Tích lũy sinh học kim loại nặng trong cơ thể một số loài hàu và nghêu

Hóa học & Kỹ thuật môi trường TÍCH LŨY SINH HỌC KIM LOẠI NẶNG TRONG CƠ THỂ MỘT SỐ LOÀI HÀU VÀ NGHÊU Trần Tuấn Việt1,2*, Trương Ngọc Việt2, Nguyễn Phước Dân2 Tóm tắt: Hàu và nghêu là những loài thuộc lớp hai mảnh vỏ được sử dụng làm thực phẩm cung cấp cho con người. Tuy nhiên, các loài này thường sống ở các vùng ven biển, cửa sông là nơi có khả năng tiếp xúc với môi trường ô nhiễm kim loại từ đất liền đưa ra. Thêm vào đó, khả năng tích lũy các kim loại trong cơ thể các sinh vật hai mảnh vỏ này đã được công bố nhiều trên thế giới. Bài báo này nhắm tới việc hệ thống lại các kết quả nghiên cứu về mức độ tích lũy sinh học một số kim loại trong cơ thể các loài hải sản hai mảnh vỏ cũng như một số nghiên cứu về khả năng ứng dụng những loài sinh vật này trong quan trắc môi trường. Từ khóa: Tích lũy sinh học; Quan trắc sinh học; Kim loại nặng; Hai mảnh vỏ. 1. MỞ ĐẦU Độc tố của các kim loại được xem như một trong những nguyên nhân gây ra các vấn đề về sức khỏe cho con người và môi trường [1]. Nồng độ các kim loại trong rất nhiều loài sinh vật biển, đặc biệt là lớp hai mảnh vỏ (Bivalvia class), thường ở mức cao do khả năng tích lũy trong cơ thể của chúng [2–4]. Hơn thế nữa, những loài này có thể được tiêu thụ trực tiếp bởi con người hoặc đi vào cơ thể gián tiếp thông qua các loài ăn thịt bậc cao hơn những sinh vật nêu trên. Mặt khác, do khả năng tích lũy kim loại và một số chất ô nhiễm trong cơ thể, những loài hai mảnh vỏ thường được nghiên cứu để sử dụng như một công cụ theo dõi chất lượng môi trường [5–7]. Trong nhiều năm qua, có rất nhiều tác giả đưa ra định nghĩa, nhưng có thể hiểu một cách tổng quát những loài sinh vật có khả năng phản ánh mức độ ô nhiễm của môi trường thường được gọi là chỉ thị sinh học (bio- indicator), chúng được ứng dụng trong lĩnh vực quan trắc sinh học (bio- monitoring) [8]. Chính vì vậy, nghiên cứu về mức độ và khả năng tích lũy kim loại trong cơ thể một số loài hai mảnh vỏ sẽ đóng vai trò quan trọng trong đánh giá mức rủi ro tới sức khỏe người tiêu thụ và khả năng sử dụng những loài này trong các nghiên cứu quan trắc sinh học vùng cửa sông ven biển. Bài báo này đặt mục tiêu chính là tổng quan các nghiên cứu về nồng độ kim loại trong một số loài hàu và nghêu ở các vùng khác nhau trên thế giới cũng như những ứng dụng các loài này làm chỉ thị sinh học quan trắc môi trường. 2. NỒNG ĐỘ KIM LOẠI TRONG SINH VẬT HAI MẢNH VỎ 2.1. Nồng độ kim loại trong các loài hàu Hàu là động vật thân mềm hai mảnh vỏ, chúng phân bố rộng về mặt địa lý và sinh thái, có thể sống ở vùng nước có nồng độ muối trong khoảng 5‰ - 30‰ [9]. Họ hàu Ostreidae gồm hai giống Crassostrea và Ostrea với hơn 100 loài. Trong một nghiên cứu mới năm 2016, Liu và Wang [10] đã cho phơi nhiễm hai loài hàu Crassostrea hongkongensis và Crassostrea angullata ra vùng cửa sông bị ô nhiễm kim loại trong 2 tháng. Kết quả cho thấy hai loài này đã tích lũy các kim loại Cd, Cr và Ni ở nồng độ tương đương nhau nhưng loài C. hongkongensis lại tích lũy Cu và Zn cao hơn loài còn lại. Có nhiều các nghiên cứu đã cho thấy khả năng tích lũy khác nhau đối với các kim loại khác nhau của hàu. Cụ thể hơn, sự tích lũy kim loại 142 Tr. T. Việt, Tr. N. Việt, N. P. Dân, “Tích lũy sinh học… loài hàu và nghêu.” Nghiên cứu khoa học công nghệ trong cơ thể hàu đã được thực hiện nhiều ở các vùng biển khác nhau trên thế giới trong rất nhiều các loài hàu khác nhau (xem bảng 1). Theo các nghiên cứu này, có thể nhận thấy nồng độ Cd dao động rất lớn theo các vùng biển khác nhau. Nồng độ Cd cao nhất trong hàu được tìm thấy nhiều ở Trung Quốc với số lượng các nghiên cứu công bố nồng độ Cd trên 10 mg/kg khô cao hơn hẳn các khu vực khác. Nồng độ này vượt nhiều lần so với giới hạn Cd trong thực phẩm ở nhiều nước trên thế giới là 2 mg/kg khô (FAO/WHO, Trung quốc, Úc, Newzealand, Việt Nam). Bên cạnh đó, một vài nghiên cứu đã chỉ ra rằng nồng độ Cd trong cơ thể hàu có thể gia tăng khi lượng Zn tích lũy trong chúng lớn [11]. Chính vì vậy, nồng độ Cd tích lũy cao tìm thấy trong cơ thể hàu ở các vùng Trung Quốc (TQ) có thể do sự ô nhiễm Zn ở nhiều vùng cửa sông nước này. Một nghiên cứu năm 2014 của Liu và Wang đã chỉ ra rằng khi hàu bị phơi nhiễm trong môi trường nồng độ Cu và Zn cao có thể gia tăng khả năng tích lũy sinh học kim loại Hg, trong khi đó, chỉ có phơi nhiễm Zn mới làm gia tăng khả năng tích lũy sinh học Cd trong hàu [12]. Điều đó chứng tỏ rằng, không nhất thiết Cd hay Hg trong môi trường có nồng độ cao mới cho kết quả các kim loại này tích lũy cao trong cơ thể hàu. Theo kết quả trình bày trong bảng 1, cả hai kim loại Cu và Zn, được biết đến như thành phần thiết yếu cho các loài thân mềm, đều có nồng độ cao. Cụ thể, nồng độ cao nhất của hai kim loại này phát hiện ở Trung Quốc và châu Úc. Những kết quả này có thể xem là kết quả từ môi trường ô nhiễm tại các khu vực này [13]. Nồng độ Pb trong các mẫu hàu cũng khá được quan tâm do những tác động xấu của chúng đến sức khỏe con người. Các kết quả cho thấy thường nồng độ Pb trong hàu ở mức nhỏ hơn 4 mg/kg khô. Nồng độ thấp của Pb trong cơ có thể hàu được lý giải do sự giảm nồng độ Pb trong môi trường những năm gần đây khi các chế tài kiểm soát Pb trong nhiên liệu được thực thi hiệu quả. Tuy nhiên, vẫn có một số khu vực phát hiện mẫu cao đột biến trên 40 mg/kg khô như tại Cảng Legeh, Iran cho thấy những khả năng tiềm ẩn ô nhiễm Pb trong công nghiệp gây ra các tác động đến sinh vật vẫn lớn. Đối với Ni và Cr, số lượng các nghiên cứu về các kim loại này trong hàu không nhiều. Nồng độ Ni và Cr trong các mẫu hàu tìm thấy dao động trong mức thấp tương đương nhau quanh khoảng 1 mg/kg khô. Thường thì tích lũy tổng Cr trong mẫu hàu ít được quan tâm lắm do kim loại này trong môi trường tồn tại ở những hóa trị khác nhau rất phức tạp (Cr III và Cr IV), mỗi dạng cũng có những ảnh hưởng khác nhau đối với các loài hàu. Hầu hết các nước không có quy định về nồng độ Cr và Ni trong sinh vật hai mảnh vỏ làm thực phẩm, riêng Mỹ có quy định cho các thực phẩm là các loài vỏ cứng (shellfish) nhập khẩu phải đáp ứng nồng độ Ni ≤ 80 mg/kg ướt và Cr ≤ 13 mg/kg ướt (thường tỉ lệ khối lượng ướt gấp 6-10 lần khối lượng khô đối với hàu [13]). Bảng 1. Nồng độ kim loại trong hàu ở các vùng trên thế giới. Thời gian Đơn Tham Vị trí Loài Cd Cu Zn Ni Pb Cr Hg khảo lấy vị mẫu Châu Á 2009- Vịnh Jinhae C. gigas 0,59± 32,5± 154± 0,15± 0,15± 0,22± 0,01± mg/kg [14] Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san NĐMT, 09 - 2017 143  Hóa học & Kỹ thuật môi trường 2013 Hàn quốc 0,19 11,1 46,8 0,06 0,06 0,10 0,00 ướt Cảng Lengeh, 11,1 324± 748 ± 41,2± mg/kg 10/2010 S. cucullata - - - [15] Iran ± 1,6 111 73,8 18,0 khô Cửa sông 63,0 10- 109 ± mg/kg Bakam, S. cucullata - ± - - - - [16] 11/2012 0,2 khô Malaysia 0,14 Hải Phòng 3,53 0,79 0,81 3- (HP) & Hạ Saccostrea 238 – 824 – mg/kg – - – – - [17] 7/2013 Long, Việt glomerata 1.598 3.202 khô 12,7 6,20 4,47 Nam (VN) 923 14,4 2.894 1,6 ± mg/kg ± - - - ± 7,8 ± 941 0,4 khô Cửa sông Crassostrea 477 4/2011 [18] Pearl, TQ hongkongensis 511 1.974 6,5 ± 1,1 ± mg/kg ± ± - - - 23,3 2,3 khô 4.966 4.897 474 21.741 Vịnh 61,5 2,5 ± 5,9 ± 2,6 ± mg/kg 7/2014 C. gigas ± ± - [19] Liaodong, TQ ± 5,3 1,6 1,3 0,91 khô 159 6.123 Cửa sông 5- mg/kg Jiulongjiang C. sikamea 10 3.600 7.000 4,9 2,7 5,9 - [20] 9/2011 khô TQ Châu Phi 8/2004- Atlantic, mg/kg C. gigas 4,54 25,9 481,7 25,8 4,2 7,1 0,4 [21] 5/2005 Morocco khô Châu Mỹ 90,1 2000- Cửa sông 1.531 0,3 ± mg/kg C. virginica - ± - - - [22] 2011 Savannah Mỹ ± 464 0,3 khô 14,8 Vịnh 6,05 60,0 1,11 0,38 2008- C. 777 ± mg/kg California, ± ± - ± - ± [23] 2009 corteziensis 528 khô Mexico 2,77 33,4 0,63 0,17 Santa 2012- mg/kg Catarina, C. gigas <0,5 1,71 - 0,05 <0,5 - - [24] 2013 khô Brazil Caroni 0,56 23,5 0,56 0,56 1,12 5- C. 690 – mg/kg Swamp, – - – – – - [25] 12/2009 rhizophorae 3.696 khô Trinidad 1,12 68,8 30,8 5,04 1,68 Châu Âu Basque 1990- 0,01– 17,6– 52 – 0,01– 0,03– 0,01– 0,02– mg/kg Country, Tây C. gigas [26] 2010 2,06 1.253 6.077 5,81 7,85 4,73 0,53 khô Ban Nha Cửa sông 2,19 391 1,14 1.972 mg/kg 4/2012 Thames, Anh C. gigas ± ± - ± - - [27] ± 617 khô Quốc 0,73 143 0,44 Châu Úc 2005- Cửa sông mg/kg S. glomerata - 1.419 6.518 - 8,9 - - [28] 2006 Sydney, Úc khô Sông C. 0,8 – 160 - 1.440- 0,1 – 0,12- mg/kg 01/1991 Hawkesbury - - [29] commercialis 2,1 180 5.440 0,5 0,27 khô Úc 2.2. Nồng độ kim loại trong các loài nghêu Các kết quả về nồng độ kim loại trong nghêu được trình bày trong bảng 2. Các loài nghêu là hải sản nổi tiếng ở nhiều nước châu Á như Trung Quốc, Malaysia và Việt Nam. Tại Malaysia, nước này đã đưa 27 loài nghêu vào danh mục hải sản phục vụ trong nước và xuất khẩu (2005). Một công trình tổng quan nồng độ kim 144 Tr. T. Việt, Tr. N. Việt, N. P. Dân, “Tích lũy sinh học… loài hàu và nghêu.” Nghiên cứu khoa học công nghệ loại nặng trong 12 loài nghêu tại 34 vị trí lấy mẫu vùng ven biển Malaysia đã được công bố bởi Md. Faruk Hossen và cộng sự [30]. Theo đó các kim loại là Cd, Pb, Ni, Cu, Zn và Fe được tổng hợp và so sánh với các giới hạn cho phép của Malaysia và một số nước khác cho thấy hầu hết các loài này đạt tiêu chuẩn đối với thực phẩm. Ở Việt Nam, nghêu Bến Tre Meretrix lyrata là một trong những loại hải sản phổ biến ở khu vực phía Nam. Trong những năm 2003-2007, Phạm Kim Phương và cộng sự đã công bố kết quả thực hiện đề tài cấp Sở Khoa học Công nghệ và luận văn tiến sỹ nghiên cứu vế sự tích tụ và tự đào thải kim loại nặng Cd, As, Pb trong môi trường nuôi nhân tạo cũng như những phân bố ngoài tự nhiên khu vực Cần Giờ của các kim loại này. Đối với nghêu lấy tại bãi nghêu Cần Thạnh (lấy trong 1 đợt), nghiên cứu này phân tích các kim loại trong thịt nghêu và toàn bộ nội tạng cho thấy nồng độ các kim loại Cd và Pb trong nội tạng cao hơn trong thịt rõ rệt (Cd: 0,07 mg/kg trong thịt và 0,20 mg/kg trong nội tạng; Pb: 0,04 mg/kg trong thịt và 0,13 mg/kg trong nội tạng) còn As thì phân bố đồng đều (1,50 mg/kg trong thịt và 1,70 mg/kg trong nội tạng). Kết quả trong phòng thí nghiệm cho thấy loài nghêu này tích lũy Pb cao nhất sau đó đến Cd và As; Đào thải nhiều nhất là As (đi từ As (V) sang As (III) và về dạng phức hữu cơ và thải ra ngoài) sau đó đến Pb và Cd (trong đó Cd hưu cơ thì đào thải nhiều hơn Cd vô cơ). Với Pb và Cd mặc dù cơ chế giảm độc tự nhiên có trong cơ thể nghêu nhưng 2 kim loại này lại tích lũy lâu dài trong nghêu và có thể nguy hại khi làm thực phẩm [31]–[33]. Từ năm 2010-2016 cũng có một số các nghiên cứu rải rác về nồng độ kim loại trong loài nghêu này ở các vùng biển ở Việt Nam được thực hiện bởi Nguyễn Phúc Cẩm Tú và cộng sự [34], Nguyễn Thị Kim Phương và cộng sự [35], và Lê Xuân Sinh [36]. Tuy nhiên những nghiên cứu này có quy mô về số lượng mẫu và thời gian lấy mẫu hạn chế hơn so với nghiên cứu tại Tân Thành và Cần Giờ (Kết quả thể hiện trong bảng 2). Những kết quả nồng độ kim loại trong mẫu nghêu này ở Việt Nam cũng tương đồng như ở Malaysia và một số loài nghêu khác ở Trung Quốc cho thấy hầu hết nồng độ kim loại nằm trong mức cho phép đối với thực phẩm. Nồng độ Cd trong hầu hết các mẫu nghêu đều nằm trong giới hạn cho phép của thực phẩm ở nhiều nước trên thế giới là 2 mg/kg khô. Tuy nhiên, một số mẫu vẫn phát hiện cao, điển hình là nghêu Nam cực. Kết quả cho thấy Cd cao hơn 2 mg/kg khô ở hầu hết các bộ phận của nghêu Nam Cực, trong đó, thận và tuyến tiêu hóa có nồng độ Cd cao hơn nhiều so với mang (bảng 2). Một kết quả thú vị từ nghiên cứu này cho thấy nồng độ Cd và Fe trong nghêu Nam Cực cỡ lớn cao hơn trong các con nhỏ, minh chứng cho khả năng tích lũy các kim loại này. Mặt khác, nồng độ Mn, Zn và Cu trong các con nhỏ lại cao hơn. Kết quả tương quan nghịch có lẽ liên quan đến tốc độ lọc của các cá thể nhỏ thì cao hơn các cá thể trưởng thành nên lượng kim loại thông qua thức ăn và vật chất lơ lửng đi vào cơ thể sinh vật nhiều hơn [37]. Bảng 2. Nồng độ kim loại trong nghêu ở các vùng trên thế giới. Thời gian Tham Vị trí Loài Cd Cu Zn Ni Pb Cr Hg Đơn vị lấy khảo mẫu Châu Á Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san NĐMT, 09 - 2017 145  Hóa học & Kỹ thuật môi trường Trước 12 loài khác 0,18- 0,84- 24,13- 1,25- 0,13- mg/kg Malaysia 8,51 36,00 368,00 7,80 19,10 - - khô [30] 2015 nhau Vịnh Gamak, Ruditapes 0,5 ± 13,6 ± 76,8 ± 2,9 ± 3,6 ± mg/kg 5/2010 0,2 0,0 0,3 0,3 0,8 ± 0,2 0,5 - khô [38] Hàn quốc philippinarum 3- 1,06 ± 10,3 ± 81,9 ± mg/kg 0,6 15,8 - - - - khô 4/2014 Meretrix 0,23 Tiền Giang, VN [39] 6- lyrata 1,34 ± 9,27 ± 82,8 ± 0,55 ± mg/kg 6,1 24,7 - - - khô 8/2014 0,65 0,58 M. lyrata (>24 0,11- 20,26- 117,4- 0,10- 0,35- mg/kg - - khô tháng) 0,79 35,76 302,55 0,79 0,45 M. lyrata (6- 0,21- 15,75- 128,6- 0,15- 0,12- mg/kg 2015 Cần Giờ, VN 1,17 33,43 311 - 0,33 0,41 - khô [40] 24 tháng) M. lyrata (<6 0,07- 15,78- 152,5- 0,11- 0,10- mg/kg - - khô tháng) 0,73 49,5 315 0,40 0,27 Phù Long, HP, Meretrix 0,78 13,14 60,14 ± 1,31 2,10 mg/kg ±0,25 ±6,55 4,54 - ±0,53 ±0,23 - khô VN lyrata 3/2012 1,15 10,57 58,18 ± 1,08 2,33 mg/kg [41] Quần Mục, HP, Meretrix ±0,24 ±5,56 7,48 - ±0,71 ±1,14 - khô VN lyrata 2013- 0,04- - - 0,02- mg/kg Xiamen, TQ M. petechialis 0,05 - 0,10 ND - khô [42] 2014 6 thành phố 1,93± 1,21± 16,8± 0,14± 0,30± 0,06± mg/kg 11/2011 S. subcrenata 0,29 0,33 3,78 - 0,01 0,16 0,03 ướt [43] biển, Bắc TQ Châu Phi Địa Trung Hải, Tapes mg/kg 4/2007 0,09 3,82 21,87 10,28 0,24 8,47 - khô [44] Hy Lạp decussata 8/2004- Sidi Moussa, Venerupis mg/kg 2,2 11,1 103,1 22,4 4,1 9,6 0,3 khô [21] 5/2005 Morocco decussatus Châu Mỹ Cửa sông Rio de mg/kg Corbicula 0,5- 1,3- khô 7/1993 la Plata, 28-89 118-316 - 1,3-11 - [45] fluminea 1,9 5,8 Argentina Sông mg/kg 10/2006 Choctawhatchee C. fluminea 0,25 9,8 14 - 1,2 - - ướt [46] Mỹ Châu Âu 11- Poole Harbour, 1,4- ND- mg/kg C. edule 0,2-0,8 6-13,8 40-160 5,5-14 ND-3,4 8,5 0,47 khô [47] 12/2009 Anh Cửa sông Alb, Corbicula mg/kg 7/2006 0,1 38 128 0,78 0,28 2 - khô [48] Đức sp. Nam Cực L. elliptica 2,9 ± 8,6 ± 107 ± 17 0,78 ± 0,70 mg/kg 0,8 5,5 - - 0,5 ±0,30 khô (mang) L. elliptica 11 ± 3 73 ± 14 120 ± 8 2,1 ± 1,4 mg/kg 2005- Potter Cove 2,4 ±0,6 khô (tuyến tiêu - - [37] 2006 (Nam Cực) hóa) L. elliptica 129 ± 7,3 ± 2650 ± 0,9 ± 68 ± mg/kg 27 3,8 750 - - 0,6 97 khô (thận) Ghi chú: ND – Không phát hiện. 3. HÀU VÀ NGHÊU TRONG QUAN TRẮC SINH HỌC Những chỉ thị sinh học, trong lĩnh vực quan trắc môi trường, được hiểu là các sinh vật (hoặc một phần của quần thể sinh vật) có chứa các thông tin về chất lượng môi trường (hoặc một phần của môi trường) [8]. Nghêu và hàu là những loài sinh vật ăn lọc và ít di chuyển. Hơn thế nữa, với khả năng tích lũy một số chất ô nhiễm đặc biệt là kim loại trong cơ thể, các nhóm loài này đã trở thành đối tượng nhiều nhà khoa học lựa chọn để nghiên cứu về khả năng sử dụng chúng như sinh vật chỉ 146 Tr. T. Việt, Tr. N. Việt, N. P. Dân, “Tích lũy sinh học… loài hàu và nghêu.” Nghiên cứu khoa học công nghệ thị môi trường. Với đặc điểm thường sống vùi trong bùn cát, các nghiên cứu về nghêu thường tập trung vào tương quan nồng độ các chất ô nhiễm trong cơ thể và trong vật chất lơ lửng và trầm tích đáy. Trong khi đó, tương quan một số các chất ô nhiễm trong cơ thể hàu với môi trường nước và vật chất lơ lửng thường được công bố hơn so với các môi trường khác. Phát hiện năm 2013 của Rejomon George và cộng sự cho thấy khả năng áp dụng loài nghêu Villorita cyprinoides làm quan trắc sinh học tại vùng nước tù (backwater) Cochin ở Ấn độ là khả thi khi kết quả nồng độ các kim loại Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Cd và Pb có sự biến động liên quan đến dòng chảy hay thời gian gió mùa (monsoon) và vị trí lấy mẫu tại khu vực nghiên cứu. Kết quả phân tích ANOVA cho thấy sự khác biệt có tính thống kê của nồng độ các kim loại nghiên cứu trong sinh vật ở những vị trí chịu tác động khác nhau và trong mùa khác nhau (Mùa gió mùa-monsoon vào 9/2011 lượng mưa >200mm tương đương mùa mưa vùng nhiệt đới; trước gió mùa – pre monsoon vào tháng 4/2011 khi bắt đầu mùa mưa và sau gió mùa-post monsoon vào tháng 12/2010 khi kết thúc mùa mưa). Kết quả cho thấy nồng độ kim loại tăng theo mùa với thứ tự monsoon