Khắc chế - chiến tranh hoá học giữa các loài thuỷ sinh

Khắc chế - chiến tranh hoá học giữa các loài thuỷ sinh
Ole Pedersen - nguồn www.tropica.com

Hãy tưởng tượng đến phản ứng của bạn khi thấy dòng quảng cáo của một tiệm cá cảnh địa phương “LOÀI CÂY THỦY SINH MỚI CÓ THỂ TIÊU DIỆT TẤT CẢ TẢO TRONG HỒ CÁ CỦA BẠN SAU 24 GIỜ - HOÀN TRẢ LẠI TIỀN NẾU KHÔNG CÓ KẾT QUẢ!” Bạn sẽ phải trả bao nhiêu tiền để mua loại cây như vậy? Thật không may, chẳng hề có loại cây nào như vậy được phát hiện mặc dù có những bằng chứng khoa học cho thấy rằng một số loài thực vật tiết ra những chất hoá học độc hại đối với những những loài thực vật khác. Vậy chúng ta có thể sử dụng những loài cây đó để khống chế tảo hay giải thích nguyên nhân tại sao một số cây lại bị cằn cỗi trong hồ thuỷ sinh được không?

Vào năm 1999, Diana Walstad xuất bản cuốn sách có lẽ là tuyệt vời nhất về lãnh vực hồ thuỷ sinh. Trong tác phẩm “Hệ sinh thái của hồ thuỷ sinh”, bà cũng đã dành riêng một chương để mô tả về hiện tượng khắc chế (allelopathy) và điều đó đã khuyến khích tôi đi sâu hơn vào chủ đề thú vị này (Walstad, 1999). Phải nói rằng nghiên cứu của tôi trên các tài liệu khoa học đã đem lại nhiều nghi vấn về hiện tượng quan trọng này trong hồ thủy sinh và tôi đoan chắc rằng Diana Walstad đã cường điệu về mức độ nghiêm trọng thực sự của sự khắc chế trong hồ thủy sinh.

Theo định nghĩa, khắc chế là tác động tiêu cực lên sinh vật khác – bao gồm cả tảo lẫn động vật bậc cao – bằng cách tiết ra những hóa chất độc hại (Rice, 1984). Lợi ích sinh thái của hành vi khắc chế là một bằng chứng bởi vì nó đem lại cho thực vật ưu thế cạnh tranh cao trong khi chỉ đầu tư vừa phải vào chất độc vốn không độc hại với chính nó. Sự khắc chế được ghi nhận ở nhiều loài thực vật trên cạn nhưng thông tin về sự phát tán ở cây thủy sinh hãy còn rất hạn chế (Gopal & Goel, 1993).


Đường cong độc tính của hợp chất lưu huỳnh mà chi tảo vòng Chara tiết ra. 5 methylthio 1,2,3 trithiane là chất mà hầu hết các loài thuộc chi Chara tổng hợp và nếu tiết vào môi trường xung quanh, nó sẽ tác động tiêu cực lên quá trình quang hợp của vi tảo. Điều này giải thích tại sao chi Chara trong môi trường tự nhiên không hề bị các loài thực vật biểu sinh bám lên (trích Wium Andersen & đồng sự, 1982).

Chất khắc chế
Trước hết, chúng ta hãy khảo sát kỹ về nhóm chất hóa học được biết có vai trò khắc chế. Nhóm chất quan trọng nhất được coi là chất độc được thực vật tiết ra là nhóm phenol cực rộng bao gồm các phân nhóm flavonoid và tannin. Flavonoid là hợp chất phenol được cây sử dụng để dẫn dụ côn trùng. Anthocyanins là loại flavonoid tạo ra hầu hết các màu đỏ, hồng, tím và xanh dương ở những bộ phận của cây, kể cả các cấp độ đỏ ở rong lá trầu Echinodorus và tiêu thảo Cryptocorynes. Lớp biểu bì mặt lá của mọi loài cây chứa flavonoid để ngăn cản tia cực tím UV-B (280-320 nm). Những hợp chất như vậy hấp thu tầm bước sóng UV-B nhưng cho phép ánh sáng khả kiến đi qua để quang hợp. Flavonoid cũng độc nhưng thường không được cây tiết ra nhiều. Mặt khác, flavonoid có thể được phát tán ra môi trường xung quanh khi cây chết bắt đầu thối rữa. Một khi phát tán ra môi trường, flavonoid có thể làm động thực vật khác bị nhiễm độc nhưng chất độc tiết ra từ cây chết không thuộc phạm vi định nghĩa về sự khắc chế.

Tannin là flavonoid po-ly-me. Tannin nhìn chung là chất độc hạn chế sự tăng trưởng và sức khỏe của động vật ăn cỏ. Chúng tạo ra mùi khó chịu khi kết hợp với những protein trong nước bọt, và những bộ phận cây cỏ có hàm lượng tannin cao thường được côn trùng bỏ qua, và do đó tannin được coi là chất chống bị ăn. Tuy nhiên, táo, dâu tây đen, trà và nho đỏ cũng chứa tannin mà nó tạo ra một độ chát vừa phải. Tannin được sử dụng để bảo quản da động vật bởi vì chúng kết hợp với những protein nhạy cảm với sự tấn công của vi khuẩn, nhờ đó bảo vệ da. Có bằng chứng rất thuyết phục rằng người Ai Cập sử dụng da thuộc để làm dép từ hơn 3000 năm trước. Không may, không hề có bằng chứng khoa học rằng chất tannin được thực vật sống tiết ra môi trường xung quanh với số lượng lớn.

Với quần thể cây trên cạn, có lẽ chất khắc chế quan trọng nhất là nhóm terpenoid, mà nó là một phân nhóm của lipid. Long não thuộc về nhóm này và được những cây chẳng hạn như chi bạch đàn Eucalyptus tiết ra. Một trong những minh họa rõ nhất về sự khắc chế ở hệ sinh thái trên cạn là việc tiết ra chất terpenes (gồm pinene, camphene, long não, cineole và dipentene) của cây xô thơm tím Salvia leucophylla. Chất terpenes bốc hơi từ lá và thường xuyên ngưng tụ trong đám sương mù bao quanh cây, tạo ra một vùng đất chết cách ly cây xô thơm với những loài cây xung quanh. Một ví dụ đáng ngạc nhiên về ứng dụng của chất khắc chế là việc tiết ra chất terpenes của cây bông tai Asclepias tuberosa. Ấu trùng loài bướm vua (monarch butterfly) ăn lá cây bông tai và tích tụ chất độc mà sau này còn lưu lại trên cánh bướm. Do đó, đây là loài bướm độc đối với những kẻ săn mồi chẳng hạn như chim.

Sau cùng, nhóm alkaloid (gồm cocaine và ký ninh), a-xít cinnamic (a-xít cafeic chẳng hạn ở khoai tây và một số loài rong biển, Zapata & McMillan, 1979; Cuny & đồng sự, 1995; Vergeer & Develi, 1996) và các lactone đơn giản (a-xít penicillic ở nấm) được biết là những chất khắc chế đối với nhiều loài sinh vật.


Một thí nghiệm sinh học trên bèo tấm Lemna minor. Nhiều loại chiết xuất thực vật được hòa vào những ngăn khác nhau. Một hay hai cánh bèo được cấy vào và rồi, tổng diện tích lá, số lượng chất diệp lục và trọng lượng khô được đo đạc sau một khoảng thời gian ươm nhất định (ảnh Elakovich & Wooten, 1986).

Khắc chế ở thực vật thủy sinh
Các thí nghiệm chứng minh sự khắc chế ở thực vật thủy sinh có thể chia làm hai nhóm chính: 1) nhóm thí nghiệm bao gồm nguyên cây mà chất khắc chế được tiết một cách tự nhiên bên cạnh những cây được kiểm nghiệm và 2) nhóm thí nghiệm mà nhiều loại dung dịch chiết xuất từ tế bào cây lần lượt được kiểm nghiệm về độc tính trên động và thực vật sống.

Tiến sĩ Stella Elakovich, cựu giáo sư tại trường đại học Nam Mississippi, đã thực hiện đa số những thí nghiệm thuộc nhóm sau. Là một nhà hóa học, bà có lẽ thích thú với việc tìm kiếm và nhận dạng những hợp chất hóa học cụ thể hơn là những vấn đề sinh thái trong thí nghiệm. Một báo cáo của lực lượng công binh Mỹ USACE cũng được đề cập trong công trình nghiên cứu của bà (Elakovich & Wooten, 1986). Theo đó, 16 loài cây thủy sinh được thử nghiệm theo hai hướng – hướng thứ nhất dung dịch chiết xuất được thử nghiệm trên mầm rau diếp và hướng còn lại trên sự tăng trưởng của bèo tấm Lemna minor. Sáu loài trong số đó gây ra hiệu ứng ức chế đáng kể trên những đối tượng được thí nghiệm, đặc biệt, các loài súng thơm Nymphaea odorata và rau lữu Brasenia schreberi thể hiện độc tính cao. Trong những nghiên cứu khác, Tiến sĩ Elakovich áp dụng cách tiếp cận tương tự và chứng minh rằng tất cả bảy loài thuộc chi cỏ năng Eleocharis đều ức chế sự tăng trưởng của mầm bèo tấm một khi dung dịch chiết xuất được hòa vào môi trường sống của chúng (Wooten & Elakovich, 1991). Một loài thủy sinh khác luôn tiềm tàng độc tố trong những thí nghiệm như thế này đó là súng vàng Nuphar lutea. Ở đây, chất độc được phân lập và tất cả chúng đều thuộc về nhóm alkaloid (Elakovich & Yang, 1996).

Những nghiên cứu tương tự được thực hiện bởi Wium Andersen & cộng sự, và họ đã chứng minh được rằng chất lưu huỳnh chứa trong chiết xuất của các chi tảo vòng Nitella, Chara và rong đuôi chó Ceratophyllum ức chế sự quang hợp của quần thể phiêu sinh tự nhiên (Wium Andersen & cộng sự, 1982; Wium Andersen & cộng sự, 1983; Wium Andersen, 1987; Wium Andersen & cộng sự, 1987). Những nghiên cứu ở trên chỉ là ví dụ và ở Bảng 1, hầu hết thực vật trong diện thử nghiệm được tập hợp trong một tài liệu khoa học. Cá nhân tôi không thấy có nhiều vấn đề liên quan đến sinh thái trong những thí nghiệm như thế này. Tốt nhất họ nên tìm kiếm những ứng viên tiềm tàng với hành vi khắc chế thực sự vì cuối cùng, những nghiên cứu chỉ chứng minh được rằng thực vật chứa những hợp chất độc hại. Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu ở đây đã kết luận quá xa vời và đề nghị sử dụng thực vật để khống chế bèo hay tảo mà không hề có bằng chứng về hành vi khắc chế ngoài tự nhiên.

Loại thí nghiệm khắc chế thú vị và xác thực hơn là sử dụng nguyên cây. Không may, những nghiên cứu như thế này rất khó thực hiện và do đó hiếm khi xuất hiện trong tài liệu.


Bảng 1


Rong lá trầu Echinodorus mọc trên thảm tảo vòng Chara. Các loài thuộc họ tảo Characeae nổi tiếng trong việc tiết ra chất độc để chống lại các loài biểu sinh (epiphyte) tập hợp trên bề mặt.

Tiến sĩ Elisabeth Gross công tác tại trạm nghiên cứu ao hồ thuộc Đại học Konstanz nổi tiếng bởi công trình trứ danh của bà tiếp cận vấn đề khắc chế giữa những loài thực vật thủy sinh. Bà ươm vô trùng (axenic culture) rong xương cá Myriophyllum spicatum (để rễ và lá không bị nhiễm khuẩn, nấm và tảo) và tái chứng minh rằng loài cây tương đối phổ biến này tiết ra hợp chất phenol trong điều kiện tự nhiên (Gross & cộng sự, 1996). Trong trường hợp này, hợp chất phenol là Tellimagrandin kháng tảo cực mạnh – nghĩa là với nồng độ chỉ 0.2 µ mole/lít ức chế trên 10% hoạt động enzyme ở khuẩn lam (cyanobacteria). Nghiên cứu của bà phát hiện rong xương cá tiết ra 0.4 mg chất độc trên mỗi mg trọng lượng khô mỗi ngày và điều này đủ để hạn chế thực vật biểu sinh bám bên ngoài mặt lá của chúng trong điều kiện tự nhiên – những công trình nghiên cứu của Planas & cộng sự (1981) và Agami & Waisel (1985) đều cho cùng kết quả.


Chất độc mà rong xương cá tiết ra là hợp chất phenol có tên Tellimagrandin. Nó có tính kháng tảo cực mạnh (mạnh hơn cả a-xít gallic trong tỏi) và ở đây nó ức chế một enzyme ngoại bào quan trọng ALP (alkaline phosphatase) ở khuẩn lam. Tellimagrandin được rong tiết ra từ từ trong điều kiện tự nhiên và và do đó nó có thể chống được các loài biểu sinh bám lên bề mặt lá (Gross & cộng sự, 1996).

Tương tác tiêu cực giữa hai loài thực vật bậc cao cũng được chứng minh và thực hiện dưới những điều kiện tiêu chuẩn. Trong một nghiên cứu cẩn trọng, Frank & Dechoretz (1980) đã chứng minh tác động tiêu cực của loài ngưu ma chiên lùn Eleocharis coloradoensis lên sự tăng trưởng của loài Potamogeton pecticantus bởi vì rễ của chúng tiết ra chất khắc chế. Họ thiết lập môi trường thí nghiệm sao cho tác động tiêu cực không diễn ra khi hai loài sử dụng cùng loại nước (trồng trong hai hồ riêng). Ngược lại, sự khắc chế mạnh xảy ra khi họ hòa chung nước giữa hai hồ đưa đến kết luận rằng chất khắc chế được tiết ra từ rễ của loài ngưu ma chiên lùn Eleocharis coloradoensis.

Tảo cũng tác động tiêu cực lên thực vật bậc cao bằng cách tiết ra chất độc, theo quan sát của Sharma (1980) khi lục bình Eichhornia crassipes mọc trong nước có chứa hỗn hợp tảo. Hỗn hợp tảo bao gồm những chi tảo phổ biến Aphanothece, Chlorella và Euglena. Khi chúng xuất hiện, tăng trưởng của lục bình bị giảm 80% và cây chết dần.

Khắc chế trong hồ thủy sinh
Trong tác phẩm “Hệ sinh thái của hồ thuỷ sinh”, Diana Walstad liệt kê một số quan sát về hiện tượng cá chết hay cây teo tóp mà không có nguyên nhân cụ thể nào. Bà liệt tất cả những sự cố “không thể giải thích” được này là sự khắc chế ở cây thủy sinh bậc cao hay tảo. Cá nhân tôi thấy rằng phát biểu sau đây dường như không liên quan gì đến sự khắc chế “ví dụ như, những hồ trồng cây thủy sinh rậm rạp thường có rất ít tảo” (Walstad, 1999). Hiện tượng phổ biến này dường như liên quan đến sự cạnh tranh dinh dưỡng hiệu quả của cây bậc cao (ánh sáng, ni-tơ, phốt-pho và CO2) thì đúng hơn và điều này ngăn cản sự xâm nhập của tảo vào hồ. Một câu hỏi rất tự nhiên là: Có thể sử dụng sự khắc chế để khống chế tảo trong hồ thủy sinh? Câu trả lời là KHÔNG! Chúng ta không thể hạn chế việc thay nước, nhất là khi hồ đang bị nhiễm tảo! Chỉ có thay nước thật ít, thì chất độc mới có thể tích tụ đến một nồng độ đáng kể khiến nó có tác dụng.

Phát biểu của bà rằng “một số loài cây trong hồ của tôi teo tóp cùng với thời gian mà không rõ nguyên nhân cụ thể” dường như không liên quan đến sự khắc chế. Tuy nhiên, đó dường như là vấn đề về tăng trưởng nói chung khi mà những nhu cầu cơ bản của cây trong hồ thủy sinh không được đáp ứng.

Trên thực tế, cuốn sách của Diana Walstad chỉ đề cập đến một quan sát mà nó có thể là sự khắc chế. Bà có lần phát hiện rất nhiều cá bị chết khi cọ rửa vi tảo bám trên mặt kính phía trước. Hành động này gây xáo trộn nhiều tế bào tảo và nếu chúng chứa chất độc thì chất độc có thể tiết vào nước làm cho cá bị chết. Tuy nhiên, điều này không có nghĩa rằng mọi người không nên vệ sinh mặt kiếng hồ! Nếu đấy là một hiện tượng rất phổ biến thì có lẽ chúng ta đã nghe nói về nó một cách thường xuyên rồi và tôi cho rằng bà đã không gặp may khi có một màng chất độc tình cờ tích tụ ở mặt kiếng trước mà thôi.

Hy vọng rằng bài viết này cung cấp cho các bạn đủ kiến thức để luôn hoài nghi mỗi khi nghe nhắc đến bất kỳ loài cây có khả năng khắc chế tảo một cách kỳ diệu nào. Cách tốt nhất để khống chế tảo luôn là một hồ thủy sinh rậm rạp với lượng cá vừa phải kết hợp với việc thay nước một cách thường xuyên. Đặc biệt, điều sau cùng có lẽ ngăn cản sự khắc chế trở thành vấn đề nghiêm trọng trong hồ thủy sinh bởi vì chất độc không thể tích tụ đến nồng độ đáng kể và do đó, nếu có tác động thì cũng không bao giờ đủ mạnh.