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

Khái niệm thực vật phù du

Thực vật phù du (phytoplankton) là nhóm sinh vật tự dưỡng nhỏ bé trôi nổi trong các tầng nước đại dương, hồ, sông và các vùng nước nội địa. Chúng là các sinh vật nhân thực hoặc vi khuẩn lam có khả năng quang hợp, tạo ra chất hữu cơ từ CO₂ và ánh sáng mặt trời. Không giống như thực vật có rễ, thực vật phù du không có cấu trúc mô phân hóa cao và thường tồn tại dưới dạng đơn bào hoặc tập hợp tế bào nhỏ.

Chúng là sinh vật sản xuất sơ cấp (primary producers) trong hệ sinh thái thủy vực, giữ vai trò khởi đầu trong chuỗi thức ăn và tạo ra hơn một nửa lượng oxy trên Trái Đất. Phytoplankton chịu trách nhiệm hấp thụ một phần lớn CO₂ từ khí quyển thông qua quang hợp và chuyển hóa nó thành chất hữu cơ: $CO_2 + H_2O \xrightarrow{ánh\ sáng} C_6H_{12}O_6 + O_2$

Các nhóm chính của thực vật phù du bao gồm:

• Tảo silic (diatoms): có vỏ silica, phổ biến ở vùng nước lạnh và giàu dinh dưỡng
• Tảo giáp (dinoflagellates): có roi, di chuyển được, một số loài phát sáng hoặc sinh độc
• Cyanobacteria: vi khuẩn lam, có khả năng cố định nitơ
• Tảo lục (green algae): giống với thực vật bậc cao về sắc tố và cấu trúc
• Coccolithophores: có vỏ canxi cacbonat, ảnh hưởng đến cân bằng pH đại dương

Đặc điểm sinh học và phân loại

Thực vật phù du có kích thước rất nhỏ, dao động từ vài micromet đến vài trăm micromet. Chúng không có khả năng bơi chủ động, chỉ trôi nổi và di chuyển thụ động theo dòng chảy, sóng hoặc lực nổi. Cấu trúc cơ bản của chúng đơn giản, thường chỉ gồm một tế bào với các bào quan quang hợp như lục lạp. Sắc tố quang hợp chính là chlorophyll-a, ngoài ra còn có các sắc tố phụ như fucoxanthin, phycocyanin và carotenoid.

Việc phân loại thực vật phù du dựa trên nhiều tiêu chí: hình dạng tế bào, thành phần vỏ tế bào (silica, cellulose, hoặc canxi), cơ chế sinh sản (phân bào, nảy chồi, hợp tử), và đặc điểm sắc tố. Bảng dưới đây tóm tắt một số đặc điểm phân biệt các nhóm chính:

Nhóm	Vỏ tế bào	Sắc tố chính	Khả năng đặc biệt
Diatoms	Silica (SiO₂)	Fucoxanthin	Sinh sản nhanh, chịu lạnh
Dinoflagellates	Cellulose	Peridinin	Di chuyển bằng roi, phát sáng
Cyanobacteria	Không vỏ cứng	Phycocyanin	Cố định N₂, sống trong môi trường nghèo dinh dưỡng
Coccolithophores	CaCO₃	Chlorophyll-c	Đóng vai trò trong tuần hoàn carbon

Sự đa dạng về cấu trúc và chức năng của các nhóm thực vật phù du cho phép chúng thích nghi với nhiều điều kiện môi trường khác nhau, từ vùng nước lạnh, giàu dinh dưỡng đến vùng nhiệt đới, nghèo dưỡng chất. Một số loài còn có khả năng sống ký sinh hoặc kết hợp giữa quang hợp và dị dưỡng (mixotrophy).

Vai trò sinh thái

Thực vật phù du là nền tảng của lưới thức ăn đại dương. Chúng được tiêu thụ trực tiếp bởi động vật phù du, sau đó chuyển tiếp năng lượng đến các sinh vật bậc cao như cá nhỏ, cá lớn, chim biển và động vật có vú biển. Không có thực vật phù du, hệ sinh thái thủy vực sẽ mất đi nguồn năng lượng đầu vào chủ yếu, gây sụp đổ chuỗi dinh dưỡng.

Quá trình quang hợp của phytoplankton không chỉ tạo ra oxy mà còn đóng góp quan trọng vào chu trình carbon toàn cầu. Một phần lớn CO₂ được hấp thụ sẽ được chuyển thành chất hữu cơ, rồi chìm xuống đáy đại dương dưới dạng xác sinh vật hoặc chất thải sinh học, góp phần giảm hiệu ứng nhà kính. Cơ chế này gọi là “bơm sinh học carbon” (biological carbon pump).

Ngoài ra, thực vật phù du còn là chỉ báo sinh học cho chất lượng nước. Sự thay đổi về mật độ hoặc cấu trúc loài của phytoplankton có thể phản ánh tình trạng phú dưỡng, ô nhiễm kim loại nặng, hay biến đổi môi trường. Một số loài phát triển nhanh trong điều kiện nước bị nhiễm chất hữu cơ và có thể dẫn đến hiện tượng nở hoa tảo độc.

Điều kiện phát triển và yếu tố giới hạn

Sự phát triển của thực vật phù du phụ thuộc vào nhiều yếu tố môi trường: ánh sáng, nhiệt độ, độ sâu lớp nước, lưu thông dòng chảy, và đặc biệt là nồng độ các chất dinh dưỡng như nitrat (NO₃⁻), phosphat (PO₄³⁻), và sắt (Fe). Mỗi loài phytoplankton có ngưỡng sinh trưởng tối ưu riêng, do đó thành phần loài thay đổi theo thời gian và không gian.

Các yếu tố giới hạn thường gặp bao gồm:

• Thiếu ánh sáng: phổ biến ở vùng nước sâu hoặc khi nước đục
• Thiếu dinh dưỡng: xảy ra trong nước phân tầng hoặc vùng trung tâm đại dương
• Sự cạnh tranh giữa các loài: loài có tốc độ sinh trưởng và hấp thụ dinh dưỡng tốt hơn sẽ chiếm ưu thế

Mùa vụ và hiện tượng tự nhiên như El Niño, bão nhiệt đới, hay dòng hải lưu cũng có ảnh hưởng lớn đến mật độ thực vật phù du. Ví dụ, vào mùa xuân tại các vùng ôn đới, sự tăng cường ánh sáng và trộn lớp nước mặt thường dẫn đến hiện tượng “spring bloom” – sự bùng nổ sinh khối thực vật phù du trong thời gian ngắn.

Hiện tượng nở hoa (algal bloom)

Nở hoa thực vật phù du (phytoplankton bloom) là hiện tượng xảy ra khi mật độ tế bào của một hoặc vài loài phytoplankton tăng đột biến trong thời gian ngắn, thường kèm theo sự đổi màu của nước. Nguyên nhân chính thường là do dư thừa chất dinh dưỡng như nitrat và phosphat, kết hợp với điều kiện ánh sáng và nhiệt độ thuận lợi. Hiện tượng này xảy ra phổ biến vào mùa xuân hoặc sau các đợt mưa lớn làm rửa trôi phân bón nông nghiệp xuống sông hồ.

Trong một số trường hợp, hiện tượng nở hoa có thể dẫn đến sự xuất hiện của tảo độc, gọi là "nở hoa tảo độc" (HAB – Harmful Algal Bloom). Các loài tảo như *Alexandrium*, *Karenia brevis*, hay *Pseudo-nitzschia* có thể sản sinh ra độc tố gây hại cho sinh vật biển, làm cá chết hàng loạt và ảnh hưởng đến sức khỏe con người khi ăn hải sản nhiễm độc. Theo NOAA, thiệt hại do HAB gây ra cho ngành thủy sản và du lịch ven biển có thể lên đến hàng tỷ USD mỗi năm.

Bảng dưới đây so sánh nở hoa thông thường và nở hoa độc hại:

Tiêu chí	Nở hoa thông thường	Nở hoa độc hại (HAB)
Loài chính	Diatoms, green algae	Dinoflagellates, cyanobacteria
Ảnh hưởng	Tăng sinh khối, thiếu oxy	Gây độc, chết cá, ô nhiễm
Tác động sức khỏe	Không đáng kể	Gây ngộ độc, ảnh hưởng thần kinh

Ứng dụng trong nghiên cứu và công nghệ

Thực vật phù du không chỉ có vai trò sinh thái mà còn là đối tượng nghiên cứu và khai thác trong nhiều lĩnh vực công nghệ sinh học. Trong khoa học môi trường, chúng được sử dụng làm chỉ thị sinh học để đánh giá chất lượng nước, mức độ phú dưỡng, hoặc phát hiện ô nhiễm kim loại nặng. Trong nghiên cứu khí hậu, sự thay đổi mật độ và chủng loài thực vật phù du phản ánh biến động về nhiệt độ, độ pH và chu trình carbon đại dương.

Trong công nghệ sinh học, một số loài vi tảo có giá trị kinh tế cao được nuôi cấy để sản xuất sinh khối, nhiên liệu sinh học (biofuel), sắc tố thiên nhiên, và thực phẩm chức năng. Ví dụ:

• *Haematococcus pluvialis*: sản xuất astaxanthin – chất chống oxy hóa mạnh
• *Chlorella* và *Spirulina*: cung cấp protein, vitamin B12, sắt
• *Nannochloropsis*: dùng trong sản xuất biodiesel

Ngoài ra, vi tảo còn được dùng để xử lý nước thải, hấp thụ kim loại nặng hoặc nitơ, phospho dư thừa nhờ khả năng hấp thu sinh học cao. Các công nghệ này đang được ứng dụng tại nhiều quốc gia trong chiến lược phát triển bền vững và kinh tế tuần hoàn.

Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu

Biến đổi khí hậu có ảnh hưởng sâu rộng đến quần thể thực vật phù du, cả về thành phần loài lẫn năng suất sơ cấp. Sự gia tăng nhiệt độ nước biển làm thay đổi quá trình phân tầng nhiệt, giảm sự trộn lẫn giữa các tầng nước, từ đó hạn chế dòng dinh dưỡng lên bề mặt – nơi thực vật phù du cư trú. Điều này dẫn đến giảm sản lượng quang hợp ở một số vùng đại dương.

Sự axit hóa đại dương do CO₂ hòa tan vào nước biển cũng ảnh hưởng đến các loài có cấu trúc vỏ canxi như coccolithophores, khiến quá trình tạo vỏ bị ức chế. Theo nghiên cứu được đăng trên Nature (2023), nhiều khu vực đại dương đã ghi nhận sự suy giảm rõ rệt mật độ thực vật phù du trong 20 năm qua, đặc biệt ở Bắc Thái Bình Dương và Nam Đại Tây Dương.

Biến đổi khí hậu cũng làm tăng tần suất các sự kiện cực đoan như bão, sóng nhiệt và dòng chảy dị thường, gây rối loạn hệ sinh thái phù du và gia tăng nguy cơ nở hoa tảo độc do thay đổi nhiệt độ và dòng dinh dưỡng bất thường.

Giám sát và mô hình hóa

Nhờ vào sự phát triển của công nghệ viễn thám và cảm biến quang học, việc theo dõi thực vật phù du trên quy mô toàn cầu đã trở nên khả thi. Các vệ tinh như MODIS, VIIRS và Sentinel-3 cung cấp dữ liệu về nồng độ chlorophyll-a – chỉ số gián tiếp phản ánh mật độ thực vật phù du tại bề mặt đại dương. Các mô hình số học kết hợp dữ liệu này với thông tin về dòng chảy, nhiệt độ và độ mặn để dự báo xu hướng sinh khối.

Một số nền tảng giám sát đáng chú ý:

• NASA OceanColor: cung cấp bản đồ chlorophyll toàn cầu, ảnh vệ tinh theo thời gian thực
• Copernicus Marine Service: cung cấp dữ liệu hải dương học châu Âu, tích hợp mô hình sinh học-hóa học

Ngoài ra, các cảm biến in situ như CTD (Conductivity-Temperature-Depth) gắn với phao, tàu nghiên cứu hoặc robot ngầm (gliders) cũng được sử dụng để đo trực tiếp mật độ tế bào, quang phổ hấp thụ, và nồng độ dưỡng chất trong cột nước. Dữ liệu này giúp hiệu chỉnh và nâng cao độ chính xác của các mô hình mô phỏng sinh khối phù du.

Thách thức và hướng nghiên cứu tương lai

Một trong những thách thức lớn là việc xác định chính xác loài thực vật phù du trên quy mô lớn, do kích thước nhỏ, hình thái đa dạng và khả năng thích nghi nhanh với môi trường. Các phương pháp truyền thống như kính hiển vi cần nhiều thời gian và chuyên môn, trong khi phương pháp DNA barcode hoặc phân tích phổ học (hyperspectral imaging) còn đang trong giai đoạn hoàn thiện.

Trong tương lai, việc tích hợp công nghệ AI, học máy (machine learning), và dữ liệu vệ tinh sẽ giúp xây dựng các mô hình dự báo thông minh, cảnh báo sớm nguy cơ nở hoa tảo độc hoặc suy giảm sinh khối phù du. Ngoài ra, xu hướng phát triển tảo trong công nghệ sinh học, sản xuất năng lượng tái tạo, vật liệu sinh học và dược phẩm cũng đang mở ra những cơ hội lớn cho ngành công nghiệp xanh.

Hướng nghiên cứu mới đang tập trung vào:

• Mô hình hóa chu trình dinh dưỡng liên kết sinh học – vật lý – hóa học
• Phát triển tảo kỹ thuật số (digital twin) để mô phỏng sinh trưởng
• Khai thác tảo để hấp thụ CO₂ trong công nghiệp phát thải cao

Tài liệu tham khảo

1. NOAA - Harmful Algal Blooms
2. Nature - Global phytoplankton trends
3. Current Biology - Phytoplankton responses to climate change
4. NASA Ocean Color
5. Copernicus Marine Environment Monitoring Service