúng có thể mang một số lượng trứng rất lớn, khoảng 150.000 - 200.000 trứng/kg cá cái. Mùa sinh sản kéo dài từ mùa xuân đến mùa thu, 4
nhưng chủ yếu tập trung vào các tháng của mùa xuân đến mùa hè (từ tháng 3 đến tháng 6) và mùa thu (từ tháng 8 đến tháng 9). Trứng cá chép rất dính. Sau khi đẻ, trứng bám vào cây thủy sinh. Trên sông, cá thường di chuyển đến bờ sông, nơi mà chúng có thể tìm thấy nhiều thực vật thủy sinh hơn. Cá thường đẻ rất nhiều trứng vào ban đêm, đặc biệt là từ nửa đêm đến bình minh hoặc sau các trận mưa lớn [5]. 1.1.2. Cá rô phi (Oreochromis niloticus) 1.1.2.1. Đặc điểm phân loại và phân bố Cá rô phi là một loài cá nhiệt đới thích sống ở vùng nước nông, là một trong những loài thủy sản phát triển nhanh nhất trên thế giới [46]. Ở Việt Nam, loài rô phi được nuôi phổ biến nhất là cá rô phi sông Nile – rô phi vằn (Oreochromis niloticus). Phân loại cá rô phi sông Nile: Giới: Animalia (động vật) Ngành: Chordata (động vật có dây xương) Lớp: Actinopterygii (lớp cá vây tia) Bộ: Perciformes (Bộ cá Vược) Họ: Cichlidae Giống: Oreochromis Loài: Oreochromis niloticus. Hình 1. 2: Oreochromis niloticus (Nguồn ảnh: Danon J. Moxley) Cá rô phi có thân cao, hình hơi bầu dục, dẹp bên. Đầu ngắn. Miệng rộng hướng ngang, rạch kéo dài đến đường thẳng đứng sau lỗ mũi một ít. Hai hàm dài bằng nhau, môi trên dầy. Lỗ mũi gần mắt hơn mõm. Mắt tròn ở nửa trước và phía 5
trên của đầu. Khoảng cách hai mắt rộng, gáy lõm ở ngang lỗ mũi. Khởi điểm vây lưng ngang với khởi điểm vây ngực, trước khởi điểm vây bụng. Vây ngực nhọn, dài, mềm. Vây bụng to cứng, chưa tới lỗ hậu môn. Toàn thân phủ vẩy, ở phần lưng có màu sang, vàng nhạt hoặc xám nhạt, phần bụng có màu trắng ngà hoặc màu xanh nhạt. Trên thân có từ 6 - 8 vạch sắc tố chạy từ lưng xuống bụng. Các vạch sắc tố ở các vây đuôi, vây lưng rõ ràng hơn. Toàn thân phủ vảy, ở phần lưng có màu xám nhạt, phần bụng có màu trắng ngà hoặc xanh nhạt. Trên thân có từ 7 - 9 vạch chạy từ phía lưng xuống bụng. Các vạch đậm dọc theo vây đuôi ở từ phía lưng xuống bụng rất rõ [1]. 1.1.2.2. Một vài đặc điểm sinh học Cá rô phi là loài cá ăn tạp, khẩu phần ăn của chúng bao gồm hỗn hợp tảo phù du, động vật phù du, giun đất, côn trùng dưới nước, mùn bã hữu cơ và có khi cả phân hữu cơ. Mặc dù không thể chắt lọc qua khe mang, nhưng chúng có thể tiết ra chất nhầy từ mang để bẫy sinh vật phù du một cách hiệu quả. Nhiệt độ gây chết ngưỡng trên và dưới của cá rô phi là 11 - 12°C và 42°C, nhiệt độ tối ưu trong khoảng 31 - 36°C. Thành thục sinh dục ở độ tuổi 5 - 6 tháng. Sinh sản bắt đầu khi nhiệt độ nước đạt đến 24°C. Quá trình sinh sản bắt đầu khi con đực tự tạo lãnh thổ, đào một cái hố (làm tổ) và bảo vệ lãnh thổ của mình. Cá cái thành thục đẻ trứng trong tổ, ngay sau khi cá đực thụ tinh xong, chúng liền đớp những quả trứng vào miệng và di chuyển ra khỏi tổ. Cá cái ấp trứng trong miệng và ấp cá con sau khi nở cho đến khi noãn hoàng được hấp thụ hết. Việc ấp trứng được thực hiện từ 1-2 tuần, tùy thuộc vào nhiệt độ. Sau khi cá bột được nhả ra, chúng có thể bơi trở lại vào miệng mẹ nếu có nguy hiểm đe dọa. Cá rô phi có thể sống lâu hơn 10 năm và đạt trọng lượng trên 5 kg [8]. 1.1.3. Các cơ quan trong cá và các chỉ thị sinh học thường được sử dụng trong nghiên cứu độc học sinh thái * Mô cơ quan được sử dụng trong nghiên cứu: Một số nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng mang thực sự là một chỉ thị môi trường có ý nghĩa [19, 25]. Trong thực tế, mang cá có diện tích bề mặt rộng, nơi liên tục tiếp xúc với môi trường bên ngoài và là con đường chính của sự hấp thu các chất ô nhiễm từ pha lỏng [49]. Hơn nữa, mang là nơi trao đổi khí, cân bằng 6
acid-base, thẩm thấu, điều hoà ion, và bài tiết các sản phẩm thải của quá trình trao đổi chất [50]. Đây là cơ sở cho thấy khi tiếp xúc với các chất ô nhiễm trong môi trường thì mang sẽ phản ứng sớm hơn gan và thận [11, 52]. Gan là cơ quan được nghiên cứu nhiều nhất cả về tích lũy các chất gây ô nhiễm và các phản ứng stress oxy hóa trong cá [48, 50]. Đây được coi là một sự lựa chọn phù hợp do gan là cơ quan đa chức năng và không thể thay trong quá trình chuyển hóa các chất lạ (xenobiotics) cũng như sự cần thiết của nó để vô hiệu hóa và giải độc các chất gây ô nhiễm mà cơ thể đã hấp thụ [12]. Đặc biệt, gan được biết đến vì một số lượng lớn kim loại hấp thụ trong gan liên quan tới việc sản sinh ra nhiều metallothioneins, là các protein có khối lượng phân tử thấp, có khả năng liên kết với các kim loại nặng và cất giữ chúng ở trạng thái không độc [47]. Thận có thể thể hiện mức độ chuyển hóa độc tố và có tiềm năng tích lũy kim loại [11], khả năng này của thận được so sánh với của gan [10]. Ngoài ra, thận có máu, nội tiết và chức năng miễn dịch. Hơn nữa, thận đóng một vai trò quan trọng trong việc duy trì sự cân bằng nội môi và là con đường chính cho loại bỏ và giải phóng các chất lạ khỏi cơ thể sinh vật một cách nhanh chóng. Vì thận liên quan đến sức khỏe sinh lý của cá nên nó đã từng được sử dụng trong đánh giá sức khỏe môi trường [51]. * Chỉ thị (dấu hiệu) sinh học (Biomarker): Sự căng thẳng trong cơ thể có thể được gây ra bởi các nguyên nhân tự nhiên hoặc do tiếp xúc với các yếu tố độc hại. Những nguyên nhân này có thể gây ảnh hưởng đến khả năng hoặc thay đổi cơ chế bù đắp hoặc sự phục hồi trong quá trình chuyển hóa năng lượng [28]. Sinh vật sử dụng hầu hết năng lượng của mình cho sự tăng trưởng, phát triển, sinh sản, và sự trao đổi chất cơ bản. Do vậy, khi cơ thể cá bị căng thẳng do độc tính của kim loại nặng đã khiến chúng tiêu hao rất nhiều năng lượng dự trữ dưới dạng các đại phân tử như protein [58]. Một số nghiên cứu trước đây cho rằng các chỉ số sinh hóa trong máu cá và các loại mô có thể được sử dụng như các chỉ thị của việc nhiễm độc kim loại nặng bởi vì những thông số này có thể thay đổi khi cá bị phơi nhiễm với kim loại nặng [12]. Các biomarker như năng lượng dự trữ (protein), các biến đổi sinh hóa gây ra bởi stress oxy hóa, như glutathione (GSH), glutathione S-transferase (GST), 7
superoxide dismutase (SOD) và catalase (CAT)...phản ánh sự hiện diện và ảnh hưởng của kim loại nặng đối với tình trạng sinh lý của cá [31]. Do đó, chúng là những chỉ thị sinh học quan trọng trong việc nghiên cứu và đánh giá tác động của sự ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường nước đối với các loài cá. Vì những lý do trên, trong nghiên cứu này protein và enzyme GST của ba loại mô (mang, gan, thận) trong cá chép và cá rô phi đã được lựa chọn để nghiên cứu sự ảnh hưởng của kim loại nặng đến tình trạng sinh lý của các loài cá này. 1.2. Ảnh hƣởng của kim loại nặng đối với cá 1.2.1. Sự tích lũy của kim loại nặng trong cơ thể cá 1.2.1.1. Kim loại nặng trong môi trường nước và độc tính của chúng Nước là một trong những tài nguyên thiên nhiên không thể thay thế. Cùng với sự phát triển của công nghệ và áp lực dân số quá lớn, các nguồn tài nguyên thiên nhiên đã và đang chịu tác động rất lớn, đặc biệt là nguồn nước đã bị ô nhiễm bởi chất thải công, nông, ngư nghiệp và đô thị. Trên thực tế, có rất nhiều tác nhân gây ô nhiễm nguồn nước, đáng quan tâm nhất phải kể đến các kim loại nặng. Mặc dù ô nhiễm kim loại trong môi trường nước khó quan sát hơn so với các loại ô nhiễm khác nhưng ảnh hưởng của chúng lên các hệ sinh thái thủy vực và con người lại rất lớn. Nguồn gốc của ô nhiễm kim loại nặng có thể là từ các nguồn tự nhiên và con người bao gồm cả hoạt động khai thác, đốt các sản phẩm, xưởng đúc và nhà máy luyện kim và giao thông [10]. Có khá nhiều trạng thái hóa lý của các kim loại nặng trong môi trường nước, ví dụ, Cu có xu hướng tạo ra các phức, chủ yếu là với các phối tử hữu cơ [10] chứ không phải là ion Cu2+ tự do. Chì, không có các chất hút bám hữu cơ tương tự như Cu [27] mà chủ yếu tạo phức với cacbonat (pH 7 - 9). Kẽm chủ yếu tồn tại dưới dạng đơn giản như ion hydroxyl và cacbonat phức hợp [26]. Cadmium cacbonat và Cd2+ là một dạng vô cơ chủ yếu của Cd trong nước sông và phụ thuộc chặt chẽ vào độ pH của nước [34]. Một vài đặc điểm rất quan trọng về kim loại nặng cần được lưu tâm. Thứ nhất, ảnh hưởng của một chất nào đó lên một hệ thống sống luôn luôn phụ thuộc vào nồng độ sẵn có của nó trong tế bào. Do đó, không có chất nào luôn luôn là 8
chất gây độc. Thứ hai, trong số các ion kim loại, có một số là các nguyên tố vi lượng cần thiết cho tế bào, một lượng nhỏ các nguyên tố này rất cần thiết cho sự tồn tại, sinh trưởng và phát triển của sinh vật. Ví dụ, một số kim loại như coban, đồng, sắt, kali, magiê, natri, kẽm và niken là những kim loại thiết yếu, đóng vai trò là nguyên tố vi lượng, sử dụng cho quá trình oxi hóa khử, ổn định các phân tử thông qua tương tác tĩnh điện, là thành phần của các enzyme khác nhau, tham gia vào quá trình điều hoà áp suất thẩm thấu. Các kim loại khác như Cd, Hg, và Pb là những kim loại không cần thiết, chúng không có chức năng sinh học và có khả năng gây độc rất cao cho sinh vật. Các kim loại không thiết yếu này gây độc bằng cách thay thế vị trí gắn kết vốn là vị trí của các kim loại thiết yếu hoặc bằng cách gắn với nhóm phối tử. Ví dụ, Hg2+, Cd2+, Pb2+ và Ag2+ ức chế hoạt động của enzyme bằng cách gắn vào nhóm SH của protein [20]. Đáng lưu ý là, kể cả kim loại thiết yếu và không thiết yếu khi ở nồng độ cao đều có thể phá hỏng màng tế bào, thay đổi hoạt tính của các enzyme, làm gián đoạn chức năng tế bào, và phá hỏng cấu trúc của ADN [18]. Độc tính của các kim loại nặng không chỉ liên quan đến sự biệt hóa hóa học mà còn liên quan đến nồng độ kim loại tổng số [57], hoặc số lượng các quá trình sinh học và môi trường. Do các đặc tính về khả năng gây độc, khả năng tồn tại bền vững trong môi trường tự nhiên cũng như sự tích lũy sinh học đặc trưng của các kim loại nặng mà chúng đang là một mối đe dọa nghiêm trọng đối với các sinh vật sống và các hệ sinh thái trong tự nhiên. 1.2.1.2. Ảnh hưởng của kim loại nặng trên sức khỏe sinh lý và tăng trưởng của cá Kim loại nặng được vận chuyển vào cơ thể sinh vật qua các chuỗi thức ăn [30]. Khi động vật ăn các sinh vật bị ô nhiễm, các kim loại nặng được đưa vào cơ thể qua đường tiêu hóa và thông qua các quá trình đồng hóa, tích lũy lâu dài trong mô của động vật thủy sinh. Cơ chế này có thể dẫn tới hiện tượng khuếch đại sinh học của kim loại nặng ở các mắt xích thức ăn cao hơn trong chuỗi thức ăn. Cũng do hiện tượng này mà các loài động vật ở bậc dinh dưỡng cao hơn trong chuỗi thức ăn sẽ có nồng độ kim loại nặng cao hơn so với các động vật ở bậc dinh dưỡng thấp hơn [15]. Cá là sinh vật tiêu thụ và cũng là mắt 9
xích cao nhất trong chuỗi thức ăn của hệ sinh thái nước ngọt. Do đó, ngoài tích lũy chất gây ô nhiễm trực tiếp từ nguồn nước ô nhiễm thì cá còn tích lũy các chất gây ô nhiễm thông qua chuỗi thức ăn. Nồng độ các chất ô nhiễm, đặc biệt là kim loại nặng, trong môi trường nuôi thủy sản có liên quan chặt chẽ với nồng độ kim loại nặng trong các mô của cơ thể, đặc biệt là mang, gan và thận cá, nơi tiếp xúc đầu tiên và tích luỹ nhiều kim loại nặng nhất. Mối quan hệ này phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó có sinh khả dụng của các kim loại nặng, các quá trình hấp thu, chuyển hóa và bài tiết các kim loại nặng ra khỏi cơ thể cá. Khi các cơ chế bài tiết kim loại nặng, lắng đọng và giải độc trong cá vượt quá khả năng xử lý kim loại nặng của cơ thể trong một khoảng thời gian nhất định thì các kim loại nặng có xu hướng tích lũy, đặc biệt trong các mô và cơ quan có hoạt động trao đổi chất mạnh. Khả năng tích lũy kim loại giữa các loài cá không giống nhau và tương tự như vậy giữa các cá thể trong một quần thể cũng có sự khác nhau. Điều này cũng phụ thuộc vào độ tuổi, kích thước, tính ăn và giới tính của sinh vật [65]. Ngoài ra, kết quả thí nghiệm trong các phòng thí nghiệm khác cũng đã chỉ ra rằng sự tích tụ của kim loại nặng trong các mô cá chủ yếu phụ thuộc vào nồng độ của các kim loại trong nước, thời gian phơi nhiễm [67] hoặc một số yếu tố môi trường khác như độ mặn, pH, độ cứng và nhiệt độ của môi trường nước. Trong một nghiên cứu điều tra các kim loại nặng (Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Zn) trong mười loài cá miền Bắc Gulf, Abu Hilal và cộng sự (2008) chỉ ra rằng: Cd tích lũy chủ yếu trong các cơ quan chính của cá như gan, dạ dày và mang. Nồng độ Cu là tương đối thấp trong cơ thịt cá (1,1 mg/g), so với giá trị đó ở mang (4,3 mg/g), tuyến sinh dục (5,5 mg/g), gan (19,1 mg/g) và dạ dày (7,6 mg/g) [9]. Kim loại nặng trong nước rất nguy hiểm đối với cá bột vì chúng làm giảm tỷ lệ sống và tốc độ tăng trưởng của ấu trùng cá. Chúng có thể làm giảm đáng kể số lượng cá hoặc thậm chí dẫn đến sự tuyệt chủng của toàn bộ quần thể cá mà nguyên nhân là do chúng gây ra hiện tượng dị tật cột sống, làm giảm khả năng di chuyển và trốn tránh kẻ thù của cá bột, dẫn đến số lượng cá thể trong quần thể bị giảm sút. Trong một nghiên cứu của mình, Somiñska và cộng sự (2000) đã tiến hành nuôi ấu trùng cá chép bằng nguồn nước bị nhiễm Pb và Cu 10
trong điều kiện phòng thí nghiệm, kết quả cho thấy sự phát triển và tốc độ tăng trưởng của ấu trùng cá chép đã bị chậm lại và tỷ lệ sống bị giảm sút. Nguyên nhân là do phơi nhiễm với chì đã gây ra chứng vẹo cột sống, trong khi đồng ức chế sự hóa xương [56]. Ngoài những biến đổi sinh lý, sinh hóa khác nhau đã nêu ở trên, kim loại độc hại còn gây ra những hậu quả nghiêm trọng như: làm gia tăng hàng loạt phản ứng oxi hóa (ROS), cuối cùng dẫn đến tình trạng stress oxy hóa. Để đối phó với tình trạng này, các enzym chống oxy hóa khác nhau như glutathione peroxidases (GPxs, EC 1.11.1.9), GSH sulfo transferase (glutathione S-transferase (GSTs), EC 2.5.1.18), catalase (CAT, EC 1.11 .1.6), và chất chống oxy hóa nonenzymatic như GSH và thiol (-SH ) đã được sinh ra để bảo vệ sinh vật chống lại ROS [14, 17, 36, 37, 45, 54]. Thêm vào đó, việc sử dụng năng lượng để đối phó với tình trạng stress cũng khiến nguồn năng lượng dự trữ như protein và glycogen bị giảm sút. Do vậy, sự thay đổi nguồn năng lượng này cũng phản ánh sự hiện diện và ảnh hưởng của kim loại nặng đối với tình trạng sinh lý cá. 1.2.2. Ảnh hưởng của tích lũy kim loại nặng lên protein - nguồn năng lượng dự trữ quan trọng ở cá 1.2.2.1. Cấu trúc và chức năng sinh lý của protein Protein là hợp chất hữu cơ có ý nghĩa quan trọng bậc nhất trong cơ thể sống. Về mặt số lượng, protein chiếm không dưới 50% trọng lượng khô của tế bào; về thành phần cấu trúc, protein được tạo thành chủ yếu từ các amino acid vốn được nối với nhau bằng liên kết peptide. Cho đến nay người ta đã thu được nhiều loại protein ở dạng tinh thể và từ lâu cũng đã nghiên cứu kỹ thành phần các nguyên tố hoá học và đã phát hiện được rằng thông thường trong cấu trúc của protein gồm bốn nguyên tố chính là C, H, O, N với tỷ lệ C ≈ 50%, H ≈ 7%, O ≈ 23% và N ≈ 16%. Đặc biệt tỷ lệ N trong protein khá ổn định (lợi dụng tính chất này để định lượng protein theo phương pháp Kjeldahl bằng cách tính lượng N rồi nhân với 6,25). Ngoài ra trong protein còn gặp một số nguyên tố khác như S ≈0-3% và P, Fe, Zn và Cu… Phân tử protein có cấu trúc, hình dạng và kích thước rất đa dạng, khối lượng phân tử (MW), được tính bằng Dalton (1 Dalton = 1/1000 kDa, đọc là kiloDalton), 11