Tiểu luận Nguyên lý khoa học và công nghệ môi trường - Phần: Nguyên lý khoa học môi trường

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Khoa Môi Trường -----—²–------ Tiểu Luận môn: NGUYÊN LÝ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG PHẦN: NGUYÊN LÝ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG Vấn đề: NGUYÊN LÝ BẢO TOÀN ĐỘC CHẤT TRONG CHUỖI THỨC ĂN GVHD: PGS. TS. Lưu Đức Hải Nhóm: 13 – Lớp K22 Cao học Môi trường Nguyễn Thị Thúy Lường Thị Thúy Nguyễn Thị Thu Vũ Thị Ngọc Thu Phan Thị Thanh Hảo Nguyễn Văn Hiếu HÀ NỘI, 2015 MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG Bảng 2. sự tích lũy DDT trong một số loài sinh vật ...8 Bảng 3. Sự tích lũy sinh học một số độc chất trong cá ...8 Bảng 4. Giá trị phân tích và giá trị tính toán của hệ số tích lũy sinh học trong cá của một số hóa chất có khả năng chuyển hóa sinh học khác nhau 10 Bảng 5. Kim loại nặng Pb, Cd (µg/g : tính theo khối lượng tươi) tích lũy ở loài Sò lông (Anadara subcrenata L.) và Ngao dầu (Meretrix meretrix L.) .12 Bảng 6. Hàm lượng DDT trong chuỗi thức ăn vùng ven biển Mỹ ...15 DANH MỤC HÌNH Hình 1. Một số ví dụ về chuỗi, lưới thức ăn... 1 Hình 2. Hiệu suất sinh thái .2 Hình 3. Sự tích lũy sinh học Cd (ppm)và chì (Pb) trong loài Hến .....9 Hình 4. Tương quan giữa KLN Pb và Cd tích lũy với kích thước và khối lượng của loài Ngao dầu (Meretrix meretrix L.).. 13 Hình 5 . Độc chất (DDT) tăng dần theo chuỗi thức ăn .15 Hình 6. Sự gia tăng nồng độ độc chất trong chuỗi thức ăn sinh thái 17 1. KHÁI NIỆM CHUỖI THỨC ĂN VÀ HIỆU SUẤT SINH THÁI 1.1. Chuỗi và lưới thức ăn Chuỗi thức ăn là một dãy gồm nhiều loài sinh vật có quan hệ dinh dưỡng với nhau, loài đứng trước là thức ăn của loài đứng sau. Mỗi loài được coi là một mắt xích trong chuỗi, vừa là sinh vật tiêu thụ mắt xích phía trước nhưng cũng bị sinh vật mắt xích phía sau tiêu thụ. Các chuỗi thức ăn có mắt xích chung tạo nên lưới thức ăn. Các ví dụ về chuỗi thức ăn và lưới thức ăn: Hình 1. Một số ví dụ về chuỗi, lưới thức ăn Trong chuỗi thức ăn gồm có 4 thành phần sinh học: Các nhân tố vô sinh (chất vô cơ, chất hữu cơ, chế độ khí hậu), Sinh vật sản xuất (các sinh vật tự dưỡng), Sinh vật tiêu thụ (các sinh vật dị dưỡng) và sinh vật phân giải (vi sinh vật, nấm,). Trong hệ sinh thái có hai loại chuỗi thức ăn: - Chuỗi thức ăn bắt đầu bằng sinh vật sản xuất: Các sinh vật sản xuất → Các sinh vật tiêu thụ → Các sinh vật phân giải. Ví dụ: Cỏ → Thỏ → Cáo → Vi sinh vật phân giải. - Chuỗi thức ăn bắt đầu bằng sản phẩm phân giải hữu cơ: Các sản phẩm hữu cơ → Các sinh vật tiêu thụ → Các sinh vật phân giải. Ví dụ: Mùn → giun đất → gà → Vi sinh vật phân giải. 1.2. Hiệu suất sinh thái Hiệu suất sinh thái là tỉ lệ phần trăm chuyển hóa năng lượng giữa các bậc dinh dưỡng trong hệ sinh thái. Cứ qua mỗi bậc thì đa số năng lượng mất đi, chỉ một phần nhỏ được sử dụng để làm sinh khối cuả cá thể. Qua mỗi bậc dinh dưỡng, phần lớn năng lượng bị mất đi do chuyển thành nhiệt trong sự hô hấp. Cho nên hiệu suất sinh thái là rất thấp. Chuỗi thức ăn càng dài (có nhiều bậc dinh dưỡng) thì năng lượng nhận ở cuối chuỗi càng ít. Nói một cách khác, hiệu suất sử dụng bậc thức ăn trước trong quá trình chuyển hóa thành sinh khối của sinh vật bậc tiếp theo là rất thấp, nên chúng phải sử dụng một số lượng rất hơn sinh vật đứng trước nó trong chuỗi làm thức ăn trong quá trình sinh trưởng. Hiệu suất sinh thái luôn nhỏ hơn 100% (chỉ khoảng 10% ). Ví dụ minh họa về hiệu suất sinh thái: Hình 2. Hiệu suất sinh thái Gọi H (%) là hiệu suất sinh thái Qn là năng lượng ở bậc dinh dưỡng cấp n; Qn+ 1 là bậc dinh dưỡng cấp n + 1. Vậy H(%) = Qn+ 1/Qn x 100%. Hiệu suất sinh thái có thể được thể hiện qua: Hiệu suất đồng hóa (trong một bậc dinh dưỡng) = Đồng hóa (A)/Tiêu thụ (L) Hiệu suất tăng trưởng = Năng suất (P)/Tiêu thụ (L) Hiệu suất năng suất = Năng suất (P)/ Đồng hóa (A) Hiệu suất tiêu thụ = Tiêu thụ ở bậc dd n (Ln)/Năng suất ở bậc dd n-1 (Pn-1) Bảng 1. Năng suất và hiệu suất tiêu thụ của một số loại đồng cỏ điển hình Do thất thoát năng lượng qua các bậc thức ăn nên chuỗi thức ăn thường không dài, thường chỉ quan 5, 6 bậc dinh dưỡng và chuỗi thức ăn trên cạn thường dài hơn chuỗi thức ăn trong HST nước. 2. NGUYÊN LÝ BẢO TOÀN ĐỘC CHẤT TRONG CHUỖI THỨC ĂN Ngoại trừ các tác dụng độc cục bộ tại vùng tiếp xúc, một chất độc chỉ có thể gây ra thương tổn cho sinh vật khi nó được hấp thụ qua da, đường tiêu hóa, hô hấp,và cuối cùng được tích tụ tại tế bào sinh vật. Tại nơi này, các chất độc gây ra các phản ứng sinh hóa hay làm thay đổi các phản ứng sinh hóa trong tế bào, làm cho một số hoạt động sinh lý tế nào thay đổi, dẫn đến sự ảnh hưởng lên toàn bộ cơ thể sinh vật. Nồng độ của chất độc trong cơ thể sinh vật phụ thuộc vào liều lượng tác động, nồng độ trong các cơ quan đích, thời gian tiếp xúc, phương thức xâm nhập, cũng như khả năng hấp thụ, phân bố, chuyển hóa và bài tiết trong cơ thể. Sự ảnh hưởng dài lâu của một chất độc với các mức độ khác nhau có thể dẫn đến sự thay đổi của cả một quần thể sinh vật, cộng đồng sinh vật và nhiều hơn nữa là của cả hệ sinh thái. Để tìm hiểu quá trình phức tạp này, người ta đã dung những khái niệm về sự di chuyển chất độc qua chuỗi dinh dưỡng ( food chain ), sự tích tụ các chất độc trong cơ thể sinh vật ( bioavailability), Các chất độc trong môi trường rất đa dạng, các phản ứng với tế bào cũng rất phức tạp, trong trường hợp này, các nhà nghiên cứu đã phải đưa ra những chỉ số tính toán đặc trưng như hệ số cô đọng sinh học BCF (Bio-concentration factor), hệ số tích tụ sinh học BAF (Bio-accmultion factor0, hệ số khuyêch đại sinh học BMF (Bio-magnification factor), Những gía trị này của các chất độc khác nhau thì khác nhau nhưng nó giải thích được chất độc tham gia vào quá trình tích tụ sinh học như thế nào. 2.1. Cơ chế độc chất xâm nhập vào cơ thể Thông thường, một độc chất đi qua màng tế bào theo bốn cách sau: * Khuếch tán thụ động - Xu hướng thiết lập nên sự cân bằng động về nồng độ tồn tại hai bên màng tế bào. - Xảy ra đối với phần lớn các độc chất. - Tỷ lệ hấp thụ phụ thuộc sự chênh lệch gradient nồng độ ở hai bên màng và tính ưa béo của độc chất. - Các dạng độc chất không bị ion hóa có thể được hấp thụ cao hơn so với các dạng ion hóa, do khả năng hòa tan tốt hơn trong chất béo. * Thấm lọc qua lỗ trên màng tế bào - Nhờ lực thủy tĩnh hoặc lực thẩm thấu, khi nước đi qua các lỗ trên màng sẽ góp phần vận chuyển các độc chất - Quá trình thấm lọc phụ thuộc kích thước của lỗ trên màng và của các phân tử độc chất. * Vận chuyển tích cực - Không phụ thuộc vào gradient nồng độ hay gradient điện hóa, sử dụng năng lượng của quá trình trao đổi chất trong tế bào - Dựa trên cơ chế tạo phức giữa phân tử độc chất và chất tải cao phân tử tại một phía của màng, sau đó phức có thể khuếch tán qua phía bên kia của màng và tại đây, phân tử sẽ được giải phóng, còn chất tải quay trở lại vị trí ban đầu và quá trình lại được tiếp tục cho đến khi chất tải bị bão hòa. - Sự tạo phức được quyết định bởi cấu trúc, hình thể, kích thước, điện tích của phân tử độc và chất tải. Hiện tượng kìm hãm và cạnh tranh cũng có thể xảy ra giữa những phân tử có đặc tính tương tự nhau. * Nội thấm bào Thực chất là sự hấp thụ các phân tử độc bởi thực bào hoặc uống bào, đây là cơ chế quan trọng của quá trình bài tiết các độc chất có trong máu. 2.2. Hành trình của các độc chất trong cơ thể Các độc chất, thông qua quá trình hấp thụ (qua da, hô hấp, tiêu hóa) đi vào cơ thể, tại đây chúng được phân bố theo máu đến các cơ quan khác nhau. Khi độc chất tiếp xúc với các cơ quan trong cơ thể, ngoài việc tồn lưu, chúng còn có thể chịu sự tác động của ba quá trình sau: Chuyển hóa sinh học (biotransformation): Là quá trình thực hiện bởi các cơ quan giàu enzyme, chuyển hóa phân tử độc chất thành các hợp chất khác, các sản phẩm phân hủy này thường (không phải trong mọi trường hợp) có độc tính kém hơn độc tính của chất ban đầu. Tuy nhiên nó không hiệu quả với các độc chất ít bị biển đổi sinh học. Đào thải: Là quá trình loại bỏ khỏi cơ thể các độc chất không được tồn lưu hay chuyển hóa trong cơ thể và chỉ dễ dàng với các chất có chỉ số tích lũy thấp. Tạo các phức chất giữa độc chất và nơi nhận độc chất (receptor), khi độc chất tiếp xúc với cơ quan tiêu điểm. 2.2.1. Hấp thụ Ngoại trừ các chất độc phá hoại cấu trúc tế bào (như acid, kiềm mạnh), hầu hết các hóa chất độc không thể hiện độc tính ngay tại điểm tiếp xúc với cơ thể mà phải trải qua quá trình hập thụ. Là quá trình chất độc thấm qua màng tế bào và xâm nhập vào máu. Việc hấp thụ có thể xảy ra qua đường tiêu hóa, hô hấp, da. Khi trong cơ thể, chất độc được phân bố và cư trú ở một số cơ quan, biến đổi thành các chất chuyển hóa rồi tích lũy lại hoặc bị đào thải ra bên ngoài theo nhiều con đường khác nhau. Màng tế bào gồm hai lớp phân tử dày: Lớp bên trong chủ yếu chứa thành phần mỡ và lớp bên ngoài chứa protein. Chỉ các chất độc có cấu trúc hóa học và tính chất vật lý phù hợp mới có thể xuyên qua lớp màng tế bào. Sau khi xuyên qua màng bảo vệ này, chất độc khuyêch tán vào các tổ chức bên trong cơ thể. Quá trình hấp thụ qua đường tiêu hóa có thể xảy ra trong suốt độ dài của dạ dày, ruột. Tuy nhiên, khả năng hấp thụ phụ thuộc vào pH, thành phần thức ăn. Nhiễm độc qua đường tiêu hóa xảy ra khi ăn, uống, không hợp vệ sinh. Các chất độc có trong thức ăn, nước uống vào đường tiêu hóa qua miệng, dạ dày, ruột non, gan, qua đường tuần hoàn, đến các phủ tạng và gây nhiễm độc. Trong trường hợp chất độc có thể xâm nhập vào cơ thể qua nhiều đường thì khả năng hấp thụ sẽ khác nhau theo mỗi đường. Con đường xâm nhập chất độc vào cơ thể cũng đóng vai trò quan trọng trong sự quyết định độc tính của một số chất ô nhiễm. 2.2.2. Phân bố Phân bố là quá trình vận chuyển chất độc sau khi đã xâm nhập vào máu đến các cơ quan trong cơ thể. Sau đó một số hóa chất có thể bị chuyển hóa, một số chất lại có thể tích lũy trong một số cơ quan. Việc phân bố chất độc trong cơ thể phụ thuộc vào nhiều yếu tố: hấp phụ, khuyêch tán, khả năng tiếp nhận của tổ chức cơ thể, do vậy sự phân bố chất độc không đồng đều ở các tổ chức cơ quan. Hấp phụ là yếu tố quan trọng trong quá trình phân bố chất độc. 2.2.3. Tích lũy sinh học của chất độc trong cơ thể Tích lũy sinh học (bio-accumulation) là quá trình tích tụ các nguyên tố vi lượng, các chất ô nhiễm vào trong cơ thể sinh vật thông qua sự hấp thụ bởi các sinh vật từ môi trường xung quanh mà chúng đang sống. Việc tích lũy chất độc thường không xảy ra ngay tại các cơ quan đối tượng tấn công của chất độc mà tại các cơ quan có sự phù hợp về cấu trúc và tính chất lý hóa. Quá trình tích lũy chất độc là một trong các cơ chế bảo vệ của cơ thể. Tuy nhiên, khi sự tích lũy trở nên quá mức hoặc khi cơ thể phải chịu tác động của một số yếu tố (stress, giảm mỡ,) chất độc từ nơi tích lũy sẽ được phóng thích và gây tác hại đến cơ thể. Tác hại này có thể xảy ra tại nơi tích lũy chất độc (ví dụ các kim loại nặng gây suy giảm chức năng của thận) hoặc ở các cơ quan tiêu điểm. Các yếu tố chủ yếu ảnh hưởng lên sự tích lũy sinh học: - Chất độc càng bền (khả năng phân hủy kém) thì chỉ số tích lũy sinh học càng lớn - Chất độc có khả năng hòa tan trong mỡ cao sẽ có chỉ số tích lũy sinh học cao - Các cơ thể sinh vật khác nhau có chỉ số tích lũy sinh học khác nhau với cùng một loại độc chất. Các sinh vật có hàm lượng mỡ ít hơn thì khả năng tích tụ sinh học các chất độc ít hơn 2.2.4. Sự khuyêch đại sinh học của độc chất qua chuỗi dinh dưỡng Mọi cơ thể sinh vật đều chịu ảnh hưởng của độc chất. Trong quá trình phát triển, chúng có thể chịu ảnh hưởng trực tiếp của độc chất hoặc gián tiếp qua chuỗi dinh dưỡng. Phần lớn các chất độc được sinh vật đào thải ra ngoài, một phần chất độc có khả năng tồn lưu trong cơ thể sinh vật. Theo chuỗi dinh dưỡng và quy luật vật chủ - con mồi, các chất độc tồn lưu đó có thể được chuyển từ sinh vật này sang sinh vật khác và được tích lũy bằng những hàm lượng độc tố cao hơn theo bậc dinh dưỡng và thời gian sinh sống. Quá trình này được gọi là khuyêch đại sinh học của độc chất qua chuỗi dinh dưỡng. Chuỗi dinh dưỡng (food chain) là con đường truyền năng lượng (chất dinh dưỡng) từ cơ thể sinh vật này đến cơ thể sinh vật khác. Nếu tồn tại cơ thể sinh vật của một mắt xích trong chuỗi dinh dưỡng nào đó có chất độc, chất này sẽ được truyền sang cho sinh vật khác có bậc cao hơn, kế sau nó trong chuỗi dinh dưỡng. Người ta gọi sự khuyêch đại sinh học là hiện tượng một chất hiện diện trong hệ sinh thái đạt đến một nồng độ luôn luôn lớn hơn nồng độ mà nó phải có trong mắt xích của chuỗi dinh dưỡng. Hiện tượng khuyêch đại sinh học được tạo ra khi độc chất tích tụ sinh học hiện diện tồn dư rất nhiều mà lại phân hủy chậm. Mỗi khi đi qua một mức trong chuỗi dinh dưỡng, lượng tổng tồn dư của chất ô nhiễm lại được chuyển vào loài ăn mồi ở mức dinh dưỡng trên đó và như thế chất ô nhiễm thông thường có thể được tích tụ trong các mô mỡ. Do đó, nồng độ chất ô nhiễm này trong sinh vật ở mức trên cùng của chuỗi dinh dưỡng có thể rất cao so với nồng độ gặp trong môi trường. 2.2.5. Thải loại chất độc Các loại chất độc sau khi hấp thu và phân bố trong cơ thể, theo thời gian đều bị đào thải ra khỏi cơ thể bằng nhiều cách: - Đào thải theo trình tự tự nhiên: đào thải qua đường hô hấp,đào thải qua đường tiêu hóa, đào thải qua nước bọt, đào thải qua sữa, đào thải qua da, đào thải qua thận, - Đào thải do tác dụng nhân tạo như gây nôn, rửa dạ dày, tháo thụt, uống hoặc tiêm thuốc giải độc. 2.3. Nguyên lý bảo toàn độc chất trong chuỗi thức ăn 2.3.1. Tích lũy sinh học – nguyên lý 2.24, 2.25 Chỉ có tính chất bền vững trong môi trường, thì các chất sẽ không gây nên vấn đề gì cho môi trường. Nếu một chất không thể xâm nhập vào bên trong cơ thể của sinh vật, thì nó sẽ không đem đến mối đe dọa nào. Một khi đã được hấp thu, mọi chất độc bất kỳ trong hệ sinh thái thường không mất đi qua hô hấp và bài tiết của sinh vật vì nó ít bị biến chất sinh học hơn các hợp phần bình thường trong thức ăn mà được tích lũy trong cơ thể đến giới hạn có thể gây độc. Điều này có nghĩa là hệ số tinh của chất độc thường cao hơn các hợp phần bình thường trong thức ăn. VD: DDT, DDE, kim loại nặng,. Bảng 2. sự tích lũy DDT trong một số loài sinh vật Các mức dinh dưỡng Nồng độ DDT mg/kg chất khô Hệ số tích lũy Nước 0,000003 1 Thực vật nổi 0,0005 116 Động vật nổi 0,04 13.000 Cá nhỏ 0,5 167.000 Cá lớn 2,0 667.000 Chim ăn cá 25,0 8.500.000 Vị trí đầu tiên cho việc hấp thu bao gồm màng phổi, mang, đường ruột. Da và các cấu trúc khác (vảy, lông mao, long vũ) có tác dụng bảo vệ cơ thể. Tuy nhiên, việc hấp thu một số hóa chất qua da có thể xảy ra. Các hóa chất phải xuyên qua lớp đôi lipid của màng để đi vào trong cơ thể. Tiềm năng tích lũy sinh học các hóa chất có liên quan với sự hòa tan trong lipid của các chất. Môi trường nước là nơi mà tại đó các chất có ái lực với lipid xuyên qua tấm chắn giữa môi trường vô sinh và sinh vật. Bởi vì sông, hồ và đại dương như là các bể lắng các chất và sinh vật thủy sinh chuyển một lượng lớn nước xuyên qua màng hô hấp của chúng (mang) cho phép tách một lượng vừa đủ các hóa chất từ nước.Thủy sinh vật có thế tích lũy sinh học các hóa chất có ái lực với lipid và đạt đến nồng độ cao hơn nồng độ chất đó có trong môi trường. Bảng 3. Sự tích lũy sinh học một số độc chất trong cá Độc chất Chỉ số tích lũy DDT 127.000 TCDD 39.000 Endrin 6.800 Pentachlorobenzene 5.000 Lepthophos 750 Trichlorobenzene 183 Nguồn: LeBlanc, 1994, Environ. Sci. Technol., 28, 154-160. Nguồn: Nghiên cứu sự tích lũy kim loại nặng Cadmium (Cd) và chì (Pb) của loài hến (Corbicula sp.) vùng cửa sông ở thành phố Đà Nẵng. Tạp chí khoa học công nghệ số 1 (30).2009 Hình 3. Sự tích lũy sinh học Cd (ppm)và chì (Pb) trong loài Hến * Các yếu tố ảnh hưởng đến sự tích lũy sinh học: - Tính bền vững trong môi trường của độc chất. Mức độ tích lũy của một chất trong môi trường được xác định bằng nồng độ của chất đó trong môi trường. Chất gây ô nhiễm dễ dàng bị đào thải ra khỏi môi trường thì thường không sẵn sàng cho tích lũy sinh học. - Tính tan trong lipid là một nhân tố quyết định cho khả năng tích lũy sinh học của một chất. Tuy nhiên, các chất có ái lực với lipid thường có xu hướng ngấm vào trong nền đáy, vì thế làm cho chúng ít sẵn sàngcho việc tích lũy sinh học. Ví dụ một số chất dễ dàng bị hấp thu bởi acid humiccó trong bùn đáy thì thường ít có khả năng tích lũy sinh học trong cá. - Các cơ thể sinh vật khác nhau có chỉ số tích lũy sinh học khác nhau với cũng một loại độc chất. Các sinh vật có hàm lượng mỡ ít hơn thì khả năng tích tụ sinh học các độc chất ít hơn. * Sự tích lũy sinh học trong chuỗi thức ăn: - Các hóa chất có thể được chuyển vào chuỗi thức ăn từ sinh vật đến động vật ăn thịt. Đối với các chất hòa tan trong lipid, thì sự vận chuyển này có thể dẫn đến việc tăng nồng độ hóa chất với mỗi mắc xích tiếp theo trong chuỗi thức ăn (phát tán sinh học). Một chất có thể tích lũy sinh học bởi một nhân tố của bất kể nguồn chất lây nhiễm là nước hay thức ăn thì việc phát tán các chất ở mỗi mức dinh dưỡng sẽ dẫn đến nồng độ cao hơn của chất đó trong mức cao của chuỗi thức ăn. - Điều đó cho thấy tích lũy sinh học độc chất điển hình từ nước môi trường nước hơn là từ thức ăn và dường như không có một cá thể nào tích lũy độc chất ởcùng một mức độ từ cả 2 nguồn. - Ví dụ: sự vận chuyển DDT trong chuỗi thức ănđã dẫn đến sự suy thoái nhiều quần thể chim ăn thịt. Điều này đã góp phần làm nên một quyết định là cấm sử dụng chất diệt côn trùng này. * Khả năng gây độc - Tích lũy sinh học làm chậm quá trình biểu hiện độc tính của hóa chất. Lúc đầuđộc chất được tích lũy trong lipid, nhưng vẫn di chuyển đến mục tiêu.Khi lipid được sử dụng thì hóa chất này mới biểu hiện độc tính.Ví dụ, độc chất tích lũy trong lipid thường được di chuyển trong quá trình chuẩn bị cho sự sinh sản. Sự mất lipid có thể dẫn đến giải phóng các độc chất hòa tan trong lipid và làm cho chúng trở nên độc. Hệ quả này có thể dẫn đến sự chết của các cá thểtrưởng thành khi chúng tiến đến sự thành thục để sinh sản. - Các hóa chất hòa tan trong lipid cũng có thể được chuyển cho các thế hệ sau. Ví dụ, lipid có trong lòng đỏ của trứng hoặc trong sữa động vật có vú, có khả năng sự gây độc cho các thếhệ sau mà thế hệ bố mẹ không bị nhiễm độc bởi các hóa chất này. 2.3.2. Quan hệ của tích lũy sinh học và sự phát triển của sinh vật – nguyên lý 2.26 Bảng 4. Giá trị phân tích và giá trị tính toán của hệ số tích lũy sinh học trong cá của một số hóa chất có khả năng chuyển hóa sinh học khác nhau Chemical Khả năng chuyển hóa sinh học Hệ số tích lũy sinh học Dự đoán Xác định Chlordane Thấp 47900 38000 PCB Thấp 36300 42600 Mirex Thấp 21900 18200 Pentachloro-phenol Cao 4900 780 Tris(2,3-dibromo-propyl)phosphate Cao 4570 3 Nguồn: Mackay, 1982. Environ. Sci. Technol.,16,274-278 Các độc chất được tích lũy trong cơ thể sinh vật, không những không được đào thải và còn gia tăng về lượng do trong quá trình sinh trưởng và phát triển sinh vật tiêu thụ ngày càng nhiều thức ăn cả về mặt tần số và lượng, nên độc chất được tích tụ ngày một nhiều qua thời gian và có mối quan hệ gần như tuyến tính với kích thước và khối lượng của sinh vật (sinh khối của sinh vật được chuyển khối không hoàn toàn từ sinh vật ở bậc thức ăn trước nhưng lại kèm theo sự chuyển khối toàn vẹn của độc chất). Theo Lê Huy Bá (giáo trình Độc học môi trường cơ bản) thông thường thì sự tích lũy kim loại nặng trong cơ thể các loài động vật nhuyễn thể tỷ lệ thuận với kích thước và khối lượng. Một số trường hợp có sự thay đổi riêng, tùy thuộc đặc điểm của từng loài. Có những loài trong giai đoạn còn non chịu tác động mạnh và tích lũy lớn kim loại nặng trong cơ thể, có loài trong thời gian sống có thể đào thải hoặc ngăn cản sự nhiễm độc kim loại nặng vào cơ thể, do đó cơ thể càng trưởng thành thì khả năng tích lũy kim loại nặng giảm dần. Theo nghiên cứu tích lũy kim loại nặng chì (Pb) và Cadmium (Cd) ở loài sò lông (Anadara subcrenata Lischke) và ngao dầu (Meretrix meretrix Linnaeus) vùng cửa sông, TP. Đà Nẵng của Phạm Thị Hồng Hà, Nguyễn Văn Khánh và Lê Thị Quế (2008). Bảng 5. Kim loại nặng Pb, Cd (µg/g : tính theo khối lượng tươi) tích lũy ở loài Sò lông (Anadara subcrenata L.) và Ngao dầu (Meretrix meretrix L.) Khu vực Sò lông (Anadara subcrenata L.) Pb (µg/g) TB ± SD Cd (µg/g) TB ± SD Cửa sông Hàn ≥35 (n=4) 15 – 35 (n=4) <15 (n=4) Trung bình (n=12) 0,99 ± 0,19a 0,78 ± 0,13 a 0,24 ± 0,12 c 0,67 ± 0,36 A 0,23 ± 0,02 a 0,16 ± 0,03b 0,13 ± 0,02 b 0,21 ± 0,04 A Cửa sông Cu Đê >35 (n=4) 15 – 35 (n=4) <15 (n=4) Trung bình (n=12) 0,76 ± 0,09 a 0,49 ± 0,05 b 0,29 ± 0,09 c 0,51 ± 0,21 B 0,17 ± 0,01 a 0,14 ± 0,01 b 0,09 ± 0,01 c 0,12 ± 0,03 B Ngao dầu (Meretrix meretrix L.) Pb (µg/g) TB ± SD Cd (µg/g) TB ± SD Cửa sông Hàn ≥35 (n=4) 15 – 35 (n=4) <15 (n=4) Trung bình (n=12) 1,90 ± 0,13 a 1,65 ± 0,12 a 1,22 ± 0,09 c 1,59 ± 0,31 C 0,25 ± 0,02 a 0,19 ± 0,01 b 0,18 ± 0,01 b 0,17 ± 0,05 AB Cửa sông Cu Đê >35 (n=4) 15 – 35 (n=4) <15 (n=4) Trung bình (n=12) 1,47 ± 0,13 a 1,23 ± 0,21 a 1,04 ± 0,15 c 1,25 ± 0,24 C 0,15 ± 0,03 a 0,13 ± 0,01 a 0,10 ± 0,03 a 0,13 ± 0,04 B Ghi chú: Các giá trị trung bình có cùng chữ cái (a,b,c) hoặc (A,B,C) không có sự khác nhau có ý nghĩa, so sánh theo loài và theo khu vực nghiên cứu Hình 1: Tương quan giữa KLN Pb và Cd tích lũy với kích thước và khối lượng của loài Sò lông (Anadara subcrenata L.) Hình 4. Tương quan giữa KLN Pb và Cd tích lũy với kích thước và khối lượng của loài Ngao dầu (Meretrix meretrix L.) 2.3.3. Khuếch đại sinh học Mọi cơ thể sinh vật đều chịu ảnh hưởng của độc chất. Trong quá trình phát triển, chúng có thể chịu ảnh hưởng trực tiếp của độc chất hoặc gián tiếp qua chuỗi dinh dưỡng. Phần lớn các chất độc được sinh vật đào thải ra ngoài, một phần chất độc có khả năng tồn lưu trong cơ thể sinh vật. Theo chuỗi thức ăn, các chất độc tồn lưu đó có thể được chuyển từ sinh vật này sang sinh vật khác và được tích lũy bằng những hàm lượng độc tố cao hơn theo bậc dinh dưỡng và thời gian sinh sống. Quá trình này được gọi là khuếch đại sinh học của độc chất qua chuỗi dinh dưỡng. Chuỗi dinh dưỡng (food chain) là con đường truyền năng lượng (chất dinh dưỡng) từ cơ thể sinh vật này đến cơ thể sinh vật khác. Nếu tồn tại cơ thể sinh vật của một mắt xích trong chuỗi dinh dưỡng nào đó có chất độc, chất này sẽ được truyền sang cho sinh vật khác có bậc cao hơn, kế sau nó trong chuỗi dinh dưỡng. Khuếch đại sinh học là hiện tượng một chất hiện diện trong hệ sinh thái đạt đến một nồng độ luôn luôn lớn hơn nồng độ mà nó phải có trong mắt xích của chuỗi dinh dưỡng. Những loại chất độc có khó bị đào thải thường tích lũy trong mô của sinh vật tiêu thụ như các kim loại nặng, các chất hữu cơ khó phân hủy ( POPs) , PCBs và các loại độc chất khác thường gây hại tới cơ thể sinh vật nhưng thông qua hiệu ứng khuếch đại trên chuỗi thức ăn mà sẽ gây tác hại lớn hơn tới các loài sinh vật ở cuối chuỗi dinh dưỡng. Một ví dụ đơn giản về sự khuếch đại sinh học của độc chất là trường hợp khi dùng thuốc trừ chuột Klerat (Brodifacoum) ở Mai xá, Vụ bản, Nam Định năm 1987 đã thấy rằng chuột bị chết vì thuốc, bị mèo ăn, mèo cũng bị chết do thuốc có trong xác chuột. Mèo mẹ bị ngộ độc Klerat, cho mèo con bú sữa, mèo con cũng bị chết vì thuốc. Hình 5 . Độc chất (DDT) tăng dần theo chuỗi thức ăn Một nghiên cứu điển hình mà các nhà khoa học Mỹ (G.M.Worster và P.A Isnacson) nghiên cứu từ những năm 1967 về sự khuếch đại sinh học của DDT tại vùng biển nước Mỹ. Đầu tiên, người ta thấy rằng quần thể cá Cormoran đang bị suy giảm bất thường. Khi tìm nguyên nhân cá chết, người ta thấy rằng nồng độ DDT trong cá tới 26,4ppm. Tuy vậy, khi phân tích DDT trong nước biển thì nồng độ DDT rất nhỏ 0,00005ppm. Nhưng khi họ tiến hành xét nghiệm theo chuỗi thức ăn lại giải thích rất rõ ràng loài cá này thường ăn một loại cá là Merganser. Khi phân tích DDT trong cá này thấy hàm lượng DDT là 22,8ppm. Tiếp tục theo hướng này, người ta tìm thấy DDT trong trứng cá Osprey là 13,8, trong Herring Gun (cá ăn cá nhỏ) là 6,0ppm và Heron – một lọai cá nhỏ hay bị Herring Gun ăn là 3,57ppm, trong cá ăn phiêu sinh thực vật Pikeran là 1,33ppm và trong thực vật phiêu sinh Sheepshead minnow tại vùng biển này là 0,94ppm. Bảng 6. Hàm lượng DDT trong chuỗi thức ăn vùng ven biển Mỹ (Nguồn: G.M.Worster và P.A Isnacson, tạp chí Science 156, 1967, trang 821) Khuếch đại sinh học khiến độc chất di chuyển và tích tụ với lượng lớn tại các bậc thức ăn cuối của chuỗi gây tác động tiêu cực đến thành phần và chất lượng cá thể của loài, thậm chí có thể gây tác động tới hệ sinh thái sinh vật, đặc biệt nguy hiểm hơn khi mắt xích cuối cùng trong chuỗi thức ăn ngày nay chính là con người, việc khuếch đại trong chuỗi và tích tụ lại trong cơ thể người gây tác động xấu không chỉ cho thế hệ hiện tại mà còn ảnh hưởng đến cả các thế hệ sau này. 3. BIỆN PHÁP PHÒNG NGỪA TÍCH LŨY ĐỘC CHẤT Để giải quyết vấn về sự tích lũy độc chất và hiểu rõ sự di chuyển của mỗi độc chất trong mỗi loại chuỗi thức ăn khác nhau là một vấn đề khó khăn. Bởi chỉ có tính chất bền vững trong môi trường, thì các chất sẽ không gây nên vấn đề gì cho môi trường. Nếu một chất không thể xâm nhập vào bên trong cơ thể của sinh vật, thì nó sẽ không đem đến mối đe dọa nào. Một khi đã được hấp thu, hóa chất được tích lũy trong cơ thể đến giới hạn có thể gây độc, biểu hiện ra bên ngoài, và chỉ khi đó chúng ta mới có thể phát hiện được, cũng thời điểm đó thì mắt xích phía trên trong chuỗi thức ăn, hay chính chúng ta đã tích lũy một lượng đáng kể độc chất khi sử dụng các sinh vật đó làm thức ăn. Việc giải quyết vấn đề này đòi hỏi: phát hiện ra nguồn ô nhiễm, nguồn cung cấp độc chất ra môi trường vô cơ và đề ra các biện pháp tối ưu xử lý bằng cách cô lập các cân bằng vật chất cho các thành phần và các nguyên tố độc chất. Ví dụ để giải quyết cho vấn đề tích lũy độc chất DDT trong chuỗi thức ăn trong môi trường nước, cần phải xác định: - Thông tin về cân bằng độc chất: gồm các số liệu về các nguồn thải, chất lượng nguồn nước, DDT trong sinh vật Xác định nguồn gốc ô nhiễm do đâu và hàm lượng của chúng: + Do chất thải từ hoạt động sản xuất công nghiệp + Dư lượng hóa chất bảo vệ thực vật sử dụng trong nông nghiệp. - Xác định hành vi của độc chất ô nhiễm trong môi trường - Xác định chuỗi thức ăn (chuỗi di chuyển) cơ bản của độc chất trong hệ sinh thái Hình 6. Sự gia tăng nồng độ độc chất trong chuỗi thức ăn sinh thái. (1) là nồng độ độc chất trong môi trường nước. Sự tích lũy sinh học độc chất từ cả môi trường nước và nguồn thức ăn. Số có vòng tròn là nồng độ độc chất trong các cấu thành của chuỗi thức ăn; số đi kèm theo với mũi tên là nồng độ độc chất chuyển từ cấu thành này đến cấu thành khác. Điều đó cho thấy tích lũy sinh học độc chất điển hình từ môi trường nước hơn là từ thức ăn và dường như không có một cá thể nào tích lũy độc chất ở cùng một mức độ từ cả 2 nguồn. Đánh giá ảnh hưởng của độc chất (ngưỡng gây độc, cơ chế gây độc,..) đến sinh vật tại mỗi bậc dinh dưỡng và tới con người. Cô lập chất ô nhiễm theo mỗi bậc thức ăn, hoặc đa dạng lưới thức ăn sao cho bậc dinh dưỡng có thể bị tích lũy có nhiều hơn một lựa chọn bậc dinh dưỡng trước đó làm thức ăn. Biện pháp chính là xử lý hay giảm thiểu phát thải độc chất ra ngoài môi trường tại các nguồn ô nhiễm. Tuyên truyền, phổ biến về tác động của động chất, thay đổi tập quán dinh dưỡng của một số địa phương tại các vùng có tích lũy sinh học cao các độc chất. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Thị Hồng Hà, Nguyễn Văn Khánh và Lê Thị Quế - Nghiên cứu tích lũy kim loại nặng chì (Pb) và Cadmium (Cd) ở loài sò lông (Anadara subcrenata Lischke) và ngao dầu (Meretrix meretrix Linnaeus) vùng cửa sông, TP. Đà Nẵng. [2] Lưu Đức Hải, Bài giảng Nguyên lý Khoa học và Công nghệ Môi trường [3] Nguyễn Trần Oánh, Nguyễn Văn Viên, Bùi Trọng Thủy, Giáo trình sử dụng thuốc bảo vệ thực vật, Đại học Nông Nghiệp Hà Nội, 2007, (43). [4] Vũ Trung Tạng – Giáo trình cơ sở Sinh thái học, Nxb Giáo dục, 2009 [5] Trần Duy Vinh- Nghiên cứu sử dụng Ngao dầu (Meretrix meretrix L.) và Hến (Corbicula sp.) để đánh giá mức độ ô nhiễm Thủy Ngân (Hg) ở khu vực cửa Đại, TP. Hội An.