Phương pháp, chiến lược và triển vọng phục hồi san hô

Được mệnh danh là những khu rừng nhiệt đới dưới đáy biển, các rạn san hô mang đến nhiều giá trị đối với hệ sinh thái biển và con người. Tuy nhiên, những năm gần đây, hệ sinh thái rạn san hô đang dần suy thoái trên diện rộng bởi các yếu tố khách quan cũng như hoạt động của con người. Do đó, việc phục hồi, bảo tồn các rạn san hô đang là vấn đề hết sức bức thiết, được nhiều quốc gia trên toàn thế giới quan tâm.

Nhiều biện pháp nhằm bảo vệ và phục hồi rạn san hô trước mắt và lâu dài đã và đang được triển khai.

Bài viết dưới đây cung cấp một cái nhìn tổng quan về các phương pháp, chiến lược đang được áp dụng hiện nay và triển vọng phục hồi san hô trong tương lai.

***

Các phương pháp phục hồi san hô có thể được chia thành ba loại:

(1) Phương pháp nhân giống vô tính

(2) Phương pháp nhân giống hữu tính

(3) Tăng cường giá thể

1. PHƯƠNG PHÁP NHÂN GIỐNG VÔ TÍNH

Nhân giống vô tính là kỹ thuật phục hồi san hô bằng cách cấy ghép các tập đoàn san hô (các mảnh san hô được bao phủ bởi các polyp san hô còn sống) từ một rạn san hô khỏe mạnh hoặc hoạt động trồng san hô lên một rạn san hô bị suy thoái. Đặc trưng của những phương pháp này thường không khai thác bất kỳ yếu tố nào của quá trình sinh sản san hô tự nhiên. Vì mỗi tập đoàn san hô được tạo thành bởi các sinh vật giống nhau về mặt di truyền, nên việc duy trì sự đa dạng di truyền trong mỗi loài là chìa khóa để cải thiện khả năng sống sót của san hô được cấy ghép khi bùng phát dịch bệnh, nước biển ấm lên hoặc các mối đe dọa khác - không được giải quyết theo cách tiếp cận này trừ khi kết hợp với các chiến lược khác. Ví dụ nhu cần về mức độ đa dạng di truyền cao hơn có thể được đáp ứng bằng cách nuôi cấy các tập đoàn san hô của mỗi loài san hô từ nhiều địa điểm khác nhau.

1.1. Cấy ghép trực tiếp

Việc cấy ghép trực tiếp các tập đoàn san hô từ các rạn san hô khỏe mạnh lên các rạn san hô bị suy thoái - hoặc lên một môi trường mới hoàn toàn - là một trong những phương pháp lâu đời nhất, đơn giản nhất và phổ biến nhất được sử dụng để khắc phục sự suy giảm của rạn san hô. Phương pháp này liên quan đến việc tách nhánh san hô sống khỏi rạn san hô hiện có, điều này có thể làm suy giảm đáng kể “rạn san hô bố mẹ” nếu khai thác quá nhiều san hô từ một khu vực giới hạn trong một khoảng thời gian ngắn. Một số sự cố xảy ra như tàu mắc cạn trên các rạn san hô, bão lớn hoặc các tác động vật lý khác làm gãy các mảnh san hô khỏi tập đoàn, tạo ra các “san hô cơ hội” - có thể dung để cấy ghép sang các rạn san hô khác mà không cần lấy thêm san hô khỏe mạnh.

Sự thành công của việc cấy ghép phụ thuộc vào nhiều yếu tố, chẳng hạn như kích thước và sức khỏe của các mảnh san hô, cách thức vận chuyển đến địa điểm cấy ghép, điều kiện nước (độ đục, ánh sáng), thành phần loài, mật độ của san hô "được trồng", và mức độ gắn chặt của mảnh san hô với giá thể, cũng như sự có mặt của tảo và cá ăn san hô. Ví dụ như, trong một rạn san hô bị suy thoái có lớp phủ dày của tảo nếu không có việc can thiệp để kiểm soát sự phát triển của tảo từ con người thì tảo sẽ nhanh chóng phát triển quá mức và làm chết các san hô đã được cấy ghép.

Một báo cáo toàn diện ("Báo cáo") về các phương pháp phục hồi san hô được công bố vào năm 2020 bởi nhiều tác giả chỉ ra rằng tỷ lệ sống sót 70% là một tiêu chuẩn hợp lý để đánh giá việc cấy ghép thành công. Khi phân tích nhiều kết quả từ quá trình trồng phục hồi rạn san hô, các tác giả nhận thấy rằng san hô được vận chuyển dưới nước trong lồng có tỷ lệ sống sót cao hơn, nhưng họ cũng chỉ ra rằng điều này thường bị cản trở bởi khoảng cách vận chuyển đến các rạn san hô tiếp nhận. Trong những trường hợp đó, các mảnh san hô phải được vận chuyển bằng tàu, trong các thùng chứa là nước biển, được bảo vệ khỏi không khí và ánh nắng mặt trời. Báo cáo cũng lưu ý rằng, bằng nguồn dữ liệu hiện có chưa khẳng định được việc trồng một số loài san hô sẽ thu hút các loài khác (ví dụ: cá, động vật da gai, giáp xác, động vật không xương sống khác) tạo thành hệ sinh thái rạn san hô khỏe mạnh.

1.2. Nuôi trồng san hô

Nuôi trồng san hô bao gồm việc nuôi các tập đoàn san hô từ những mảnh san hô nhỏ trong vườn ươm và sau đó là trồng các tập đoàn đó, gắn chúng vào một rạn san hô đã suy thoái sau khi chúng đã phát triển đủ lớn để có thể tồn tại mà không cần sự can thiệp của con người. Một phần san hô được nuôi cấy có thể được giữ lại và chia thành các mảnh nhỏ hơn để làm giống cho chu kỳ nuôi trồng san hô tiếp theo. Điều này giúp tránh nhu cầu khai thác san hô liên tục từ các rạn san hô khỏe mạnh để hỗ trợ các nỗ lực phục hồi ở những nơi khác. Các mảnh san hô có thể được trồng trong các vườn ươm dưới nước (nguyên vị - in situ ), tận dụng các điều kiện tự nhiên, hoặc nhân giống trong các cơ sở trên cạn (chuyển vị - ex situ) trong các dãy bể có hệ thống quản lý chất lượng nước chặt chẽ.

a) Các phương pháp thông thường

Việc nuôi san hô đã được tiến hành không chỉ bởi các tổ chức nghiên cứu, mà còn bởi các ngành công nghiệp thủy sinh, du lịch và khách sạn. Trong lịch sử, hầu hết các hoạt động nuôi trồng san hô liên quan đến việc nuôi cấy các mảnh nhỏ từ “san hô bố mẹ”, được nuôi trong các vườn ươm cho đến khi chúng đủ lớn để tự sinh tồn mà không cần sự can thiệp sâu của con người. Các mầm giống san hô có thể được đặt trên giá, đế xi măng, khung, hoặc "cây" dưới nước (làm bằng ống kim loại hoặc ống PVC). San hô giống sau đó sẽ được trồng vào các rạn san hô bị suy thoái hoặc ở các địa điểm mới có điều kiện thích hợp cho sự phát triển của san hô.

Việc nuôi san hô "thông thường" phần lớn sử dụng các loài có khả năng phát triển và phục hồi nhanh chóng, hoặc chúng có cơ chế sinh sản cả vô tính (thông qua nảy chồi hoặc phân mảnh) cả sinh sản hữu tính trong tự nhiên. Điều này đảm bảo tỷ lệ sống sót đạt yêu cầu và kết quả có thể đo được trong một khoảng thời gian tương đối ngắn. Báo cáo chỉ ra rằng rất khó để so sánh tỷ lệ thành công của việc cấy ghép trực tiếp với nuôi trồng san hô vì trong mỗi giai đoạn của việc nuôi trồng san hô đều có tỷ lệ chết, trong khi việc cấy ghép trực tiếp chỉ bao gồm rủi ro trong giai đoạn vận chuyển và cấy ghép. Hơn nữa, các nhà nghiên cứu cũng lưu ý rằng nhiều cơ sở nuôi trồng san hô không chủ động theo dõi sự tồn tại và tăng trưởng của san hô sau một hoặc hai năm đầu tiên, gây khó khăn cho việc đánh giá và so sánh kết quả dài hạn của các dự án khác nhau.

b) Kỹ thuật nuôi cấy vi mảnh san hô

Một hình thức nuôi san hô chuyên biệt trên bờ xuất hiện đã cách mạng hóa quá trình nhân giống vô tính và cho phép các loài san hô tạo rạn lớn, sống ở rạn san hô có tốc độ phát triển chậm phát triển nhanh hơn đáng kể, chẳng hạn như các loài san hô não (brain), san hô tấm (boulder), san hô tia (star), hoặc san hô vách đáy (moulding). Kỹ thuật này được phát triển và hoàn thiện bởi Tiến sĩ David Vaughan và nhà sinh vật học Christopher Page của Phòng thí nghiệm Mote Marine, Summerland Key, Florida. Quá trình này thực hiện bằng cách sử dụng một lưỡi cưa phủ kim cương cắt các mảnh san hô sống lớn hơn thành các mảnh có kích thước nhỏ (1cm² hoặc nhỏ hơn) và gắn chúng vào những viên gạch nhỏ (loại dùng để trồng san hô) hoặc những miếng bê tông hình tròn, trên đó chúng sẽ phát triển cho đến khi đủ lớn để được ghép vào một rạn san hô. Sau đó, các vi mảnh san hô và giá thể của chúng được nuôi trong các bể nước biển nông nhân tạo.

Kỹ thuật này là sản phẩm của một khám phá tình cờ. Vào năm 2006, trong khi di dời một mảnh san hô trồng sống từ bể nước mặn ở phòng thí nghiệm Mote, Tiến sĩ Vaughan nhận thấy rằng một miếng nhỏ của mảnh san hô vô tình bị vỡ ra, để lại hai hoặc ba polyp san hô. Sau vài tuần, Tiến sĩ Vaughan tình cờ kiểm tra bể nơi xảy ra sự cố vỡ và thấy rằng các polyp rớt lại trong bể đã nhân lên, gấp đôi kích thước khối và số lượng polyp - đây là điều bất ngờ bởi tốc độ phát triển của san hô trong tự nhiên rất chậm. Việc giảm xuống kích thước nhỏ như vậy đã kích hoạt phản ứng tăng trưởng nhanh chóng ở san hô khiến chúng tái tạo nhanh chóng để phục hồi kích thước. (Lưu ý: trong trường hợp này, san hô sinh sản vô tính bằng cách nảy chồi - đâm ra các "chồi" mới - các chồi trở thành các polyp riêng biệt, giống hệt nhau về mặt di truyền.)

Trong những năm gần đây, Tiến sĩ Vaughn và nhà sinh học Page đã tận dụng tốc độ phát triển nhanh (nhanh hơn từ 25 đến 50 lần so với trong tự nhiên) của các mảnh có kích thước siêu nhỏ và cải tiến một quy trình tối ưu để nuôi trồng san hô. Khi san hô được nuôi đủ lớn để cấy ghép, chúng được gắn trên bề mặt của rạn san hô bị thoái hóa, chẳng hạn như gắn trên rạn san hô chết đã được làm sạch tảo hoàn toàn hoặc giá thể của rạn san hô nhân tạo. Thêm vào đó, họ đã phát hiện ra rằng nhiều "giá đỡ (1 loại giá thể san hô dạng nút chai)" của san hô được nuôi cấy khi được gắn gần nhau trên bề mặt của san hô chết, sẽ phát triển ra ngoài về phía nhau, cuối cùng hợp nhất với nhau và tạo thành một lớp phủ liên tục của san hô sống (được gọi là "tái tạo bề mặt" ).

Thách thức và giải pháp

Ban đầu trong quá trình hoàn thiện quy trình nuôi cấy mảnh san hô, Tiến sĩ Vaughn cùng nhóm nghiên cứu và các tình nguyện viên của ông đã gặp phải một thách thức nghiêm trọng: cá vẹt và những loài cá ăn san hô khác thích san hô nuôi trồng trong vườn ươm hơn loại đã sống trong các rạn san hô, dẫn đến mất gần như hoàn toàn số san hô được cấy ghép. Trước tình huống đó, một giải pháp đã được đưa ra: đó là trong giai đoạn thích nghi ban đầu tại khu vực cấy ghép, san hô nuôi trồng được đặt trong những chiếc lồng dưới nước nhằm bảo vệ khỏi động vật ăn thịt. Sau một thời gian điều chỉnh, san hô đã thay đổi từ màu xanh sáng mà chúng có khi phát triển trong bể trên cạn (điều thu hút cá vẹt) sang màu xỉn hơn giống với các loài san hô đang sống trên rạn.

Thiếu đa dạng di truyền là một hạn chế của kỹ thuật nuôi trồng san hô, bao gồm cả việc “nuôi cấy vi mảnh san hô”. Sự đa dạng di truyền cao trong một loài làm tăng khả năng một số loài san hô được nuôi trồng sẽ sống sót qua các đợt bùng phát dịch bệnh hoặc tiến hóa để chịu đựng các điều kiện thay đổi, chẳng hạn như việc nước biển ấm lên. Điều này có thể được giải quyết bằng cách kết hợp các phương pháp nuôi trồng san hô trong bể (nhằm tạo ra các phiên bản giống hệt nhau về mặt di truyền) với các biện pháp khai thác quá trình sinh sản hữu tính.

Triển vọng

Nhờ sự thành công của quá trình “nuôi cấy vi mảnh san hô” sử dụng tại Phòng thí nghiệm Mote Marine, Tiến sĩ Vaughn hy vọng sẽ đào tạo được nhiều nhà nuôi trồng san hô với cách sử dụng phương pháp này nhằm phục hồi rộng rãi và tổng thể các rạn san hô trên quy mô lớn để ngăn chặn sự biến mất của các rạn san hô sống.

2. NHÂN GIỐNG HỮU TÍNH

Nhân giống hữu tính gồm các biện pháp phục hồi các rạn san hô bằng cách thực hiện các kỹ thuật cải thiện khả năng tạo ấu trùng bám vào giá thể đáy, quá trình này một số ấu trùng san hô có thể lắng xuống và tự bám vào giá thể an toàn - nơi chúng có thể tiếp tục phát triển thành các polyp san hô. Ấu trùng san hô cứng tiếp xúc giá thể thành công tạo thành một phần của quần thể và tạo ra các bộ xương can xi cứng kết dính với bề mặt mà chúng bám vào.

Các tập đoàn san hô sinh sản sinh sản thông qua hình thức mùa sinh sản hàng năm, thời gian này chúng đồng thời phóng thích hàng triệu giao tử (trứng và tinh trùng) vào nước, tạo ra một "trận bão tuyết" dưới nước nổi gần bề mặt, nơi trứng và tinh trùng được trộn lẫn trong khối nước. Các yếu tố xác định mùa sinh sản này còn ít thông tin.

Một giao tử trứng và tinh trùng kết hợp với nhau khi phôi thai phát triển thành một ấu trùng san hô được gọi là ấu trùng planula. Các planula nổi gần bề mặt trong nhiều ngày hoặc nhiều tuần, tùy thuộc vào loài, cho đến khi chúng sẵn sàng bám vào một bề mặt vững chắc trên nền rạn. Khi giai đoạn phát triển này hoàn tất, chúng chìm xuống đáy và nếu thành công - chúng bám vĩnh viễn vào một bề mặt thích hợp, nơi chúng bắt đầu phát triển thành một tập đoàn san hô mới.

Tuy nhiên, trong tự nhiên, một tỷ lệ lớn ấu trùng không bao giờ đạt đến giai đoạn trưởng thành vì bị dòng chảy cuốn trôi, bị ăn bởi động vật ăn thịt hoặc do thiếu chất nền thích hợp. Hơn nữa, sự thụ tinh của san hô trong cột nước có thể không xảy ra nếu việc sinh sản diễn ra không đồng bộ khi trứng san hô và tinh trùng được phóng ra vào những thời điểm khác nhau. Những thách thức này càng trở nên trầm trọng hơn do các mối đe dọa do con người gây ra làm đảo lộn các điều kiện sinh sản bình thường. Bằng việc tận dụng khả năng có thể  tạo ra hàng triệu giao tử (trứng và tinh trùng) của san hô và làm giảm đáng kể tỷ lệ sinh sản thất bại vốn có ngay cả trong điều kiện rạn san hô khỏe mạnh, lý tưởng, việc nhân giống ấu trùng (hữu tính) nhằm mục đích bù đắp các điều kiện ngày càng bất lợi cản trở quá trình nhân giống tự nhiên.

2.1. Các phương pháp hỗ trợ ấu trùng chuyển vị (ex situ)

 Phương pháp nhân giống ấu trùng này bao gồm việc nuôi cấy chuyển vị (ex situ) hoặc thu thập các giao tử san hô, nuôi dưỡng chúng trong suốt giai đoạn ấu trùng, sau đó để chúng bám trên các giá thể nhân tạo trong các bể nước mặn nhận tạo trên bờ. Theo cách tiếp cận này, có thể kiểm soát tốt hơn việc bám vào giá thể nền đáy của các polyp san hô so với trong tự nhiên (in situ), nơi các dòng hải lưu và động vật ăn thịt làm giảm tỷ lệ sinh sản thành công. Sau khi các polyp chuyển sang giai đoạn định cư trong vòng đời, chúng có thể được trồng lên các rạn san hô suy thoái hoặc các rạn san hô nhân tạo.

2.2. Các phương pháp hỗ trợ ấu trùng nguyên vị (in situ)

Các phương pháp hỗ trợ ấu trùng nguyên vị (in situ) bắt đầu bằng cách thu thập các giao tử san hô trên các rạn san hô trong quá trình sinh sản. Thời điểm thu thập phải hoàn hảo vì cơ hội chỉ xảy ra một lần trong năm. Các giao tử và phôi đã thụ tinh được giữ trong các khối nước mặn hoặc các bể ấp cho đến khi chúng trở thành các ấu trùng plaluna sẵn sàng cho giai đoạn định cư. Khi phôi đã sẵn sàng để lắng xuống, chúng được đưa vào một lồng lưới không có đáy hoặc lưới quây kín trên khu vực phục hồi rạn san hô đã xác định. Ấu trùng planula đi xuống phần nền rạn san hô trong chu vi của lồng. Các lưới quây có thể được di chuyển đến nhiều vị trí, chỉ giải phóng một phần ấu trùng planula tại mỗi vị trí đã xác định.

Các dự án hỗ trợ ấu trùng tại chỗ đã chứng tỏ sự thành công ở Philippines và trên rạn san hô Great Barrier ở Úc. Tại Úc, các nghiên cứu quy mô lớn về nhân giống ấu trùng trên các mặt cắt san hô 100m² đã được thực hiện vào năm 2017. Những khu vực này vẫn đang trong quá trình theo dõi. Một dự án hỗ trợ ấu trùng khác trên Great Barrier Reef tiên phong bởi Đại học Công nghệ Queensland, liên quan đến việc sử dụng robot lặn dưới nước ("LarvalBots") để "phun" các ấu trùng planula được tuyển chọn chính xác hơn lên các chất nền phù hợp. Các nhà khoa học đang nỗ lực tìm hiểu các yếu tố tác động đến mùa sinh sản hàng năm, với mong muốn tạo ra các mùa sinh sản với tần suất lớn hơn, đẩy nhanh nỗ lực chống lại tác động của biến đổi khí hậu và các nguyên nhân gây suy giảm rạn san hô khác.

3. TĂNG CƯỜNG GIÁ THỂ

Các phương pháp phục hồi rạn san hô trong nhóm giải pháp này nhằm mục đích tạo điều kiện thuận lợi cho việc bám vào giá thể phù hợp của ấu trùng san hô mà không cần nuôi cấy hoặc nhân giống các tập đoàn san hô, mặc dù việc cấy ghép các mảnh san hô thường được thực hiện cùng với các nỗ lực tăng cường giá thể.

3.1. Rạn san hô nhân tạo

Tạo ra các rạn san hô nhân tạo bao gồm việc đặt các giá thể do con người tạo ra dưới đáy biển để mô phỏng các đặc điểm cấu trúc (hình khối, cấu tạo và vị trí)  của một rạn san hô tự nhiên và để thu hút sinh vật biển, bao gồm san hô và tất cả các dạng sinh vật biển khác hiện diện trên một rạn san hô khỏe mạnh. Rạn san hô nhân tạo được tạo ra từ các tàu bị chìm; ống, hình khối, khối cầu rỗng (như ReefBalls) và khối hộp bê tông; các cụm mô-đun của thanh và ống thép; và đá granit, gốm, và các vật liệu khác. San hô cơ hội (như: các mảnh san hô được giải cứu sau khi tàu mắc cạn hoặc sau các cơn bão) hoặc san hô từ các hoạt động nuôi trồng san hô thường được sử dụng để trồng trên các rạn san hô nhân tạo.

Điều quan trọng cần ghi nhớ là các rạn san hô tự nhiên là hệ sinh thái phức tạp tạo thành bởi số lượng lớn các loài cá, san hô cứng, san hô mềm (san hô không có bộ xương canxi hóa, chẳng hạn như san hô sừng và san hô cành dương), và vô số động vật không xương sống ở biển khác. Việc chỉ cấy ghép một số lượng hạn chế các loài san hô vào các cấu trúc nhân tạo không đảm bảo rằng một loạt các loài khác sẽ theo đến và cư trú tại rạn đó, trừ khi các biện pháp khác được thực hiện.

3.2. Ổn định của giá thể

Các nỗ lực phục hồi liên quan đến việc gia cố và ổn định giá thể là rất quan trọng ở những khu vực hình thành san hô trước đây đã bị phá hủy nghiêm trọng do bão hoặc tàu thuyền mắc cạn, dẫn đến nền đáy có đặc điểm là các mảnh vỡ và san hô vụn không ổn định. Vì hầu hết các loài san hô cần một nền cứng vững chãi để phát triển nên nền đáy cần được cố định bằng lưới, được chèn lên bằng đá lớn hoặc cố định bằng cọc sắt. Tuy nhiên, chỉ riêng bề mặt ổn định là không đủ cho sự tái tạo san hô. Do đó, nó thường được kết hợp với các biện pháp khác như xây dựng rạn san hô nhân tạo và cấy ghép san hô.

Người dịch: Nguyễn Xuân Ngọc (P.TTKHQS)

Nguồn: https://www.tuckermanreef.com/restoration.html