Sinh vật phù du là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu chung về sinh vật phù du

Sinh vật phù du là tập hợp các sinh vật trôi nổi trong cột nước, không có khả năng bơi lặn để duy trì vị trí cố định và thường di chuyển theo dòng nước. Nhóm này bao gồm các vi khuẩn (bacterioplankton), tảo đơn bào quang hợp (phytoplankton), động vật giáp xác nhỏ và nhuyễn thể bào tử (zooplankton), cũng như nấm thủy sinh (mycoplankton). Phạm vi phân bố của chúng trải dài từ tầng mặt sáng rõ đến tầng ánh sáng yếu (mesopelagic), xuất hiện trong cả môi trường nước biển và nước ngọt.

Tầm quan trọng của sinh vật phù du thể hiện ở vai trò trung tâm trong lưới thức ăn thủy sinh: phytoplankton sản sinh oxy và cố định CO₂ thông qua quang hợp, zooplankton và các dạng phù du khác tiêu thụ phytoplankton và trở thành thức ăn cho cá, nhuyễn thể lớn hơn và động vật có vú biển. Chu trình vật chất do phù du chi phối có ảnh hưởng trực tiếp đến cơ chế bơm sinh học (biological pump) và cân bằng carbon toàn cầu [NOAA].

Nghiên cứu về sinh vật phù du sử dụng phương pháp thu mẫu bằng lưới kéo plankton, bẫy chìm (sediment trap), phân tích chlorophyll từ vệ tinh (ví dụ NASA OceanColor), và kỹ thuật di truyền môi trường (eDNA). Dữ liệu thu thập được giúp đánh giá năng suất sơ cấp, dự báo bùng phát tảo (algal blooms) và mô hình hóa biến đổi khí hậu [NASA].

Phân loại sinh vật phù du

Phân loại theo chức năng sinh học và kích thước cho phép tách sinh vật phù du thành các nhóm chính:

• Phytoplankton: tảo quang hợp đơn bào như diatom và dinoflagellate, đóng góp ~50% sản lượng sơ cấp toàn cầu.
• Zooplankton: động vật phù du gồm copepod, cladocera và nhuyễn thể bào tử, tiêu thụ phytoplankton và vi khuẩn.
• Bacterioplankton: vi khuẩn và archaea phân hủy vật chất hữu cơ, tham gia chu trình nutrient.
• Mycoplankton: nấm thủy sinh và sợi nấm, hỗ trợ phân huỷ xác sinh vật và tái chế dinh dưỡng.

Kích thước phù du được chia thành nhiều tầng:

1. Picoplankton (0.2–2 µm): chủ yếu vi khuẩn và tảo xanh nhỏ.
2. Nanoplankton (2–20 µm): tảo đơn bào lớn và động vật chân bụng nhỏ.
3. Microplankton (20–200 µm): diatom và động vật giáp xác bào tử.
4. Macroplankton (>200 µm): ấu trùng lớn hơn, nhuyễn thể bào tử cỡ lớn.

Nhóm	Ví dụ tiêu biểu	Kích thước	Chức năng chính
Phytoplankton	Diatom, Dinoflagellate	2–200 µm	Quang hợp, sản xuất oxy
Zooplankton	Copepod, Cladocera	20–200 µm – vài mm	Tiêu thụ phytoplankton, cung cấp năng lượng cho bậc cao
Bacterioplankton	Vi khuẩn (Prochlorococcus)	0.2–2 µm	Phân giải hữu cơ, chu trình nutrient
Mycoplankton	Nấm thủy sinh	1–100 µm	Phân huỷ xác sinh vật

Đặc điểm sinh học và cấu trúc

Kích thước đa dạng từ vài phần trăm micromet đến vài milimét cho phép sinh vật phù du chiếm các tầng nước khác nhau. Hình thái cũng phong phú: tế bào đơn bào hình cầu của picoplankton, tảo sợi đa bào, và các cơ thể động vật giáp xác có chân bơi (natatory legs) hoặc vẩy giáp bảo vệ.

Một số phytoplankton sở hữu flagella hoặc siliceous frustule (vỏ silica) giúp ổn định vị trí trong nước, ngăn chặn chìm nhanh. Zooplankton như copepod có đôi râu dài để giữ thăng bằng và di chuyển bật nhảy giữa các tầng dinh dưỡng. Bacterioplankton hình thanh nhỏ gọn, sinh sản nhanh, phản ứng linh hoạt với thay đổi môi trường.

Đặc tính sinh học bao gồm tốc độ sinh trưởng, tỷ lệ quang hợp, khả năng chịu độc tố và tương tác ký sinh. Ví dụ, diatom phát triển mạnh ở vùng giàu silic, dinoflagellate nở hoa mạnh khi nhiệt độ và dinh dưỡng phù hợp, đôi khi dẫn đến hiện tượng bùng phát tảo độc (HABs).

Vai trò sinh thái

Phytoplankton là nguồn sản lượng sơ cấp chính, sử dụng ánh sáng mặt trời và CO₂ để tạo sinh khối hữu cơ và thải ra oxy: $6CO_{2} + 6H_{2}O \rightarrow C_{6}H_{12}O_{6} + 6O_{2}$

Zooplankton chuyển hóa sinh khối phytoplankton thành protein và lipid, làm cầu nối năng lượng lên cá nhỏ, mực và cá lớn hơn. Các quá trình này duy trì cấu trúc lưới thức ăn thủy sinh và ảnh hưởng đến trữ lượng hải sản.

Sinh vật phù du tham gia chu trình carbon và nutrient:

• Bơm sinh học (biological pump): hạt hữu cơ chìm xuống tầng sâu.
• Chu trình nitơ và phốt pho: bacterioplankton phân giải chất hữu cơ, tái tạo dinh dưỡng cho tầng mặt.
• Ổn định khí hậu: điều hòa CO₂ đại dương, giảm hiệu ứng nhà kính.

Chu trình dinh dưỡng và năng lượng

Sinh vật phù du đóng vai trò trung tâm trong chu trình dinh dưỡng của hệ sinh thái thủy sinh, chuyển năng lượng từ mặt trời và vật chất vô cơ thành sinh khối hữu cơ. Phytoplankton quang hợp dựa vào ánh sáng và CO₂ để tổng hợp đường, lipid và protein, sau đó zooplankton và các bậc dinh dưỡng cao hơn tiêu thụ sinh khối này để chuyển hóa thành năng lượng cho hoạt động sống.

Sản lượng sơ cấp (primary production) của phytoplankton được ước tính qua mối quan hệ giữa mật độ chlorophyll và cường độ ánh sáng mặt trời: $P = \alpha \, I \, [Chl]$ trong đó $P$ là sản lượng carbon (mg C m⁻³ h⁻¹), $\alpha$ là hiệu suất quang hợp, $I$ là cường độ ánh sáng (µmol photons m⁻² s⁻¹) và $[Chl]$ là nồng độ chlorophyll (mg m⁻³).

Hiệu suất chuyển năng lượng giữa các bậc dinh dưỡng (trophic transfer efficiency) thường dao động 10–20%. Điều này có nghĩa chỉ 1/10 đến 1/5 năng lượng sinh học từ phytoplankton được truyền lên zooplankton, phần còn lại mất vào quá trình hô hấp, phân hủy hoặc thoát ra môi trường dưới dạng nhiệt.

Tác động lên chu trình carbon toàn cầu

Thông qua quá trình quang hợp và chu trình bơm sinh học (biological pump), sinh vật phù du điều tiết lượng CO₂ trong khí quyển và đại dương. Phytoplankton hấp thụ CO₂ để tổng hợp sinh khối, một phần sinh khối này lắng xuống tầng đáy khi xác sinh vật hoặc phân hủy, đưa carbon từ tầng mặt xuống tầng sâu.

Lưu lượng carbon (carbon flux) có thể mô tả bằng công thức: $F_C = POC \times V_s$ trong đó $F_C$ là lưu lượng carbon (mg C m⁻² d⁻¹), $POC$ là nồng độ vật chất hữu cơ hạt (mg C m⁻³) và $V_s$ là vận tốc chìm (m d⁻¹).

Ước tính toàn cầu cho thấy bơm sinh học do phù du tạo ra xử lý khoảng 10 ± 2 gigatona carbon mỗi năm, góp phần quan trọng trong điều hòa khí hậu. Tại vùng ôn đới, hiệu quả bơm sinh học cao hơn do chu kỳ nở hoa mạnh vào mùa xuân, trong khi ở vùng nhiệt đới, hoạt động quang hợp cân bằng hơn quanh năm.

Phân bố và biến động không gian – thời gian

Phân bố phù du chịu ảnh hưởng của nhiệt độ, nồng độ dinh dưỡng, độ mặn và dòng nước. Ở vùng ven bờ và lưu vực sông, dinh dưỡng cao kích thích bùng phát phytoplankton, trong khi ở vùng mở rộng giữa đại dương, nồng độ dinh dưỡng thấp dẫn đến mật độ phù du ít hơn nhưng ổn định.

Biến động theo mùa thể hiện rõ nhất ở vùng ôn đới: bùng phát (bloom) phytoplankton vào mùa xuân khi ánh sáng tăng, dòng lên bề mặt (upwelling) cung cấp dinh dưỡng, sau đó suy giảm vào mùa hè do cạn kiệt dinh dưỡng và tăng nhiệt độ tầng mặt.

Các khảo sát vệ tinh và lưới kéo plankton cho thấy:

• Tại Bắc Đại Tây Dương, bloom diễn ra từ tháng 3 đến tháng 5.
• Tại Biển Bắc, bloom muộn hơn, từ tháng 4 đến tháng 6 do nhiệt độ thấp.
• Ở vùng nhiệt đới, biến động nhỏ hơn, tuy nhiên thích hợp cho dinoflagellate và cyanobacteria quanh năm.

Phương pháp nghiên cứu và đánh giá

Thu thập mẫu phù du truyền thống sử dụng lưới kéo với kích thước mắt lưới từ 20–200 µm, hoặc bẫy chìm thu thập hạt vật chất chìm. Những phương pháp này cung cấp dữ liệu sinh khối và thành phần loài tại các độ sâu khác nhau.

Các công nghệ hiện đại bao gồm:

1. Phân tích quang phổ chlorophyll từ vệ tinh: Giám sát mật độ phytoplankton trên quy mô toàn cầu (ví dụ NASA OceanColor).
2. Flow cytometry: Đếm và phân loại tế bào phù du dựa trên kích thước và độ phát huỳnh quang.
3. eDNA (environmental DNA): Xác định thành phần loài thông qua phân tích ADN trong nước.

Kết hợp các phương pháp trực tiếp và gián tiếp cho phép đánh giá năng suất sơ cấp, dự báo bùng phát tảo độc và mô hình hóa tương tác giữa phù du và biến đổi môi trường.

Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và ô nhiễm

Tăng nhiệt độ đại dương và axit hóa làm thay đổi cơ cấu loài phù du. Một số nghiên cứu chỉ ra phytoplankton nhỏ như picoplankton tăng ưu thế khi nhiệt độ tăng, trong khi diatom lớn có thể giảm do nhu cầu silic bị gián đoạn.

Ô nhiễm dinh dưỡng (eutrophication) từ nguồn đất liền dẫn tới:

• Phát triển tảo độc (Harmful Algal Blooms – HABs), gây chết cá và suy giảm chất lượng nước.
• Tạo vùng chết (dead zones) do quá trình phân hủy tiêu tốn oxy dưới tầng đáy.

Tác động dài hạn bao gồm thay đổi khả năng bơm sinh học, tác động lên chuỗi thức ăn và giảm tính ổn định của hệ sinh thái đại dương, đồng thời ảnh hưởng trực tiếp đến ngư nghiệp và sinh kế ven biển.

Ứng dụng và tầm quan trọng trong nghiên cứu

Nghiên cứu sinh vật phù du hỗ trợ phát triển mô hình khí hậu toàn cầu, dự báo biến đổi môi trường và lồng ghép dữ liệu sinh thái vào quản lý bền vững nguồn lợi thủy sản. Phân tích bloom giúp cảnh báo sớm hiện tượng tảo độc, bảo vệ sức khỏe cộng đồng và ngư dân.

Trong nuôi trồng thủy sản, phù du đóng vai trò:

• Nguồn thức ăn tự nhiên cho tôm post và cá con.
• Chỉ thị chất lượng nước thông qua mật độ và thành phần loài.

Công nghệ eDNA và mô hình hóa dữ liệu lớn (big data) đang mở rộng tiềm năng nghiên cứu: từ đánh giá đa dạng loài đến dự báo bùng phát tảo, từ theo dõi chu trình carbon đến phát triển công cụ giám sát tự động.

Tài liệu tham khảo

1. Falkowski, P. G., & Raven, J. A. (2007). Aquatic Photosynthesis. Princeton University Press.
2. Behrenfeld, M. J., et al. (2006). Climate-driven trends in contemporary ocean productivity. Nature, 444(7120), 752–755.
3. Richardson, T. L., & Jackson, G. A. (2007). Small Phytoplankton and Carbon Export from the Surface Ocean. Science, 315(5813), 838–840.
4. Anderson, D. M., et al. (2002). Harmful algal blooms and eutrophication: Nutrient sources, composition, and consequences. Estuaries, 25(4), 704–726.
5. Jardillier, L., Zubkov, M. V., Pearman, J. K., & Scanlan, D. J. (2010). Significant CO₂ fixation by small prymnesiophytes in the subtropical North Atlantic Ocean. ISME Journal, 4(10), 1180–1192.
6. Wilkins, D., et al. (2013). Environmental DNA reveals high diversity of planktonic protists in the ocean. PLoS One, 8(6), e69167.