thử nghiệm độc tính cấp tính của natri hypoclorit (naocl) trên một số loài cá sử dụng làm sinh vật cảnh báo sớm ô nhiễm môi trường nước

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
KHOA SINH – MÔI TRƯỜNG



TRẦN THỊ HUỆ




THỬ NGHIỆM ĐỘC TÍNH CẤP TÍNH

CỦA NATRI
HYPOCLORIT (NaOCl) TRÊN MỘT SỐ LOÀI CÁ SỬ
DỤNG LÀM SINH VẬT CẢNH BÁO SỚM
Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG NƯỚC




KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP








Đà Nẵng, tháng 5/2015

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
KHOA SINH – MÔI TRƯỜNG



TRẦN THỊ HUỆ




THỬ NGHIỆM ĐỘC TÍNH CẤP TÍNH

CỦA NATRI
HYPOCLORIT (NaOCl) TRÊN MỘT SỐ LOÀI CÁ SỬ
DỤNG LÀM SINH VẬT CẢNH BÁO SỚM
Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG NƯỚC


Ngành: Quản lý Tài nguyên và Môi trường



Người hướng dẫn: Ths. Nguyễn Văn Khánh

Đà Nẵng, tháng 5/2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được
ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả khóa luận


Trần Thị Huệ

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này tôi xin bày
tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Văn Khánh đã
hướng dẫn cho tôi trong suốt thời gian qua. Đồng thời tôi
xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Sinh –
Môi Trường, trường Đại học Sư Phạm, Đại học Đà Nẵng
đã tạo điều kiện để tôi hoàn thành khóa luận này.

Đà Nẵng, tháng 5 năm 2015
Sinh viên: Trần Thị Huệ





MỤC LỤC
MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ

MỞ ĐẦU 1

1. Tính cấp thiết của đề tài 1

2. Mục tiêu đề tài 2

2.1. Mục tiêu tổng quát 2

2.2. Mục tiêu cụ thể 2

3. Ý nghĩa khoa học của đề tài 2

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

1.1. TÌNH HÌNH Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG NƯỚC Ở VIỆT NAM 3

1.2. GIỚI THIỆU VỀ SINH VẬT CẢNH BÁO 5

1.2.1. Sinh vật cảnh báo là gì? 5

1.2.2. Nguyên lí sử dụng 6

1.2.3. Tiêu chí lựa chọn 8

1.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SINH VẬT CẢNH BÁO SỚM Ô NHIỄM 9

1.3.1. Tình hình nghiên cứu sinh vật cảnh báo sớm ô nhiễm trên thế giới 9

1.3.2. Tình hình nghiên cứu sinh vật cảnh báo sớm ô nhiễm ở Việt Nam 16

CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 20

2.1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 20

2.1.1. Các loài cá sử dụng làm thí nghiệm 20

2.1.2. Hóa chất NaOCl 23

2.2. THỜI GIAN, ĐỊA ĐIỂM, PHẠM VI THỰC HIỆN 23

2.2.1. Thời gian 23

2.2.2. Địa điểm 24

2.2.3. Phạm vi thực hiện 24

2.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 24

2.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24





2.4.1. Phương pháp hồi cứu tài liệu 24

2.4.2. Phương pháp thí nghiệm 24

2.4.3. Phương pháp xử lý số liệu 27

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 28

3.1. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM THĂM DÒ 28

3.2. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH LC
50
29

3.2.1. Nhiệt độ, pH và oxy hòa tan trong thời gian làm thí nghiệm xác định
LC
50
29

3.2.2. Biểu hiện của cá trong thời gian thí nghiệm và giá trị LC
50
của NaOCl 32

3.3. SO SÁNH SỰ NHẠY CẢM CỦA CÁC LOÀI CÁ VỚI CHẤT Ô NHIỄM 37

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 39

1. KẾT LUẬN 39

2. KIẾN NGHỊ 39

TÀI LIỆU THAM KHẢO 41

PHỤ LỤC 48








DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

BEWS

Hệ thống sinh học cảnh báo sớm (Biological early warning
systems)

BMWP

Phương pháp quan trắc sử dụng động vật không xương sống cỡ
lớn (Biological Monitoring Working Party)

DBPs

Sản phẩm phụ khử trùng (Disinfection by-products)

ĐVKXS

Động vật không xương sống

IABS

Hệ thống phân tích hình ảnh giám sát sinh học (image analysis
biomonitoring system)

KCN

Khu công nghiệp

KLN

Kim loại nặng

OECD Tổ chức hợp tác và phát triển kinh tế (Organization for Economic
Cooperation and Development)

TCCP Tiêu chuẩn cho phép






DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu
bảng
Tên bảng Trang
2.1. Dãy nồng độ NaOCl (mg/L) trong thí nghiệm thăm dò 26
2.2. Kí hiệu các lô thí nghiệm 27

3.1.
Tỷ lệ cá chết ở các nồng độ NaOCl trong thí nghiệm
thăm dò
28
3.2. Nhiệt độ trong thí nghiệm LC
50
(
o
C) 29
3.3. Nồng độ oxy hòa tan trong thí nghiệm LC
50
(mg/L) 30
3.4. pH trong thí nghiệm LC
50
30
3.5.
Tỷ lệ cá Ngựa vằn chết theo nồng độ NaOCl và giá trị
LC
50

33
3.6.
Tỷ lệ cá Tứ vân chết theo nồng độ NaOCl và giá trị
LC
50

35
3.7.
Tỷ lệ cá Hòa lan chết theo nồng độ NaOCl và giá trị
LC

50

36









DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ

Số hiệu
hình ảnh
Tên hình ảnh Trang
2.1. Cá Ngựa vằn (Danio rerio - Hamiton, 1822) 20
2.2. Cá Tứ vân (Puntius tetrazona - Bleeker, 1855) 21
2.3. Cá Hòa lan (Xiphophorus spp.) 22
2.4. Bố trí thí nghiệm thăm dò của cá Ngựa vằn 25
2.5. Bố trí thí nghiệm xác định LC
50
của cá Ngựa vằn 26
3.1. Cá Ngựa vằn trong thí nghiệm 32
3.2.
Biểu đồ đường cong phần trăm cá Ngựa vằn chết phụ
thuộc vào nồng độ NaOCl trong 24h
33
3.3. Cá Tứ vân trong thí nghiệm 34

3.4.
Biểu đồ đường cong phần trăm cá Tứ vân chết phụ
thuộc vào nồng độ NaOCl trong 24h
35
3.5. Cá Hòa lan trong thí nghiệm 36
3.6.
Biểu đồ đường cong phần trăm cá Hòa lan chết phụ
thuộc vào nồng độ NaOCl trong 24h
37



1



MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, nước ta đang trong thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa,
mặc dù các cấp đã có nhiều cố gắng trong việc thực hiện chính sách và pháp
luật về bảo vệ môi trường, nhưng tình trạng ô nhiễm môi trường nước do chất
hóa học ngày càng gia tăng làm ảnh hưởng đến đời sống của người dân. Do
đó, việc đánh giá, giám sát tình trạng ô nhiễm một cách nhanh chóng để có
thể đưa ra những cảnh báo sớm và ngăn chặn kịp thời các sự cố là rất cần thiết.
Trong khi đó, các phương pháp giám sát ô nhiễm bằng hóa – lý thì
chính xác nhưng mất nhiều thời gian và phải được thực hiện liên tục với tần
suất lớn mới xác định được nguyên nhân ô nhiễm, dẫn đến phản ứng của cơ
quan quản lý là quá muộn trong các trường hợp bị đầu độc, cố ý phá hoại hay
sự cố môi trường khẩn cấp. Trái lại, phương pháp sinh vật cảnh báo khắc
phục được một số hạn chế của phương pháp trên.

Phương pháp sinh vật cảnh báo dựa trên sự thay đổi hành vi bình
thường của sinh vật do ảnh hưởng của sự phơi nhiễm chất độc ở nồng độ thấp,
mà không đủ để giết chết sinh vật. Vì ô nhiễm môi trường trong các hệ sinh
thái tự nhiên thường xảy ra ở nồng độ thấp hơn nồng độ gây chết, nhưng về
lâu dài vẫn có thể gây tác hại cho hệ sinh thái. Do đó việc đầu tiên là phải
đánh giá độc tính sinh học bằng thử nghiệm độc tính cấp tính, nhằm xác định
được nồng độ gây chết 50% sinh vật thử nghiệm (LC
50
) từ đó đánh giá được
mức độ nhạy cảm của sinh vật đối với hóa chất, để tìm ra loài thích hợp cho
hệ thống cảnh báo bằng sinh vật [23].
Trong các sinh vật dùng để giám sát ô nhiễm môi trường thường gặp thì
loài nhạy cảm nhất là tảo, sau đó là Daphnia và cá [30]. Thêm vào đó, nước ta
có nguồn cá nước ngọt rất đa dạng [9], đồng thời cá là loài có kích thước lớn
hơn nhiều so với tảo và Daphnia nên dễ dàng cho việc quan sát hành vi, mà
2



điểm mấu chốt là sử dụng sinh vật rẻ tiền có sẵn tại địa phương để giám sát
nhằm tăng cường đánh giá nhanh hơn và thường xuyên hơn [42]. Nhưng ở
Việt Nam hiện vẫn chưa có một nghiên cứu nào về hệ thống sử dụng sinh vật
cảnh báo sớm ô nhiễm nguồn nước.
Xuất phát từ cơ sở lý luận và thực tiễn trên tôi tiến hành chọn đề tài:
“Thử nghiệm độc tính xác định giá trị LC
50
của Natri hypoclorit (NaOCl)
trên một số loài cá sử dụng làm sinh vật cảnh báo sớm ô nhiễm môi trường
nước.” nhằm bước đầu nghiên cứu, lựa chọn những loài cá tại Việt Nam và
đánh giá sự nhạy cảm của chúng đối với độc chất để sử dụng làm sinh vật

cảnh báo sớm ô nhiễm nguồn nước.
2. Mục tiêu đề tài
2.1. Mục tiêu tổng quát
Nghiên cứu tuyển chọn các loài cá có thể sử dụng để cảnh báo sớm ô
nhiễm môi trường nước.
2.2. Mục tiêu cụ thể
Xác định nồng độ gây chết 50% cá thể thí nghiệm (LC
50
) của NaOCl
trên 3 loài cá Ngựa vằn (Danio rerio), cá Tứ vân (Puntius tetrazona) và cá
Hòa lan (Xiphophorus spp.) để so sánh độ nhạy cảm của chúng với NaOCl.
3. Ý nghĩa khoa học của đề tài
Kết quả nghiên cứu góp phần tạo cơ sở sinh học, tuyển chọn những loài
cá thích hợp cho việc nghiên cứu hệ thống phát hiện và cảnh báo sớm các
nguy cơ ô nhiễm nguồn nước dựa vào phân tích các phản ứng sinh học của
sinh vật hay dựa trên thử nghiệm sinh học đánh giá độ độc của hóa chất tại
Việt Nam.

3



CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. TÌNH HÌNH Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG NƯỚC Ở VIỆT NAM
Hiện nay ở Việt Nam, mặc dù các cấp, các ngành đã có nhiều cố gắng
trong việc thực hiện chính sách và pháp luật về bảo vệ môi trường, nhưng tình
trạng ô nhiễm nước vẫn là vấn đề rất đáng lo ngại.
Tốc độ công nghiệp hoá và đô thị hoá khá nhanh cùng với sự gia tăng
dân số gây áp lực ngày càng nặng nề đối với tài nguyên nước. Môi trường
nước ở nhiều đô thị, khu công nghiệp (KCN) và làng nghề ngày càng bị ô

nhiễm bởi nước thải, khí thải và chất thải rắn. Ở các thành phố lớn, hàng trăm
cơ sở sản xuất công nghiệp đang gây ô nhiễm môi trường nước do không có
công trình và thiết bị xử lý chất thải.
Hiện nay, hầu hết nước thải đô thị đều chưa được xử lý trước khi thải ra
môi trường. Khoảng 4,3% lượng nước thải công nghiệp được xử lý đảm bảo
tiêu chuẩn. Tại thành phố Hồ Chí Minh có 11 khu công nghiệp với trên 5
ngàn doanh nghiệp đang hoạt động, nhưng chỉ có 4 KCN xây dựng nhà máy
xử lý nước thải tập trung, xử lý được 38,8% lượng nước thải. Lưu vực sông
Cầu có hơn 2 ngàn doanh nghiệp sản xuất công nghiệp mỗi năm thải ra môi
trường hàng chục triệu m
3
nước thải chứa các chất độc hại như: phenol,
cyanua, kim loại nặng, các chất tẩy màu. Bên cạnh đó nước rỉ rác từ các bãi
rác là một trong những nguồn gây ô nhiễm nước mặt nghiêm trọng [14].
Ngoài ra, các nhà máy chế biến bột giặt tổng hợp, các nước tẩy rửa
chén bát hay các loại xà bông có chứa hoạt chất tẩy rửa cao. Các chất tẩy rửa
này lại rất có hại cho con người vì có chứa các thành phần gây độc hại được
sử dụng khi chế tạo như: canxi, nhôm, sắt, các chất bôi trơn, sơn, veni…
Những người dân sống gần sông, hồ, kênh mương đã thải trực tiếp những chất
này ra môi trường nước. Lâu ngày hệ thống dòng chảy nơi đây chuyển màu vì
ô nhiễm. Nhất là ở nông thôn khi mà người dân vẫn quen lấy nước ở các sông
4



hồ để phục vụ cho sinh hoạt thì đây là một vấn đề nguy hiểm. Nguy hiểm này
tiềm tàng khó nhận biết, vì các chất này khi hòa vào dòng chảy sẽ gây nhiễm
độc dòng chảy bằng mắt thường khó mà nhận biết được. Lâu ngày, cá và các
sinh vật khác chết vì nhiễm độc nặng. Các chất này khi đi vào cơ thể con
người sẽ tích tụ và gây bệnh bất cứ lúc nào [4].

Ở khu vực thành phố Thái Nguyên, nước thải chủ yếu là nước thải công
nghiệp và sinh hoạt, chiếm khoảng 15% lượng nước sông Cầu vào mùa cạn
[11]. Nước thải khu công nghiệp Thái Nguyên biến nước sông Cầu thành màu
đen, mặt nước sủi bọt trên chiều dài hàng chục cây số. Khu công nghiệp Việt
Trì xả mỗi ngày hàng ngàn mét khối nước thải xuống sông Hồng làm nước bị
nhiễm bẩn đáng kể. Khu công nghiệp Biên Hòa và thành phố Hồ Chí Minh
tạo ra nguồn nước thải công nghiệp và sinh hoạt rất lớn, làm nhiễm bẩn tất cả
các sông rạch ở đây và cả vùng lân cận [12].
Đến nay, cả nước có trên 1000 bệnh viện, mỗi ngày thải ra hàng trăm
ngàn m
3
nước thải chưa qua xử lý hoặc xử lý không đạt tiêu chuẩn; là nguồn
nước thải chưa nhiều thành phần nguy hiểm, gây ô nhiễm nghiêm trọng cho
môi trường [14].
Trong sản xuất nông nghiệp, do lạm dụng các loại thuốc bảo vệ thực
vật, các nguồn nước ở sông, hồ, kênh, mương bị ô nhiễm, ảnh hưởng lớn đến
môi trường nước và sức khoẻ nhân dân. Lượng hóa chất bảo vệ thực vật được
sử dụng trong nông nghiệp khoảng 0,5 – 3,5 kg/ha/vụ, dư lượng hóa chất bảo
vệ thực vật và phân khoáng gây phú dưỡng và nhiễm độc nước [4].
Lĩnh vực chăn nuôi, theo khảo sát của Cục Thú y tại TP Hồ Chí Minh
chỉ có 47,5% số hộ chăn nuôi có xử lý nước thải, trong đó có 84,9% chỉ xử lý
sơ bộ, 52,5% số hộ chăn nuôi không có bất cứ biện pháp xử lý nào, nước thải
được xả trực tiếp ra môi trường qua các con sông, kênh rạch Hoạt động của
trên 1450 làng nghề trong cả nước, tạo ra lượng chất thải lớn không được xử
5



lý xả vào môi trường bừa bãi, gây nên tình trạng ô nhiễm trầm trọng nguồn
nước, đặc biệt là các làng nghề làm giấy, dệt nhuộm, giết mổ gia súc [2].

Có thể nói, ô nhiễm môi trường nước là tình trạng chung của cả nông
thôn và thành thị. Vấn đề này chỉ khác ở chỗ là mức độ ô nhiễm ở mỗi nơi
khác nhau tùy thuộc vào lượng chất thải độc hại ra môi trường.
1.2. GIỚI THIỆU VỀ SINH VẬT CẢNH BÁO
1.2.1. Sinh vật cảnh báo là gì?
Sinh vật chỉ thị là loài mẫn cảm với điều kiện sinh lý và sinh hóa, nghĩa
là chúng hoặc hiện diện hoặc có những phản ứng khác thường hoặc thay đổi
số lượng cá thể các loài chỉ thị, do môi trường bị ô nhiễm hay môi trường
sống bị xáo trộn. Các sinh vật chỉ thị môi trường khác nhau có thể xếp thành
các nhóm theo những tiêu chí như: (1) Tính nhạy cảm là các loài mẫn cảm
đặc trưng có những phản ứng khác thường với những điều kiện môi trường
không thích hợp có thể sử dụng như là công cụ cảnh báo sớm; (2) Như một
công cụ thăm dò là những loài xuất hiện tự nhiên trong môi trường có thể
dùng đo đạc sự phản ứng và thích nghi đối với sự thay đổi của môi trường; (3)
Như một công cụ khai thác là các loài có thể chỉ thị cho sự xáo trộn hay ô
nhiễm môi trường; (4) Như một công cụ tích lũy sinh học là các loài tích lũy
sinh học bao gồm hóa chất trong mô của chúng; (5) Các sinh vật thử nghiệm
là các sinh vật chọn lọc đôi khi có thể được sử dụng như là các chất trong thí
nghiệm để xác định sự hiện diện hoặc nồng độ các chất ô nhiễm [7].
Vậy sinh vật cảnh báo là những sinh vật mẫn cảm, có những biểu hiện
phản ứng có thể đo được đối với ô nhiễm và do đó hoạt động như một chỉ thị
cảnh báo sớm về sự có mặt các chất ô nhiễm trong môi trường. Ví dụ: như
hiện nay việc sử dụng báo hiệu của cá khi xuất hiện những nhiễu loạn sinh lý
thông thường ở các loài cá mẫn cảm ô nhiễm đang được nghiên cứu và áp
dụng rộng rãi [7].
6



1.2.2. Nguyên lí sử dụng

Ở mỗi sinh vật sự căng thẳng là điều không thể tránh khỏi, nhưng phản
ứng không đặc trưng của sinh vật đến bất kỳ yếu tố nào ảnh hưởng đến nó, ở
giới hạn thấp hơn hoặc "ngưỡng căng thẳng" có thể được xác định. Sự căng
thẳng do các chất độc hại, ban đầu sẽ gợi lên một "phản ứng báo động" nhưng
không một sinh vật nào có thể duy trì trạng thái mãn tính báo động đó và
cuối cùng vào giai đoạn thích ứng hoặc phản kháng [51]. Các biểu hiện bên
ngoài của sự căng thẳng thường liên quan đến các phản ứng sinh lý bởi tác
nhân hóa học và hệ thần kinh. Một sinh vật phản ứng sự căng thẳng bằng
nhiều cách, bao gồm cả những thay đổi trong mô hình chuyển động.
Vận động là một tính năng đặc trưng không thể bỏ qua của nhiều sinh
vật như là một yếu tố sinh lý quan trọng trong sự sống còn. Những thay đổi
trong hành vi di chuyển của sinh vật có thể được sử dụng như một chỉ số thích
hợp trong đánh giá rủi ro độc học sinh thái [32]. Sự thay đổi hành vi của sinh
vật liên quan đến áp lực và tiếp xúc với độc tố cung cấp thông tin mới mà
không thể được thu được từ phương pháp độc học truyền thống, trong đó bao
gồm các hiệu ứng tiếp xúc gây chết trong thời gian ngắn và trung bình, khả
năng tử vong [16].
Do đó mỗi sinh vật cảnh báo khi bị tác động bởi môi trường ô nhiễm sẽ
biểu hiện các dấu hiệu sinh học. Dựa vào việc phát hiện và đánh giá, giám sát
các dấu hiệu sinh học đó, có thể phân tích được mức độ ô nhiễm của môi
trường.
Dấu hiệu sinh học thông thường được chia thành hai nhóm: dấu hiệu
sinh học phơi nhiễm (biomarkers of exposure) và dấu hiệu sinh học tác động
(biomarkers of effect). Chúng đóng những vai trò khác nhau trong việc giám
sát và đánh giá môi trường.
7



Dấu hiệu sinh học phơi nhiễm được dùng để đánh giá lượng chất độc

hiện có trong cơ thể. Nó cung cấp những thông tin về phơi nhiễm hóa học
trong các cá thể, sự thay đổi nồng độ theo thời gian, và những biến đổi trong
các quần thể khác nhau. Nó cũng có thể cung cấp thông tin về tầm quan trọng
tương đối của các con đường tiếp xúc khác nhau và những nguy cơ liên quan.
Dấu hiệu sinh học tác động chỉ thị cho những thay đổi trong chức năng
sinh học để phản ứng với sự phơi nhiễm hóa chất. Vì vậy, nó giúp nghiên cứu
sâu hơn, trực tiếp hơn những nguy cơ gây hại so với dấu hiệu sinh học tiếp
xúc.
Nguyên tắc cơ bản nhất của tất cả các hệ thống sinh học cảnh báo sớm
là chọn sinh vật phù hợp cho đối tượng cần được giám sát [20]. Việc lựa chọn
này dựa trên khả năng phản ứng của sinh vật đối với các điều kiện môi trường
khác nhau để phản ánh chất lượng môi trường sống của chúng. Những sinh
vật bị các chất ô nhiễm hoặc các chất tự nhiên có mặt nhiều trong môi trường
tác động và thông qua các biểu hiện, những thay đổi bất thường, chúng sẽ chỉ
thị cho bản chất và mức độ gây ô nhiễm [7]. Những sinh vật này được gọi là
sinh vật chỉ thị ô nhiễm. Trong hệ thống BEWS, sinh vật cảnh báo là cảm
biến chính – có chức năng cung cấp những dấu hiệu để cảnh báo sớm sự biến
động môi trường.
Để ghi nhận những phản ứng nhanh chóng, chức năng sinh lí hay hành
vi của sinh vật sẽ được sử dụng như là những thông số đáp ứng. Những thông
số này phải phản ánh được sự thay đổi điều kiện môi trường, đặc biệt là đối
với sự gia tăng nồng độ của một hay nhiều chất độc hại trong nước. Những
phản ứng hành vi được lựa chọn bao gồm: sự di chuyển, lẩn trốn, các hành vi
bất thường, trong khi những thông số sinh lí được quan tâm là: tốc độ hô hấp,
nhịp tim, hoạt động quang hợp, sự phát quang. Dữ liệu từ việc quan sát sẽ
được ghi lại một cách tự động và liên tục. Bộ phận cảm ứng sơ cấp thực hiện
8

chức năng này có thể là những thiết bị điện, điện từ, điện hóa, quang điện…
Sau khi thu thập, dữ liệu được phân tích và đánh giá trên bằng những phần
mềm cài đặt sẵn. Khi phát hiện sự thay đổi đáng kể trong phản ứng sinh thái
vượt khỏi tiêu chuẩn đã được định sẵn, hệ thống sẽ tự động đánh dấu và sinh
ra một báo động [20]. Nhiều hệ thống sẽ tạo thành một mạng lưới và dấu hiệu
bất thường sẽ được báo đến người quản lí ngay tức thì. Nếu sự báo động được
sử dụng để kết luận về chất lượng một mẫu nước, phân tích hóa học có thể
được tiến hành ngay sau đó để tìm ra nguyên nhân bằng cách định tính, định
lượng những chất ô nhiễm.
1.2.3. Tiêu chí lựa chọn
Việc lựa chọn những sinh vật cảnh báo phụ thuộc vào cả những khía
cạnh thực tế lẫn tính logic. Ngoài việc phải thỏa mãn các tiêu chuẩn để là một
sinh vật chỉ thị, sinh vật cảnh báo còn phải đáp ứng được một số điều kiện sau
[7]:
- Đã được định loại rõ ràng;
- Có nhiều dẫn liệu về sinh thái cá thể của đối tượng qua thử nghiệm sinh
học;
- Phải mẫn cảm và có các phản ứng ổn định với chất gây ô nhiễm hoặc
hiểu quả trong nghiên cứu, khả năng phơi nhiễm đối với các chất gây ô
nhiễm;
- Có phân bố rộng và phong phú quanh năm;
- Có ý nghĩa rộng về sinh thái, kinh tế;
- Phải ở trạng thái khỏe mạnh và không dễ bị nhiễm bệnh và kí sinh;
- Phải dễ bảo quản trong phòng thí nghiệm, có tính biến dị di truyền thấp.
Với những yêu cầu trên, những loài bản địa đặc trưng luôn là những sự
lựa chọn hàng đầu cho các hệ thống giám sát [20].
9

1.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SINH VẬT CẢNH BÁO SỚM Ô
NHIỄM
1.3.1. Tình hình nghiên cứu sinh vật cảnh báo sớm ô nhiễm trên thế
giới
Để phát hiện các chất ô nhiễm trong nguồn nước, người ta có thể sử
dụng nhiều phương pháp khác nhau, trong đó tập trung vào ba nhóm chính
sau: phương pháp vật lí, phương pháp hóa học, và phương pháp sinh vật chỉ
thị (bioindicator). Phương pháp vật lý cho phép đo đạc các tính chất vật lý
bằng cảm biến (nhiệt độ, màu sắc, mùi,…), trong khi đó phương pháp hóa học
có thể giúp xác định về mặt định lượng (pH, BOD, DO,…) các chất khoáng
và hữu cơ gây ô nhiễm. Tuy nhiên sử dụng hai phương pháp này có thể rất tốn
kém do phải thường xuyên lấy mẫu nước và phân tích [24]. Phương pháp thứ
ba có thể khắc phục được một số hạn chế của phương pháp trên như cung cấp
các dẫn liệu về thời gian, tiện lợi trong sử dụng và cho kết quả nhanh, trực
tiếp về ảnh hưởng của hiện trạng ô nhiễm đến sinh vật và thường là sử dụng
các sinh vật mà sự có mặt của chúng trong nước cho phép kết luận về sự có
mặt của các chất ô nhiễm [26], [52] và được nghiên cứu từ những năm 1900.
Đầu tiên là Kolwwinz và Marsson (1909) cùng Forbs và Richardson
(1913) đã công bố các phương thức phân loại sông ô nhiễm dựa trên sự có
mặt hay không có mặt của các loài thích nghi [39], [27]. Người ta cũng cho
rằng sự có mặt hay vắng mặt của một sinh vật trong hệ sinh thái nước sẽ là
một chỉ thị cho chất lượng môi trường phù hợp hơn so với mỗi chỉ tiêu hóa –
lý. Do vậy, các nhà khoa học đã nổ lực tìm kiếm các sinh vật nhạy đối với các
yếu tố và các thay đổi của môi trường trong nhiều năm. Bên cạnh đó, họ còn
nghiên cứu nuôi và thử nghiệm các sinh vật nhạy cảm ở quy mô phòng thí
nghiệm. Họ tin rằng các sinh vật được thử nghiệm dưới các điều kiện phòng
thí nghiệm sẽ giúp cung cấp thêm các đánh giá về tác động quan sát được
10

trong hệ sinh thái tự nhiên và đựa ra được dự đoán cho các tác động mà tương
lai có thể xảy ra [1].
Sự phát triển của độc học nước cho đến năm 1970 được tóm lược bởi
Werren và Doudoroff (1971). Hầu hết các thử nghiệm độc học đầu tiên đều
bao gồm các thí nghiệm cấp tính của một loài lên hóa chất hay nước thải sau
xử lý. Các thử nghiệm nằm trong khoảng từ một vài phút đến nhiều giờ và đôi
khi là 2 đến 4 ngày. Một vài thử nghiệm độc cấp tính sớm nhất đã được thực
hiện bởi Penny và Adams (1863), đây là những tác giả quan tâm về các hóa
chất độc trong nước thải công nghiệp [50]. Vào năm 1924, Kathleen
Carpenter đã công bố một trong số các bài báo đầu tiên về ảnh hưởng của ion
kim loại nặng có nguồn gốc từ mỏ chì và thiếc lên cá [19]. Các thí nghiệm
này được tiến hành sâu hơn bởi Jones (1939) và đã có hàng ngàn công bố
trong nhiều năm tiếp theo về ảnh hưởng của các kim loại khác lên các đối
tượng sinh vật [34].
Fry (1947) đã công bố nghiên cứu khảo sát tỷ lệ chuyển hóa của cá
cũng như ảnh hưởng của nhiệt độ và oxy lên tỷ lệ chuyển hóa [28]. Vào năm
1937, Ellis đã thực hiện một vài nghiên cứu sớm nhất đối với Daphnia magna
để đánh giá sự ô nhiễm suối [25] và Anderson (1946) đã mở rộng nghiên cứu
này cũng như đưa ra nền tảng cho việc tiêu chuẩn hóa các quy trình thử
nghiệm độc học với Daphnia magna. Hart và cs (1945) cũng như Doudoroff
và cs (1951) đã sử dụng các thử nghiệm độc học với cá nhằm đánh giá độ độc
của nước thải sau xử lý và các tác giả này đã góp phần phát triển và tiêu
chuẩn hóa phương pháp này [33].
Hơn nữa, thử nghiệm sinh học đã được phát huy nhằm thay thế cho
phương pháp giám sát hóa học. Một số thử nghiệm sinh học đã được tiến
hành một cách hiệu quả trong việc đánh giá độc tính của nước. Bengtsson và
Triet (1994) đã kiểm tra tính độc nước thải tinh bột sắn bằng thử nghiệm độc
11

tính trên vi khuẩn Microtox và bèo tấm. Họ phát hiện ra rằng bèo tấm nhạy
cảm hơn vi khuẩn phát sáng Microtox [17]. Kim và cs. (2007) nghiên cứu độc
tính cấp tính trong nước của dược phẩm tại Hàn Quốc trên các loài vi khuẩn
biển (Vibrio fischeri), Daphnia magna, và cá medaka Nhật Bản (Oryzias
latipes), kết quả cho thấy Daphnia là loài nhạy cảm nhất [38].
Otte và cs. (2008) công nhận sự cần thiết để phát triển, chuẩn hóa, và
thực hiện các hệ thống thử nghiệm trong cơ thể động vật có xương sống. Họ
đã áp dụng và thành lập một chỉ số đánh giá mới EROD của cá như một dấu
hiệu sinh học trong đánh giá tính độc trầm tích và phát hiện nó là một phương
pháp phù hợp để đánh giá độc hại sinh thái của nhiễm độc trong trầm tích [48].
Ginebreda và cs. (2010) thu được chỉ số tỷ lệ nguy hiểm với nồng độ chất ô
nhiễm và báo cáo giá trị EC
50
, cho ba thử nghiệm sinh học thường được sử
dụng trong chất độc môi trường, cụ thể là cá, Daphnia và tảo. Họ tiến hành
bằng cách tổng hợp các tỷ lệ nguy hiểm của tất cả các hợp chất có mặt và tính
toán trung bình theo ba lần lấy mẫu và phát hiện ra rằng sinh vật thử nghiệm
nhạy cảm nhất là tảo, tiếp theo là Daphnia và cá, trong khi mỗi thử nghiệm
sinh học cho thấy sự nhạy cảm khác nhau giữa mỗi loài đối với các hợp chất
nhất định [30]. Watsona và cs. (2012) cho rằng thử nghiệm sinh học có thể là
công cụ giám sát đặc biệt hữu ích trong việc đánh giá độc tính phát sinh từ
việc khử trùng bằng các sản phẩm (DBPs) hỗn hợp được hình thành trong
nước thải clo, vì độc tính của DBPs nước thải không thể dự đoán bằng cách
giám sát hóa học của các hợp chất trihalomethanes (THMs) và nitrosamines
[53].
Theo nghiên cứu “Thử nghiệm độc học trên cá dùng để đánh giá độc
tính và quản lý bền vững nước thải công nghiệp: Trường hợp của Đông Bắc
Trung Quốc” của Liu J., và cs. (2014) về sử dụng các loài cá như cá Ngựa vằn

(Brachydanio rerio) , Hòa lan (Xiphophorus maculatus), cá medaka (Oryzias
12



latipes), cá hồi lớn, cá Tứ vân (Tiger barb) và một số loài cá cảnh thương mại
địa phương khác làm sinh vật cảnh báo sớm ô nhiễm nhờ các thử nghiệm độc
tính cấp tính đối với 48 loại nước thải công nghiệp khác nhau trên địa bàn
nước Trung Quốc. Kết quả cho thấy rằng trong các trường hợp thử nghiệm
phát hiện độc tính trong các mẫu nước pha loãng, các thử nghiệm thay thế các
loài cá có biểu hiện nhạy cảm hơn. Trong các loài cá thì cá Ngựa vằn là loài
có sự nhảy cảm nhất. Và những loài cá cảnh thương mại có những biểu hiện
tương tự những loài cá tương ứng được thuần dưỡng trong phòng thí nghiệm
như cá Ngựa vằn hay cá Hòa lan. Những phát hiện này chỉ ra rằng cá cảnh
thương mại có khả năng phát hiện ô nhiễm như các loài được thuần dưỡng
trong phòng thí nghiệm, và trong khi các thử nghiệm thay thế cá có sự nhạy
cảm hơn và chi phí rẻ hơn so với thử nghiệm tiêu chuẩn. Do đó, các thử
nghiệm giám sát trong tương lai có thể sử dụng các loài cá cảnh thị trường địa
phương như là một nguồn sinh vật cảnh báo, bằng cách này có thể hạn chế
kinh phí sử dụng nhữn nguồn vật liệu có sẵn, dễ dàng và chi phí thấp để tăng
cường quản lý tình trạng khẩn cấp. Các thử nghiệm thay thế cũng giúp thúc
đẩy việc đánh giá cơ sở gây ô nhiễm nước do các tổ chức và các tình nguyện
viên địa phương thực hiện để tăng cường phát hiện sớm các nhiễm độc và
ngăn chặn thảm họa [42].
Và một nghiên cứu khác của Liu J. và cs (2012) đã đề xuất sử dụng
nhóm 5 loài cá cảnh đã được nghiên cứu là được sử dụng hiệu quả nhẩt để
phát hiện độc tính cấp tính thông qua số lượng cá chết sau những khoảng thời
gian xác định của nước thải, là Cá Tứ vân (tiger barb Puntius tetrazona), cá
chạch (horseface loach), snapper snow (Pseudotropheus zebra), red nose
piranha (Hemigrammus rhodostomus), traffic lights fish (Parachenrodom

innesi). Trong một số thí nghiệm có thể phát hiện nhiễm độc cấp tính trong
một vài phút khi các nước đã có độc tính cao. Cách tiếp cận của chúng tôi tiết
13



kiệm được một số tiền đáng kể thời gian, do đó cung cấp cơ hội quý giá để
cảnh báo sớm cho sự can thiệp của quản lý tình trạng khẩn cấp [43].
Dựa trên những nghiên cứu độc tính đó các nhà khoa học còn phát hiện
ra được một hướng nghiên cứu phương pháp giám sát nguồn nước dựa vào
hành vi của sinh vật trong các môi trường có ngưỡng độc tính dưới ngưỡng
nồng độ gây chết. Đánh giá độc tính thường được sử dụng thử nghiệm độc
tính cấp tính vì nó tương đối đơn giản để thực hiện và cho kết quả nhanh,
thường đánh giá nồng độ gây chết 50% sinh vật thử nghiệm. Tuy nhiên, ô
nhiễm môi trường trong các hệ sinh thái tự nhiên thường xảy ra ở nồng độ
thấp hơn nồng độ gây chết người, nhưng về lâu dài vẫn có thể gây tác hại cho
hệ sinh thái. Bằng cách này, kiểm tra độc tính cấp tính bỏ qua cái gọi là chết
sinh thái (ecological death), đó là nồng độ hóa chất mặc dù ảnh hưởng của
phơi nhiễm chất độc thấp không đủ để giết chết sinh vật, nhưng sẽ làm thay
đổi hành vi bình thường của sinh vật. Những thay đổi về hành vi có thể ảnh
hưởng đến việc trốn tránh kẻ thù, khả năng khứu giác, hoạt động di cư… [41].
Hành vi của một con vật là một liên kết giữa sinh lý và quá trình sinh thái. Do
đó, nó là một chỉ số lý tưởng cho các nghiên cứu về ảnh hưởng của chất gây ô
nhiễm trong môi trường và trong việc đánh giá mối nguy hại ảnh hưởng đến
hệ sinh vật.
Việc phân tích hành vi của các sinh vật để xác định nguồn nước bị ô
nhiễm hay không nhờ quan sát liên tục hành vi của vi sinh vật, ghi lại hình
ảnh, xung điện và truyền về trung tâm xử lý ngày càng được quan tâm hơn.
Trong thập kỷ qua, một số hệ thống cảm biến sinh học là phát triển sử dụng
phản ứng hành vi của sinh vật dưới nước như cá, rận nước, protozoans và các

loài trai cho thực địa hoặc giám sát sinh học trong phòng thí nghiệm [21].
Giám sát sinh học phản ứng hành vi có hiệu quả cho câu trả lời cảnh báo cho
các chất ô nhiễm trong môi trường nước có thể được sử dụng để kiểm soát
14



chất lượng xử lý các chất thải nhà máy công nghiệp và để đánh giá chất lượng
nguồn nước mặt cung cấp cho người dân.
Trong số rất nhiều sinh vật có thể được sử dụng để thử nghiệm nước,
loài cá cá Ngựa vằn (Danio rerio) được xem là đối tượng hiệu quả cho việc
kiểm soát thông qua phân tích vì hành vi bơi của nó và có thể dễ dàng quan
sát và định lượng trong các hệ thống kiểm soát Phát hiện hoạt động bất
thường dựa trên so sánh phản ứng của cá tiếp xúc với hóa chất độc và quan
sát cá đối chứng trong môi trường nước sạch [55]. Magalha và cs. đã nghiên
cứu phản ứng hành vi của loài cá Ngựa vằn (Danio rerio Hamilton 1822) bởi
chất độc sinh thái sodium hypochlorite (NaOCl) dựa vào hệ thống phân tích
hình ảnh giám sát sinh học (IABS - image analysis biomonitoring system)
như trong hình 1. Kết quả đánh giá phản ứng hành vi của cá Ngựa vằn (Danio
rerio) khi tiếp xúc với nồng độ gây chết natri hypochlorite. Các giới hạn của
biến đổi bình thường trong bơi hoạt động của cá Ngựa vằn đã được xác định
bằng cách giám sát tốc độ di chuyển của 40 mẫu đối chứng kiểm soát bằng
cách sử dụng IABS. Sau đó thử nghiệm độc tính cấp tính đã được thực hiện
để xác định LC
50
(24h) với NaOCl là 48 mg/L. Để đánh giá những ảnh hưởng
độc hại trong hoạt động bơi, 32 mẫu cá đã được tiếp xúc với 40%, 30%, 20%,
10% của LC
50
. Đối với nồng độ độc hại nhỏ hơn 10% của LC

50
có khác biệt
đáng kể từ nhóm đối chứng bằng một phản ứng thoát (hoạt động bơi tăng
thêm) và giảm dần tốc độ trong hoạt động từ 20% của LC
50
. Phản ứng ở 20%
của LC
50
ở các mẫu thử nghiệm được coi là một NOAEL (No observed
adverse effect level). Kết quả nghiên cứu giám sát sinh học hành vi đã được
chứng minh là một công cụ hữu ích để phát hiện các chất độc trong môi
trường nước [23].
Sau sự kiện ngày 11/9/2001 nước Mỹ đứng trước nguy cơ gia tăng các
mối đe dọa an ninh đối với nguồn nước từ hoạt động khủng bố tại các mục
15



tiêu dân sự và căn cứ quân sự làm nổi bật nhu cầu phải có một công cụ giám
sát hiệu quả các chất gây ô nhiễm tiềm năng. Giám sát sinh học nguồn nước
được quân đội Mỹ nghiên cứu phát triển có thể giám sát nguồn nước cấp liên
tục theo thời gian thực và phản ứng nhanh (BEWS - Biological early warning
systems), trong đó loài cá Vược mặt trời (Lepomis macrochirus) sử dụng làm
sinh vật cảnh báo[54].
Hệ thống có thể được sử dụng để phát hiện một phổ rộng các chất độc
gấy ô nhiễm bằng sự nhạy cảm của sinh vật chỉ thị. Trong đó, đối với dư
lượng Clo trong nước có thể phát hiện trong khoảng 0,015 đến 0,066 mg/L.
Hệ thống áp dụng trong 9 tháng đối với nhà máy sản xuất nước và đã phát
hiện các lỗi trong quá trình vận hành nhà máy làm gia tăng đáng kể dư lượng
Clo trong nước cấp. Công trình này được tài trợ của Quân đội Mỹ

(USACEHR - U.S. Army Center for Environmental Health Research) nằm
trong chương trình mục tiêu “sáng tạo Chiến lược để đánh giá nguy cơ sức
khỏe từ phơi nhiễm trong môi trường hóa chất độc hại” [54].
Serra Toro và cs. sử dụng một bộ sưu tập các video được cung cấp bởi
công ty EMUASA về phản ứng của loài Lepomis gibbosus dưới tác dụng của
chất gây ô nhiễm chlorpyrifos với hàm lượng 0,075 mg/L. Nghiên cứu nhắm
đến phân biệt sự khác nhau trong hành vi của cá trong môi trường nước sạch
và trong môi trường nước ô nhiễm. Kết quả hệ thống cuối cùng phải đáp ứng
hai yêu cầu. Đầu tiên, phải hạn chế tối đa tỷ lệ dương tính giả tức là phân loại
sai ô nhiễm (báo động sai) và thứ hai, hệ thống phải tối đa hóa tỷ lệ dương
tính thật [18].
Gần đây, các nhà nghiên cứu tại đại học Melbourne (Úc) cũng sử dụng
hệ thống cảm biến sinh học cho việc ghi nhận hành vi của sinh vật để nhận
biết sự ô nhiễm của nguồn nước [29] với xử lý thời gian thực (real time). Đặc
điểm nổi bật của nghiên cứu này là việc phát hiện ô nhiễm được kết hợp với
16



bản đồ số và hệ thống định vị để từ đó phát ra cảnh báo đến các địa điểm cần
thiết. Hệ thống này đã cho các kết quả bước đầu đầy hứa hẹn.
Như vậy, ngày càng có nhiều nghiên cứu quan tâm đến việc dùng cá
như một sinh vật chỉ thị (biomarker) cho việc giám sát ô nhiễm nguồn nước vì
phương pháp này hạn chế được nhược điểm của các phương pháp trên nhanh
chóng xác định được nguyên nhân ô nhiễm dẫn đến phản ứng của cơ quan
quản lý kịp thời hơn trong các trường hợp bị đầu độc, cố ý phá hoại hay sự cố
môi trường khẩn cấp.
1.3.2. Tình hình nghiên cứu sinh vật cảnh báo sớm ô nhiễm ở Việt
Nam
Vấn đề ô nhiễm nguồn nước là một bài toán quan trọng đặt ra đối với

nước ta trong việc đảm bảo chất lượng nguồn nước. Vấn đề này càng cấp thiết
khi trong những năm gần đây báo chí đã đưa ra ánh sáng các vụ gây ô nhiễm
nguồn nước nghiêm trọng liên quan đến chất thải từ các hoạt động sản xuất.
Chính vì thế giải quyết vấn đề ô nhiễm nguồn nước – trong bối cảnh ô nhiễm
môi trường nói chung – đã nhận được nhiều sự quan tâm trong cả nước.
Nhiều nghiên cứu về việc phát hiện ô nhiễm nguồn nước đã được tiến hành tại
các trung tâm nghiên cứu và các trường đại học trên cả nước, hay thông qua
các tổ chức quốc tế [3], [8], [10]. Nói chung các nghiên cứu này đều tập trung
vào các phương pháp đo đạc lí hóa hay sử dụng vi sinh vật phân hủy để giám
sát sự ô nhiễm của nguồn nước.
Trong khi đó, việc phát hiện ô nhiễm nước bằng phương pháp phân tích
hành vi của vi sinh vật vẫn còn mới mẻ ở Việt Nam. Như đã nói ở phần trước,
thật ra phương pháp phân tích hành vi của sinh vật chỉ thị đã được tiến hành
nhiều nơi trên thế giới và đã cho những kết quả tốt. Tuy nhiên, sinh vật được
sử dụng với các phương pháp này thường thích nghi với điều kiện sống bản
địa; việc tìm ra các sinh vật giống hệt như vậy để áp dụng cho bài toán ở Việt