Luận án Nghiên cứu phương pháp quan trắc sinh học trong đánh giá chất lượng nước trên tuyến sông Hậu sử dụng động vật không xương sống cỡ lớn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ NGUYỄN THỊ KIM LIÊN NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP QUAN TRẮC SINH HỌC TRONG ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC TRÊN TUYẾN SÔNG HẬU SỬ DỤNG ĐỘNG VẬT KHÔNG XƯƠNG SỐNG CỠ LỚN LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH NUÔI TRỒNG THUỶ SẢN CẦN THƠ - 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ NGUYỄN THỊ KIM LIÊN NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP QUAN TRẮC SINH HỌC TRONG ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC TRÊN TUYẾN SÔNG HẬU SỬ DỤNG ĐỘNG VẬT KHÔNG XƯƠNG SỐNG CỠ LỚN CHUYÊN NGÀNH: NUÔI TRỒNG THUỶ SẢN MÃ SỐ: 62 62 03 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ THUỶ SẢN CẦN THƠ – 2017 i LỜI CẢM TẠ Xin chân thành cám ơn PGs. Ts. Vũ Ngọc Út đã tận tình hướng dẫn, đóng góp ý kiến nhằm đưa ra các phương hướng để phân tích số liệu, thảo luận kết quả và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án này. Tác giả xin gởi lời cám ơn sâu sắc đến PGs. Ts. Trương Quốc Phú đã góp ý và cung cấp các tài liệu tham khảo bổ ích để giúp tôi tìm ra những hướng đi đúng đắn trong quá trình thực hiện nghiên cứu này. Bên cạnh đó, tác giả cũng mong muốn gởi lời tri ân đến Cô Dương Thị Hoàng Oanh đã thường xuyên giúp đỡ, động viên và đóng góp ý kiến quí báu để tôi vượt qua những khó khăn trong thời gian thực hiện đề tài. Ngoài ra, tác giả cũng chân thành cám ơn đến tập thể cán bộ Bộ môn Thủy sinh học ứng dụng, Khoa Thủy sản, Trường Đại học Cần Thơ đã tạo điều kiện tốt nhất để tôi có đầy đủ các trang thiết bị thu mẫu và phân tích mẫu cũng như sắp xếp các công việc chuyên môn phù hợp để tôi có đủ thời gian hoàn thành luận án đúng hạn. Xin gởi lời cám ơn chân thành đến các em sinh viên thuộc các lớp Nuôi trồng thủy sản K36, lớp liên thông nuôi trồng thủy sản K37, lớp cao học K19 đã không ngại khó khăn dù trời nắng như đổ lửa cũng như những lúc mưa dầm, đôi khi trời trở rét vẫn cùng tôi tham gia các đợt thu thập mẫu và phân tích mẫu nhằm ghi nhận được các kết quả nghiên cứu một cách tốt nhất. Cuối cùng là lời cám ơn đến tất cả các thành viên trong gia đình đã động viên tinh thần và tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành chương trình học nghiên cứu sinh. Xin cám ơn! Tác giả Nguyễn Thị Kim Liên ii TÓM TẮT Mục tiêu của nghiên cứu là xác định hiện trạng chất lượng nước, đặc điểm môi trường sống và tính đa dạng thành phần ĐVKXSCL nhằm phát triển phương pháp quan trắc sinh học trong đánh giá chất lượng nước trên sông Hậu. Nghiên cứu được thực hiện qua việc thu mẫu vào 4 thời điểm trong năm bao gồm mùa mưa (tháng 6/2013 và tháng 9/2013) và mùa khô (tháng 12/2013 và 3/2014) tại 14 điểm trên sông chính (đầu nguồn, giữa nguồn và cuối nguồn) và 22 điểm trên sông nhánh, nơi chịu tác động bởi các hoạt động sản xuất nông nghiệp (nhóm TV1), nuôi trồng thủy sản-gián tiếp (nhóm TV2), nuôi trồng thủy sản-trực tiếp (nhóm TV3) và sinh hoạt của dân cư (nhóm TV4). Các chỉ tiêu thu mẫu bao gồm các thông số chất lượng nước và thành phần ĐVKXSCL. Chất lượng nước được đánh giá qua phân tích PCA và chỉ số WQI. Thành phần ĐVKXSCL được phân tích theo các chỉ số sinh học như chỉ số đa dạng Shannon-Weaver, Margalef và Shimpson và xây dựng hệ thống tính điểm trên cơ sở hệ thống BMWPVIET. Kết quả cho thấy ở hầu hết các vị trí thu mẫu độ đục và TSS vào mùa mưa cao hơn mùa khô; hàm lượng DO giữa các khu vực biến động lớn (1,76-7,96 mg/L); hàm lượng các chất dinh dưỡng (TAN, N-NO3-, TN, P-PO43-, TP) và vật chất hữu cơ (COD và TOM ) vào mùa khô cao hơn mùa mưa. Kết quả phân tích PCA cho thấy có qui luật biến động chung của một số thông số chất lượng nước ở khu vực nghiên cứu. Hàm lượng vật chất lơ lửng đạt giá trị cao vào mùa mưa, trong khi hàm lượng dinh dưỡng và vật chất hữu cơ có giá trị cao nhất vào mùa khô. Chỉ số WQI biến động tương đối lớn giữa các vị trí thu mẫu và dao động từ 17,3-61,4 tương ứng với chất lượng nước từ ô nhiễm nhẹ đến ô nhiễm nặng. Nhìn chung, chất lượng nước trên sông Hậu khá giàu dinh dưỡng, đặc biệt ở các khu vực bị ảnh hưởng bởi hoạt động nuôi trồng thủy sản và sản xuất nông nghiệp. Tổng cộng có 95 loài động vật đáy được phát hiện thuộc 7 nhóm, trong đó Gastropoda có thành phần loài phong phú nhất với 42 loài (45%), kế đến là Bivalvia có 25 loài (26%), các nhóm còn lại có số loài thấp hơn và biến động từ 1-9 loài (1-9%). Có sự tương đồng rất cao (chỉ số tương đồng từ 0,81-0,89) về thành phần loài động vật đáy giữa sông chính và sông nhánh thuộc tuyến sông Hậu. Trên sông chính, vùng đầu nguồn (61 loài) và giữa nguồn (58 loài) có thành phần loài phong phú hơn so với vùng cuối nguồn (44 loài). Mật độ động vật đáy trung bình trên sông chính có xu hướng giảm dần từ vùng đầu nguồn (1.312±905 ct/m2), giữa nguồn (629±668 ct/m2) đến cuối nguồn (327±372 ct/m2). Trên sông nhánh, nhóm TV1 và nhóm TV4 có tổng số loài động vật đáy cao hơn các nhóm thủy vực khác. Ngược lại, nhóm TV3 đạt mật độ cao nhất qua các đợt khảo sát. Tổng số loài động vật đáy ghi nhận được tại iii các nhóm TV1, TV2, TV3 và TV4 lần lượt là 58 loài, 46 loài, 46 loài và 80 loài. Hầu hết các nhóm thủy vực đều có số loài động vật đáy tăng cao nhất vào đợt 4. Kết quả phân tích PCA cho thấy mật độ của Oligochaeta, Malacostraca và Insecta vào mùa khô cao hơn mùa mưa thể hiện mức độ ô nhiễm hữu cơ tăng lên trong mùa khô. Polychaeta và Hirudinea có xu hướng đạt mật độ cao vào đợt 2, đợt 3 và thấp vào đợt 1, đợt 4. Ngược lại, Gastropoda có qui luật biến động đạt mật độ cao vào đợt 1 và đợt 4 và đạt mật độ thấp vào đợt 2 và đợt 3. Trong khi đó Bivalvia xuất hiện thường xuyên tại các vị trí thu mẫu nhưng sự biến động mật độ của chúng không theo qui luật nhất định. Các chỉ số đa dạng Shannon-Weaver và Margalef ở sông chính luôn thấp hơn sông nhánh qua các giai đoạn khảo sát cho thấy sông nhánh có thành phần loài đa dạng hơn sông chính, tuy nhiên sự khác biệt này không có ý nghĩa (p>0,05). Nghiên cứu đã phát hiện 66 họ ĐVKXSCL ở khu vực khảo sát, trong đó có 42 họ có trong hệ thống điểm BMWPVIET và 24 họ không có trong BMWPVIET. Dựa trên đặc tính phân bố, điều kiện môi trường sống và giá trị chịu đựng ô nhiễm của các họ ĐVKXSCL đã được thiết lập, nghiên cứu đã bổ sung được 24 họ phân bố ở khu vực sông Hậu vào hệ thống điểm BMWPVIET ứng dụng cho lưu vực sông Hậu. Như vậy, việc đánh giá chất lượng nước bằng phương pháp sinh học sử dụng chỉ số ASPT có sự tương đồng cao hơn (89%) chỉ số ưu thế Berger-Parker (69%) và chỉ số đa dạng Shannon-Weaver (79%) khi so sánh với phương pháp đánh giá chất lượng nước bằng phương pháp lý, hóa học. Từ khóa: Chất lượng nước, ĐVKXSCL, mật độ, các chỉ số đa dạng, BMWPVIET, ASPT iv ABSTRACT This study aimed to determine the current status of water quality, habitat characteristics and biodiversity of the macroinvertebrates in order to develop a biological monitoring methodology for water quality assessment in the Hau River. The study was implemented by sampling water quality parameters and macroinvertebrates. Sampling was conducted 4 times in the rainy season (June, 2013 and September, 2013) and dry season (December, 2013 and May, 2014) at 14 sites on the mainstream (upstream, middle stream and dowstream) and at 22 sites on the tributaries (sites impacted by agriculture activities (system 1), by indirect aquaculture (system 2), direct aquaculture (system 3) and human activities (system 4). Water quality was assessed based on PCA analysis and water quality index (WQI). The macroinvertebrates composition was analyzed using diversity indices such as Shannon-Weaver, Margalef and Simpson. The results showed that turbidity and TSS concentration in the rainy season was higher than that in the dry season in most sampling locations; DO concentration was highly variable, ranging from 1.76-7.96 mg.L-1; the concentrations of nutrients (TAN, N-NO3-, TN, P-PO43-, TP) and organic matter (COD, TOM) in the dry season were higher than those in the rainy season. The results of PCA analysis showed that there was a common trend of variation in water quality in the study area. TSS reached a peak in the rainy season, while nutrient and organic matter contents were highest in the dry season. WQI varied significantly among sampling locations ranging from 17.3 to 61.4 which indicated the water quality was lighly polluted to heavily polluted, respectively. In general, water quality on the Hau River is reletaively eutrophic, especially in the areas affected by aquaculture and agriculture activities. A total of 95 species of macroinvertebrates were found in the study area belonging to seven groups, in which Gastropoda was the most abundant with 42 species (45%), followed by Bivalvia with 25 species (26%). The other groups contained lower number of species, from 1-9 (1-9%). There was a high similarity (similarity index from 0.81 to 0.89) on macroinvertebrates composition between the mainstream and tributaries of the Hau River. On mainstream, the upstream (61 species) and midstream (58 species) of Hau River had more abundant species composition than that of the downstream (44 species). Mean densities of benthic macroinvertebrates in the mainstream tended to decrease gradually from the upstream (1,312±905 inds/m2), midstream (629±668 inds/m2) to downstream (327±372 inds/m2). On tributaries, species number in system 1 and 4 were higher than that of other v systems. In contrast, group 3 reached the highest density through surveys. The total benthic species found in system 1, 2, 3 and 4 was 58 species, 46 species, 46 and 80 species, respectively. Most of these systems had highest species number in period 4. The PCA analytical results showed that the density of Oligochaeta, Malacostraca and Insecta in the dry season were higher than that in the wet season indicating organic pollution levels increasing in the dry season. Polychaeta and Hirudinea tended to achieve higher density in the period 2, and 3 and lower in period 1 and 4. However, Gastropoda tended to reach high densities in period 1, 4 and low densities in period2 and 3. Meanwhile, Bivalvia appeared regularly at most of sampling sites but their distribution was irregular in the study area. Shannon-Weaver and Margalef indices in the mainstream were always lower than those in the tributaries indicating more diverse species number in the tributaries than in the main river, however, the differences were not significant (p>0.05). There were 66 families of macroinvertebrates recorded in this study, of which 42 families are listed in the BMWPVIET system and the rest 24 families are not in the list of the BMWPVIET system. Based on distribution characteristics, habitats and taxa tolerance values, 24 families of the found macroinvertebrates distributing in Hau River have been supplemented and adjusted into the BMWPVIET system which can be applied specifically to conditions of the Hau river basin. Assessment of water quality by biological method using ASPT index (89%) had higher similarity than Berger-Parker dominance (69%) and Shannon-Weaver diversity indices (79%) comparing with physical chemistry method. Keywords: Water quality, Macroinvertebrates, density, diversity indices, BMWPVIET, ASPT vi CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu “Phát triển phương pháp quan trắc sinh học trên sông Hậu sử dụng động vật không xương sống cỡ lớn” là công trình nghiên cứu khoa học của bản thân. Các số liệu, kết quả được trình bày trong luận án này là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào trước đây. Tác giả luận án Nguyễn Thị Kim Liên vii MỤC LỤC LỜI CẢM TẠ ..................................................................................................... I TÓM TẮT ......................................................................................................... II ABSTRACT ..................................................................................................... IV LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................ VI MỤC LỤC ..................................................................................................... VII DANH SÁCH BẢNG ...................................................................................... XI DANH SÁCH HÌNH .................................................................................... XIV BẢNG VIẾT TẮT ........................................................................................ XVI CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU.............................................................................. 1 1.1 Đặt vấn đề ................................................................................................. 1 1.2 Mục tiêu của nghiên cứu ......................................................................... 3 1.3 Ý nghĩa của nghiên cứu ........................................................................... 3 1.4 Phạm vi nghiên cứu ................................................................................. 3 1.5 Nội dung nghiên cứu ................................................................................. 3 1.6 Điểm mới của luận án .............................................................................. 3 1.7 Giới hạn phạm vi nghiên cứu .................................................................. 4 CHƯƠNG 2: LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU ......................................................... 5 2.1 Quan trắc sinh học ................................................................................... 5 2.1.1 Khái niệm về quan trắc sinh học ............................................................ 5 2.1.2 Vai trò, ý nghĩa của quan trắc sinh học trong đánh giá ô nhiễm ........... 5 2.1.3 Cơ sở khoa học của phương pháp quan trắc sinh học ........................... 5 2.1.4 Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp quan trắc sinh học ............. 6 2.1.4.1 Ưu điểm .......................................................................................... 6 2.1.4.2 Nhược điểm ................................................................................... 6 2.2 Lịch sử nghiên cứu phương pháp quan trắc sinh học sử dụng ĐVKXSCL ...................................................................................................... 6 2.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước ......................................................... 7 2.2.1.1 Miền Bắc ........................................................................................ 8 2.2.1.2 Miền Trung .................................................................................... 9 2.2.1.3 Miền Nam .................................................................................... 11 2.3 Tình hình nghiên cứu trên Thế giới ..................................................... 13 2.3.1. Châu Âu .............................................................................................. 14 2.3.2 Khu vực Bắc Mỹ .................................................................................. 15 2.3.3. Một số quốc gia ở Châu Á .................................................................. 15 2.3.3.1 Ấn Độ .......................................................................................... 15 2.3.3.2 Thái Lan ...................................................................................... 16 2.3.3.3 Trung Quốc .................................................................................. 17 2.3.3.4. Malaysia...................................................................................... 17 2.4 Các phương pháp sử dụng trong quan trắc sinh học ......................... 18 2.4.1 Sự lựa chọn các nhóm sinh vật sử dụng trong quan trắc sinh học ....... 18 2.4.2 Việc lựa chọn các thông số hóa lý trong quan trắc sinh học ............... 19 2.4.3 Các phương pháp quan trắc sinh học ................................................... 19 2.4.3.1 Động vật không xương sống cỡ lớn (Macroinvertebrates) ......... 20 2.4.3.2 Vai trò của ĐVKXSCL trong quan trắc chất lượng nước ........... 24 viii 2.5 Đặc điểm phân bố và môi trường sống của động vật không xương sống cỡ lớn ............................................................................................................. 25 2.5.1 Sự phân bố của động vật không xương sống cỡ lớn ............................ 25 2.5.2.1 Lưu tốc dòng chảy....................................................................... 28 2.5.2.2 Hàm lượng oxy hòa tan (DO) ..................................................... 28 2.5.2.3 Tiêu hao oxy hóa học (COD) ....................................................... 29 2.5.2.4 Hàm lượng nitrat (N-NO3-) và hàm lượng phosphat (P-PO43-) .. 29 2.5.2.5 Độ mặn ........................................................................................ 29 2.5.2.6 Tính chất nền đáy ........................................................................ 29 2.5.2.7 Khả năng chịu đựng được sự ô nhiễm đối với các loài động vật không xương sống cỡ lớn khác nhau ....................................................... 31 2.5.3 Các nhóm động vật không xương sống cỡ lớn thường gặp ................. 32 2.5.3.1 Ngành giun đốt (Annelida) .......................................................... 32 (1) Lớp giun ít tơ (Oligochaeta) .......................................................... 32 (2) Lớp giun nhiều tơ (Polychaeta) ..................................................... 34 2.5.3.2 Ngành Động vật thân mềm (Mollusca) ....................................... 35 (1) Lớp chân bụng (Gastropoda) ......................................................... 36 (2) Lớp hai mảnh vỏ (Bivalvia)............................................................ 37 2.5.3.3 Ngành phụ giáp xác (Crustacea) ................................................ 38 2.5.3.4 Côn trùng thủy sinh (Insecta) ..................................................... 39 (1) Bộ phù du (Ephemeroptera) ........................................................... 39 (2) Bộ chuồn chuồn (Odonata) ............................................................ 40 (3) Bộ cánh úp (Plecoptera) ................................................................ 41 (4) Bộ cánh nửa (Hemiptera) .............................................................. 41 (5) Bộ cánh lông (Trichoptera) ............................................................ 42 (6) Bộ cánh cứng (Coleoptera) ............................................................ 42 (7) Bộ hai cánh (Diptera) .................................................................... 43 2.6 Đa dạng thành phần động vật không xương sống cỡ lớn và ứng dụng trong quan trắc sinh học ............................................................................. 44 2.6.1 Thành phần động vật không xương sống cỡ lớn ................................. 44 2.6.2 Ứng dụng động vật không xương sống trong đánh giá chất lượng nước bằng phương pháp sinh học .......................................................................... 46 2.7 Các chỉ số ứng dụng trong quan trắc sinh học .................................... 49 2.7.1 Các chỉ số đa dạng ............................................................................... 49 2.9.1.1 Ưu điểm của các chỉ số đa dạng .................................................. 50 2.9.1.2. Nhược điểm của các chỉ số đa dạng ........................................... 51 2.7.2. Các chỉ số sinh học ............................................................................. 51 2.7.2.1. Chỉ số BMWP (Biological monitoring working party) và ASPT (Average Score Per Taxon) ..................................................................... 51 2.7.2.2 Chỉ số ưu thế ......................................