Phú dưỡng ở các hệ sinh thái nước ngọt

1 PHÚ DƯỠNG Ở CÁC HỆ SINH THÁI NƯỚC NGỌT Giáo viên : PGS. TS Lưu Đức Hải Sinh viên: Lê Thị Hương - Võ Thị Thu Lớp: K9-CLC Môi Trường 2 I. Khái niệm Hiện tượng phú dưỡng ( eutrophication) là hiện tượng nồng độ các chất dinh dưỡng, đặc biệt là N, P tăng quá cao. Hiện tượng phú dưỡng ở các hệ sinh thái nước ngọt gây ra sự phát triển bùng nổ của các loài tảo, rong được gọi là hiện tượng nở hoa trong nước. Tảo là loài thực vật phù du, đơn bào, có thể được mô tả bằng công thức: ( CH2O)106(NH3)16H3PO4 Như vậy, tảo được cấu tạo từ các nguyên tố chinh: C, N, P, O, H.. Từ công thức trên, tỷ số C:N:P là 106:16:1. Tỷ số N:P = 16: 1 được gọi là “ giá trị biên độ đỏ - redfield value”. Giá trị này biểu thị lượng cần thiết N và P tạo nên rong tảo, từ đó có thể xác định được yếu tố nào là yếu tố hạn chế tiềm năng phát triển rong tảo.Khi N:P >16 thì P trở thành yếu tố giới hạn. Ngược lại, N:P <16 thì N trở thành yếu tố giới hạn. Trong các hệ sinh thái nước ngọt thì yếu tố giới hạn thường là P bởi vì:  Các dòng chảy tràn trên mặt chứa một lượng lớn nitrat  N dưới dạng nitrat dễ bị hòa tan do đó dễ bị rửa trôi ra các hệ sinh thái nước ngọt.  Một số loài tảo lục và vi khuẩn có khả năng cố định nitơ dưới dạng N2 từ khí quyển II. Diễn biến của quá trình phú dưỡng Trong các hệ sinh thái nước ngọt, luôn tồn tại sẵn các loài tảo và một hàm lượng nhất định các chất N, P để đảm bảo sự phát triển bình thường của các hệ sinh thái này. Khi nồng độ N, P tăng lên, nó sẽ kích thích sự phát triển của tảo- gọi là hiện tượng “tảo nở hoa ” đó là sự phát triển một cách vượt bậc về số lượng các loài tảo trong hệ sinh thái nước( ở đây xét đến hệ sinh thái nước ngọt).Tùy thuộc vào sự tham gia của loài tảo vào hiện tượng “tảo nở hoa” mà số lượng tảo phát triển ở các mức độ khác nhau.Ở điều kiện bình thường, tảo có10- 100 tb/ml nước, còn trong điều kiện phú dưỡng tảo có thể lên tới 104-105 tb/ml nước(thậm chí lên tới hàng triệu tb/ml nước – loài Gyrodinium aureulum ), kéo theo đó là sự đổi màu của nước- đây là dấu hiệu dễ nhận biết nhất của hệ sinh thái nước ngọt bị phú dưỡng.Tuy nhiên không phải lúc nào hiện tượng này cũng xảy ra, có những trường hợp tảo nở hoa nhưng không làm thay đổi màu nước.Trong hệ sinh thái nước ngọt, thường có tảo lục, tảo lam hay tảo giáp do vậy nước thường đổi màu xanh. 3 Sự khác biệt giữa hồ bình thường và hồ phú dưỡng Tảo phát triển bao nhiêu thì cũng có một lượng lớn tảo bị chết đi.Khi tảo chết đi sẽ được các vi khuẩn phân hủy, chúng lấy đi O2 khuếch tán trong môi trường nước để phân hủy tảo chết phát triển: (CH2O)106(NH3)H3PO4 + 138 O2=106 CO2+122H2O+16HNO3+ H3PO4. Như vậy để phân hủy 1 phân tử tảo thì vi khuẩn đã lấy đi của môi trường 276 nguyên tử ôxi, làm giảm nồng độ ôxi làm cho các loài cá và sinh vật thủy sinh khác không đủ ôxi mà chết ngạt. Đồng thời, tảo chết đi, rơi xuống đáy, tạo thành lớp trầm tích ở đáy hồ, lâu dần làm cho hồ nông dần đi.Môi trường đáy là nơi nồng độ O2 rất thấp, các vi khuẩn phân hủy trong điều kiện yếm khí, kết quả là sinh ra các khí như H2S… gây mùi hôi thối, làm nước bị vẩn đục, có màu đen hoặc xám đen. III. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phú dưỡng 1 . Chất dinh dưỡng Đây là yếu tố quan trọng nhất ,bởi lẽ nó quyết định đến sự sinh sôi, phát triển của tảo. Các hoạt động của con người ngày càng cung cấp cho hệ sinh thái nước ngọt hàm lượng lớn N, P- quá trình phú dưỡng hóa do con người, tuy nhiên còn có hiện tượng phú dưỡng hóa do tự nhiên- đó là trường hợp các ao, hồ nằm trên các tầng đất sản sinh P, do vậy sự hạn chế thậm chí ngừng hẳn các nguồn cung cấp N, P do con người cũng không thể ngăn chặn quá trình phú dưỡng . 2. Độ sâu của hồ Hồ càng sâu thì các chất dinh dưỡng sẽ bị lắng xuống tầng đáy, cách xa phạm vi sinh sống ở tầng mặt do vậy hạn chế được hiện tượng “tảo nở hoa”. 3. Khả năng lưu chuyển nước Cá chết hàng loạt do thiếu ôxi 4 Nước mà lưu chuyển càng nhanh thì sẽ kéo các chất dinh dưỡng ra khỏi hệ sinh thái , khiến cho các loài tảo không đủ thời gian để sử dụng các chất dinh dưỡng này.Những ao, hồ tụ đọng – ao, hồ mà không có dòng nước dẫn vào đi ra mà nguồn cung cấp nước chủ yếu từ nước ngầm, nước chảy tràn trên mặt còn nước đi ra do ngấm qua đất hay bốc hơi nước, có nguy cơ lớn dẫn đến hiện tượng phú dưỡng. 4. Các điều kiên khí hậu Khi có các yếu tố về ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm thích hợp thì sẽ đẩy nhanh quá trình phát triển của tảo gây ra hiện tượng phú dưỡng. Chính vì lẽ đó, hiện tượng phú dưỡng thường gặp vào mùa đông hau mùa hè vì mùa đông có nhiệt độ thấp, khả năng bốc hơi nước kém đi nên lượng nitrat di chuyển vào không khí ít. Tóm lại, hiện tượng phú dưỡng sẽ có tiềm năng phát triển ở hệ sinh thái nước ngọt mà hội tụ các yếu tố:  Hàm lượng N, P cao ( từ các nguồn do con người hay tự nhiên).  Độ sâu thấp  Khả năng lưu chuyển nước kém  Các điều kiện khí hậu thuận lợi III. Các nguồn gây hiện tượng phú dưỡng Việc phân loại các nguồn gây ra hiện tượng phú dưỡng là rất quan trọng trong việc đối phó, giải quyết vấn đề này. 1. Nguồn điểm ( point source) Là nguồn xác định trong môi trường không gian nhỏ, trong đó các chất thải chứa hàm lượng lớn các chất dinh dưỡng được đổ trực tiếp vào HST nước ngọt qua các hệ thông cống, rãnh, ống dẫn chất thải từ các nhà máy, khu công nghiệp, khu dân cư. Đáng chú ý là hiện tượng sử dụng bột giặt, các chất tẩy rửa có chứa P, nước thải được đưa vào ao, hồ. Bột giặt chứa P san xuất từ năm 1940. Giữa những năm 1950 – 1970 lượng bột giặt tiêu thụ tăng gấp 5 lần ở Mĩ và gấp 7 lần ở Anh. P từ bột giặt chiếm 47 -65% tổng số P trong nước cống từ 6 trạm xử lí ở Anh vào năm 1971 so với 10 – 20% vào năm 1957 Nguồn từ công nghiệp: mức độ tùy theo từng nghành công nghiệp. Ví dụ nghành công nghiệp rượu bia ở Anh một ngày thải ra sông 11.000 m3 có nồng độ Cống xả thải từ nhà máy đổ trực tiếp ra ao, hồ 5 156mg N/l và 20 mg P/l. Nghành chế biến thực phẩm và nghành công nghiệp len yêu cầu công đoạn rửa rất nhiều thường có nước thải chứa nhiều N, P. Việc xác định được nguồn gây hiện tượng này sẽ dễ dàng cho việc xử lí. 2. Nguồn phân tán ( nonpoint source) Là nguồn dẫn các chất dinh dưỡng (N,P) vào các HST nước ngọt không theo một con đường nhất định ( công, rãnh…), chúng thường rất đa dạng trong không gian và mang tính tạm thời ( phụ thuộc vào mùa, điều kiện thời tiết…) Một dạng chính của nguồn phân tán này là các dòng chảy tràn trên mặt. Chúng được hình thành khi mưa, băng tan hay tưới tiêu, nước không chỉ ngấm xuông đất mà tạo thành những dòng chảy tạm thời. Những dòng chảy này đi từ cánh đồng, đường phố, khu tập kết rác thải… và cuốn theo nó là vô số các chất cặn bã, các chất dinh dưỡng xuống các HST ao, hồ. Các dòng chảy từ nông nghiệp: Trong nông nghiệp, để tăng năng suất, người ta đã sử dụng một lượng lớn phân bón mà chủ yếu là phân đạm ( chứa N), phân lân ( chứa P). Tuy nhiên, chỉ có 30-40% lượng phân bón đưa vào cây có khả năng hấp thụ, còn lại sẽ bị tích tụ trong đất. Hiện tượng xói mòn xảy ra sẽ cuốn theo lượng phân bón dư thừa đó đổ ra nguồn nước.Ngày nay, lượng phân bón sử dụng tăng lên nhanh chóng.Owen(1970) cho rằng nông nghiệp chiếm 71% khối lượng nitơ chảy xuống sông Great Ouse ở miền trung nước Anh.Còn ở Đắc Lắc nông dân bón lượng phan chúa nitơ là 600 kg/ha cho cà phê dất đỏ vẫn không cho năng suất cao hơn với việc bón 200kg/ha, lượng dư thừa sẽ đổ vào sông hồ và làm phú dưỡng hóa Chất thải từ động vật cũng là nguôn lớn gây hiện tượng phú dưỡng. Lượng P do gia súc thải ra gấp 4 lần lượng do con người thải ra. Tác động xói mòn , rửa trôi được tăng cường bởi các hoạt động của con người như:xây dựng các công trình, canh tác, đốt rừng: làm giảm diện tích đất che phủ bởi thực vật, làm đất bị trơ ra. Trong quá trình đó, một lượng lớn nitrat đã bị rửa trôi xuống ao, hồ. Nước chảy tràn trên mặt- đưa các chất dinh dưỡng t mọi nơi xuống các HST nước ngọt. 6 Xói mòn đất Theo một thí nghiệm được tiến hành ở Hubard Brook ở vùng núi trắng ở New Hamphire trong vòng 3 năm từ năm 1960 đến năm 1963.Ngưới ta tiến hành chặt trụi một thung lũng, rồi đo hàm lượng nitrat đi ra, rồi so sánh với một thung luingx được giữ nguyên .Kết quả cho thấy, lượng nitrat tăng 50 lần so với thunglungx không bị chặt trụi. Ngoài ra, các hiện tượng thời tiết bất thường do tác động của con người như hiện tượng mưa axit cũng là nguồn bổ sung nitrat vào các hệ sinh thái nước ngọt.Việc sử dụng các nhiên liệu hóa thạch làm sản sinh các chât khí như NO2, NO… hay việc bốc hơi khí NH3 từ phế thải sinh vật, khí vào không khí , sẽ xảy ra một loạt các phản ứng để tạo thành axit, theo mưa rơi xuống ao, hồ. Như vậy, qua các nguồn gây phú dưỡng hóa, ta thấy rằng, không chỉ có hoạt động của con người ở ngay cạnh các hệ sinh thái nước ngọt mới gây ra hiện tượng phú dưỡng hóa, mà những hoạt động nhân sinh cách xa đó hàng trăm km mới là nguyên nhân chủ yếu gây ra hiện tượng này, đây chính là một khó khăn trong việc xử lý vấn đề phú dưỡng. IV. Tác hại a) Đối với hệ sinh thái nước ngọt Các tác động bao gồm:  Sự đa dạng các loài sinh vật giảm đi, loài thống trị bị thay đổi  Độ đục tăng lên  Tốc độ lắng tăng, tuổi thọ tối đa của hồ giảm Sự giảm đa dạng sinh học của ao, hồ: do các nguyên nhân  Nồng độ ôxi khuyếch tán trong nước giảm, dẫn đến sự thiếu O2 cung cấp cho các loài cá và sinh vật thủy sinh trong hệ sinh thái, gây ra hiện tượng chết hàng loạt của các loài này.  Trong quá trình “tảo nở hoa”, đã sản sinh ra một số chất độc gây hại cho các loài sinh vật ăn tảo. Đốt nhiên liệu hoá thạch là nguyên nhân tạo mưa axit, bổ sung N vào ao, h ồ. 7  Nhiều loại tảo không có độc tuy nhiên với hình dạng gai, kim của tế bào và mật độ dày đặc đã gây nên cái chết cho cá và các loài động vật có mang khác.Do vi tảo làm nghẹt mang các loài động vật , đưa đến việc hô hấp ngừng trệ và chết hàng loạt. Vi dụ: hiện tượng quá giầu dinh dưỡng đã làm chết sạch các loài cá quan trọng về mặt thương mại ở hồ Erie trong những năm 1950 – 1960. Khi những quy định chặt chẽ hơn về việc đổ thải được ban hành đã tạo điều kiện cho một sô quần thể cá phục hồi trở lại nhưng nhiều loài cá và động vật không xương sống bản địa đã không thể khôi phục. b) Tác động tới con người  Ảnh hưởng đến nguồn cung cấp nước Nhiều vùng đã xử lý nguồn nước ở các hệ sinh thái nước ngọt để cung cấp cho các hoạt động hàng ngày.Để đưa vào sử dụng, người ta tiến hành các phương pháp lọc, tuy nhiên sự tăng trưởng của các loài thực vật trôi nổi đặc biệt là tảo trong quá trình phú dưỡng đã gây cản trở cho việc làm sạch nước.Số lượng tảo lớn đã làm tắc các bể lọc nước, nguồn nước sau khi lọc vãn chứa một lượng đáng kể các loại tảo có kích thước nhỏ.Sản phẩm phân hủy chúng đã tạo phức chất với Fe, Al dẫn đến tăng lượng kim loại trong nước, đồng thời các sản phẩm phân hủy đó còn thúc đẩy sự lớn mạnh của vi khuẩn, nấm và động vật không xương sống.  Ảnh hưởng đến sức khỏe Nguồn nước chứa nhiều nitrat tiềm ẩn mối nguy hại lớn đối với sức khỏe con người.Trẻ em dưới 6 tháng tuổi có thẻ mắc bệnh Methaemoglobinaemia do uống sữa bình chứa nhiều nitrat.Trẻ nhỏ có pH dịch vị rất thấp, dễ khử nitrat thành nitrit.Ion nitrit dễ dàng thâm nhập vào máu, ở đó chúng ion hóa sắt trong phân tử hemoglobin, làm giảm khả năng vận chuyển máu.Tỉ lệ tử vong của bện này khoảng 60- 80%. Viện Tiêu chuẩn sức khỏe Châu âu đề nghị tiêu chuẩn về nước uống nồng độ nitrat không quá 50 mg NO3/ l.Tiêu chuản nước của Mỹ là 45 mg/l.  Ảnh hướng đến giá trị du lịch, giải trí 8 Khi nước bị phú dưỡng, giá trị này thường giảm đi đáng kể. Việc câu cá, bơi thuyền có thể bị cản trở do việc tạo váng trên bề mặt khi tảo nở hoa. Các loài tảo phân hủy thường bốc mùi khó chịu, gây ảnh hưởng cảnh quan xung quanh. V. Hiện trạng phú dưỡng ở Việt Nam Phú dưỡng lần đầu tiên được coi là một vấn đề ô nhiễm trong các hồ tự nhiên và hồ chứa nước nhân tạo ở Châu Âu và Bắc Mỹ. Từ đó đến nay, hiện tượng này đã phổ biến trên phạm vi toàn cầu. Kết quả của các cuộc nghiên cứu cho thấy hiện tượng phú dưỡng xảy ra ở 54%hồ ở Châu Á, 53 % ở Châu Âu, 48 % ở Bắc Mỹ, 41 % ở Nam Mỹ, 28 % ở Châu Phi. Ngày nay, hiện tượng phú dưỡng đã trở nên khá phổ biến ở hầu hết các nước trên thế giới và Việt Nam cũng không ngoại lệ với hơn 60% các sông, hồ…bị phú dưỡng. Báo cáo "Hiện trạng môi trường quốc gia năm 2005" cho biết: "Khu vực nội thành của các thành phố lớn (Hà Nội, TP.Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Huế...) hệ thống các hồ, ao, kênh, rạch là nơi tiếp nhận và vận chuyển chất thải của khu công nghiệp và khu dân cư, mức độ ô nhiễm đều cao hơn tiêu chuẩn cho phép 5-10 lần, các hồ trong nội thành phần lớn ở trạng thái phú dưỡng, nhiều hồ bị phú dưỡng hoá đột biến và tái nhiễm bẩn hữu cơ. Các hồ Bảy Mẫu (Hà Nội), An Biên (Hải Phòng), hồ Ðầm Vạc (Vĩnh Phúc) đều có hàm lượng hữu cơ và phú dưỡng cao hơn tiêu chuẩn cho phép loại B Kết quả quan trắc 36 điểm cho thấy chất lượng nước của tất cả các dòng sông lớn như sông Hồng, sông Cầu... đều không đạt tiêu chuẩn nước mặt loại A (nguồn cấp nước sinh hoạt), mà chỉ đạt tiêu chuẩn loại B (phục vụ tưới tiêu). Sông Nhuệ (đoạn Hà Đông) còn không đạt tiêu chuẩn cho phép loại B vì các thông số chất hữu cơ và phú dưỡng quá lớn. Nước giữa hồ Tây được coi là sạch hơn cả (đạt loại B), tuy chưa bị ô nhiễm kim loại nặng và thuốc bảo vệ thực vật, chỉ bị ô nhiễm chất hữu cơ ở mức nhẹ, với hàm hượng N, P bắt đầu cao, có nguy cơ bị ô nhiễm. Còn hồ Bảy Mẫu có có hàm lượng hữu cơ và phú dưỡng cao hơn tiêu chuẩn cho phép loại B. Các hồ phú dưỡng thường nông dần theo thời gian, nhất là các vùng đầu hồ nơi trực tiếp đón nhận nước thải. Hiện tượng lão hoá làm cạn dần hồ đã xuất hiện ở các hồ Hoàn Kiếm, hồ Tây, Bảy Mẫu, Thành Công, Thiền Quang, Ba Mẫu… Hiện nay mực nước trong các hồ về mùa khô đang giảm dần, độ sâu trung bình từ 0,5 đến 1,3m. Theo nghiên cứu, hàm lượng muối dinh dưỡng tích tụ khá lớn trong hồ gây hiện tượng ''phú dưỡng hóa'' ở hồ Xuân Hương, tạo môi trường thuận lợi cho một 9 số loài tảo bùng phát về số lượng, làm nước hồ Xuân Hương hôi thối. Kết quả phân tích tìm thấy 14 loài tảo lam tham gia hiện tượng nở hoa của nước. Ngoài ra, đã xác định hai loài tảo lục có khả năng cho mùi hôi. Tuy nhiên, nồng độ NO3- trên các sông trong cả nước vẫn nằm trong giới hạn tiêu chuẩn nước loại A theo TCVN 5942-1995. Hàm lượng NO3- trong các sông Cấm (Hải Phòng), sông Sài Gòn (TP HCM) có xu hướng ngày càng tăng lên rõ rệt. Trong khi đó trên sông Hương, sông Hàn lại có dấu hiệu giảm dần. Nhìn chung hàm lượng NO3 - trong các sông trong cả nước vẫn nằm trong giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn Việt Nam quy định. Nồng độ PO43- đang có xu hướng tăng lên ở các sông Hồng, Cấm, Hàn. Trên các sông Hương, sông Sài lại có xu hướng giảm đi. Nguyên nhân chính gây ra hiện tượng phú dưỡng ở các ao, hồ Việt Nam cũng là việc các chất thải từ các nhà máy, các cơ sở chăn nuôi, lượng phân bón dư thừa trong sản xuất nông nghiệp… đổ ra các hệ sinh thái nước ngọt làm phú dưỡng hoá, gây nhiều hậu quả nghiêm trọng.Trong đó, một nguyên nhân không thể không đề cập đến đó chính là ý thức người dân, việc vứt rác bừa bãi, đổ các chất thải sinh hoạt trực tiếp ra ao, hồ . Để giải quyết có hiệu quả hiện tượng này cần có sự phối hợp hành động của các cơ quan quản lý, các cơ sở sản xuất kinh doanh cũng như sự đồng tình tham gia ủng hộ của tất cả mọi người dân. VI. Giải pháp Như chúng ta đã biết, khả năng tự làm sạch các chất dinh dưỡng của nguồn nước bị hạn chế vì vậy cần phải có những phương pháp thích hợp để hạn chế hiện tượng phú dưỡng. Phương pháp hiệu quả nhất là xử lí nước thải chứa các dinh dưỡng với hàm lượng N, P lớn trước khi đổ ra nguồn nước. Các nhà máy cần phải có hệ thông để xử lí nước thải: Xử lí sơ cấp: vật thể rắn được lấy ra từ các màn chắn, chỉ loại bỏ được 5 – 15% lượng dinh dưỡng Xử lí thứ cấp: loại bỏ 30 -50% các chất dinh dưỡng, vẫn còn các muối photphat, nitrat và amôn được thải ra sông, hồ. Xử lí tam cấp: cần thiết để loại bỏ phần lớn photpho co trong nước thải, có các biện pháp xử lí hóa học, vật lí hoặc sinh học. Photphat có thể kết tủa bằng vôi tôi, hợp chất nhôm, hoặc sắt. Kết tủa được tách ra ở các bể lắng động. Quá trình này loại bỏ 90 – 95% lượng P. Xử lí sinh học sử dụng khả năng một vài vi sinh vật hút P nhiều hơn nhu cầu dinh dưỡng của chúng và dự trữ trong tế bào dưới dạng poly phosphat. Những vi sinh vật này có thể tách khỏi nước cùng vói bùn. 10 Ngoài ra, có thể giảm dinh dưỡng đổ vào bằng cách thay đổi phương thức sử dụng đất trên lưu vực sông. Ngăn chặn bào mòn, sử dụng có hiệu quả phân bón và phát triển các phương pháp xử lí phân động vật, hạn chế súc vật tới bên hồ. Hiện nay, có một số phương pháp được đưa ra để xử lí các hồ đã bị phú dưỡng trong đó có một biện pháp hữu hiệu và kinh tế đó là cách dùng các loài thực vật thủy sinh để loại bỏ bớt các chất dinh dưỡng ở trong hồ, đưa lượng chất dinh dưỡng dư thừa trong nước hồ chuyến vào sinh khối của thực vật thủy sinh (hấp thụ thức ăn). Bên cạnh các phương pháp xử lí, một biện pháp không thể thiếu được là việc nâng cao nhận thức cộng đồng về hiện tượng phú dưỡng: về tác hại cũng như cách phòng tránh. VII. Kết luận Tóm lại, phú dưỡng đã trở thành một vấn đề môi trường đặc biệt cần phải quan tâm trong giai đoạn hiện nay, khi sự phát triển kinh tế và đô thị hóa đang ngày càng gia tăng trên toàn thế giới. Do vậy, chúng ta cần phải có những biện pháp thích hợp để phòng tránh và xử lí hiện tượng này Tài liệu tham khảo 1. Lê Văn Khoa (chủ biên), Nông nghiệp và môi trường 2. Lê Huy Bá – Lâm Minh Triết, Sinh thái môi trường ứng dụng 3. Nguyễn Chu Hồi, Cơ sở tài nguyên và môi trường biển 4. Lưu Đức Hải, Cơ sở khoa học môi trường. 5. Lê Thạc Cán, Cơ sở khoa học môi trường 6. Lê Anh Dũng (chủ biên), Môi trường trong xây dựng