Phù du là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa phù du

Phù du (plankton) là tập hợp đa dạng các sinh vật trôi nổi trong cột nước, không có khả năng chống lại dòng chảy, bao gồm các sinh vật từ kích thước vi sinh vật (micrometer) đến vài milimét. Phù du có thể sinh sống ở cả môi trường nước mặn và nước ngọt, chiếm vị trí nền tảng trong mạng lưới thức ăn thủy sản và chu trình sinh địa hóa toàn cầu.

Thực vật phù du (phytoplankton) thực hiện quang hợp, chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành sinh khối hữu cơ, đồng thời giải phóng oxy. Động vật phù du (zooplankton) tiêu thụ phytoplankton hoặc các sinh vật phù du nhỏ hơn, đóng vai trò trung gian trong truyền năng lượng lên các bậc dinh dưỡng cao hơn như cá, chim biển.

Bacterioplankton và archaea trong nhóm phù du tham gia quá trình phân hủy chất hữu cơ, hình thành microbial loop, tái tạo dinh dưỡng cho hệ thủy sinh. Virus phù du chi phối mật độ và đa dạng vi khuẩn, ảnh hưởng đến hiệu suất chu trình carbon và dinh dưỡng.

Phân loại phù du

Phù du được chia thành nhiều nhóm chính dựa trên vai trò sinh học và kích thước:

• Thực vật phù du (Phytoplankton): bao gồm diatoms (Tảo silic), dinoflagellates (Trùng roi), tảo lục, tảo lam; chịu trách nhiệm sản xuất sơ cấp.
• Động vật phù du (Zooplankton): copepods, nhuyễn thể tiền (larvae), rotifers, trùng roi ăn động vật; bậc trung gian trong chuỗi thức ăn.
• Bacterioplankton: vi khuẩn và archaea thủy sinh; tham gia phân giải chất hữu cơ và chu trình microbial.
• Virus phù du: ảnh hưởng đến sự phân rã tế bào vi khuẩn và tảo, giải phóng vật chất hữu cơ hòa tan.

Kích thước phù du dao động rộng: từ $0{,}2–2 µm$ (picoplankton) đến >1 mm (macroplankton), tương ứng với các vai trò sinh thái và phương pháp nghiên cứu khác nhau.

Đặc điểm hình thái và sinh lý

Thực vật phù du hình thành cấu trúc tế bào với màng tế bào hoặc vỏ silica (diatoms) để bảo vệ cơ thể và duy trì nổi; chloroplast chứa pigment như chlorophyll-a, carotenoids, phycobiliproteins hỗ trợ hấp thụ phổ ánh sáng rộng.

Động vật phù du có hình thái đa dạng: copepods sở hữu khung exoskeleton kitin, chân chèo (thoracic appendages) để di chuyển, trong khi larvae nhuyễn thể có chân roi và các bộ cảm biến thủy động học để tìm nguồn thức ăn.

Quá trình sinh trưởng của phù du chịu ảnh hưởng mạnh mẽ bởi điều kiện vật lý (ánh sáng, nhiệt độ), hóa học (độ mặn, pH, chất dinh dưỡng) và sinh học (ức chế cạnh tranh, ký sinh).

Vai trò sinh thái trong chu trình Carbon và dinh dưỡng

Phytoplankton chiếm khoảng 50% sản lượng sơ cấp toàn cầu, hấp thụ CO₂ thông qua quang hợp theo phương trình:

$6CO_{2} + 6H_{2}O \rightarrow C_{6}H_{12}O_{6} + 6O_{2}$

Sự hấp thụ CO₂ và sản xuất O₂ của phytoplankton không chỉ duy trì cân bằng khí quyển mà còn giảm nhẹ biến đổi khí hậu. Sinh khối tạo ra được chuyển hóa qua zooplankton và lên các loài tiêu thụ cấp cao hơn.

• Microbial loop: bacterioplankton phân hủy chất hữu cơ hòa tan (DOM), đưa lại dưỡng chất vô cơ cho phytoplankton.
• Flux carbon: hạt chết và phân tiết lắng xuống đáy đại dương, cô đặc carbon trong trầm tích.
• Chu trình dinh dưỡng: N, P, Si được lưu chuyển giữa phù du, vi khuẩn và động vật đáy.

Phù du đóng vai trò cảm biến sinh thái: biến động biomass và thành phần loài phản ánh biến đổi môi trường (dinh dưỡng, nhiệt độ), hỗ trợ quản lý nguồn lợi thủy sản và bảo tồn đa dạng sinh học.

Phân bố không gian và thời gian

Phù du tập trung dày đặc trong tầng quang (euphotic zone), nơi ánh sáng có thể xuyên sâu khoảng 100–200 m ở đại dương trong và 5–20 m ở các hồ nước ngọt. Mật độ và thành phần loài thay đổi theo độ sâu, nhiệt độ, độ mặn và luồng nước, dẫn đến sự phân bố theo vĩ độ và kinh độ rất đa dạng.

Chu kỳ nở hoa phù du (bloom) thường diễn ra theo mùa, ví dụ bloom phytoplankton ở vùng ôn đới xuất hiện vào mùa xuân khi nhiệt độ tăng và dòng lên (upwelling) cung cấp dinh dưỡng NOAA – Phytoplankton Bloom. Ở vùng nhiệt đới, bloom có thể lặp lại nhiều lần trong năm do chu kỳ mưa và khô xen kẽ, ảnh hưởng đến độ đục và quang hợp của cột nước.

Ảnh hưởng thủy triều, dòng chảy ven bờ và hiện tượng upwelling tạo điều kiện cho phân bố phù du vùng duyên hải phong phú hơn so với vùng giữa đại dương, đồng thời duy trì nguồn dinh dưỡng quan trọng cho đánh bắt thủy sản.

Phương pháp nghiên cứu và đo lường

Người ta thu mẫu phù du bằng lưới plankton với kích thước mắt lưới từ 20–200 µm tùy nhóm mục tiêu. Nước mẫu cũng được lấy tại nhiều độ sâu khác nhau để khảo sát phân bố theo chiều sâu.

Phương pháp định lượng gồm đếm thủ công dưới kính hiển vi hoặc sử dụng flow cytometry tự động, cho phép phân biệt theo kích thước và tạo profile mật độ tế bào. Ngoài ra, quang phổ đo nồng độ chlorophyll-a (Chl-a) trong mẫu giúp ước tính nhanh biomass IPCC – Methods for Primary Production.

• Microscopy: đếm tế bào, xác định hình thái và kích thước.
• Flow Cytometry: đo đa tham số (kích thước, độ phát huỳnh quang) cho hàng ngàn tế bào mỗi giây.
• Remote Sensing: vệ tinh Sentinel-3/Sentinel-2 đo Chl-a và độ đục bề mặt nước.

Kỹ thuật DNA metabarcoding ngày càng phổ biến để xác định thành phần loài nhỏ ($<5 µm$) chưa thể phân biệt bằng kính hiển vi, mở ra khả năng đánh giá đa dạng di truyền trong phù du.

Ảnh hưởng đến hệ sinh thái

Phù du là nguồn sản xuất sơ cấp chính, duy trì chuỗi thức ăn thủy sản. Sự sụt giảm biomass phytoplankton ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất cá và động vật không xương sống thấp cấp.

Hiện tượng bloom tảo độc (Harmful Algal Blooms – HABs) gây ra độc tố mạnh, làm chết cá, hải sản và ảnh hưởng sức khỏe con người qua chuỗi thức ăn NOAA – Harmful Algal Blooms. HABs cũng làm giảm oxy hòa tan, dẫn tới hiện tượng hypoxia gây “vùng chết” trong nước.

• Duy trì đa dạng sinh học: cung cấp thức ăn cho zooplankton, cá con.
• Kiểm soát chất hữu cơ: bacterial loop phân hủy DOM, đóng vai trò tái sinh dinh dưỡng.
• Cân bằng khí quyển: hấp thụ CO₂, giải phóng O₂, giảm hiệu ứng nhà kính.

Đe dọa và biến đổi môi trường

Ô nhiễm dinh dưỡng (eutrophication) từ nước thải nông nghiệp và đô thị làm tăng đột biến dinh dưỡng (N, P), kích thích bloom quá mức và suy giảm chất lượng nước. Nồng độ algal biomass cao dẫn đến thiếu oxy trong lớp đáy, gây chết hàng loạt sinh vật đáy.

Vi nhựa (microplastics) xâm nhập hệ thủy sinh, bám vào bề mặt phù du và được tiếp nhận vào chuỗi thức ăn, ảnh hưởng đến sự phát triển và sinh sản của vi sinh, zooplankton. Biến đổi khí hậu thay đổi stratification và nhiệt độ tầng quang, làm thay đổi thành phần loài và chu kỳ sinh sản phù du.

Ứng dụng trong khoa học và công nghiệp

Phù du được sử dụng làm indicator cho chất lượng nước và biến động môi trường. Giá trị Chl-a, chỉ số độ đục và thành phần loài phản ánh mức độ ô nhiễm và tình trạng sinh thái của hệ thủy sinh.

Trong nghiên cứu khí hậu, mô hình quang hợp và hấp thụ CO₂ của phytoplankton được tích hợp vào dự báo khí hậu toàn cầu. Phù du cũng là nguồn nguyên liệu tiềm năng cho sản xuất biofuel, chứa lipid có thể chuyển hóa thành biodiesel và các chất hoạt tính sinh học quý giá.

• Biofuel: tảo siêu nhỏ (microalgae) sản xuất dầu sinh học.
• Dược phẩm: chiết xuất phycobiliproteins, astaxanthin chống oxy hóa.
• Thủy hải sản: cung cấp thức ăn tự nhiên cho ương nuôi tôm, cá biển.

Danh mục tài liệu tham khảo

• National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). Phytoplankton and Blooms. Available at: https://www.noaa.gov/education/resource-collections/ocean-coasts-education-resources/phytoplankton
• Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). Methods for Primary Production. Available at: https://www.ipcc.ch
• UNESCO Intergovernmental Oceanographic Commission. Plankton Monitoring. Available at: https://ioc.unesco.org/
• Falkowski P. G., Raven J. A. (2007). Aquatic Photosynthesis. Princeton University Press.
• Azam F., Malfatti F. (2007). “Microbial structuring of marine ecosystems.” Nature Reviews Microbiology, 5(10).
• Sanders R., et al. (2014). “Plankton functional types: towards a consistent global classification.” Progress in Oceanography, 120.