Độc học môi trường ĐỘC CHẤT ASEN TRONG NƯỚC NGẦM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI KHOA MÔI TRƯỜNG Đề tài bài tập lớn Anh chị hãy lựa chọn và phân tích nguồn phát sinh, dạng tồn tại, quá trình lan truyền và tác động gây độc (hấp thụ, chuyển hóa, tích tụ, đào thải, biểu hiện nhiễm độc) đối với độc chất nhóm kim loại nặng trong môi trường nước? Hãy lấy dẫn chứng một sự cố môi trường hoặc một vụ nhiễm độc điển hình ở Việt Nam do độc chất kim loại nặng đã chọn, từ đó trình bày nguyên nhân, hậu quả và biện pháp khắc phục của sự cố môi.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

KHOA MÔI TRƯỜNG

Đề tài bài tập lớn: Anh/ chị hãy lựa chọn và phân tích nguồn phát sinh, dạng tồn tại, quá trình lan truyền và tác động gây độc (hấp thụ, chuyển hóa, tích tụ, đào thải, biểu hiện nhiễm độc) đối với độc chất nhóm kim loại nặng trong môi trường nước? Hãy lấy dẫn chứng một sự cố môi trường hoặc một vụ nhiễm độc điển hình ở Việt Nam do độc chất kim loại nặng đã chọn, từ đó trình bày nguyên nhân, hậu quả và biện pháp khắc phục của sự cố môi trường hoặc vụ nhiễm độc đã chọn? Bằng kiến thức đã học anh/ chị hãy tính liều lượng phơi nhiễm hàng ngày của độc chất đã chọn qua đường tiêu hóa đối với người dân sống ở vùng khu vực nguồn nước được sử dụng làm nước ăn uống bị ô nhiễm (số liệu nồng độ chất ô nhiễm và hệ số hấp phụ có thể thu thập hoặc giả định)?

Tên học phần: Độc học môi trường

MỤC LỤC

ĐẶT VẤN ĐỀ 1

CHƯƠNG 1 ĐỘC CHẤT ASEN TRONG NƯỚC NGẦM 2

1.1 Nguồn phát sinh 2

1.2 Dạng tồn tại 3

1.3 Quá trình lan truyền 3

1.4 Tác động gây độc 4

1.4.1 Hấp thụ và chuyển hóa Asen 4

1.4.2 Tích tụ và đào thải 6

1.4.3 Biểu hiện nhiễm độc As 6

CHƯƠNG 2 SỰ CỐ NHIỄM ĐỘC ASEN Ở BANGLADESH 8

2.1 Nguyên nhân 8

2.2 Hậu quả 9

2.3 Biện pháp khắc phục 11

2.3.1 Chiến lược quản lý và giảm thiểu tác động của As đối với môi trường và sức khỏe con người 11

2.3.2 Giải pháp công nghệ 12

CHƯƠNG 3 ĐÁNH GIÁ RỦI RO ĐỐI VỚI SỨC KHỎE 13

3.1 Công thức tính toán lượng chất ô nhiễm con người tiếp xúc thông qua việc ăn uống 13

3.2 Kết quả tính toán và đánh giá 13

KẾT LUẬN 15

TÀI LIỆU THAM KHẢO 16

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 Các con đường chuyển hóa As trong tế bào 5 Hình 2 Các biểu hiện của việc nhiễm As 7 Hình 3 Bản đồ nhiễm As ở Bangladesh 9

ĐẶT VẤN ĐỀ

Nước có ý nghĩa quan trọng trong đời sống sinh hoạt và sản xuất của con người Trước đây, chúng ta chủ yếu sử dụng nguồn nước ngầm Tuy nhiên, hiện nay nước ngầm không được xem là phương án tối ưu do chúng ta khai thác quá mức làm cho nguồn nước bị ô nhiễm Trong nước ngầm thường có hàm lượng Fe, Mn, As… cao Sự

có mặt của các chất này đều không tốt và ảnh hưởng đến sức khỏe của người sử dụng nước Đặc biệt là Asen (As) một chất cực độc, làm thay đổi sắc tố da, ung thư da và ở liều lượng cao có thể gây tử vong

Vấn đề ô nhiễm As trong nước ngầm không còn là một vấn đề mới, nó đã được phát hiện ở nhiều nơi trên thế giới như Achentina, Mexico, Chilê, Mỹ, Canada, Trung Quốc, Đài Loan, Thái Lan, Ấn Độ, Bangladesh và Việt Nam, v.v…với nồng độ lớn hơn 50 g/L [9] Nhưng vụ nhiễm độc As ở Bangladesh được Tổ chức Y tế Thế giới WHO gọi đó là “Vụ đầu độc tập thể lớn nhất trong lịch sử đối với một dân tộc” Cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế IAEA ước lượng có tới 70 triệu người (khoảng 50% dân số) bị nguy cơ do uống nước ngầm nông có nồng độ As cao

Để khắc phục và xử lý As trong nước ngầm cần có những đánh giá, nghiên cứu

về nguồn phát sinh, dạng tồn tại, quá trình lan truyền, tác động gây độc của As và rủi

ro khi tiếp xúc qua việc tính toán lượng As con người tiếp xúc thông qua việc ăn uống

CHƯƠNG 1 ĐỘC CHẤT ASEN TRONG NƯỚC NGẦM

1.1 Nguồn phát sinh

Nguồn gốc tự nhiên bao gồm các quá trình địa chất và trầm tích tạo nên dưới tác động của các quá trình như: quá trình oxy hóa, quá trình khử, quá trình sinh hóa

Nguồn gốc nhân tạo bao gồm các hoạt động như: đốt than, khí thải, nước thải chứa As, sử dụng thuốc bảo vệ thực vật, các chất thải công nghiệp…

a- Quá trình oxy hóa giải phóng As ra khỏi các khoáng vật, quặng và đá mẹ

Các khoáng vật chứa As trong đất sẽ được hình thành cùng với các quá trình địa chất tạo núi và tạo quặng Theo thời gian, dưới tác động của các quá trình kiến tạo, địa động lực cùng với các quá trình phong hóa, bào mòn, hòa tan đá, quặng và khoáng vật,

As và các vật liệu chứa As sẽ được dòng nước vận chuyển đi tới các vùng trũng và tích

tụ, lắng đọng cùng với các quá trình trầm tích

b- Quá trình trầm tích làm lắng đọng As và các vật liệu chứa As

Các đá mẹ hoặc quặng chứa As ở vùng thượng nguồn bị phong hóa sẽ giải phóng As ở dạng ion hoặc liên kết phức ion Chúng rời xa vùng đá mẹ và ngay sau đó

bị hấp phụ bởi các phức sắt và các trầm tích hạt mịn Các vật liệu trầm tích này sẽ được dòng nước mang đi và lắng đọng tại những vùng trũng ở phía hạ lưu

c- Các tác động của con người

Các nơi có các loại hình trồng trọt theo hướng chuyên môn hóa cao thì việc sử dụng các loại phân bón, thuốc bảo vệ thực vật cho cây trồng cũng làm môi trường bị ô nhiễm Hoạt động khai thác với quy mô lớn gây nên sự hạ thấp mực nước cũng là nguyên nhân làm cho hàm lượng Asenic và Amoni trong nước ngầm tăng

d- Các quá trình giải phóng As từ trầm tích vào nước ngầm

- Quá trình oxi hóa: khi mực nước ngầm bị hạ thấp (quá trình khai thác nước, hoạt động kiến tạo trẻ, quá trình ngăn chặn nguồn cung cấp của tầng chứa nước…) môi trường chứa khoáng vật đang đang từ điều kiện khử trở thành môi trường oxy hóa Oxi có điều kiện với quặng chứa As và oxi hóa chúng tạo nên As ở dạng các ion dễ tan vào nước Vì vậy, hàm lượng As trong nước ngầm sẽ tăng lên

- Quá trình khử: trong điều kiện khử, As bị hòa tan và giải phóng ra khỏi các keo sắt hoặc các vật liệu mà nó bị hấp phụ vào nước ngầm do sự phân hủy các vật chất hữu cơ dưới tác động của các nhóm vi sinh vật trong đất đá Đây là quá trình chính khống chế sự giải phóng và di chuyển As từ trầm tích vào nước ngầm

- Quá trình sinh hóa: các vi khuẩn lên men phân hủy vật chất hữu cơ giải phóng một lượng lớn As vào trong môi trường nước Nếu môi trường có tính khử mạnh, các

vi khuẩn hoạt động càng mạnh và càng thúc đẩy quá trình phân hủy chất hữu cơ tạo ra

As

1.2 Dạng tồn tại

Asen có mặt trong nước tự nhiên với nồng độ thấp, chỉ khoảng vài 1µg/L hoặc nhỏ hơn Nồng độ asen trong nước biển ở khoảng 1 - 8µg/L, trong nước ngọt không ô nhiễm là 1 - 10µg/L và tăng cao đến 100 – 5.000µg/L tại những vùng có khoáng hóa sulfur và vùng mỏ Trong nước, asen thường tồn tại ở dạng asenat (As(V)) hoặc asenit (As(III)) Các hợp chất asen hữu cơ dạng metyl hóa như MMA – axit monometyl asonic, DMA – axit dimethyl asonic, TMA – axit trimetyl asonic có mặt một cách tự nhiên trong nước là kết quả của hoạt động sinh học

1.3 Quá trình lan truyền

Theo nguyên lý “Tác động môi trường của chất ô nhiễm không chỉ phụ thuộc vào nồng độ và dạng tồn tại của chất đó, mà còn phụ thuộc vào các quá trình di chuyển của chất ô nhiễm trong môi trường’’ Khu vực nào có nồng độ chất ô nhiễm cao hơn thì sẽ

ô nhiễm môi trường nghiêm trọng hơn và ngược lại Dạng tồn tại của chất ô nhiễm cũng là yếu tố quan trọng khi xét đến mức độ tác động đến môi trường của chất ô nhiễm Đối với Asen, nếu trong nước tồn tại ở dạng Arsin sẽ độc hơn rất nhiều so với Arsenite As trong nước ngầm thường gặp ở dạng ion của các chất Arsenite (H3AsO3) hoặc Arsenate (H3AsO4) hoặc cả 2 dạng trên Trong môi trường khử, As chủ yếu tồn tại ở dạng Arsenate Xét 2 khu vực ô nhiễm với cùng một nồng độ thì việc ảnh hưởng đến môi trường xung quanh là khác nhau do quá trình di chuyển chất ô nhiễm khác nhau Sự di chuyển của As trong nước dưới đất thường tương đối thấp khi điều kiện môi trường là khử mạnh hoặc oxi hóa mạnh Sự di chuyển sẽ tăng lên khi môi trường khử chuyển sang oxi hóa và ngược lại

1.4 Tác động gây độc

1.4.1 Hấp thụ và chuyển hóa Asen

Trong môi trường trên cạn, As chủ yếu tồn tại dưới dạng As vô cơ, tồn tại ở dạng hóa trị năm (AsV) trong điều kiện hiếu khí và hóa trị ba (AsIII) trong môi trường yếm khí AsIII nói chung là được tìm thấy như một loài trung tính (As(OH)3, pKa = 9,2) trong nước ở pH trung tính AsIII và AsV gây độc khác nhau Do cấu trúc tương tự như glycerol, AsIII có thể được vận chuyển vào tế bào thông qua aquaglyceroporins Tuy nhiên, AsV lại khác con đường vào tế bào động vật và người Tương tự như một phốt phát, chúng có hằng số phân ly tương tự (pKa của axit asen: 2,26; 6,76 và 11,3 và pKa của axit photphoric: 2,16; 7,21 và 12,3) Tương tự như phốt phát, AsV được tìm thấy trong nước dưới dạng anion oxy trong dung dịch, nghĩa là, H2AsO2- và HAsO2 2−

ở pH 5–7 Khi vào tế bào người và động vật, AsV nhanh chóng giảm xuống AsIII Sau

đó, AsIII trải qua nhiều bước trong tế bào thông qua arsenite methyltransferase (AS3MT) sử dụng Sadenosylmethionine (SAM) làm chất cho methyl, kết quả là trong việc hình thành các hợp chất As được metyl hóa bao gồm MMAIII, DMAIII, MMAV

và DMAV Challenger [1] lần đầu tiên đề xuất con đường cổ điển của quá trình metyl hóa As Ông đề xuất rằng quá trình metyl hóa asen bao gồm một chuỗi các bước oxy hóa và khử (Hình 1 (a)) Sau đó, Zakharyan và Aposhian [2] cho rằng AsIII có thể bị metyl hóa về mặt không enzym với sự hiện diện của cả metylcobalamin và glutathione (GSH) (Hình 1 (b)) Trong một số nghiên cứu sau đó, các nhà nghiên cứu đã khám phá rộng rãi cơ chế của quá trình metyl hóa asen và kết luận rằng các enzyme đóng vai trò quan trọng trong quá trình metyl hóa asen Một enzym mới con đường chuyển hóa để metyl hóa asen đã được chỉ ra trong Hình 1 (c) Các nhóm –OH của As(OH)3 được thay thế bởi các nguyên tố glutathionyl, dẫn đến sự hình thành GSH liên hợp As(GS)2

–OH và As(GS)3 [3] Sau đó, chất nền chính cho phức hợp AS3MT, AsIII-glutathione tiếp tục được metyl hóa thành diglutathione monomethylarsonic MMA(GS)2 và dimethylarsinic glutathione DMA(GS) Vì DMA (GS) không ổn định, nó ngay lập tức

bị oxy hóa thành pentavalent DMAV, là chất chuyển hóa chính và là đào thải ra khỏi

tế bào [4] Naranmandura và cộng sự [5] đã chứng minh một con đường chuyển hóa asen khác thông qua việc khảo sát gan và chất chuyển hóa của asen ở thận sau khi tiêm tĩnh mạch AsIII ở chuột (Hình 1 (d)) Họ khẳng định rằng AsIII đã hạn chế đến các

protein (protein AsS3) được chuyển hóa trong cơ thể tại thời gian của quá trình metyl hóa khử liên tiếp bởi AS3MT trong sự hiện diện của GSH và SAM và các chất chuyển hóa bị khử là đào thải ra bên ngoài Phù hợp với các cơ chế, cả hai arsen hữu cơ và vô

cơ hóa trị ba và hóa trị năm được phát hiện trong nước tiểu của các cá nhân sau mãn tính tiếp xúc với asen và trong môi trường nuôi cấy tế bào sau đó tiếp xúc trong ống nghiệm với asen [6]

Hình 1 Các con đường chuyển hóa As trong tế bào

(a) arsenic methylation in Scopulariopsis brevicaulis, (b) metyl hóa As không có

enzyme ở gan chuột, (c) con đường chuyển hóa As ở gan chuột, (d) con đường chuyển hóa ở gan chuột

Trong đó:

SAM: Sadenosylmethionine;

SAH: S-adenosylhomocysteine;

CH3+: methyl group;

GSH: glutathione;

(CH3)(OH)2AsO-:monomethylarsonous acid;

(CH3)2(OH)AsO-: dimethylarsinic acid;

(CH3)3As: trimethyl arsine oxide;

As (GS)3: arsenic triglutathione;

MMA: monomethylarsonic acid;

DMA: dimethylarsinic acid;

MAsIII (GS)2: monomethylarsonic diglutathione;

DMAsIII (GS): dimethylarsinic glutathione;

DMAsIII: trivalent

monomethylarsonous acid;

DMAsV: pentavalent dimethylarsinic acid;

MMAV: pentavalent monomethylarsonic acid

1.4.2 Tích tụ và đào thải

As dạng nguyên tố khi ăn vào cơ thể rất khó hấp thụ và phần lớn được triệt tiêu ở nguyên dạng hoặc bị cơ thể thải ra Các hợp chất As hòa tan trong nước được hấp thụ nhanh chóng từ hệ thống tiêu hóa As vô cơ khi vào cơ thể có thể được tích lũy ở da, xương và cơ bắp Chu kỳ phân hủy của nó trong cơ thể người là 20 đến 40 ngày

1.4.3 Biểu hiện nhiễm độc As

Cơ quan Nghiên cứu Ung thư Quốc tế đã phân loại As là chất gây ung thư ở người nhóm 1 Nhiều bằng chứng cho thấy việc tiếp xúc mãn tính với nồng độ As cao gây ung thư da, phổi và bàng quang, cũng như bệnh tim mạch và phổi Các vấn đề sức khỏe khác như vô sinh, chậm phát triển ở trẻ em, rối loạn thần kinh và đái tháo đường cũng đã được báo cáo

As cũng có liên quan đến sự phát triển của bệnh tim phổi Ung thư phổi liên quan đến As có thể do hít phải As vô cơ, cũng như do tiếp xúc với nước uống bị ô nhiễm và

là nguyên nhân tử vong quan trọng nhất liên quan đến việc tiếp xúc lâu dài với nước uống bị nhiễm asen Tiếp xúc với asen trong tử cung và trong thời thơ ấu làm tăng

nguy cơ tử vong ở thanh niên do bệnh phổi Các bệnh tim phổi khác có liên quan đến việc tiếp xúc sớm với asen bao gồm: bệnh phổi tắc nghẽn mãn tính, ung thư phổi, ung thư bàng quang, giãn phế quản, nhồi máu cơ tim cấp tính, tổn thương da do asen, và báo cáo gia tăng về xơ vữa động mạch Gần đây cũng có bằng chứng cho thấy rằng asen làm tăng tỷ lệ tử vong do bệnh tim thiếu máu cục bộ

Nhiễm độc As cấp của con người chủ yếu phụ thuộc vào nhịp độ đào thải khỏi cơ thể của các hợp chất Arsin được coi là dạng độc nhất của As, sau đó đến Arsenite, Arsenicat Liều tử vong đối với người khoảng từ 1,5 đến 500 mg/kg trọng lượng cơ thể Nhiễm độc As cấp xảy ra do uống nước với liều từ 1,2- 2,1 mg/l

Theo báo cáo của Hội đồng nghiên cứu quốc gia năm 1999: “Tiếp xúc với As gây cản trở enzyme hoạt động đặc biệt là các hoạt động sao chép trong tế bào của cơ thể và có thể gây ra nhiều tác động phi ung thư lên các hệ thống” Tác động phi ung thư dễ thấy nhất là các tổn thương da Các triệu chứng đầu tiên trên da thường là các đốm sẫm màu do tăng sắc tố da và đốm trắng do giảm sắc tố da

Hình 2 Các biểu hiện của việc nhiễm As

CHƯƠNG 2 SỰ CỐ NHIỄM ĐỘC ASEN Ở BANGLADESH

2.1 Nguyên nhân

Bangladesh phần lớn nằm trên lưu vực sông Bengal được hình thành bởi hệ thống sông Ganga – Brahmaputra – Meghna (GBM) Bể trầm tích này được hình thành

do sự lắng đọng của một lượng lớn trầm tích chứa As có nguồn gốc chủ yếu từ dãy Himalaya và được đưa xuống bởi các con sông GBM hùng vĩ trong các thời kỳ Pleistocen và Holocen Từ các lớp trầm tích này, As sẽ ngấm vào các tầng chứa nước ngầm nằm trong các khu vực mỏ quạt và phù sa Holocen Mặc dù cơ chế chính xác của quá trình rửa trôi As vào nước ngầm chưa rõ ràng, ba cơ chế đã được đề xuất trong việc giải thích quá trình rửa trôi asen trong nước ngầm ở lưu vực GBM:

1) Các pyrit asen trong trầm tích phù sa bị oxy hóa và kết quả là As được thả vào mạch nước ngầm

2) Sự chuyển hóa chất hữu cơ của vi sinh vật trong lòng đất dẫn đến tình trạng thiếu khí, do đó dẫn đến giảm oxyhydroxit sắt (FeOOH), và sau đó dẫn đến giải phóng

As đã hấp thụ vào nước ngầm

3) Các anion asen bị hấp thụ bởi các khoáng chất trong tầng nước ngầm đang được chuyển thành dung dịch bằng cách trao đổi cạnh tranh các anion photphat dẫn đến ô nhiễm As trong nước ngầm Các nguồn phốt phát được cho là do sử dụng quá nhiều phân phốt phát cho nông nghiệp, từ quá trình lên men hoặc thối rữa của trầm tích than bùn bị chôn vùi và các vật liệu hữu cơ tự nhiên khác, v.v Tuy nhiên, những

cơ chế gợi ý này vẫn chưa được chứng minh