Xây dựng phương pháp đánh giá chất lượng nước dựa vào động vật không xương sống cỡ lớn ở đáy cho hạ lưu hệ thống sông đồng nai

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

VIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN
------------------

PHẠM ANH ĐỨC

XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ
CHẤT LƯỢNG NƯỚC DỰA VÀO ĐỘNG VẬT
KHÔNG XƯƠNG SỐNG CỠ LỚN Ở ĐÁY
CHO HẠ LƯU HỆ THỐNG SÔNG ĐỒNG NAI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

TP. HỒ CHÍ MINH – Năm 2014
1


MỞ ĐẦU
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Lưu vực sông Đồng Nai nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, bắt nguồn của
hai nhánh Đa Dung và Đa Nhim – Vùng sơn nguyên Đà Lạt đến hết đồng bằng
miền Đông Nam Bộ với dân số ước tính khoảng 20 triệu người. Tổng diện tích tự
nhiên khoảng 43.450 km2 (không kể phần diện tích thuộc lãnh thổ Campuchia) nằm
ở vị trí địa lý: từ 105030'21'' đến 109001'20" kinh độ Đông và từ 10019'55" đến
12020'38" vĩ độ Bắc [29], [45]. Hạ lưu hệ thống sông Đồng Nai (HTSĐN) bao gồm
các sông Đồng Nai đoạn từ ngã ba Hiếu Liêm (cửa sông Bé), sông Sài Gòn đoạn từ
chân đập Dầu Tiếng, gần như toàn bộ sông Vàm Cỏ Đông và sông Vàm Cỏ Tây, và
vùng phụ cận ven biển [25].
Tài nguyên nước đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình phát triển kinh tế - xã
hội (KT-XH), bảo vệ môi trường, tạo ra các vùng sinh thái cảnh quan khác nhau

trong lưu vực. Tiềm năng kinh tế phần hạ lưu của lưu vực sông Đồng Nai được
đánh giá là rất lớn, quyết định đến sự phát triển của nhiều ngành nghề, lĩnh vực –
Khu vực có tốc độ phát triển KT-XH mạnh nhất nước. Tuy nhiên, với nhu cầu phát
triển hiện nay, chất lượng nước phần hạ lưu HTSĐN đang chịu áp lực ngày càng gia
tăng do tiếp nhận lượng rất lớn nước thải sinh hoạt, nước thải sản xuất công nghiệp
(SXCN), sản xuất nông nghiệp (SXNN), chất thải đô thị,… với hàm lượng các chất
ô nhiễm cao làm giảm đáng kể khả năng tự làm sạch và đe dọa nghiêm trọng nguồn
nước. Nhiều kênh, rạch chảy qua trung tâm các đô thị lớn có thể xem là dòng nước
thải có màu đen và rất hôi.
Kết quả quan trắc của các cơ quan liên quan trong những năm gần đây cho thấy ô
nhiễm hữu cơ trên diện rộng, đặc biệt là khu vực hạ lưu. Hàm lượng oxy hòa tan
(DO) đo ở hầu hết các vị trí thu mẫu sông Sài Gòn và sông Đồng Nai (bao gồm các
khu vực thu nước thô phục vụ cấp nước) không đạt Quy chuẩn kỹ thuật về Chất
lượng nước mặt (QCVN 08:2008) – Chất lượng nước loại A1. Đối với những vị trí
thu mẫu trên kênh rạch nội thành thành phố Hồ Chí Minh (Tp.HCM) cho thấy mức
2


độ ô nhiễm hữu cơ ở mức rất cao, vượt QCVN – Chất lượng nước loại B1 từ 3 – 15
lần [2]. Ô nhiễm vi sinh ở mức cao, hầu hết các kết quả đo Coliform ở sông Sài Gòn
và sông Đồng Nai đều vượt QCVN – Chất lượng nước loại A1 từ 2 – 100 lần, đặc
biệt ở các hệ kênh rạch nội thành Tp.HCM (Kênh Tân Hóa – Lò Gốm, Tham Lương
– Vàm Thuật, Tàu Hũ – Bến Nghé,…) có khi vượt tiêu chuẩn loại B đến 10.000 lần.
Ngay cả những khu vực lấy nước thô phục vụ cấp nước, kết quả đo Coliform cũng
vượt QCVN – Chất lượng nước loại A1 từ 2 – 31 lần [2]. Ô nhiễm dầu mỡ ở nhiều
khu vực, kết quả đo cho thấy tất cả các vị trí quan trắc đều vượt QCVN – Chất
lượng nước loại B1 [2]. Tác động tiềm ẩn của các sự cố tràn dầu ở khu vực Cát Lái,
Nhà Bè, Cần Giờ, Vũng Tàu là rất lớn [41]. Ngoài ra, hạ lưu HTSĐN chịu ảnh
hưởng mạnh của thủy triều biển Đông, nhiều khu vực bị nhiễm mặn cao và không
thể sử dụng cho mục đích cấp nước sinh hoạt và tưới tiêu. Môi trường nước ở nhiều

khu vực thuộc huyện Bình Chánh, Củ Chi, Hóc Môn,… nhiễm phèn cao, ảnh hưởng
đến nhiều mục đích sử dụng nước [41]. Theo kết quả quan trắc chất lượng môi
trường của Chi cục BVMT Tp.HCM năm 2011, chất lượng nước ở các vị trí quan
trắc sông Đồng Nai, Sài Gòn và kênh rạch nội thành vẫn chưa được cải thiện rõ nét.
Trong khi đó, ô nhiễm dầu mỡ còn có xu hướng tăng [3]. Ngoài ra, các ghi nhận
cho thấy tài nguyên nước đang bị khai thác với tốc độ nhanh [25].
Nhằm góp phần quản lý tài nguyên nước và hoàn thiện các phương pháp quan trắc
chất lượng môi trường, bên cạnh các phương pháp dựa vào thông số hóa-lý, việc sử
dụng sinh vật trong đánh giá chất lượng nước, phục vụ giám sát sức khoẻ sinh thái
đang được coi là phương pháp ứng dụng có nhiều ưu điểm. Nếu các thông số hóa-lý
phản ảnh hiện trạng môi trường thì các yếu tố sinh học thể hiện áp lực mà môi
trường đang phải chống chịu. Phương pháp nghiên cứu dựa vào thủy sinh vật giúp
đánh giá đầy đủ hơn các tác động ô nhiễm đến môi trường, những đặc tính cũng
như sự biến đổi của chất lượng nước theo không gian, thời gian hay dưới ảnh hưởng
tổng hợp của các tác nhân gây ô nhiễm.
Trên thế giới, động vật không xương sống cỡ lớn ở đáy (ĐVKXSCL) được ứng
dụng phổ biến nhất trong các chương trình sinh quan trắc do những ưu điểm nổi bật

3


như (1) thành phần loài phong phú và phân bố rộng khắp hệ thống sông; (2) dễ thu
mẫu; (3) tương đối dễ định danh; (4) thường sống cố định ở đáy, do đó chỉ thị tốt
cho sự thay đổi chất lượng nước; (5) có đời sống đủ dài (> 6 tháng) nên không cần
thu mẫu thường xuyên; (6) đa dạng khoảng nhạy cảm với ô nhiễm; (7) tổng hợp các
ảnh hưởng của ô nhiễm trong thủy vực; (8) số lượng loài trong một lần thu mẫu khá
cao, do đó có ít nhất vài loài sẽ bị tác động của thay đổi chất lượng nước; và, (9) tài
liệu nghiên cứu phong phú [6], [63], [95]. Cho đến nay, việc ứng dụng ĐVKXSCL
đánh giá chất lượng nước ở các thủy vực với những điều kiện sinh thái khác nhau ở
Việt Nam còn rất hạn chế và chưa được kiểm chứng nhiều. Đặc biệt, hệ thống hóa

để đưa ra phương pháp quan trắc thống nhất cho Việt Nam nhằm đánh giá sức khoẻ
sinh thái các hệ thống sông chính hay những dạng thủy vực khác ít được đề cập đến.
Trong khi đó, với điều kiện sinh thái đặc trưng của Việt Nam, việc sử dụng hệ
thống điểm số đang được phổ biến ở Châu Âu, Bắc Mỹ và các quốc gia khác trên
thế giới, được coi là thiếu chính xác, nên nghiên cứu ứng dụng ĐVKXSCL là rất
cần thiết trong tình hình diễn biến ô nhiễm nguồn nước ngày một phức tạp hơn.
Theo cách tiếp cận mới này, việc thực hiện đề tài “Xây dựng phương pháp đánh
giá chất lượng nước dựa vào động vật không xương sống cỡ lớn ở đáy cho hạ
lưu hệ thống sông Đồng Nai” sẽ giúp các nhà nghiên cứu và quản lý trong lĩnh vực
sinh thái, tài nguyên và môi trường có thêm công cụ quan trắc sinh học để giám sát
sức khỏe sinh thái hạ lưu HTSĐN nói riêng và toàn lưu vực sông Đồng Nai hay các
lưu vực sông trên cả nước nói chung.
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Xây dựng phương pháp đánh giá chất lượng nước dựa vào động vật không xương
sống cỡ lớn ở đáy cho hạ lưu hệ thống sông Đồng Nai nhằm mục đích phát triển và
ứng dụng những phương pháp mới xây dựng để đánh giá, phân loại chất lượng nước
các thủy vực ở hạ lưu HTSĐN.
3. PHẠM VI VÀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Khu vực nghiên cứu: Hạ lưu HTSĐN bao gồm sông Sài Gòn – Khu vực từ thị trấn
Dầu Tiếng đến ngã 3 Cát Lái (Đèn Đỏ), sông Đồng Nai – Khu vực từ Tân Uyên đến
4


các cửa sông. Từ các thông tin và dữ liệu, các điểm, tuyến khảo sát trong khu vực
nghiên cứu được chọn dựa trên những mục đích như khu vực ít hoặc không bị ảnh
hưởng trực tiếp của các nguồn ô nhiễm; khu vực bị tác động của các hoạt động phát
triển KT-XH; khu vực có các nhu cầu nước riêng biệt (cấp nước cho các nhà máy
nước, nước thủy lợi, nuôi thủy sản, nước sử dụng đa mục đích,…).
Thời gian nghiên cứu: Thu mẫu ĐVKXSCL 4 đợt/năm (mùa khô, chuyển mùa khô
sang mùa mưa, mùa mưa, chuyển mùa mưa sang mùa khô) kéo dài từ tháng

03/2007 đến 09/2009 phục vụ xây dựng phương pháp, và thu mẫu 2 đợt vào tháng
03 và tháng 09 năm 2010 để kiểm định phương pháp.
Đối tượng nghiên cứu: Các nhóm loài ĐVKXSCL.
4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Để đạt những mục tiêu đặt ra, những nội dung dưới đây cần được thực hiện:
1. Thu mẫu và phân tích mẫu chất lượng nước;
2. Thu mẫu và phân tích mẫu ĐVKXCL;
3. Đánh giá hiện trạng môi trường và ĐVKXSCL ở hạ lưu HTSĐN;
4. Xác định mối quan hệ giữa các chỉ số sinh học của ĐVKXSCL và các thông số
môi trường;
5. Xây dựng phương pháp đánh giá và phân vùng chất lượng nước dựa vào
ĐVKXSCL ở hạ lưu HTSĐN;
6. Kiểm định phương pháp đã xây dựng;
7. Cải tiến mạng lưới quan trắc sinh học phần ĐVKXSCL cho hạ lưu HTSĐN;
8. Phát triển bộ chỉ báo ĐVKXSCL cho mục tiêu đánh giá nhanh chất lượng nước.
Nội dung nghiên cứu của luận án gồm 3 chuyên đề sau:
Chuyên đề 1: Tổng quan tài liệu về ĐVKXSCL và khả năng sử dụng quan trắc chất
lượng nước cho hạ lưu HTSĐN.
Chuyên đề 2: Xây dựng phương pháp đánh giá chất lượng nước hạ lưu HTSĐN dựa
vào các chỉ tiêu sinh học trên cơ sở ĐVKXSCL.
Chuyên đề 3: Đánh giá chất lượng hạ lưu HTSĐN dựa vào các chỉ tiêu sinh học của
ĐVKXSCL.

5


5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
Ý nghĩa khoa học: Dựa trên cơ sở số liệu có hệ thống, đầy đủ của nhóm ĐVKXSCL
thuộc khu vực nghiên cứu, thông tin đa dạng sinh học của ĐVKXSCL, tương quan
giữa ĐVKXSCL với các điều kiện sinh thái và môi trường khác nhau, luận án xây

dựng phương pháp đánh giá chất lượng nước dựa vào ĐVKXSCL cho hạ lưu
HTSĐN.
Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu sẽ đóng góp một công cụ quan trắc sinh học
có độ tin cậy cao trong điều kiện sinh thái của Việt Nam. Góp phần hoàn thiện các
công cụ quan trắc chất lượng nước ở hạ lưu HTSĐN vì hiện nay trong nhiều chương
trình quan trắc thường chỉ sử dụng các thông số hóa-lý để đánh giá chất lượng nước.
Trong một số chương trình quan trắc đã có phân tích và đánh giá các chỉ tiêu sinh
học, nhưng các phương pháp sử dụng còn nhiều hạn chế và ít được kiểm chứng.
6. NHỮNG LUẬN ĐIỂM KHOA HỌC MỚI CẦN GIẢI QUYẾT
Luận án xây dựng cơ sở khoa học, phương pháp luận đánh giá chất lượng nước dựa
vào ĐVKXSCL phù hợp với điều kiện sinh thái và môi trường của khu vực nghiên
cứu nhằm hoàn thiện các phương pháp đánh giá chất lượng nước hạ lưu HTSĐN
cũng như những hệ thống sông tương tự.
Dựa trên phương pháp xây dựng Điểm số ô nhiễm (Tolerance Score – TS) của Ủy
hội Quốc tế Sông Mekong (MRC), luận án đã cải tiến những điểm hạn chế của
phương pháp này để xây dựng TS cho từng loài ĐVKXSCL ở hạ lưu HTSĐN trên
cơ sở khoa học và và khách quan hơn, từ đó tính toán điểm số ô nhiễm trung bình
theo cá thể từng loài (average tolerance score per individuals – ATSPI) tại mỗi vị trí
quan trắc.
Hơn nữa, luận án còn xây dựng thang điểm đánh giá cho ATSPI và các chỉ số sinh
học sử dụng phổ biến để đánh giá chất lượng nước ở hạ lưu HTSĐN. Đây là cũng là
một trong những điểm mới của luận án vì trước đây hầu như chưa có tác giả nào ở
Việt Nam xây dựng thang điểm đánh giá cho các chỉ số sinh học này.

6


Chương 1
TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ QUAN TRẮC SINH HỌC DỰA VÀO

ĐỘNG VẬT KHÔNG XƯƠNG SỐNG CỠ LỚN Ở ĐÁY TRÊN THẾ GIỚI
VÀ VIỆT NAM
1.1.1. Các khái niệm về quan trắc sinh học
Quan trắc sinh học là công cụ quan trọng để đánh giá các điều kiện của hệ sinh thái
nước. Để hiểu rõ thêm, cần xem xét các khái niệm về quan trắc sinh học.
Quan trắc sinh học (Biomonitoring): Cho đến nay, có nhiều định nghĩa về quan trắc
sinh học, tuy nhiên định nghĩa được nhiều độc giả đồng ý và chọn lựa nhất là “Quan
trắc sinh học là việc sử dụng có hệ thống các phản ứng sinh học để đánh giá sự
thay đổi các điều kiện môi trường trong chương trình quan trắc chất lượng nước.
Trong đó những thay đổi này thường là do các nguồn tác động của con người,…”
[108]. Quan trắc sinh học thực sự là một công cụ thích hợp bởi vì nó sử dụng tổng
hợp những thông tin về một hệ sinh thái. Việc lựa chọn kỹ các công cụ có thể cung
cấp một hình ảnh của chất lượng nước hay tổ hợp hệ sinh thái nhanh hơn, rẻ hơn, và
tổng hợp hơn so với quan trắc hóa nước [6], [57].
Đánh giá sinh học (Bioassessment): là hình thức đánh giá một số đặc điểm của sông
ngòi (trong đó có chất lượng nước) dựa vào các nhóm sinh vật sống trong đó [109].
Tổ hợp sinh thái (Biotic integrity) đôi khi được gọi sức khỏe sinh thái (Ecosystem
health) và là “khả năng của một hệ sinh thái nhằm hỗ trợ và đảm bảo một quần xã
sinh vật cân bằng, hợp nhất và thích nghi có hệ chức năng và thành phần loài đa
dạng so với điều kiện sống tự nhiên của vùng” [109]. Nói cách khác, phép đo tổ hợp
sinh học là một phép đo sự hiểu biết về một hệ thống như sông suối, là tính “tự
nhiên” trong khu hệ sinh vật và các chức năng của nó [57].
Chỉ thị sinh học (Bioindicator): là nhu cầu sinh thái của loài và phản ứng của nó với
các chất ô nhiễm khác nhau tương ứng với một giá trị chỉ thị nào đó. Dùng chỉ thị
sinh học có các ưu điểm chính là: (1) Các quần xã sinh vật có chức năng giống như
7


“lính canh” liên tục chất lượng nước, ngược lại với thu mẫu gián đoạn của phân tích
hóa học; (2) Sự phản ứng của sinh vật là kết quả của sự thay đổi các điều kiện môi

trường. Nếu một vài chất thải công nghiệp thải vào sẽ làm tăng tính phức tạp lên
nhiều lần. Các quần xã sinh vật không phản ứng với một yếu tố riêng lẻ mà phản
ứng với toàn bộ các tác động của môi trường [6], [62].
Loài chỉ thị (Indicator species): là những sinh vật có yêu cầu nhất định về điều kiện
sinh thái liên quan đến nhu cầu dinh dưỡng, hàm lượng oxy cũng như khả năng
chống chịu đối với hàm lượng nhất định các yếu tố độc hại trong môi trường sống
và do đó sự hiện diện của chúng biểu thị điều kiện sinh thái của môi trường sống
nằm trong giới hạn nhu cầu và khả năng chống chịu của sinh vật đó [6], [62].
Sinh vật cảm ứng (Bio-sensor): là những sinh vật chỉ thị có thể tiếp tục hiện diện
trong môi trường ô nhiễm, nhưng có ít nhiều biến đổi như giảm tốc độ sinh trưởng,
giảm khả năng sinh sản, biến đổi tập tính do tác động của chất ô nhiễm [6], [62].
Cá thể sinh vật chỉ thị (Individuals as an indicator): là những dấu hiệu mang tính chỉ
thị về sinh lý, sinh hóa, tập tính, tổ chức tế bào của cá thể sinh vật chỉ thị [6], [62].
Quần thể sinh vật chỉ thị (Population as an indicator): thể hiện cấu trúc quần thể của
các loài chỉ thị [6], [62].
Cấu trúc quần xã chỉ thị (Community structure as an indicator): bao gồm thành phần
cấu trúc quần xã sinh vật, tùy theo chất lượng nước mà thành phần của quần xã và
mật độ của từng quần thể sẽ khác nhau [6], [62].
Quan trắc sinh học chỉ thật sự hữu ích khi hiểu biết đầy đủ những kiến thức về khu
hệ sinh vật để có thể chuyển tải những dữ liệu thu thập được thành kết quả. Hiện
nay, những kỹ thuật này đang trở nên phổ biến để có thể đạt được những phản ánh
đầy đủ về sinh học các hệ thống sông và chuyển tải thành kết quả. Và, việc sử dụng
bất cứ những kỹ thuật nào, cần thiết phải thử nghiệm đối với các nhóm sinh vật và
điều kiện địa phương nhằm đạt kết quả hữu ích [60].
1.1.2. Tổng quan đánh giá chất lượng nước bằng phương pháp sinh học
Hầu hết các nhóm sinh vật sống trong một thủy vực là nhạy cảm với những thay đổi
của môi trường, cả về tự nhiên (như tăng độ đục trong mùa lũ) hay gây ra bởi con

8

người (như nhiễm bẩn hóa chất hay giảm DO do tiếp nhận nguồn nước thải đô thị).
Các nhóm sinh vật khác nhau phản ứng theo những cách khác nhau. Những phản
ứng nghiêm trọng nhất bao gồm sinh vật bị chết hay di cư đến các nơi khác. Những
phản ứng ít hơn gồm có khả năng sinh sản giảm và ức chế một số hệ thống enzyme
nào đó cần thiết cho sự trao đổi chất thông thường. Một khi đã xác định được những
phản ứng của các nhóm sinh vật đặc biệt nào đó đối với những biến đổi của môi
trường, có thể sử dụng chúng để đánh giá chất lượng nước [6], [57].
1.1.2.1. Mục đích của quan trắc sinh học
Dưới đây là những mục đích chính của quan trắc sinh học [6], [57]:
 Đôi khi các chất ô nhiễm tác động lên hệ sinh thái ở nồng độ thấp hơn so với
ngưỡng ảnh hưởng của chất đó;
 Tác động của các chất ô nhiễm tổng hợp khác với khi chúng nằm riêng lẻ;
 Ảnh hưởng của độc chất lên hệ sinh thái còn tùy thuộc vào các đặc tính của
điều kiện tự nhiên.
Ngày nay quan trắc sinh học được thiết lập như một phần của quan trắc chất lượng
nước. Có hai loại quan trắc chính rất quan trọng đối với môi trường nước là thử
nghiệm sinh học (bioassay) và đánh giá sinh học (bioassessment). Thử nghiệm sinh
học bao gồm các loại xét nghiệm độc chất sinh thái, tích tụ sinh học, suy thoái sinh
học, phú dưỡng hoá. Đánh giá sinh học bao gồm các phương pháp luận liên quan
đến phân tích các quần xã sinh vật, các chức năng của chúng để cảnh báo, dự đoán
xu hướng biến đổi và giám sát môi trường.
1.1.2.2. Những thuận lợi của các phương pháp sinh học
Đánh giá sinh học thường chỉ ra những ảnh hưởng đến hệ sinh thái do các hoạt động
nào đó diễn ra trong thủy vực. Nó còn hỗ trợ để xác định phạm vi của thiệt hại sinh
thái. Một số loại thiệt hại có thể rất dễ nhận biết như màu bất thường của nước, độ
đục tăng hay cá chết. Tuy nhiên, có rất nhiều hình thức thiệt hại không thể nhận biết
nếu không kiểm tra chi tiết khu hệ thủy sinh vật. Các nhóm sinh vật được nghiên
cứu có thể chỉ ra những ảnh hưởng tổng hợp của tất cả tác động đến thủy vực, và có
thể sử dụng để so sánh những biến đổi chất lượng nước từ vị trí này với vị trí kia,

9


hay trong một khoảng thời gian. Do đó, chúng có thể phản ánh hiện trạng điều kiện
sống trước khi nó có xu hướng nghiêm trọng hơn. Điều đó có thể giúp các nhà sinh
học đánh giá tình trạng quá khứ cũng như hiện tại của môi trường. Chiều dài thời
gian đánh giá tùy thuộc vào các nhóm sinh vật sử dụng trong điều tra. Những nhóm
vi sinh vật như động vật nguyên sinh (protozoa), tảo bám (periphytic algae) hay vi
khuẩn (bacteria) phản ánh chất lượng nước chỉ trong một hay hai tuần trước khi
phân tích và thu mẫu chúng. Trong khi đó, ấu trùng côn trùng, giun, nhuyễn thể và
các nhóm ĐVKXSCL khác phản ánh chất lượng nước trong thời gian một tháng hay
có thể đến vài năm [6], [57].
Phương pháp sinh học có thể được tiến hành rất nhanh với chi phí thấp, và được kết
hợp trong các nghiên cứu tổng hợp khác. So với phương pháp hóa-lý, dụng cụ thu
mẫu và trang thiết bị yêu cầu trong quan trắc và phân tích sinh học ít tốn kém hơn
và một vùng nghiên cứu lớn có thể hoàn thành khảo sát trong thời gian ngắn. Trong
những năm gần đây việc sử dụng sinh vật để quan trắc chất lượng nước ứng dụng ở
nhiều quốc gia trên thế giới, điển hình như các quốc gia châu Âu, Bắc Mỹ, Trung
Quốc, Ấn Độ, Thái Lan, Nhật Bản... Do số lượng các chất ô nhiễm xả vào thủy vực
ngày càng nhiều và phức tạp. Vì vậy, chi phí cung cấp cho phương pháp hóa-lý là
rất lớn, nên phương pháp sinh học được đề nghị nhằm tiết kiệm chi phí. Tuy nhiên,
sự thuận lợi của phương pháp sinh học không phải để loại trừ sự cần thiết của phân
tích hóa-lý. Những cơ quan và các cá nhân liên quan chịu trách nhiệm thiết lập
chương trình đánh giá nên kết hợp phương pháp sinh học và hóa-lý để cung cấp
những thông tin cần thiết nhằm đạt hiệu quả cao nhất [6], [57].
Đặc biệt, thử nghiệm độc tính cấp là rất hữu ích trong những trường hợp ô nhiễm tai
biến và khẩn cấp, vì nó có thể giảm thiểu khối lượng phân tích hóa học. Khi khảo
sát hiện tượng cá chết, thường người ta lấy mẫu nước phân tích các chỉ tiêu hóa-lý
để xác định nguyên nhân và thường phải phân tích rất nhiều mẫu. Tuy nhiên, nếu

thử nghiệm độc tính (thường sử dụng một nhóm thủy sinh vật) ngay lập tức, có thể
biết chính xác nguyên nhân gây chết cá và nồng độ các chất gây độc có mặt ở trong
nguồn nước hay không [57].

10


1.1.2.3. Phân loại phương pháp đánh giá sinh học
Hiện nay phương pháp đánh giá sinh học dựa trên 6 phương pháp chính sau: (1)
Phương pháp sinh thái học; (2) Phương pháp vi sinh vật học; (3) Phương pháp sinh
lý học và sinh hóa; (4) Phương pháp độc chất học; (5) Phương pháp tích tụ sinh học;
và (6) Phương pháp hình thái học và mô học [6], [57]. Phạm vi nghiên cứu của luận
án là nghiên cứu phương pháp sinh thái học dựa vào ĐVKXSCL để đánh giá chất
lượng nước.
Phương pháp sinh thái học gồm 02 kiểu chính là Phương pháp dựa vào cấu trúc
quần xã, và Phương pháp dựa vào các nhóm chỉ thị. Phương pháp sinh thái học
được xây dựng chủ yếu dựa vào những đặc tính dưới đây của các nhóm thủy sinh
vật [6], [57]:
-

Phân tích cấu trúc các quần xã sinh vật trong thủy vực tự nhiên;

-

Phân tích các quần xã sinh vật thu ở nền đáy nhân tạo đặt trong thủy vực;

-

Nghiên cứu sự vắng mặt hay có mặt của các loài đặc trưng.

Bất cứ loài nào cũng có thể là chỉ thị cho vài đặc tính nào đó của môi trường. Do
đó, phải chọn những nhóm loài có tiềm năng hữu ích nhất cho từng vấn đề riêng
biệt để giám sát chất lượng nước như cung cấp nước sinh hoạt, quản lý và kiểm soát
chất thải, bảo vệ tài nguyên thủy sản, bảo tồn thiên nhiên… Các tiêu chí/đặc điểm
của loài sinh vật chỉ thị lý tưởng cho môi trường [63], [79], [109], gồm:
-

Nhạy cảm đối với những tác động;

-

Khoảng nhạy cảm hẹp đối với từng điều kiện môi trường;

-

Dễ định danh;

-

Dễ thu mẫu;

-

Phân bố rộng, tốt nhất là phân bố toàn cầu;

-

Có nhiều dẫn liệu sinh thái của cá thể;

-

Có giá trị kinh tế khi sinh vật là tài nguyên hay vật gây hại;

-

Có khả năng tích tụ các chất ô nhiễm;

-

Dễ dàng nuôi trong phòng thí nghiệm;

-

Ít biến dị;

11


-

Chi phí thấp dễ chấp nhận trong việc thu mẫu và phân tích.

Trong thực tế chỉ rất ít loài đạt được các tiêu chí trên, do đó một loài nào đó đạt
được đa số các tiêu chí trên thì là sinh vật chỉ thị tốt cho môi trường [63].
Để đánh giá mức độ ô nhiễm của thủy vực một cách chính xác, hiệu quả và đơn
giản,… người ta đã xây dựng các hệ thống chỉ số hay điểm số sinh học. Có thể kể ra
các hệ thống chỉ số thông dụng: chỉ số ô nhiễm – S (Saprobic indices), chỉ số sinh
vật – B (Biotic indices), chỉ số đa dạng – D (Diversity indices), chỉ số dinh dưỡng –
Q (Trophic indices), điểm số ô nhiễm – TS (Tolerance score)... Mỗi chỉ số, điểm số
đều có những ưu nhược điểm riêng, thích ứng với những dạng nghiên cứu hay đánh

giá khác nhau [62].
Đánh giá chung:
Quan trắc sinh học có nhiều thuận lợi trong đánh giá chất lượng nước của các loại
hình thủy vực khác nhau. Quan trắc chất lượng nước bằng phương pháp sinh học đã
phát triển rất nhanh với nhiều phương pháp đa dạng và được tiêu chuẩn hóa ở nhiều
quốc gia và vùng lãnh thổ.
Trong đó, phương pháp sinh thái học được ứng dụng phổ biến nhất nhờ có nhiều ưu
điểm, đặc biệt là chi phí thấp do không yêu cầu cao về phòng thí nghiệm, thời gian
thực hiện khảo sát và đưa ra kết quả đánh giá rất nhanh.
1.1.3. Vai trò của động vật không xương sống cỡ lớn ở đáy trong đánh giá chất
lượng nước
Động vật không xương sống cỡ lớn ở đáy (Benthic macroinvertebrates): là các
nhóm sống ở nền đáy hoặc ít nhất có một giai đoạn trong chu kỳ phát triển sống ở
nền đáy. Kích thước của ĐVKXSCL lớn hơn 200 m, mặc dù ở các giai đoạn phát
triển ban đầu có thể nhỏ hơn kích thước này. Chúng có thể sống trên mặt hoặc vùi
trong lớp bùn đáy hoặc bơi trong tầng nước. Hầu hết các nhóm ĐVKXSCL có kích
thước lớn hơn 500 m, vì vậy trong các chương trình quan trắc thường sử dụng
dụng cụ thu mẫu có kích thước mắt lưới 500 m. Với các chương trình nghiên cứu
chuyên sâu cần thu đầy đủ thành phần loài, thường sử dụng dụng cụ có kích thước
mắt lưới 250 m [6], [109].
12


Các chương trình giám sát (Surveillance) dựa vào ĐVKXSCL là kiểu quan trắc sinh
học được sử dụng thường xuyên nhất, bao gồm các khảo sát thực hiện trước và sau
khi một dự án hoàn thành hay trước và sau khi một chất độc bị tràn ra. Hơn nữa, có
thể còn sử dụng ĐVKXSCL để đánh giá các chương trình quản lý tài nguyên nước
đang thực hiện hay xem xét những dự án bảo vệ nguồn nước có thành công hay
không. Việc sử dụng ĐVKXSCL để dự đoán những tác động môi trường ưu tiên ở
thời điểm khởi đầu của dự án là một hình thức đặc biệt của giám sát. Quan trắc sinh

học lịch sử (Historical biomonitoring) hay giám sát dài hạn có thể cung cấp những
chứng cứ cần thiết để đánh giá các vấn đề môi trường đã có hay nảy sinh. Quan trắc
sinh học lịch sử có thể kéo dài từ vài năm đến vài thập kỷ [109].
Kiểu thứ hai của quan trắc sinh học là để đảm bảo sự tuân thủ hay đáp ứng ngay lập
tức những quy định hay để kiểm soát chất lượng nước dài hạn. Có thể sử dụng
ĐVKXSCL để xét nghiệm những ảnh hưởng và đảm bảo các tiêu chuẩn chất lượng
nước, hay có thể sử dụng chúng để đảm bảo rằng những tiêu chuẩn được duy trì
trong suốt quá trình xây dựng và kết thúc của một dự án [109].
Trong danh sách trên 100 chỉ số sinh học được dùng để giám sát chất lượng nước
sông suối có đến 2/3 là dựa vào ĐVKXSCL [63]. Hellawell (1986) đã tổng kết các
tài liệu chuyên ngành và nhận thấy rằng ĐVKXSCL là nhóm thông dụng nhất cho
đánh giá sức khỏe sinh thái sông ngòi (bao gồm chất lượng nước), tiếp theo là vi tảo
và động vật nguyên sinh (Bảng 1-1). [22], [79]
Bảng 1-1. So sánh sử dụng các nhóm sinh vật trong việc quan trắc chất lượng nước
Stt
1
2
3
4
5
6
7
8
9

Taxon
Virus
Vi khuẩn
Nấm
Nấm men

Vi tảo
Thực vật lớn thủy sinh
Động vật nguyên sinh
ĐVKXSCL
Cá

Mức độ thường xuyên(%)
1,0
15,0
3,5
2,5
25,0
3,5
17,5
26,0
6,0
Nguồn: [22], [79]

13


Nói chung, các nhóm đều có thể sử dụng để làm sinh vật chỉ thị sinh học, tuy nhiên
mỗi nhóm đều có ưu và nhược điểm nhất định. Các nghiên cứu do các quốc gia
cộng đồng châu Âu (Đức, Anh, Italia, Bỉ,…) thực hiện đã chứng minh rằng phương
pháp đánh giá chất lượng nước thành công nhất là dựa vào quần xã ĐVKXSCL
(Bảng 1-2).
Bảng 1-2. Ưu nhược điểm của các nhóm sinh vật sử dụng quan trắc chất lượng
nước
Các nhóm sinh vật
Ưu điểm

ĐVKXSCL (Benthic Nhiều nhóm sống định cư;
macroinvertebrates) Đa dạng về hình thức và môi
trường sống;
Hệ thống định loại phát triển;
Dễ quan sát và thu mẫu;
Thời gian sống đủ dài để có thể
chỉ thị cho những tác động ô
nhiễm tổng hợp;
Nhạy cảm với ô nhiễm;
Khả năng thực nghiệm tốt;
Dụng cụ thu mẫu đơn giản.
Vi khuẩn (Bacteria)
Phương pháp phòng thí nghiệm
tốt;
Phản ứng nhanh với những thay
đổi của môi trường, bao gồm ô
nhiễm;
Chỉ thị cho ô nhiễm phân;
Dễ thu mẫu;
Dụng cụ thu mẫu đơn giản.

Nhược điểm
Khó thu mẫu định lượng ở
những nơi có nền đáy rắn, gồ
ghề.
Phải có kiến thức đánh giá chu
kỳ sinh trưởng và phát triển
của loài.

Các tế bào có thể không có

nguồn gốc từ điểm thu mẫu;
Quần thể được phục hồi nhanh
chóng từ các nguồn ô nhiễm
không liên tục;
Khó định loại;
Sự biến đổi tạm thời cao;
Sự hiểu biết về nhóm này
không nhiều;
Yêu cầu một số trang thiết bị
chuyên biệt.
Động vật nguyên sinh Tài liệu về các giá trị phân loại Khó định loại;
(Protozoa)
mức độ nhiễm bẩn nhiều;
Yêu cầu về trang thiết bị
Phản ứng nhanh với những thay phòng thí nghiệm cao;
đổi của môi trường;
Các tế bào có thể không có
Dễ thu mẫu;
nguồn gốc từ điểm thu mẫu;
Các loài chỉ thị còn có xu
Dụng cụ thu mẫu đơn giản.
hướng xuất hiện trong các môi
trường thông thường.
Thực vật phiêu sinh Nhiều tài liệu nghiên cứu;
Khó định loại;
(Phytoplankton)
Ít hữu ích cho ô nhiễm phân và
Dễ thu mẫu;
Tính được sản phẩm sơ cấp hữu cơ;

14


Tảo silic (Diatoms)

Động vật phiêu sinh
(Zooplankton)

ĐVKXS cỡ trung
bình ở đáy (Benthic
meioinvertebrates)

Thực vật lớn thủy
sinh (Macrophytes)

Cá

Chim, thú

(Primary production);
Chỉ thị hữu ích cho phú dưỡng
hóa và tăng độ đục;
Có thể đếm tự động;
Dụng cụ thu mẫu đơn giản.
Dễ thu mẫu;
Vi tảo được ứng dụng nhiều
trong nghiên cứu sinh trưởng và
phát triển;
Dụng cụ thu mẫu đơn giản.
Dễ thu mẫu;

Các loài quan trọng ở vùng khơi
có kích thước lớn;
Nhiều loài nhạy cảm với ô
nhiễm;
Dụng cụ thu mẫu đơn giản.
Dễ thu mẫu;
Một số nhóm (Nematoda,
Copepoda) có thể chỉ thị tốt cho
môi trường;
Dụng cụ thu mẫu đơn giản.
Hệ thống phân loại phát triển
tốt;
Dễ quan sát và thu mẫu;
Thời gian sống đủ dài để có thể
chỉ thị cho những tác đổng ô
nhiễm tổng hợp;
Nhiều thông tin;
Tương đối dễ định loại;
Hệ thống phân loại phát triển
tốt;
Nhiều thông tin;
Tương đối dễ định loại;
Đóng vai trò quan trọng trong
chuỗi thức ăn;
Tác động sinh lý có thể thấy
ngay.
Nhạy cảm với ô nhiễm nhiệt;
Tác động đến chuỗi thức ăn có
thể thấy được;
Ngoại suy đến con người.

Biến đổi theo mùa lớn.

Tương đối ít nhạy cảm.

Khó định loại;
Khó thu mẫu lặp định lượng.

Khó định loại;
Phân loại đòi hỏi nhiều thời
gian.

Tương đối ít nhạy cảm;
Khó thu mẫu lặp định lượng.

Các loài có thể di cư để tránh ô
nhiễm;
Khó phân biệt tác động là do
khai thác thủy sản hay nhiễm
bẩn.

Rất khó thu mẫu

Nguồn: [6], [63]

15


Sử dụng ĐVKXSCL để giám sát chất lượng nước có những thuận lợi sau [63],
[109]:

-

Thành phần loài phong phú và phân bố rộng khắp hệ thống sông, vì vậy
chúng có thể chỉ thị cho những rối loạn của nhiều kiểu môi trường sống khác
nhau;

-

Sống tương đối cố định ở đáy, do đó hạn chế về khả năng di cư nên chỉ thị
tốt cho sự thay đổi chất lượng nước, và có đời sống đủ dài nên không cần thu
mẫu thường xuyên;

-

Dễ thu mẫu;

-

Tương đối dễ định danh;

-

ĐVKXSCL là những sinh vật thứ cấp, vì vậy cho phép xác định phạm vi
không gian của những rối loạn;

-

Số lượng taxa (loài) trong một lần thu mẫu tương đối cao, do đó có ít nhất
vài loài sẽ bị tác động do sự thay đổi chất lượng nước. Biểu hiện là sự phản
ứng của các loài đối với các kiểu ô nhiễm hay các đặc tính thủy vực khác

nhau;

-

Có nhiều chọn lựa các phương án xử lý số liệu (chỉ số ô nhiễm, chỉ số sinh
học, chỉ số đa dạng, chỉ số dinh dưỡng, điểm số ô nhiễm,…).

Gần đây, với sự phát triển đa dạng của kỹ thuật đánh giá dựa vào ĐVKXSCL đã
làm tăng thêm nhiều thuận lợi cho nhóm này trong chương trình quan trắc. Đầu
tiên, thu mẫu định tính và phân tích mẫu có thể được thực hiện rất đơn giản với
trang thiết bị rẻ tiền. Thứ hai, hệ thống phân loại và các khóa định loại của nhiều
nhóm loài ĐVKXSCL phát triển rất tốt. Thứ ba, nhiều phương pháp phân tích số
liệu dựa vào cấu trúc quần xã phát triển mạnh và đã được sử dụng rộng rãi như các
chỉ số đa dạng và chỉ số sinh học. Thứ tư, đã thiết lập những phản ứng của nhiều
nhóm loài đối với các kiểu ô nhiễm khác nhau. Thứ năm, ĐVKXSCL là đặc biệt
thích hợp cho nghiên cứu thực nghiệm. Có thể kể đến một thuận lợi khác là tiến
hành đo sinh hóa và sinh lý các cá thể ĐVKXSCL để đánh giá mức độ các tác động
đến thủy vực [57].

16


Đánh giá chung:
Kết quả nghiên cứu cho thấy đánh giá chất lượng nước bằng phương pháp sinh học
thành công nhất là dựa vào quần xã ĐVKXSCL vì có nhiều thuận lợi hơn cả.
Hellawell (1986) đã tổng kết các tài liệu chuyên ngành và nhận thấy ĐVKXSCL là
nhóm loài thông dụng nhất cho đánh giá sức khỏe sinh thái sông (bao gồm chất
lượng nước). Đến nay, trên thế giới đưa ra hơn 100 chỉ số sinh học được dùng để
giám sát chất lượng nước sông suối có đến 2/3 là dựa vào ĐVKXSCL.
1.1.4. Tình hình nghiên cứu động vật không xương sống cỡ lớn ở đáy đánh giá

chất lượng nước ở trên thế giới và Việt Nam
1.1.4.1. Trên thế giới
Quan trắc sinh học được biết đến từ đầu thế kỷ 20, trong đó các phương pháp đánh
giá chất lượng nước dựa vào ĐVKXSCL phát triển mạnh vào nửa sau của thế kỷ
này [109].
 Quan điểm châu Âu
Khái niệm chỉ thị sinh học của các đặc tính môi trường nước xuất phát từ nghiên
cứu của Kolkwitz và Marsson [128]. Hai tác giả này đã phát triển ý tưởng độ nhiễm
bẩn “saprobity” trong các hệ thống sông bằng cách đo mức độ nhiễm bẩn do các
chất hữu cơ và đưa ra kết quả là nồng độ DO giảm. Năm 1908 quan điểm này được
phát triển cho thực vật và năm 1909 đã mở rộng cho động vật. Sau đó hệ thống
phân loại mức độ nhiễm bẩn dựa vào các loài chỉ thị phát triển cho nhiều nhóm loài
sinh vật, bao gồm ĐVKXSCL. Hệ thống gốc phân loại ở đơn vị Lớp, sau đó
Richardson và Gaufin phân loại tới Bộ, Họ [109]. Mỗi nhóm chỉ thị chất lượng
nước ứng với 4 giai đoạn oxy hóa từ nghèo dinh dưỡng hay ít bẩn (Oligosaprobic),
bẩn vừa ở hai mức độ β và α (β-Mesosaprobic và α-Mesosaprobic) đến rất bẩn với
hàm lượng chất hữu cơ rất cao (Polysaprobic). (Bảng 1-3)

17


Bảng 1-3. Nhóm loài chỉ thị ô nhiễm sử dụng trong hệ thống phân loại ban đầu
Nhóm loài chỉ thị

Richardson
(1925)

Tubificidae, một số ấu trùng
họ Chironomidae, một số loài Nhiễm bẩn
lớp Gastropoda

Nhiễm bẩn nhẹ,
Sphaeriidae, Hirudinea, ấu
chịu đựng được ô
trùng họ Chironomidae
nhiễm
Nhiễm bẩn nhẹ,
Ấu trùng họ Chironomidae
nghi ngờ
Chironomidae,
Sphaeridae, Nhiễm bẩn nhẹ,
một số loài lớp Oligochaeta
chịu đựng kém
Một số loài lớp Gastropoda,
Ưa thích nước tĩnh
côn trùng thở không khí
Pleurocercidae, Isopoda, một
Ưa thích nước chảy
số loài Hydropsychidae
Một số loài Crustacea,
Odonata,
Ephemeridae, Ít bẩn
Trichoptera

Phân loại
Richardson
(1929)
Nhiễm bẩn

Gaufin
(1958)

Chịu
đựng
được
nhiễm
bẩn

Tùy nghi

Ưa thích nước
sạch
Ít bẩn

Nhạy cảm với
nhiễm bẩn
Nguồn: [6], [109]

Từ kết quả nghiên cứu này, các nhà khoa học châu Âu đã chỉnh sửa và phát triển hệ
thống phân loại mức độ nhiễm bẩn. Liebmann (1962) đã đưa ra phương pháp khoa
học cho việc phân loại tác động của nhiễm bẩn hữu cơ ở các thủy vực nước chảy.
Hệ thống này ngày càng được ứng dụng và phát triển để xây dựng nên chỉ số ô
nhiễm S (Saprobic Index) và chỉ số biến đổi (Modified Index) bao gồm các giá trị ô
nhiễm [6], [109]. Đến năm 1973, Sladecek đã tổng kết và phát triển các phương
pháp đánh giá chất lượng nước trên quan điểm sinh học. Ông đã xuất bản một ấn
phẩm “Danh mục các loài chỉ thị cho ô nhiễm nước ngọt“, bao gồm danh sách các
nhóm thủy sinh vật chỉ thị của ô nhiễm, trong đó có ĐVKXSCL. Hiện nay hệ thống
này vẫn đang được ứng dụng ở nhiều quốc gia châu Âu [6], [109]. Sử dụng mức độ
nhiễm bẩn hữu cơ và nồng độ DO để phân vùng sinh học khá phổ biến ở các lục
địa; đến nay khái niệm này vẫn chưa lỗi thời và không chỉ giới hạn ở châu Âu.

18

Khái niệm “độ nhiễm bẩn” có ảnh hưởng sâu sắc đến sự phát triển của các bộ luật
và quy định quản lý nước mặt ở châu Âu. Ví dụ, Đạo luật Bảo vệ Môi trường của
Đan Mạch (the Danish Environmental Protection Act) năm 1973 đã ghi rõ 4 kiểu
phân loại sinh học dựa vào hệ thống độ nhiễm bẩn cổ điển, DO, BOD và chỉ thị sinh
học làm tham chiếu cho chất lượng nước (Bảng 1-4). Tương tự, ở Anh, từ năm 1995
Ủy ban Hoàng gia về Xả nước thải (the Royal Commission on Sewage Disposal) đã
hạn chế tải lượng thải BOD và TSS [6], [108]. Thực tế, những đối tượng xả thải rất
tán thưởng nếu chương trình quan trắc sinh học không được chấp nhận. Lý do là
đánh giá chất lượng nước bằng phương pháp sinh học sẽ thấy rõ hơn những biến đổi
của môi trường và các hệ sinh thái nước theo chiều hướng xấu dần do xả thải từ các
nhà máy công nghiệp so với các ngưỡng định lượng theo tiêu chuẩn hóa-lý [79].
Bảng 1-4. Phân loại chất lượng nước dựa các nhóm loài chỉ thị ở Đan Mạch
Mức
I
II
III
IV

Phân loại nồng
độ nhiễm bẩn
Oligosaprobic
(Ít bẩn)
β-mesosaprobic
(Bẩn vừa mức β)
-mesosaprobic
(Bẩn vừa mức )
Polysaprobic
(Rất bẩn)

Các nhóm loài chỉ thị
Các nhóm loài nước sạch thuộc hai Bộ
Trichoptera, Plecoptera
Các nhóm loài thích ứng được với ô nhiễm phát
triển phong phú về số loài, nhưng Chironomus
và Tubifex không chiếm ưu thế
Các nhóm loài chỉ thị cho nước nhiễm bẩn gồm
Chironomus, Tubifex, Asellus, Erpobdella
Chỉ gồm các nhóm loài Eristalis, Tubifex,
Chirnomus phát triển với số lượng cao
Nguồn: [109]

Một số chỉ số được phát triển dựa trên các đặc tính chung như sự chịu đựng của các
nhóm, sự phân bố và giá trị chỉ thị (Bảng 1-5). Những chỉ số này tính toán định
lượng và bán định lượng để đánh giá điều kiện sinh học và gần với những ứng dụng
sinh học ĐVKXS ở Bắc Mỹ [6], [109].

19


Bảng 1-5. Những chỉ số được chọn sử dụng trong quan trắc sinh học
Chỉ số
Loài chỉ thị
Chỉ số nhiễm bẩn
Đa dạng
Đa dạng Simpson
Đa dạng Shannon
Đa dạng Brillourin
Margalef

So sánh tuần tự

Số liệu đầu vào

Mức độ chính xác của
phân loại

Ghi chú1

Chỉ số nhiễm bẩn, mật độ của Cao
từng loài

(1)

Mật độ của từng loài hay mật Tương đối cao
độ của từng nhóm
Mật độ của từng loài
Mật độ của từng loài
Số loài, tổng số cá thể
Cao
So sánh tuần tự, tổng số cá Thấp
thể, số loài

(2)

Sinh học
Điểm số BMWP2 và Điểm số các họ
Thấp
3
BBI

Chỉ số quần xã Mật độ của từng loài, giá trị Tương đối cao
mong muốn, điểm số xếp
ĐVKXS
hạng
Chỉ số tổ hợp sinh Tổ hợp 10 chỉ số sinh học
học IBI

(3)
(4)
(5)
(6)

(7, 8, 9)
(10)

(11)
Nguồn: [6], [109]

Ghi chú: Các loài chỉ thị và chỉ số đa dạng là những điểm số có tính liên tục, trong khi chỉ
số sinh học là điểm số có tính rời rạc. (1) Pantle and Buck (1955); (2) Simpson (1949); (3)
Shannon và Weaver (1949); (4) Brillouin (1951); (5) Margalef (1958); (6) Cairns and
Dickson (1971); (7) Woodiwiss (1964); (8) Armitage et al (1983); (9) De Pawn and
Vanhooren (1983); (10) Ohio EPA (1987); (11) Karr et al (1986). 2Biological Monitoring
Working Party. 3Belgian Biotic Index.

Bảng 1-6 thống kê các chỉ số chính đang sử dụng ở các quốc gia châu Âu. Ngoại trừ
Hy Lạp, những quốc gia khác xây dựng hệ thống chỉ số dựa vào ĐVKXSCL và hiện
đang được sử dụng phổ biến. Ở 7 quốc gia (Bỉ, Đan Mạch, Pháp, Đức, Ai Len,
Luxxemburg và Anh), chỉ số sinh học hay phương pháp cho điểm được chấp nhận ở
cấp tiêu chuẩn quốc gia. Các phương pháp đánh giá ở Hà Lan và Italia được chấp

nhận ở cấp vùng. Một số quốc gia như Bồ Đào Nha và Tây Ban Nha chưa được
đồng ý sử dụng ở cấp quốc gia, mặc dù họ đã có những phương pháp đánh giá rõ
20


ràng [6], [63]. Những chỉ số đánh giá cần định danh đến loài gồm có Chỉ số ảnh
hưởng sinh học (BEOL – Biological Effect of Orgi Load), Chỉ số sinh học xu
hướng (TBI – Trent Biotic Index), Chỉ số chất lượng (K135), Chỉ số tổ hợp sinh học
đáy (BILL – Benthic Index of Biotic Integrity), Chỉ số sinh học của Chandler (CBI
– Chandler’s Biotic Index),… trong khi Chỉ số sinh học Bỉ (BBI – Belgium Biotic
Index), Chỉ số sinh học xu hướng mở rộng (EBI – Extended Trent Biotic Index),
Chỉ số sinh học toàn cầu (IBG – Global Biotic Index), Nhóm làm việc quan trắc
sinh học (BMWP – Biological Monitoring Working Party),… chỉ yêu cầu định danh
đến giống hoặc họ. Bên cạnh những chỉ số mô tả các đặc điểm sinh thái chung của
sông suối, còn phát triển một số chỉ số chuyên đánh giá chất lượng nền đáy như Chỉ
số giun ít tơ (IOBS – Oligochaeta), Chỉ số ấu trùng côn trùng họ muỗi lắc
(Chironomidae), Chỉ số nhuyễn thể (DEFP – Mollusca). [6], [63]
Bảng 1-6. Ứng dụng những phương pháp chỉ số chính dựa vào ĐVKXSCL phục vụ
đánh giá nước chảy ở các quốc gia châu Âu
Quốc gia

Chỉ số

Thu mẫu

Bỉ
Đan Mạch
Pháp

BBI

DBI
IBG

Định tính
Định tính

Đức
Hy Lạp
Ai Len
Italia
Luxemburg
Hà Lan
Bồ Đào Nha
Tây Ban Nha
Anh Quốc

BEOL/S
Q-rating
EBI
IB
K135
BBI
BMWP
BMWPAspt

Định tính
Định tính
Định tính
Định tính
Định tính

Định tính
Định tính
Định tính

Định
lượng/
Định tính

Phân tích

Định danh

Định tính
Định tính
Định tính

Bộ/Họ/Giống
Họ/Giống/Loài
Họ

Định lượng
Định tính
Định tính
Định tính
Định tính
Định tính
Định tính
Định tính

Loài

Họ/Giống/Loài
Bộ/Họ/Giống
Bộ/Họ
Họ/Giống/Loài
Bộ/Họ/Giống
Họ
Họ

Tiêu
chuẩn
Quốc gia
Quốc gia
Quốc gia

Xếp loại

Quốc gia
Quốc gia
Vùng
Quốc gia
Vùng
Quốc gia

0–100/1–4
0–5
0 – 14
0 – 10
100 – 500
0 – 10
100 – 150

0-150/0-10

0 – 10
1–4
0 – 20

Nguồn: [6], [63]

Các hệ thống những điểm số này cung cấp những ước tính bán định lượng về các
điều kiện hệ sinh thái. Phương pháp thu mẫu nhấn mạnh đến thu thập thông tin
nhanh và yêu cầu mức độ chính xác phân loại bị giới hạn; những nhóm loài được
định danh đến họ. Những hệ thống điểm số này không được ứng dụng toàn cầu.
21


Guhl (1987) cho rằng sự hạn chế của các chỉ số cho điểm này là do chỉ định danh
đến họ, trong khi sức chống chịu của các loài trong một họ có nhiều khác biệt. Vì
vậy, muốn phát triển hệ thống này cho các vùng khác phải có các điều chỉnh phù
hợp từng vùng [6], [109].
Như đã nói ở trên, các hệ thống này chỉ ứng dụng cho quan trắc sinh học nước ngọt.
Hiện nay hướng nghiên cứu sinh học để đánh giá ô nhiễm môi trường nước mặn
(biển, vùng ven biển, cửa sông, vùng nước mặn ăn sâu vào nội địa,…) ở châu Âu và
Bắc Mỹ đều dựa vào hệ thống các chỉ số đa dạng, cấu trúc quần xã, thành phần loài,
mật độ cá thể, sinh khối.
 Quan điểm Bắc Mỹ
Khái niệm loài chỉ thị được phát triển ở Hoa Kỳ qua các nghiên cứu cổ điển của
Forbes ở sông Illinois. Các điều tra hồ học của Forbes bắt đầu từ những năm 1870
và đã mô tả giá trị chỉ thị của ĐVKXSCL. Tuy nhiên, quan trắc sinh học ở Bắc Mỹ
chịu ảnh hưởng mạnh từ các công trình nghiên cứu của Patrick (1948) và ý tưởng
của Mac Arthur và Wilson (1967). Vì thế quan trắc sinh học ở Bắc Mỹ đã phát triển

theo chiều hướng khác với các quốc gia châu Âu [6], [109].
Các nhà sinh thái học cơ bản và ứng dụng ở Bắc Mỹ đánh giá các tác động dựa trên
lý thuyết cân bằng sinh thái và các phép đo đa dạng (vd: Shannon và Weaver,
1949). Một loạt các chỉ số kết hợp số loài và mật độ (tuyệt đối và tương đối) ra đời
và chúng được chấp nhận ngay trong các phương pháp đánh giá chất lượng nước.
Từ khi tính chính xác của định loại không cần thiết (chỉ yêu cầu phân riêng các
taxa), các chỉ số đa dạng đã chứng minh tính thiết thực của nó. Một số chỉ số được
ứng dụng khá rộng rãi (Simpson, 1949; Margalef, 1958; Shannon và Weaver, 1949;
Menhinick, 1964; Cairns and Dickson, 1971), và những thuộc tính của nó đã được
Green (1979), Washington (1984) và Hellawell (1986) tổng kết. Wilhm và các nhà
khoa học khác đã đưa ra thang đánh giá các chỉ số đa dạng tương ứng với loại chất
lượng nước và môi trường sống. Việc tính toán các chỉ số không yêu cầu định loại
đã chứng minh trong chỉ số so sánh liên tục – Sequential Comparison Index (Cairns
and Dickson, 1971). Những chỉ số này có thể tính toán chính xác mà không cần

22


những người được đào tạo chuyên nghiệp [6], [109]. Gần đây, các nhà sinh học về
đáy quay trở lại phân tích cấu trúc quần xã để đánh giá mối quan hệ trong đó.
Ở Hoa Kỳ, các cơ quan điều hành nhà nước đặt niềm tin đáng kể vào các kết quả
khảo sát ĐVKXSCL để đánh giá sức khỏe sinh thái, tất cả 50 tiểu Bang đã tiêu
chuẩn hóa phương pháp sử dụng ĐVKXSCL để đánh giá chất lượng nước. Metcalfe
(1989) đã sử dụng điểm số Chandler có chỉnh sửa (Modified Chandler Score –
MCS) phục vụ cho công việc nghiên cứu và quan trắc chất lượng hệ thống sông
suối ở New York [6], [109]. Ngoài ra, sau thời gian dài sử dụng hệ thống các chỉ số
đa dạng, họ đã quay lại việc lấy mẫu định lượng kết hợp với quy chuẩn đánh giá
sinh học nhanh (USEPA Rapid Bioassessment Protocols – RBP). Hiện nay, các
chương trình đánh giá nhanh đang được ứng dụng phát triển cho cộng đồng ở nhiều
quốc gia trên thế giới.

Những phát triển gần đây ở Hoa Kỳ dựa trên hai khái niệm. Một là, việc phân định
ranh giới các vùng địa vật lý (Physiographic region) dựa vào địa chất đáy đá, thổ
nhưỡng, và thảm thực vật tự nhiên có tính đồng nhất bên trong vùng hay còn gọi là
khái niệm vùng sinh thái – Ecoregion concept (Hughes và Larsen, 1987; Omernik,
1987). Đó là, các quần xã bên trong những vùng đã phân định có tính đồng nhất hơn
so với các quần xã từ các vùng khác. Thứ hai, trong một vùng đồng nhất hơn
(Rather homogeneous region), có thể xác định được cấu trúc tự nhiên và tính biến dị
của quần xã hay còn gọi là ý tưởng vị trí tham chiếu – Reference site idea (Karr et
al, 1986). Cần thận trọng khi chọn vị trí tham chiếu cho nghiên cứu, nó nên được
thực hiện để xác định một loạt những mong muốn về thành phần loài và mật độ (ví
dụ: nhóm loài chỉ thị) trong vùng. Nếu xác định được khu hệ động vật và thực vật
trong nước sạch thì có thể xây dựng một tiêu chuẩn để so sánh với những khu vực
bị tác động [6], [109]. Những khái niệm này được ứng dụng để xác định các nhóm
loài chỉ thị ở vùng Tây Bắc Hoa Kỳ (Whittier et al, 1988), ở Arkansas (Rohm et al,
1987), ở Ohio (Ohio EPA, 1987), và các vùng khác. Các hệ sinh thái khỏe mạnh và
bình thường sẽ có những hệ động vật như mong đợi. Còn một con sông không có hệ

23


động vật như mong đợi, rõ ràng đã chịu tác động của chất thải đô thị, các nguồn ô
nhiễm, bồi lắng phù sa hay nạo vét kênh rạch [6], [109].
Ở Ohio, chỉ số ICI (Chỉ số quần xã ĐVKXS) và chỉ số IBI (Chỉ số tổ hợp sinh học;
Karr et al, 1986) được sử dụng để đánh giá hệ thống sông suối. Chỉ số sinh học
được xây dựng dựa trên sự hiểu biết về khu hệ động vật tiềm năng và chỉ định sử
dụng cho sông suối. Khi nơi cư trú của sinh vật không khỏe mạnh (biến mất một số
loài hay xuất hiện các loài chịu đựng với ô nhiễm), thì có thể không chỉ thực hiện
những hành động để quản lý các nguồn điểm mà cả những nguồn không điểm, và
các cấu trúc quần xã trong môi trường trong sông suối. Do đó, sinh học đáy có thể
đưa ra một công cụ pháp lý để đánh giá các quần xã sinh học mong đợi nhằm hỗ trợ

việc sử dụng đa mục đích nguồn nước. Hiện nay chỉ số IBI được sử dụng khá rộng
rãi ở Bắc Mỹ [6], [109].
Metcalfe (1989) đã tổng kết việc ứng dụng của quan trắc quần xã ĐVKXSCL, trong
đó một số ý kiến cho rằng cấu trúc quần xã ĐVKXSCL chưa đủ nhạy cảm để phân
biệt các điều kiện môi trường và phân loại các mức độ ô nhiễm. Tuy nhiên, các
nghiên cứu cho thấy nhiều lợi ích và tính hiệu quả khi sử dụng ĐVKXSCL để đánh
giá các phản ứng của hệ sinh thái, những thay đổi chất lượng nước dù nhỏ cũng dẫn
đến sự chọn lựa cấu trúc quần xã phù hợp với hệ sinh thái đó. Vì vậy, cần kết hợp
giữa phương pháp cấu trúc quần xã và loài chỉ thị để cho kết quả đánh giá hiệu quả
nhất [6], [109].
 Ở các quốc gia châu Á
Các quốc gia châu Á chủ yếu ứng dụng lại những nghiên cứu của châu Âu và Bắc
Mỹ, điển hình là:
Ở Nhật Bản, quan trắc sinh học dựa vào ĐVKXSCL đã được chấp nhận và họ ứng
dụng các phương pháp sử dụng ở Đức vào cuối những năm 50 của thế kỷ trước.
Đến năm 1962, Nhật Bản đưa ra danh sách các loài chỉ thị, và giới thiệu hệ thống ô
nhiễm và chỉ số sinh học. Những năm 80, các chỉ số được thử nghiệm để đánh giá ô
nhiễm hữu cơ ở các thủy vực. Tiếp theo, các chỉ dẫn định loại được phát hành vào
năm 1985 và năm 2005. Hiện nay, Nhật Bản đang thực hiện một chương trình phổ

24


biến quan trắc sinh học cho 800.000 tình nguyện viên và sử dụng 30 loài
ĐVKXSCL làm sinh vật chỉ thị ở các thủy vực trong toàn quốc. Chương trình đã
tiến hành ở 109 sông với sự tham gia đông đảo của 23% tổ chức phi chính phủ và
74% trường học [95], [107].
Chương trình khảo sát quốc gia về các chỉ tiêu sinh học thủy vực và thông số môi
trường nhằm phục vụ quản lý tài nguyên nước đã bắt đầu ở Trung Quốc vào cuối
những năm 50. Và từ cuối những năm 70, đã sử dụng các chỉ số sinh học và chỉ số

đa dạng loài để đánh giá chất lượng nước sông Dương Tử, Hoàng Hà, Châu Giang
và các sông khác. Tiếp theo, năm 1982, các cơ quan chính phủ đã sử dụng chỉ số
Shannon-Wiener hiệu chỉnh vào các chương trình quan trắc. Đến năm 1993, Trung
Quốc đã phát hành sổ tay “Hướng dẫn quan trắc sinh học chất lượng nước” và “Sự
hữu ích của côn trùng nước trong quan trắc chất lượng nước ở Trung Quốc” năm
1994; cùng thời gian này đã tổ chức nhiều hội thảo tại một số trường đại học và các
nhóm tình nguyện viên quan trắc được thiết lập. Đến giai đoạn 2004 – 2005, giá trị
ô nhiễm theo loài ở vùng Đông Trung Quốc và Chỉ số tổ hợp sinh học đáy được
phát triển. Hiện nay, các nhà nghiên cứu sử dụng viễn thám (remote sensing) trong
các chương trình quan trắc sinh thái. Tuy nhiên, đến nay những ứng dụng công
nghệ viễn thám phục vụ quan trắc sinh học vẫn còn rất hiếm [95], [107].
Các chỉ số quần xã sinh vật đã được giới thiệu ở Hàn Quốc vào những năm 70. Đến
năm 1995, Hàn Quốc chỉnh sửa và đưa ra chỉ số sinh học Hàn Quốc và chỉ số loài
ưu thế năm 2005. Gần đây, Bộ Môi trường Hàn Quốc yêu cầu nghiên cứu sử dụng
ĐVKXSCL phục vụ ĐTM và họ hỗ trợ kinh phí cho những chương trình quan trắc
dài hạn ở những hệ thống sông nước ngọt chính. Ngoài ra, Hàn Quốc đang phổ biến
chương trình quan trắc sinh học ở các cấp phổ thông hoặc phát triển chương trình
quan trắc sinh học có sự tham gia của cộng đồng [95], [107].
Ở Malaysia, John Bishop đã nghiên cứu ĐVKXSCL phục vụ quan trắc sinh học
trong các sông vùng nhiệt đới vào năm 1973. Đến năm 2004, chỉ dẫn về ĐVKXSCL
được phát hành và những nhóm nghiên cứu của các trường đại học đã nghiên cứu
tác động khác nhau của những rối loạn đến phân bố ĐVKXSCL. Năm 2005, họ đã

25