Tài liệu Tài liệu thí nghiệm sinh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CHƯƠNG TRÌNH PHÁT TRIỂN GIÁO DỤC TRUNG HỌC VỤ GIÁO DỤC TRUNG HỌC TÀI LIỆU THÍ NGHIỆM THỰC HÀNH TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG Môn Sinh học (Tài liệu lưu hành nội bộ) Hà Nội, tháng 9 năm 2011 1 Nhóm tác giả biên soạn tài liệu 1. GS.TS. Vũ Văn Vụ 2. PGS.TS. Mai Sỹ Tuấn 3. ThS. Lê Đình Tuấn 4. TS. Ngô Văn Hưng 5. ThS. Nguyễn Thị Linh Biên tập nội dung TS. Ngô Văn Hưng 2 Lời nói đầu Nhằm triển khai Đề án phát triển hệ thống trường THPT chuyên giai đoạn 2010 - 2020, với mục tiêu nâng cao chất lượng dạy học trong các trường THPT chuyên và phát triển chuyên môn cho giáo viên chuyên sinh, Bộ Giáo dục và Đào tạo tổ chức biên soạn tài liệu “Thí nghiệm thực hành trường THPT môn Sinh học”. Để đáp ứng yêu cầu đổi mới dạy học tăng cường dạy thí nghiệm thực hành và thi chọn học sinh giỏi sinh học THPT, Bộ Giáo dục và Đào tạo đã mời các cán bộ quản lý chỉ đạo dạy học, các giảng viên đại học và các nhà khoa học, giáo viên trực tiếp giảng dạy chương trình chuyên sinh học có nhiều thành tích trong công tác bồi dưỡng học sinh giỏi và nghiên cứu khoa học, tham gia viết tài liệu này. Cấu trúc tài liệu gồm có: Phần 1. Giới thiệu chung về thí nghiệm thực hành môn Sinh học Phần 2. 10 bài thí nghiệm thực hành môn Sinh học. Mỗi bài được viết theo cấu trúc: - Mục tiêu - Cơ sở khoa học - Thiết bị, hóa chất, mẫu vật - Tiến hành thí nghiệm - Phân tích kết quả và lập báo cáo - Câu hỏi đánh giá và mở rộng vấn đề Phần 3. Phụ lục (giới thiệu một số bài thi thực hành của IBO). Mặc dù tài liệu được viết rất công phu, Tiểu ban thẩm định môn Sinh học đọc góp ý và biên tập nội dung nhưng khó tránh khỏi còn có những sơ sót nhất định. Các tác giả mong nhận được góp ý của quý thầy cô giáo và độc giả khi sử dụng tài liệu. Trân trọng cám ơn Tiểu ban thẩm định và bạn đọc. Thay mặt các tác giả TS. Ngô Văn Hưng 3 Mục lục Trang Lời nói đầu 3 Mục lục 4 Hướng dẫn sử dụng tài liệu 5 Phần 1. Giới thiệu chung về thí nghiệm thực hành môn Sinh học 7 Vai trò của dạy học thực hành đối với học sinh trường THPT chuyên 7 Thực trạng thí nghiệm thực hành môn Sinh học THPTvà các giải pháp cải tiến thực trạng 8 Những yêu cầu cần thiết dạy thực hành sinh học có hiệu quả 9 An toàn thí nghiệm thực hành sinh học 13 Yêu cầu về kỹ năng thực hành sinh học (theo IBO) 30 Phần 2. 10 bài thí nghiệm thực hành môn Sinh học 34 Bài 1. Nhận biết một số thành phần hóa học của tế bào 34 Bài 2. Ảnh hưởng nhiệt độ, pH, các chất kìm hãm lên hoạt độ của enzym. Xác định hoạt độ của một số enzyme 50 Bài 3. Quan sát tế bào dưới kính hiển vi. 64 Thí nghiệm co và phản co nguyên sinh Bài 4. Thực hành lên men etilic 69 Bài 5. Tìm hiểu hoạt động của tim ếch 73 Bài 6. Thí nghiệm về điện sinh học 80 Bài 7. Chiết rút sắc tố từ lá. Xác định tính cảm quang của clorophin 85 Bài 8. Chứng minh quá trình hô hấp tỏa nhiệt mạnh 91 Bài 9. Quan sát các dạng đột biến NST trên tiêu bản cố định hay trên tiêu bản tạm thời 94 Bài 10. Tính độ phong phú của loài và kích thước quần thể 110 Phần 3. Phụ lục 123 Phụ lục 123 Tài liệu tham khảo 163 Thông tin về tác giả 165 4 HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG TÀI LIỆU Cuốn tài liệu này được sử dụng cùng với cuốn “Tài liệu bồi dưỡng phát triển chuyên môn cho giáo viên trường THPT chuyên năm 2011 môn Sinh học” của Bộ GDĐT (tháng 7 năm 2011). Có hai quan niệm sai lầm cần tránh là: - Chỉ khi nào có đủ trang thiết bị, hóa chất, mẫu vật như trong tài liệu thì mới có thể tiến hành thí nghiệm thực hành sinh học được. Năm đầu tiên có thể chọn những thí nghiệm thực hành phù hợp với điều kiện của địa phương để thực hiện trước (ví dụ như bài nhận biết các chất hữu cơ trong tế bào, bài quan sát tế bào, bài lên men, bài chiết rút sắc tố, quan sát tiêu bản NST,…) đồng thời có kế hoạch khắc phục khó khăn, trở ngại để thực hiện hết các nội dung thực hành trong những năm sau. - Sẽ sai lầm nếu cho rằng chỉ cần thực hiện như nội dung các bài thực hành trong tài liệu là tốt rồi. Những nơi có điều kiện về trang thiết bị và giáo viên có thể mở rộng nội dung bài thực hành. Ví dụ bài 1 có thể 5ung nội dung nhận biết 5ung5ic và axit 5ung5ic; bài 3 có thể 5ung nội dung đếm số lượng tế bào; … Trong cuốn “Tài liệu bồi dưỡng phát triển chuyên môn cho giáo viên trường THPT chuyên năm 2011 môn Sinh học” có giới thiệu rất nhiều bài thực hành khác nữa. Để sử dụng tài liệu hiệu quả nhất xin lưu ý mấy điểm sau: - Đọc kĩ nội dung phần 1: “Giới thiệu chung về thí nghiệm thực hành môn Sinh học”. Giáo viên và học sinh phải tường minh những yêu cầu cần thiết dạy thực hành sinh học có hiệu quả, quy trình một bài thực hành sinh học, quy tắc làm việc trong phòng thí nghiệm, và đặc biệt là “yêu cầu về kĩ năng thực hành sinh học”. - Đọc kĩ nội dung từng bài thực hành ở phần 2, căn cứ vào thực tiễn địa phương để quyết định mục tiêu cụ thể cho từng nội dung thực hành thí nghiệm đã chọn cho dạy học hay thi tuyển học sinh giỏi. Khi chọn nội dung thực hành cần tính đến thời gian hoàn thành cho mỗi nội dung đó để bố trí dạy học hay thi cử cho hợp lý. 5 - Nghiên cứu kĩ phần cơ sở khoa học của thí nghiệm thực hành. Đây chính là căn cứ để giải thích các hiện tượng quan sát được trong thí nghiệm. Giáo viên có thể dành thời gian hướng dẫn (hoặc kiểm tra) học sinh nội dung này. - Giáo viên phải tìm hiểu và chuẩn bị đầy đủ thiết bị, hóa chất, mẫu vật yêu cầu trong mỗi thí nghiệm thực hành (chú ý: có thể thay thế thiết bị, hóa chất, mẫu vật sẵn có của địa phương mà không nhất thiết phải đúng như trong tài liệu đã viết; để kích thích tư duy của học sinh có thể thay đổi số liệu khác với hướng dẫn trong tài liệu rồi yêu cầu học sinh giải thích vì sao kết quả thí nghiệm lại khác so với trong tài liệu). Trước khi thực hành nhất định học sinh phải thành thạo các bước: kiểm tra dụng cụ thiết bị, hóa chất, mẫu vật; trình tự các bước làm thí nghiệm thực hành. - Trong mỗi bài thí nghiệm thực hành, giáo viên cần nghiên cứu thật kĩ nội dung “phân tích kết quả và báo cáo” để hướng dẫn học sinh ghi chép kết quả thực hành, xử lí các số liệu thu được, trình bày báo cáo. - Phần câu hỏi đánh giá và mở rộng vấn đề là những gợi ý bước đầu. Trong thực tiễn dạy học thực hành giáo viên có thể đưa thêm nhiều tình huống mới để kích thích tư duy cho học sinh, thậm chí lấy ngay tình huống cụ thể trong buổi thực hành để học sinh phân tích, thảo luận. Chú ý tham khảo các bài thi thực hành của IBO được giới thiệu ở phần phụ lục. - Giáo viên và học sinh có thể vào trang WEB của bộ môn Sinh học: http://sites.google.com/site/diendanchuyensinh để tải về những tư liệu và bài thực hành đã được quay băng. Cuối cùng nếu trong quá trình thực hiện có gặp khó khăn gì thì liên hệ với chúng tôi theo địa chỉ trong mục “Thông tin về tác giả” ở cuối tài liệu. 6 Phần 1. Giới thiệu chung về thí nghiệm thực hành môn Sinh học I. Vai trò của dạy học thực hành đối với học sinh trường THPT chuyên “… Không thể hình dung được việc giảng dạy sinh vật học trong nhà trường mà lại không có quan sát, không có thí nghiệm học tập.” B.P. Exipốp (trong cuốn những cơ sở của LLDH). Quan sát và thí nghiệm là các phương pháp nghiên cứu cơ bản của khoa học tự nhiên, của các môn khoa học thực nghiệm, trong đó có sinh học. Sinh học là một khoa học đã và sẽ không thể phát triển được nếu không có quan sát, thí nghiệm. Quan sát và thí nghiệm đã tạo khả năng cho các nhà khoa học phát hiện và khai thác các sự kiện, hiện tượng mới, xác định những quy luật mới, rút ra những kết luận khoa học và tìm cách vận dụng vào thực tiễn. Đối với quá trình dạy học các môn khoa học tự nhiên, khoa học thực nghiệm, quan sát và thí nghiệm cũng là phương pháp làm việc của học sinh (HS), nhưng với HS những bài tập quan sát hoặc các thí nghiệm được giáo viên (GV) trình bày hay do chính các em tiến hành một cách độc lập (thực hành quan sát, thí nghiệm của HS) dưới sự tổ chức, hướng dẫn của GV thường để giải quyết những vấn đề đã biết trong khoa học, rút ra những kết luận cũng đã biết tuy vậy đối với các em HS vẫn là mới. Thông qua quan sát, thí nghiệm, bằng các thao tác tư duy phân tích, tổng hợp, trừu tượng hóa và khái quát hóa giúp các em xây dựng các khái niệm. Bằng cách đó các em nắm kiến thức một cách vững chắc và giúp cho tư duy phát triển. Quan sát và thí nghiệm đòi hỏi phải có những thiết bị dạy học như tranh ảnh, mô hình, các mẫu vật tự nhiên và các phương tiện thiết bị phục vụ cho việc tiến hành các thí nghiệm. Quan sát và thí nghiệm không chỉ cho phép HS lĩnh hội tri thức một cách sâu sắc, vững chắc mà còn tạo cho các em một động lực bên trong, thúc đẩy các em thêm hăng say học tập. Tục ngữ có câu “Trăm nghe không bằng một thấy”, đủ nói lên vai trò của quan sát thí nghiệm. Người Ấn Độ và người Trung Hoa cũng đã nói: “Nghe thì quen, nhìn thì nhớ, làm thì hiểu”. 7 Những phân tích trên đây không chỉ cho chúng ta thấy rõ tầm quan trọng của thí nghiệm thực hành mà còn nhấn mạnh đến phương pháp sử dụng các thí nghiệm thực hành đó để có thể đạt được hiệu quả cao đáp ứng mục tiêu dạy học hiện nay của sự nghiệp giáo dục. II. Thực trạng thí nghiệm thực hành môn Sinh học THPTvà các giải pháp cải tiến thực trạng Hiện nay số lượng và chất lượng thí nghiệm thực hành sinh học chưa đáp ứng được yêu cầu của việc dạy học nói chung và đặc biệt là yêu cầu việc đổi mới dạy học nói riêng. Tình trạng đó có thể có nhiều nguyên nhân, phần vì kinh phí cho khu vực này còn hạn hẹp tuy đã có nhiều cố gắng, phần vì trách nhiệm của nhà sản xuất (còn mà không dùng được, dùng được thì cũng chóng hỏng), phần vì thiếu một sự quản lí chỉ đạo, động viên những người tốt, việc tốt trong sử dụng và cải tiến sáng tạo thí nghiệm thực hành sinh học hiện có. Như đã phân tích, hiệu quả dạy học còn tùy thuộc vào phương pháp sử dụng các thí nghiệm thực hành. Nếu một bức tranh, một thí nghiệm chỉ được sử dụng để minh họa và củng cố những điều GV đã trình bày đầy đủ về phương diện lý thuyết sẽ hạn chế tư duy sáng tạo của HS, HS hầu như không thu lượm được thêm gì về kiến thức, nếu không phải chỉ để rèn luyện kĩ năng quan sát, thí nghiệm. Nhưng nếu được sử dụng theo con đường tìm tòi nghiên cứu (khám phá) để đi đến kiến thức cần lĩnh hội (kiến thức mới) sẽ có ý nghĩa khác biệt cơ bản so với loại hình thí nghiệm nêu trên, nó giúp HS có điều kiện, cơ hội phát triển tư duy sáng tạo – một phẩm chất và năng lực cần có ở con người mới mà nhà trường có trách nhiệm đào tạo. Đi theo con đường này, sau khi đã hiểu được nhiệm vụ cần làm sáng tỏ (mục đích của thí nghiệm) bằng tư duy tích cực, HS sẽ hình thành được các giả định (trong nghiên cứu khoa học đây chính là bước xây dựng giả thuyết về vấn đề nghiên cứu từ sự nảy sinh câu hỏi: “Điều gì sẽ xảy ra nếu…?”). Câu hỏi được hình thành từ những liên tưởng dựa trên vốn kiến thức và kinh nghiệm đã có của HS. Khi giả định được hình thành, trong đó hàm chứa con đường phải giải quyết, HS xây dựng kế hoạch giải quyết để chứng minh cho giả định đã 8 nêu. Hai bước nêu giả định và xây dựng kế hoạch giải quyết chứng minh cho giả định là hai bước đòi hỏi tư duy tích cực và sáng tạo. Đây là những cơ hội rèn luyện tu duy sáng tạo cho HS rất tốt, là giai đoạn tiến hành thí nghiệm tưởng tượng (“thí nghiệm trong tư duy”) định hướng cho hành động thí nghiệm tiếp theo dựa trên kế hoạch đã được HS thiết kế (kế hoạch dự kiến). Cuối cùng, căn cứ vào kết quả của thí nghiệm, HS rút ra kết luận, nghĩa là HS lĩnh hội được kiến thức từ thí nghiệm một cách chủ động (mà không phải do thày truyền đạt và HS tiếp thu một cách thụ động). Hiện nay hầu hết các bài thực hành thí nghiệm sinh học ở THPT trong chương trình và SGK được bố trí ở cuối mỗi chương chỉ mang tính chất củng cố minh họa cho các kiến thức lý thuyết đã được trình bày trong các bài học của chương trình dưới hình thức phần lớn là “bày sẵn” từng bước cho HS. Hơn nữa số tiết thực hành quy định trong chương trình và SGK cũng còn rất hạn chế. Rồi đây, chắc chắn số tiết này có thể sẽ được nâng lên cho phù hợp với xu thế chung của giáo dục thế giới và tương ứng với tính chất của các môn khoa học thực nghiệm. Trước mắt trong khi chờ đợi, đòi hỏi lòng nhiệt tâm vì sự nghiệp giáo dục của các thầy cô đang tiến hành các bài thực hành hiện có theo phương thức mới ở những nội dung phù hợp và cũng có thể bổ sung thêm các thí nghiệm thực hành sinh học vào các tiết dạy khi có thể và có điều kiện thích hợp. Trong tài liệu này, ngoài một số thí nghiệm thực hành đã quen làm, chúng tôi sẽ giới thiệu một số bài thí nghiệm thực hành có tính gợi ý để các đơn vị tham khảo và vận dụng trong điều kiện có thể, cũng có thể tiến hành hình thức ngoại khóa hoặc đi đến các cơ sở có điều kiện về trang thiết bị thí nghiệm thực hành sinh học để học tập. III. Những yêu cầu cần thiết dạy thực hành sinh học có hiệu quả Dạy thực hành, mục đích chính lx à rèn các kỹ năng thao tác chân tay, các đức tính kiên nhẫn, biết chấp nhận thử thách và tự tìm cách vượt qua các thách thức để đạt được mục tiêu của mình. Vì vậy học sinh phải tự mình làm thí nghiệm cho dù các thao tác ban đầu còn vụng về và có thể thất bại. Như vậy, nếu quan niệm thực hành chỉ là minh họa, trình diễn để 9 học sinh xem thì việc tổ chức cho cả lớp học sinh vào một phòng thí nghiệm làm cùng lúc là được nhưng học sinh không thể hình thành được kỹ năng cũng như rèn luyện được những đức tính cần thiết của người làm khoa học. Còn nếu để học sinh tự làm thì lại phải chia lớp thành nhiều nhóm nhỏ (tối đa khoảng 10 em) thì các em mới có thể tự làm thí nghiệm được và học sinh chỉ hình thành được kỹ năng khi được làm đi làm lại nhiều lần một kỹ năng nhất định. Một quan niệm không đúng về dạy thực hành là giáo viên thường không đưa ra các tình huống khác thường để dạy học sinh cách phân tích rút ra các kết luận phù hợp cũng như không biết cách tìm ra nguyên nhân khi thí nghiệm không ủng hộ giả thiết ban đầu. Có thể lấy ví dụ cụ thể: Khi làm bài thực hành chứng minh ảnh hưởng của cường độ ánh sáng đến tốc độ quang hợp ở cây thủy sinh là rong đuôi chó. Cường độ quang hợp được tính bằng lượng O2 thoát ra (đếm bằng số bọt khí/phút hoặc bằng khối lượng O2 thu được trong ống nghiệm) còn cường độ ánh sáng có thể được thay đổi bởi khoảng cách chiếu sáng hoặc bởi công suất của bóng đèn. Trong bài học này ngoài thí nghiệm trên, giáo viên có thể tạo ra tình huống trong đó cùng một cây rong đuôi chó ở thí nghiệm trước tạo ra rất nhiều O 2 thì trong thí nghiệm khác lại không nhả ra một bọt khí O 2 nào cho dù có cho đèn vào gần hơn hoặc công suất bóng đèn tăng lên nhiều lần. Học sinh được yêu cầu phải tìm ra nguyên nhân (đưa ra giả thuyết) và làm thí nghiệm ủng hộ giả thuyết của mình là đúng. Như vậy mục đích cốt lõi của dạy thực hành là rèn các kỹ năng khéo léo trong các thao tác tay chân, các kỹ năng bố trí thí nghiệm, thu thập kết quả, giải thích kết quả thực nghiệm, lý giải đưa ra các giả thuyết và tự tiến hành các thí nghiệm ủng hộ hay bác bỏ giả thuyết của mình chứ không đơn thuần là minh họa cho các bài lý thuyết. Như vậy dạy thực hành phát triển các kỹ năng tổng hợp và do vậy tất cả các học sinh cần được dạy thực hành. Lưu ý là ngay cả trong các kỳ thi Olympic Sinh học Quốc tế có sử dụng các trang thiết bị hiện đại như điện di sắc ký, quang phổ vv… thì điểm của học sinh cao hay thấp không phụ thuộc nhiều vào thiết bị (trừ phi học sinh chưa được làm quen với thiết bị đó). Vì sử dụng thiết bị hiện đại cũng chỉ để thu thập số 10 liệu, trong khi đó các kỹ năng đơn giản như pha loãng hóa chất, xử lý số liệu thu được như vẽ đồ thị, rút ra các kết luận phù hợp, biết cách sắp xếp thời gian hợp lý vv… lại quyết định kết quả cuối cùng. Qui trình cho một bài thí nghiệm có thể gồm các bước như sau: - Chuẩn bị thí nghiệm: GV phải có kế hoạch đảm bảo chuẩn bị đầy đủ dụng cụ, hóa chất, mẫu vật và các điều kiện cần thiết khác để thí nghiệm thành công. Có thể giao cho HS chuẩn bị nhưng phải kiểm tra. - Phổ biến nội qui an toàn phòng thí nghiệm: Ngay khi bắt đầu một bài thực hành, giáo viên cần phải hướng dẫn cho học sinh về qui tắc an toàn trong phòng thí nghiệm. Điều này là hết sức cần thiết và phải làm ngay mỗi lần học sinh vào phòng thí nghiệm. Bên cạnh đó cũng cần phổ biến cách cấp cứu trong những trường hợp cần thiết như bỏng hóa chất, băng bó khi bị thương vv… - Bước 1: GV nêu mục tiêu thí nghiệm (hoặc hướng dẫn học sinh phát biểu mục tiêu thực hành), phải đảm bảo mỗi HS nhận thức rõ mục tiêu làm thí nghiệm để làm gì? - Bước 2: GV hướng dẫn HS cách tiến hành thí nghiệm, phải đảm bảo mỗi HS nhận thức rõ làm thí nghiệm như thế nào? Bằng cách nào? Giáo viên giới thiệu qui trình thí nghiệm: Học sinh có thể tự đọc qui trình thí nghiệm (nếu có sẵn trong bài thực hành) hoặc giáo viên giới thiệu cho học sinh. Sau đó học sinh tự kiểm tra các loại hóa chất thiết bị, mẫu vật xem có đáp ứng được với yêu cầu bài thực hành hay không. Tiến hành thí nghiệm: Học sinh tự tiến hành thí nghiệm theo qui trình đã cho để thu thập số liệu. - Bước 3: Mô tả kết quả thí nghiệm. HS viết ra (hoặc nói ra) các kết quả mà họ quan sát thấy trong quá trình làm thí nghiệm. Xử lý số liệu thực nghiệm: Học sinh xử lý số liệu và viết báo cáo thí nghiệm nộp cho giáo viên. Cuối buổi giáo viên có thể đưa ra các tình huống khác với thí nghiệm để học sinh suy ngẫm và tìm cách lý giải. Phần này GV có thể tham khảo sách Sinh học của Campbell & Reece ở mục “Điều gì nếu?” sau mỗi thí nghiệm mà sách đưa ra. 11 - Giải thích các hiện tượng quan sát được: đây là giai đoạn có nhiều thuận lợi để tổ chức HS học theo phương pháp tích cực. GV có thể dùng hệ thống câu hỏi dẫn dắt theo kiểu nêu vấn đề giúp HS tự giải thích các kết quả. - Rút ra kết luận cần thiết: GV yêu cầu HS căn cứ vào mục tiêu ban đầu trước khi làm thí nghiệm để đánh giá công việc đã làm. - Chú ý: Các thí nghiệm sinh học có thể là thí nghiệm định tính hay định lượng. Các thí nghiệm định tính thì không nên quá tiết kiệm nguyên liệu, sẽ khó quan sát kết quả. Các thí nghiệm định lượng thì cần chính xác hàm lượng các chất làm thí nghiệm mới có kết quả. Ví dụ: khi làm thí nghiệm tách chiết ADN, nếu cho ít dịch lọc hay ít chất tẩy rửa hoặc quá ít nước cốt dứa thì sẽ rất khó có kết quả khả quan. Tóm tắt quy trình một bài thực hành Bước 1. Xác định mục tiêu (cho GV và cho HS). Yêu cầu của bước này là HS phải nhận thức được và phát biểu rõ mục tiêu (trả lời câu hỏi: để làm gì?) Bước 2. Kiểm tra kiến thức cơ sở và kiểm tra sự chuẩn bị thực hành (trả lời câu hỏi: có làm được không?). Bước 3. Xác định nội dung thực hành (trả lời câu hỏi: làm như thế nào?) Bước 4. Tiến hành các hoạt động thực hành (trả lời câu hỏi: quan sát thấy gì? Thu được kết quả ra sao?). Bước 5. Giải thích và trình bày kết quả, rút ra kết luận (trả lời câu hỏi: tại sao? Mục tiêu đã hoàn thành hay chưa?). Viết báo cáo thực hành. 12 IV. An toàn thí nghiệm thực hành sinh học 1. Nguyên lý an toàn sinh học Nguyên lý cơ bản của an toàn sinh học là phòng ngừa, là làm giảm thiểu hoặc hạn chế nguy cơ gây hại cho con người và môi trường khi tiếp xúc với sinh vật và các vật liệu lây nhiễm lưu giữ trong phòng thí nghiệm. Nguyên lý an toàn sinh học được xác định là sự kết hợp của ba nhân tố phòng ngừa trong thực hành và kĩ thuật phòng thí nghiệm, thiết bị an toàn và thiết kế điều kiện làm việc tốt. Người ta chia biện pháp phòng ngừa thành hai loại, phòng ngừa sơ cấp và phòng ngừa thứ cấp. Phòng ngừa sơ cấp : là bảo vệ người và môi trường thí nghiệm khỏi tác hại của các tác nhân gây ô nhiễm. Phòng ngừa sơ cấp bao gồm chủ yếu các kĩ thuật an toàn trong phòng thí nghiệm và khi tiếp xúc với sinh vật. Phòng ngừa thứ cấp : là bảo vệ môi trường bên ngoài phòng thí nghiệm khỏi sự phát tán của các vật liệu lây nhiễm, bao gồm cả việc thiết kế phòng thí nghiệm, lớp học,... sao cho an toàn và đảm bảo vệ sinh lao động. - Phòng ngừa trong thực hành và kĩ thuật phòng thí nghiệm: Phòng thí nghiệm cần phải được xây dựng đảm bảo quy định về an toàn sinh học, trong đó cần xác định rõ các tác nhân và chất nguy hại có thể có trong phòng thí nghiệm. Xác định rõ các kĩ thuật làm việc đặc biệt và đưa ra các các quy định rõ ràng nhằm giảm thiểu hoặc hạn chế sự bùng phát của các tác nhân gây hại. Nhân viên mới được tuyển dụng vào làm việc trong phòng thí nghiệm, học sinh và sinh viên tới học trong phòng thí nghiệm cần phải được chỉ dẫn chu đáo về các tác nhân gây hại đặc hiệu, được học về kiến thức và kĩ thuật phòng thí nghiệm, được phổ biến các quy định an toàn trong phòng thí nghiệm sinh học. - Thiết bị an toàn: Thiết bị an toàn trước hết nhằm bảo vệ trực tiếp nhữnh người tiếp xúc với sinh vật và các tác nhân hây hại. Các thiết bị an toàn phổ biến của phòng thí nghiệm sinh học bao gồm tủ cấy an toàn sinh học, thiết bị li tâm 13 an toàn, các dụng cụ an toàn đựng mẫu vật (dụng cụ thủy tinh, ống nghiệm,...), dụng cụ đảm bảo an toàn cá nhân như găng tay, quần áo bảo hộ lao động, áo choàng, khẩu trang, mũ bảo vệ,.... Tủ cấy an toàn là phương tiện bắt buộc sử dụng để ngăn ngừa sự lây nhiễm do đổ vỡ hoặc bụi, nhất là khi thực hành vi sinh vật. Có ba loại tủ cấy an toàn sinh học, tủ cấy loại I và II đảm bảo an toàn sơ cấp cho cán bộ, học sinh và sinh viên khi làm thí nghiệm, đồng thời bảo vệ mẫu vật thí nghiệm (vi sinh vật, tế bào,...) tránh bị nhiễm khuẩn từ bên ngoài. Tủ cấy an toàn sinh học III có cấu tạo đặc biệt đảm bảo mức độ an toàn cao nhất cho cán bộ và sinh viên trong phòng thí nghiệm. Thiết bị li tâm an toàn sử dụng ống li tâm có nắp đậy, tránh bụi nước thoát ra ngoài khi li tâm gây hại cho con người và môi trường phòng thí nghiệm. Trong nhiều trường hợp không thể thực hiện thí nghiệm trong tủ cấy an toàn sinh học thì thiết bị an toàn cá nhân là vật dụng tối cần thiết, hạn chế rủi ro cho con người. Ví dụ, khi tiến hành mổ động vật, khi rửa và bảo dưỡng các thiết bị thí nghiệm cần sử dụng đầy đủ dụng cụ bảo vệ cán nhân. - Phòng ngừa trong thiết kế và xây dựng các cơ sở làm việc đảm bảo an toàn và vệ sinh lao động: Phòng thí nghiệm được thiết kế đúng quy cách, có trang thiết bị tương ứng với chức năng và cấp độ an toàn sinh học của phòng, đảm bảo an toàn và vệ sinh lao động. Các phòng thí nghiệm có cấp độ an toàn sinh học I và II cần được thiết kế tách riêng với lối đi công cộng, nơi tiêu độc và khu vệ sinh. 2. Nguyên tắc phân loại tác nhân sinh học theo nhóm rủi ro và cấp độ an toàn sinh học Các tác nhân sinh học được phân loại theo nhóm và phân thành bốn cấp độ khác nhau. Nguyên tắc phân loại tùy thuộc vào từng quốc gia các các tổ chức quốc tế khác nhau như cấp độ an toàn sinh học của Liên minh Châu Âu, cấp độ an toàn sinh học của viện Y học Quốc gia Mỹ,.... Sau đây 14 là ví dụ về phân loại nhóm rủi ro và cấp độ an toàn sinh học theo quy định an toàn sinh học phòng thí nghiệm của WHO: - Nhóm rủi ro loại 1 (RG1): gồm những sinh vật dường như không gây rủi ro hoặc gây rủi ro thấp cho con người và động vật. - Nhóm rủi ro loại 2 (RG2): gồm các sinh vật có khả năng gây bệnh cho con người nhưng ở mức độ không nghiêm trọng. Có thể có khả năng lây nhiễm bệnh từ phòng thí nghiệm nhưng đã có biện pháp phòng ngừa và chữa trị, hạn chế được sự lan truyền bệnh. - Nhóm rủi ro loại 3 (RG3): gồm các sinh vật có khả năng gây bệnh cao cho con người, nhưng thông thường không lan truyền từ người này sang người khác và đã có biện pháp phòng và chữa chạy hiệu quả. - Nhóm rủi ro loại 4 (RG4): gồm các tác nhân gây rủi ro cao cho con người và động vật, bệnh có thể lây truyền từ người này sang người khác và chưa có biện pháp phòng và chữa trị. Từ việc phân loại các nhóm rủi ro, người ta có thể xây dựng các tiêu chuẩn cụ thể cho mỗi cấp độ an toàn sinh học. 3. Phòng bệnh nghề nghiệp và đề phòng tai nạn Theo Tổ chức lao động Quốc tế (ILO), ước tính hằng năm có tới 120 triệu tổn thương trên thế giới do tai nạn lao động, 67-157 triệu trường hợp mắc bệnh nghề nghiệp và khoảng 200.000 người tử vong khi làm việc. Ở Việt Nam, ước tính năm 2000, có tới 4.081 người lao động phát hiện bệnh nghề nghiệp, 3334 người bị tại nạn lao động, 941 người bị thương nặng, 331 người tử vong. Trong môi trường lao động nói chung, môi trường học tập và nghiên cứu sinh học trong phòng thí nghiệm sinh học nói riêng luôn tiềm ẩn khả năng mắc phải nhiều bệnh tật. Khi môi trường bị ô nhiễm bởi các sinh vật gây hại thì dễ dàng truyền bệnh cho con người. Nguyên tắc chung của phòng bệnh lây truyền từ sinh vật là : - Cách ly người có biểu hiện bệnh, theo dõi, báo cáo và xử lý bệnh. - Ngăn cản sự phát tán mầm bệnh bằng các phương pháp tiệt trùng, tiêu đốt, thực hiện vệ sinh phòng thí nghiệm. - Sử dụng vắc xin và các thuốc cần thiết để phòng trừ. 15 - Những người có nguy cơ mắc bệnh do làm việc trong phòng thí nghiệm sinh học cần được khám bệnh 6 tháng/ lần nhằm phát hiện các bệnh phổ biến như : bệnh phổi (lao, bụi phổi,...), bệnh viêm gan, viêm loét da, bệnh nấm, viêm phế quản nạm tính, hen phế quản....; Các chỉ tiêu xét nghiệm cơ bản như : xét nghiệm máu với các chỉ số HbASg, SGOT, SGPT,...; xét nghiệm nước tiểu với các chỉ số Albumin, sắc tố mật, muối mật; siêu âm gan; chụp X quang phổi; tìm Bk trong đờm; phản ứng Mantoux; tốc độ máu lắng,.... Hiện nay những nghiên cứu về bệnh nghề nghiệp trong dạy học còn chưa nhiều, tuy vậy trong mỗi điều kiện cụ thể, chúng ta cần tìm ra các phương pháp phòng trừ nhằm ngăn cản bệnh. Ví dụ như xây dựng tiêu chuẩn về bàn và ghế trong phòng học phù hợp : - Chiều cao ghế ngồi phải đảm bảo cho 2 bàn chân chạm đất, 2 ống chân vuông góp với mặt đất. 2 đùi vuông góc với ống chân. Như vậy, chiều cao ghế phải xấp xỉ với ống chân. - Chiều rộng của mặt ghế không quá rộng hoặc quá hẹp, bằng 2/3 đến ¾ chiều dài đùi. - Chiều cao của bàn thích hợp cho người ngồi viết được xác định là bằng chiều cao ghế đến khuỷu tay khi ta ngồi ngay ngắn trên ghế, cánh tay áp sát nách, ngón tay cái nằm theo trục dọc với cẳng tay, đầu ngón đặt vào đuôi mắt cùng bên. - Chiều rộng của bàn tối thiểu bằng chiều dài của tay. Để ngăn ngừa bệnh về mắt cần phải tuân thủ: - Phòng học có đủ ánh sáng, bảng không lóa. - Khi đọc sách cần ngồi thẳng, khoảng cách thích hợp giữa mắt và sách là khoảng 30-35 cm. - Giữ mắt sạch sẽ, có thể vệ sinh mắt bằng các dung dịch chuyên dụng. - Cung cấp đủ vitamin cho cơ thể, nhất là vitamin A để tránh bệnh quáng gà và bệnh khô mắt. - Khám mắt định kì để khi cần thiết sử dụng kính đeo mắt phù hợp. 4. Khái niệm về an toàn sinh học 16 An toàn sinh học (Biosafety) là việc thực hiện các chính sách, cơ chế quản lí về quy trình làm việc, thiết kế tiện nghi,… quy định sử dụng những trang thiết bị an toàn để ngăn ngừa sự lan truyền các tác nhân sinh học gây hại tới những người làm việc và học tập trong phòng thí nghiệm sinh học, những người xung quanh và môi trường. An toàn sinh học bao gồm : - Các biện pháp quản lí an toàn trong các hoạt động nghiên cứu khoa học, phát triển công nghệ và khảo nghiệm; sản xuất, kinh doanh và sử dụng; nhập khẩu, xuất khẩu, lưu giữ và vận chuyển các sinh vật biến đổi gen; sản phẩm, hàng hóa có nguồn gốc từ sinh vật biến đổi gen. Hình 1. Kí hiệu cảnh báo nguy hiểm sinh học - An toàn sinh học còn bao gồm các giải pháp thiết kế phòng thí nghiệm, phòng học an toàn khi làm việc và tiếp xúc với sinh vật; quy định việc cung cấp các thiết bị an toàn sinh học. - Ngày nay an toàn sinh học còn bao gồm cả phạm trù an ninh sinh học phòng thí nghiệm. Tính cấp thiết của an toàn sinh học Các phòng thí nghiệm sinh học, đặc biệt là phòng thí nghiệm vi sinh vật học là môi trường đặc biệt luôn tiềm ẩn nguy cơ lây nhiễm bệnh cho con người làm việc và học tập trong phòng thí nghiệm và cộng đồng dân cư xung quanh. Trong những năm gần đây có nhiều trường hợp lây truyền dịch bệnh từ phòng thí nghiệm sinh học và y sinh, như dịch bệnh thương hàn, bệnh tả, bệnh uốn ván,... ở người, bệnh lở mồm long móng ở trâu bò . Nguyên nhân của việc lan truyền bệnh có thể là do việc dùng thiết bị thí nghiệm không phù hợp (như dùng mồm để hút pitet hoặc sử dụng kim 17 tiêm không đúng cách gây lan truyền bệnh AIDS,...), hoặc do thiết bị thí nghiệm không đủ tiêu chuẩn, không đảm bảo tiêu chuẩn an toàn sinh học. Công nghệ sinh học ngày càng phát triển có khả năng tạo ra nhiều sinh vật biến đổi gen. Do vậy, nghiên cứu và sử dụng các sinh vật biến đổi gen một cách an toàn cho con người, môi trường và đa dạng sinh học là hết sức cần thiết. 5. Kỹ thuật phòng thí nghiệm và thiết bị an toàn Mỗi phòng thí nghiệm cần được xây dựng đáp ứng các tiêu chuẩn về an toàn sinh học. Nguyên tắc phòng ngừa cần được thể hiện trong những công việc hằng ngày, trong các nội quy phòng thí nghiệm. Khi thực hành trong phòng thí nghiệm không có khả năng kiểm soát triệt để các tác nhân sinh học nguy hại, thì phải tìm các biện pháp bổ sung cần thiết khác, nhằm hạn chế rủi ro của các tác nhân gây hại. Thiết bị an toàn ngoài tủ cấy an toàn sinh học (BSC), dụng cụ an toàn đựng các mẫu vật, vật dụng bảo vệ cá nhân (như đã đề cập trong bài 1), còn có nhiều thiết bị khác, ví dụ như : - Các thiết bị cách li bao film mềm áp suất âm, là thiết bị bảo vệ ban đầu để ngăn chặn các vật liệu sinh học độc hại. Khí đi vào bên trong thiết bị cách li này qua một bộ lọc HEPA và khí đi ra ngoài qua 2 bộ lọc HEPA, vì vậy ngăn cản được sinh vật gây hại phát tán ra bên ngoài. - Các thiết bị hỗ trợ dùng pipet góp phần hút dung dịch an toàn. - Các thiết bị nghiền đồng thể, máy lắc, máy trộn và thiết bị dùng sóng siêu âm được thiết kế trong các BSC hay được phủ kín trong quá trình sử dụng, góp phần ngăn cản quá trình gây ra các sol khí độc hại. - Que cấy đầu tròn dùng một lần, không cần khử trùng, dùng được trong BSC và sử lí như rác thải nhiễm bẩn khi sau khi dùng. - Que cấy vi sinh vật khử trùng bằng nhiệt có vỏ bọc bằng thủy tinh Brosilicat hay sứ giúp khử trùng tiện lợi và hiệu quả. - Các biện pháp bảo vệ thiết bị như bảo vệ ống tiêm, làm sạch các thiết bị đựng mẫu vật; các biện pháp bảo quản mẫu máu, dịch cơ thể, mô và các chất bài tiết. Các biện pháp phổ biến như: 18 + Biện pháp thu thập, dán nhãn và vận chuyển mẫu vật. Các mẫu vật nên được đặt trong dụng cụ đúng quy cách, ghi nhãn và quy định sử dụng rõ ràng. + Cách mở ống đựng mẫu hoặc vật đựng lấy mẫu đứng quy cách, tốt nhất nên mở trong BSC, cần đi găng tay, mặc tạp dề. Nút đậy dụng cụ cần có miếng lót giấy hoặc gạc để tránh chất lỏng bắn ra. + Với các thiết bị thủy tinh cần cẩn thận tránh đổ vỡ, nếu có thể nên thay bằng dụng cụ chất dẻo an toàn hơn. + Sử dụng các thiết bị tự động khi cần thiết nhằm tránh gây tràn dung dịch hay gây sol khí. Các chất bị vung vãi cần được thu thập, đựng trong dụng cụ có nắp, sau đó đem hấp áp lực hoặc xử lí như xử lí rác ô nhiễm. + Sử dụng các chất sát khuẩn cấp độ cao để làm sạch các dụng cụ thí nghiệm. Ví dụ, các dụng dịch hyproclorit có lượng clo 1g/lL và 5g/l được sử dụng làm sạch các thiết bị đựng máu, glutaraldehyt có thể sử dụng làm sạch bề mặt dụng cụ. 6. Vi sinh vật và an toàn sinh học Vi sinh vật nhỏ bé, trong đó đặc biệt là virut thường có tốc độ sinh trưởng nhanh, khả năng hấp thu và chuyển hóa vật chất cao, thích ứng nhanh với điều kiện môi trường và dễ phát sinh đột biến. Nhiều vi sinh vật là tác nhân gây bệnh truyền nhiễm, chúng xâm nhập vào cơ thể chủ yếu thông qua các con đường hô hấp (như bệnh lao, bạch cầu, cúm), tiêu hóa (như các bệnh thương hàn, tả, lỵ,....), tiếp xúc qua da hoặc niêm mạc (như bệnh giang mai, lậu, HIV,...). Nhìn chung, bệnh do vi sinh vật lan truyền rất nhanh, khi xâm nhập vào cơ thể chúng gây rối loại các quá trình trao đổi chất, phá hủy chức năng của tế bào, khi phát bệnh có thể gây tử vong. Vi sinh vật gây bệnh tùy theo đặc điểm sinh học và vị trí phân loại được chia ra thành nhiều nhóm như nhóm vi khuẩn, virus, vi nấm. Ngoài ra, tùy theo mức độ gây hại, vi sinh vật được phân chia theo nhóm rủi ro, và cũng tùy cấp độ rủi ro mà yêu cầu xây dựng phòng thí nghiệm theo cấp độ an toàn phù hợp: 19 - Vi sinh vật thuộc nhóm rủi ro 1 gồm các vi sinh vật gây rủi ro thấp, không chắc gây bệnh cho người hoặc động vật khỏe mạnh. Ví dụ, các vi khuẩn Escherichia coli, nấm men, nấm mốc sử dụng làm vật liệu nghiên cứu trong phòng thí nghiệm. - Vi sinh vật thuộc nhóm rủi ro 2 gồm các vi sinh vật gây rủi ro trung bình cho người làm việc và học tập trong phòng thí nghiệm. Các vi sinh vật thuộc nhóm rủi ro 2 ít khi gây nguy hiểm cho người khỏe mạnh, ít khi gây bùng phát lây nhiễm nghiêm trọng khi đã có biện pháp phòng ngừa. Ví dụ như vi khuẩn thương hàn (Salmonella enterica), virus gây viên gan A, virus gây viêm gan B, virus cúm thường, virus sởi, virus quai bị,.... - Vi sinh vật thuộc nhóm rủi ro 3 gồm các vi sinh vật gây rủi ro cao cho con người và động vật. Tuy nhiên bệnh không lan truyền từ người này sang người khác hoặc có thể có thuốc điều trị. Ví dụ như vi khuẩn gây bệnh than (Bacillus anthracis), vi khuẩn lao (Mycobacterium tuberculosis), các vi rút sốt vàng, vius HIV,... - Vi sinh vật thuộc nhóm rủi ro 4 gồm vi sinh vật gây rủi ro cao cho con người và động vật. Các vi sinh vật gây bệnh truyền nhiễm nghiêm trọng, bệnh có khả năng lây truyền từ người này sang người khác hoặc không có khả năng chữa trị. Ví dụ như virus Lassa, virus Ebola, virus cum A ở gia cầm. Theo quy định quốc tế, các vi sinh vật thuộc nhóm rủi ro 4 không được phép nghiên cứu tại phòng thí nghiệm của các trường đại học. 7. Công nghệ ADN và an toàn sinh học - Công nghệ ADN (hay còn gọi là công nghệ gen, công nghệ sinh học phân tử, kĩ thuật gen,...) là các kĩ thuật di truyền tạo nên các phân tử ADN tái tổ hợp, nhằm tạo nên các gen mới mang thông tin di truyền mã hóa các đặc điểm tốt mong muốn ở các tế bào hoặc cơ thể sống. Những thành công của công nghệ ADN trong những năm gần đây là tạo ra nhiều sinh vật biến đổi gen mang nhiều đặc điểm sinh học ưu thế. Ví dụ như cà chua biến đổi gen không có hạt, thuốc lá và ngô năng suất cao, lúa và ngô mang gen chịu được thuốc diệt cỏ,...; một số động vật biến đổi gen như cừu, lợn, bò, dê,.... mang nhiều đặc điểm có lợi giúp con người thu 20