Nghiên cứu sự phân bố một số dược phẩm và sản phẩm chăm sóc cá nhân điển hình trong nước và trầm tích sông cầu

Môi trường ngày càng ô nhiễm và đời sốngkinh tế ngày càng được cải thiện là những tiền đề cho việc sử dụng dược phẩm vàcác sản phẩm chăm sóc cá nhân PPCPs trên toàn thế giới đang

MỤC LỤC

2.1 ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU VÀ PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN

32 2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN

CỨU 33

2.2.2 Đánh giá ô nhiễm PPCPs trong nước và trầm tích sông Cầu 38

2.2.4 Phương trình cân bằng vật chất 502.2.5 Đánh giá mức độ ảnh hưởng của PPCPs đến các sinh vật thủy sinh 50

3.1.2 Xác định các PPCPs điển hình trên lưu vực sông Cầu 62

3.2 CÁC ĐIỀU KIỆN TỐI ƯU PHÂN TÍCH 04 PPCP S ĐIỂN HÌNH 64

3.2.1 Tối ưu hóa điều kiện định lượng PPCPs bằng LC-MS/MS 643.2.2 Đánh giá độ tin cậy kết quả phân tích đồng thời 4 chất PPCPs điển hình 72

3.3 ĐÁNH GIÁ SỰ CÓ MẶT CỦA CÁC PPCP S ĐIỂN HÌNH TRÊN SÔNG

3.3.2 Sự tích lũy PPCPs điển hình trong mẫu cột trầm tích khu vực sông Cầu 83

3.3.4 Đánh giá ảnh hưởng của PPCPs đến một số sinh vật thủy sinh 93

PL1.1 K ẾT QUẢ ẢNH HƯỞNG CỦA F VÀ CE TỚI TÍN HIỆU THU NHẬN A 113 PL1.2 T HUẬT TOÁN TÍNH TOÁN TỐI ƯU F VÀ CE CHO TỪNG CHẤT PHÂN TÍCH 115

PL3 P HÂN PHỐI DÒNG CHẢY THEO THÁNG CỦA S ÔNG C AU [133] 126

PL6 Đ ẶC TÍNH HÓA LÝ CỦA 4 PPCP S ĐIỂN HÌNH Ở S ÔNG C AU 132

PL11 Q UY TRÌNH PHÂN TÍCH ĐỒNG THỜI CAF, CIP, CBM VÀ SMX 140

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

ST

T

Ký

hiệu

2 APCI Atmoѕpheric Preѕѕure pheric Preѕpheric Preѕѕure ѕpheric Preѕѕure ure Chemical

Ioniᴢation

Ion hóa hóa học áp suất khí quyển

5 CAV Cell Accelerator Voltage Thế tăng tốc va chạm

12 ECD Electron Capture Detector Đầu dò bẫy điện tử

13 ED Endocrine Disrupter Các chất gây rối loạn nội tiết

14 EMV Electron Multiplier Voltage Điện áp nhân điện tử

Assessment

Đánh giá rủi ro môi trường

16 ESI Electroѕpheric Preѕѕure praу Ioniᴢation Ion hóa tia điện

22 KOC Organic carbon-water

23 KOW Octanol - water partition Hệ số phân bố octanol - nước

T

Ký

hiệu

Sắc ký lỏng đầu dò huỳnh quang

28 LC-MS Liquid Chromatographywith

Sắc ký lỏng ghép hai lần khối

phổ

34 m/z Mass to charge ratio Tỷ số khối lượng trên điện tích

Nồng độ chất ô nhiễm đo được

38 MSPD Matrix solid-Phase Dispersion Phân tán ma trận pha rắn

39 MRM Multiple Reaction Monitoring Khảo sát đa ion chọn lọc

40 NOEC No ObservedEffect

Concentration

Nồng độ ảnh hưởng không quan

sát được

43 PEC Predicted Effect

44 PHWE Pressurized HotWater

Extraction

Chiết nước nóng tăng áp

T

Ký

hiệu

46 PLE Pressurized Liquid Extraction Chiết lỏng có áp suất

No-Concentration

Nồng độ dự báo không ảnhhưởng

48 PPCPs Pharmaceuticals and Personal

Care Products

Dược phẩm và các sản phẩmchăm sóc cá nhân

49 PSA Primary Secondary Amine Amine bậc một và hai

51

R2 Correlation coefficients Hệ số tương quan

52 RSD Relative Standard Deviation Độ lệch chuẩn tương đối

55 SPME Solid Phase Microextraction Chiết vi phân đoạn pha rắn

56 SRM Selected Reaction Monitoring Quét phản ứng có chọn lọc

61 UAE Ultrasound-assisted Extraction Chiết xuất có hỗ trợ siêu âm

62 WHO World Health Organization Tổ chức Y tế Thế giới

63 WWTP Waste Water Trearment Plant Nhà máy xử lý nước thải

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 2 Tính chất lý hóa của một số chất điển hình PPCPs [24, 25] 4Bảng 1 3 Kết quả thống kê sơ bộ nguồn thải trên lưu vực sông Cầu [80] 29

Bảng 2 3 Đánh giá rủi ro môi trường theo Hệ số rủi ro (RQ) 51Bảng 2 4 Đặc tính của các thành phần môi trường [87] 54

Bảng 3.1 Nồng độ và tỉ lệ phát hiện của các PPCPs trong nước sông Cầu 57

Bảng 3 3 Giá trị tối ưu năng lượng phân mảnh F và năng lượng va chạm CE 66

Bảng 3 6 Bảng tổng hợp tín hiệu chất phân tích ở các nồng độ khác nhau 73Bảng 3 7 Độ chụm và độ đúng của phương pháp phân tích 74Bảng 3 8 So sánh giữa PPCPs điển hình ở Sông Cầu và các khu vực khác 77Bảng 3 9 Hệ số tương quan Pearson (R) giữa nồng độ PPCPs trong nước và

Bảng 3.10 Tương quan Pearson giữa thành phần hữu cơ và thành phần sét 877Bảng 3.11 Hệ số phân bố Kd giữa nước và trầm tích của PPCPs 899Bảng 3 12 Tải lượng PPCPs điển hình đổ vào Sông Cầu (Thái Nguyên) 911Bảng 3 13 Tính toán nồng độ dự báo không gây ảnh hưởng PNEC (ng/L) 944

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 2 Biểu đồ gia tăng chi phí cho việc mua dược phẩm ở Việt Nam [8] 10

Hình 1 4 Các nồng độ được báo cáo của các PPCPs điển hình trong nước thải bởi

Hình 1 5 Nồng độ PPCPs khác nhau trong nước mặt (sông và suối) được báo cáo

Hình 1 6 Sự biến đổi PPCPs được tìm thấy trong trầm tích ở các quốc gia khác nhau Dữ liệu được tổng hợp bởi N.J.D Reyes, F.K.F Geronimo [67] 18Hình 1 7 Tần suất phát hiện PPCPs trong môi trường nước ở Việt Nam trong

Hình 1 8 Các kỹ thuật chiết tách được sử dụng gần đây [74] 20Hình 1 9 Sự phân bố số lượng nghiên cứu theo phương pháp làm sạch [74] 21Hình 1 10 So sánh xu hướng sử dụng máy phân tích PPCPs [74] 23

Hình 2 3 Sự ảnh hưởng của F(a) và CE (b) lên tín hiệu ion hóa CBM 35

Hình 2 5 Vị trí lấy mẫu nước và trầm tích sông Cầu tại TP Thái Nguyên 43

Hình 2 7 Các thiết bị hỗ trợ tách và làm giàu chất phân tích 46

Hình 3 4 Chỉ số ảnh hưởng InI của các chất PPCPs 62

Hình 3 8 Sự ảnh hưởng của tỉ lệ pha động đến thời gian lưu và tín hiệu 68

Hình 3 11 Ảnh hưởng thể tích bơm mẫu tới diện tích tín hiệu thu nhận 71Hình 3 12 Ảnh hưởng thể tích bơm mẫu tới tín hiệu thu nhận (50 ppb) 72Hình 3 13 Phương trình đường chuẩn của CIP, CBM, SMX và CAF 73Hình 3.14 Biến đổi nồng độ PPCPs theo không gian (mùa khô) 77Hình 3.15 Biến thiên tỉ lệ các PPCPs nghiên cứu trong nguồn nước sông Cầu 80

Hình 3.16 Biến thiên nồng độ PPCPs trên dòng chính sông Cầu 80Hình 3.17 Mối quan hệ nồng độ PPCPs ở mùa mưa và mùa khô (n=13) 81Hình 3.18 Hệ số tương quan giữa nồng độ các PPCPs trong nước sông Cầu (n=13) 822Hình 3.19 Mối liên hệ giữa PPCPs với các thông số chất lượng nước (n=13) 833

Hình 3.21 Tỉ lệ thành phần của 4 PPCPs nghiên cứu trong trầm tích sông cầu 85Hình 3.22 Ảnh hưởng của TOC (%) và thành phần sét (S) lên nồng độ PPCPs (mùa

Hình 3 23 Lưu lượng các dòng nhánh đổ vào Sông Cầu (Thái Nguyên) 91

Hình 3 25 Hệ số nguy hại trong các sông ở Trung Quốc [18] 96

1 Tính cấp thiết của đề tài MỞ ĐȀU

Trong những năm gần đây, sự xuất hiện của dược phẩm trong môi trường nước

đã thu hút sự chú ý ngày càng tăng và được xác nhận thuộc nhóm chất ô nhiễm mớinổi (emerging pollutants) bởi các tác động bất lợi của chúng tới môi trường nước,

hệ sinh thái và sức khỏe cộng đồng [1] Môi trường ngày càng ô nhiễm và đời sốngkinh tế ngày càng được cải thiện là những tiền đề cho việc sử dụng dược phẩm vàcác sản phẩm chăm sóc cá nhân (PPCPs) trên toàn thế giới đang tăng lên hàng năm.Chỉ tính riêng việc sử dụng thuốc kháng sinh, các nghiên cứu trong khoảng thờigian từ năm 1995 đến 2006 đã chỉ ra rằng liều lượng thuốc tính theo đầu người đãtăng 50% [2] Ước tính tiêu thụ kháng sinh hàng năm trên thế giới dao động từ100.000 đến 200.000 tấn và mức tiêu thụ kháng sinh đang không ngừng tăng lên[3] Tùy thuộc vào cấu trúc của của từng loại thuốc nên các chất dược phẩm sau khivào trong cơ thể người và động vật sẽ được đào thải ra môi trường theo đường bàitiết dưới dạng chất ban đầu hoặc chất chuyển hóa Theo K Kümmerer [3] cókhoảng (10 ÷ 90)% lượng dược phẩm bị đào thải ra khỏi cơ thể mà không bị chuyểnhóa Ngoài ra dược phẩm còn xâm nhập vào môi trường theo nhiều con đường khácnhau như từ các cơ sở sản xuất hoặc thải bỏ thuốc quá hạn không đúng quy định [4].

Đó chính là nguyên nhân mà các chất dược phẩm thường xuyên được tìm thấy trongmôi trường nước ở nhiều nơi trên thế giới [1, 5, 6] Những nghiên cứu gần đây chothấy sự có mặt của dược phẩm trong môi trường đã làm thay đổi tương tác và cácquá trình sinh thái như làm ức chế hô hấp của vi sinh vật, ức chế quá trình quanghợp của thực vật, làm giảm quá trình sinh trưởng nói chung [5] Mối quan tâm chínhđược nêu ra bởi sự hiện diện của PPCPs trong môi trường nước là khả năng củachúng can thiệp vào hệ thống nội tiết để tạo ra các tác động không mong muốn / phá

vỡ cân bằng nội môi [7]

Hiện nay đời sống của người dân Việt Nam đã được cải thiện đáng kể, mức độquan tâm đến các vấn đề sức khỏe ngày càng được chú ý nên lượng thuốc tiêu thụhàng năm không ngừng tăng lên Việt Nam là một trong những thị trường tăngtrưởng cao nhất ở châu Á đối với các sản phẩm dược phẩm trong giai đoạn 2011-

2015 và dự kiến sẽ giữ được tốc độ này trong 20 năm tới Giá trị thị trường toànngành năm 2015

đạt khoảng 4,2 tỷ USD và dự kiến đạt 10 tỷ USD vào năm 2020 [8] Việc sử dụngPPCPs không ngừng gia tăng ở Việt Nam trong trong những năm trở lại đây cùngvới hệ thống hạ tầng xử lý nước thải hầu hết còn kém, tất yếu sẽ dẫn đến việc xuấthiện dư lượng PPCPs trong môi trường Một số nghiên cứu đã khảo sát về sự có mặtcủa PPCPs trong môi trường nước mặt ở đồng bằng sông Mê Kông [9]; nước mặt,nước thải đô thị ở Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh [10, 11]; nước ao trang trại ởHà Nội, Hải Phòng, Thái Bình và Cần Thơ [12, 13] và cả nước thải đô thị/bệnh viện[14-16] Tuy nhiên những nghiên cứu ở Việt Nam đến nay chủ yếu tập trung vào dưlượng kháng sinh Các nghiên cứu chưa có sự đánh giá một cách có hệ thống theokhông gian và thời gian Bên cạnh đó, trong các nghiên cứu đã thực hiện tại ViệtNam, quá trình phân tích các PPCPs thường được thực hiện ở các nước tiên tiến nhưNhật Bản, Hàn Quốc… Việc phân tích đồng thời các PPCPs vẫn còn hạn chế ở ViệtNam.

Với tổng diện tích lưu vực chiếm 2% diện tích lưu vực cả nước và 8% tổng diệntích lưu vực sông Hồng, sông Cầu là một trong những tiểu lưu vực sông lớn ở ViệtNam (cũng là một trong năm con sông dài nhất ở miền Bắc Việt Nam) [17] SôngCầu chảy qua 06 tỉnh miền Bắc là nơi tập trung dân cư đông đúc cùng với các hoạtđộng phát triển kinh tế xã hội Nước thải sinh hoạt được xác định là một trongnhững nguồn thải chính góp phần gây ô nhiễm nguồn nước sông Cầu, đặc biệt làkhu vực hạ lưu sông từ thành phố Thái Nguyên Ngoài các thông số đặc trưng nhưBOD, các hợp chất nitơ, phot pho, vi sinh vật, … nước thải sinh hoạt còn là nguồnthải chứa một lượng nhất định dư lượng các hợp chất PPCPs Bên cạnh đó lượngnước thải sinh hoạt này hầu hết chưa được xử lý trước khi xả thải vào sông Cầu dohạ tầng về xử lý nước thải trong khu vực còn nhiều hạn chế Là một trong ba lưuvực sông liên tỉnh ở Việt Nam được xếp vào điểm nóng về ô nhiễm môi trườngnước và được Thủ tướng Chính phủ ra quyết định phê duyệt đề án tổng thể bảo vệmôi trường LVS, chính vì thế chất lượng nước sông Cầu nhận được nhiều sự quantâm giám sát từ các cơ quan quản lý cấp bộ, ngành, địa phương và cả cộng đồngnghiên cứu khoa học Tuy nhiên hiện nay chưa có nghiên cứu nào thực hiện khảosát và đánh giá dư lượng PPCPs trong nguồn nước sông Cầu Chính vì vậy nghiên

cứu này tập trung đánh giá hiện trạng một số PPCPs điển hình trong nước/trầm tíchSông Cầu địa phận Thái Nguyên.

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Rà soát mức độ ô nhiễm PPCPs trong sông Cầu và xác định các chất PPCPs gây

3 Nội dung nghiên cứu

Các nội dung nghiên cứu của luận án được thực hiện bao gồm:

1) Thu thập các thông tin dữ liệu hiện có, các công trình nghiên cứu đã công bố vềhiện trạng mức độ ô nhiễm PPCPs trong nguồn nước

Luận án tiến hành thu thập những dữ liệu hiện có, những kết quả nghiên cứu đãcông bố, những dự án đã được thực hiện nhằm có được những đánh giá tổng quát vàchi tiết nhất về mức độ ô nhiễm cũng như những tác động và rủi ro của PPCPs tớimôi trường nước

2) Đánh giá sơ bộ ô nhiễm PPCPs đồng thời xác định các chất PPCPs điển hìnhtrong Sông Cầu

Luận án tiến hành khảo sát và lấy mẫu nhằm đánh giá sơ bộ mức độ ô nhiễmcủa các nhóm chất PPCPs trên sông Cầu Vị trí lấy mẫu dọc Sông Cầu từ Bắc Cạn,xuống Thái Nguyên, Bắc Ninh và Hải Dương Sau khi rà soát các PPCPs có mặt ởSông Cầu, Luận án tiếp tục sàng lọc nhằm xác định một số PPCPs điển hình dựatrên các yếu tố về nồng độ, tần suất phát hiện và mức độ rủi ro

3) Xác định các điều kiện tối ưu phân tích các PPCPs điển hình tại PTN ở Việt Nam.Dựa trên một số hướng dẫn kỹ thuật chỉ dẫn chung về phân tích PPCPs cũngnhư xác định các yếu tố tác động đến phương pháp phân tích, Luận án tiến hành xácđịnh các điều kiện tối ưu cho phương pháp phân tích các PPCPs điển hình trongđiều kiện PTN Việt Nam

4) Đánh giá hiện trạng ô nhiễm PPCPs điển hình trong mẫu nước và trầm tích sôngCầu tại thành phố Thái Nguyên

Luận án tiến hành khảo sát và lấy mẫu nhằm đánh giá mức độ ô nhiễm củaPPCPs trên sông Cầu Vị trí lấy mẫu được lựa chọn dựa trên nguyên tắc là đánh giáđược sự ảnh hưởng từ các dòng thải nhánh nằm dọc theo sông đến nồng độ PPCPstrong nước và trầm tích Ngoài ra, mẫu cũng sẽ được lấy theo 2 mùa là mùa khô vàmùa mưa, các yếu tố ảnh hưởng khác như tốc độ dòng chảy, độ sâu, cũng sẽ đượcxem xét khi lựa chọn địa điểm lấy mẫu.

Công tác đánh giá hiện trạng ô nhiễm không chỉ dừng lại việc xác định nồng độ

ô nhiễm mà còn xác định tải lượng ô nhiễm các PPCPs đổ vào Sông Cầu (TP TháiNguyên)

5) Đánh giá sự phân bố của PPCPs điển hình trong nước và trầm tích

Sự tồn tại của các hợp chất PPCPs trong nước và trầm tích phụ thuộc vào sựphân bố trầm tích-nước Sự phân bố này thường phức tạp và phụ thuộc vào các đặcđiểm hóa lý của các hợp chất PPCPs, các đặc tính hóa lý của nước và trầm tích Sựphân bố của PPCPs trong nước và trầm tích có vai trò quan trọng trong việc hiểubiết cơ chế vận chuyển và biến đổi của các hợp chất này trong môi trường

6) Đánh giá rủi ro môi trường do sự tồn tại của PPCPs điển hình đến chất lượngmôi trường và con người

Đánh giá rủi ro môi trường nhằm xác định các thông tin cơ bản về các rủi rogây ra tại một địa điểm là sự hiện diện chất ô nhiễm trong khu vực và khả năng tácđộng, kiểu tác động của các chất ô nhiễm đến môi trường và con người Kết quảđánh giá rủi ro môi trường do sự hiện diện của PPCPs trong nước và trầm tích là cơ

sở để đưa ra các quyết định kiểm soát và quản lý nhằm ngăn ngừa, giảm thiểu vàloại trừ các tác động có hại của các hợp chất này trong tương lai

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a Đối tượng: 56 hợp chất PPCPs bao gồm 30 chất thuộc nhóm thuốc khángsinh, 12 chất thuộc nhóm thuốc giảm đau, 4 chất thuộc nhóm thuốc chốngđộng kinh, 4 chất thuộc nhóm thuộc giãn mạch máu và 6 chất thuộc nhóm cácPPCPs khác trong nước và trầm tích

b Phạm vi: sông Cầu – Thái Nguyên

5 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp khảo sát thực địa: tiến hành khảo sát thực tế lưu vực sông Cầu:dòng chảy, vị trí xả thải các nguồn thải, … để xác định các vị trí lấy mẫu đảmbảo thu mẫu đại diện

- Phương pháp lấy mẫu, đo đạc tại hiện trường: thực hiện việc lấy mẫu nước, trầmtích mặt, cột trầm tích theo các tiêu chuẩn hiện hành Tiến hành đo nhanh một sốthông số chất lượng nước tại hiện trường bao gồm nhiệt độ nước, pH, DO, độdẫn điện, tổng chất rắn hòa tan (TDS), thế ôxi hóa khử

- Phương pháp phân tích tại PTN: Mẫu nước và trầm tích sau khi vận chuyển vềPTN được chiết tách và làm giàu các hợp chất PPCPs bằng các kỹ thuật phù hợpnhư chiết pha rắn (SPE) đối với mẫu nước và chiết dung môi nhanh (ASE) vớimẫu trầm tích tại PTN Dịch chiết được định tính và định lượng các PPCPs bằngthiết bị sắc ký lỏng hai khối phổ Ngoài ra một số thông số chất lượng nước baogồm SS, coliform, và một số thông số đặc trưng của trầm tích bao gồm pH, kíchthước hạt, hàm lượng cacbon hữu cơ, hàm lượng sét cũng được phân tích

- Phương pháp phân tích, đánh giá và so sánh: các kết quả phân tích định lượngđược so sánh, đánh giá theo phân bố thời gian, không gian trong khu vực nghiêncứu đồng thời so sánh đánh giá với các nghiên cứu liên quan đã được công bốtrong và ngoài nước

- Phương pháp hồi cứu tài liệu: Thu thập dữ liệu làm cơ sở so sánh đánh giá; kếthừa các phương pháp đánh giá rủi ro môi trường đã được giới nghiên cứu côngnhận;

- Phương pháp phân tích thống kê: Đánh giá độ tin cậy của số liệu thu thập từthực nghiệm; sử dụng phân tích hồi quy để xác định mối tương quan sự phân bốcủa PPCPs trong nước và trầm tích

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

a Ý nghĩa khoa học

- Đưa ra quy trình phân tích đồng thời 04 PPCPs gồm sulfamethoxazole,ciprofloxacin, carbamazepine và caffeine trong mẫu nước và trầm tích làm cơ sở

để xây dựng quy trình phân tích các PPCPs khác và tiến tới xây dựng tiêu chuẩn

về quy trình/phương pháp phân tích PPCPs phù hợp với điều kiện Việt Nam

- Xác định được hệ số phân bố thực nghiệm của PPCPs trong nước và trầm tíchsông Cầu là cơ sở cho việc đánh giá phân bố các PPCPs nghiên cứu trong nướcvà trầm tích

b Ý nghĩa thực tiễn

- Hình thành cơ sở dữ liệu ban đầu về ô nhiễm PPCPs trong nguồn nước sông Cầuđóng góp vào cơ sở dữ liệu ô nhiễm PPCPs trong nguồn nước tại Việt Nam giúpđịnh hướng hoạt động kiểm soát các nguồn ô nhiễm cũng như đưa ra nhữngkhuyến cáo phù hợp trong việc sử dụng nguồn nước sông Cầu

7 Những điểm mới của luận án

(1) Bộ số liệu về sự hiện diện của PPCPs trong nước và trầm tích sông Cầu làm

cơ sở cho việc đánh giá mức độ nhiễm bẩn của PPCPs trong nguồn nước sông Cầu,đánh giá sự phân bố của PPCPs trong nước và trầm tích

(2) Ước tính được hệ số phân bố pha thực nghiệm giữa nước và trầm tích mặtcủa một số PPCPs trong nguồn nước sông Cầu Đây là thông tin quan trọng trongviệc quan trắc và phân tích các chất PPCPs trong nguồn nước, giúp dự báo mức độlan truyền ô nhiễm theo dòng chảy Ước tính được tải lượng ô nhiễm PPCPs điểnhình

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 TỔNG QUAN VỀ PPCPs

1.1.1 Định nghĩa và phân loại

Dược phẩm và các sản phẩm chăm sóc cá nhân (Pharmaceuticals and personalcare products - PPCPs) là một trong những nhóm chất gây ô nhiễm được quan tâmnhiều gần đây Các sản phẩm này hầu hết có nguồn gốc nhân tạo được sử dụng vớinhiều mục đích như trong chăm sóc sức khỏe con người, hoạt động chăn nuôi và cảhoạt động nông nghiệp Chúng vẫn còn hoạt tính sinh học sau khi ra khỏi cơ thể vàxâm nhập vào môi trường theo nhiều con đường khác nhau (xem Hình 1.1) Sự hiệndiện của chúng trong các hệ sinh thái làm gia tăng những lo ngại về hiểm hoạ đedọa đến môi trường nước và sức khỏe con người

Hình 1 1 Sự di chuyển của PPCPs trong môi trường [18]

Dược phẩm là các sản phẩm hóa chất được sử dụng để chẩn đoán, điều trị, chữabệnh, hoặc phòng ngừa bệnh tật cho cả người và động vật, gồm cả các loại thuốc bấthợp pháp [19] Các loại thuốc thường được bào chế với hoạt tính sinh học cao đểđạt được hiệu quả trong điều trị Do đó, chúng có khả năng đặc biệt ảnh hưởng đếncác chức năng sinh hóa và sinh lý của các hệ thống sinh học Dược phẩm có thểđược đặc trưng hoặc phân loại dựa trên cấu trúc hóa học, tác dụng của chúng (tức làphương thức hoạt động), hoặc việc sử dụng chúng (tức là mục đích điều trị) Theo

chức năng

điều trị chúng bao gồm thuốc kháng sinh (dùng cho người và thú y), thuốc chống

viêm không chất béo hữu cơ hòa tan (NSAID), thuốc điều chỉnh lipid máu, thuốcchống động kinh, hormone, thuốc chẹn beta (thuốc điều trị cao huyết áp), thuốcchống trầm cảm, thuốc chống ung thư, phương tiện tương phản tia X và thuốccường giao cảm β2 (thuốc giãn phế quản) [19-21].

Sản phẩm chăm sóc cá nhân là các sản phẩm có thành phần hoạt tính phục vụcác nhu cầu vệ sinh, thẩm mỹ của con người, thường được sử dụng trong các sảnphẩm như mỹ phẩm, đồ vệ sinh cá nhân và nước hoa [19], chẳng hạn như phụ giatắm, dầu gội, thuốc bổ tóc, sản phẩm chăm sóc da, thuốc xịt tóc , kem dưỡng da,thuốc nhuộm tóc, sản phẩm vệ sinh răng miệng, xà phòng, kem chống nắng, nướchoa, thuốc cạo râu, v.v [20] Các sản phẩm chăm sóc cá nhân được xác định trongcác mẫu môi trường chủ yếu có thể được phân loại thành ba nhóm do chức năng củachúng, đó là chất khử trùng, xạ hương (tổng hợp) và chất chống nắng [19, 20]

Gần đây các hạt vi nhựa được thêm vào trong một số sản phẩm chăm sóc cánhân như kem đánh răng, chất tẩy da chết, dầu gội, sữa tắm… bởi khả năng làmsạch bụi bẩn và chất nhờn trên da của chúng Sau khi được sử dụng, hạt vi nhựakhông bị xử lý tại các hệ thống xử lý nước thải, và theo dòng thải đổ ra sông hồ vàbiển Chúng có khả năng hấp phụ các chất chất độc hữu cơ kỵ nước Các hạt vinhựa này theo chuỗi thức ăn đi vào cơ thể các loài sinh vật trong nguồn nước Do

đó, các sinh vật thủy sinh không những chịu nguy cơ tích lũy các hạt vi nhựa màcòn có nguy cơ tăng khả năng tích tụ các chất độc hữu cơ thông qua chuỗi thức ăncủa các hệ sinh thái [22]

Norfloxacin

Phân Loại Nhóm chất Hợp chất đại diện

Thuốc chống động kinh

(Antiepileptic drugs)

Thuốc chống mỡ

máu

(Blood lipid regulators)

Ethinylestradiol (EE2)Diclofenac Ibuprofen Acetaminophen Acetylsalicylic acid

PrimidoneClofibrate Gemfibrozil

Thuốc đuổi côn trùng

Triclosa

n Tricloca

rban

Galaxolide(HHCB) Toxalide (AHTN)

toluamide (DEET)Parabens

N,N-diethyl-m-(alkyl-p- hydroxybenzoates)2-ethyl-hexyl-4-trimethoxycinnamate (EHMC)4-methyl-benzilidine- camphor (4MBC)

1.1.2 Đặc tính của PPCPs

a Đặc tính hóa lý

Công thức hóa học, khối lượng phân tử và các đặc trưng hóa lý gồm độ tan, KOW,

Kd, KOC và pKa của các PPCPs điển hình được thể hiện trong Bảng 1.2

Bảng 1 2 Tính chất lý hóa của một số chất điển hình PPCPs [24, 25]

(L/kg)

Pha rắn

Kd

(L/kg)

1147–Sét/ cát

(L/kg)

Crotamiton

(L/kg)

b Tính bền vững

Các đặc tính hóa lý của nhiều PPCPs cho thấy chúng không dễ dàng bị loại bỏbởi các quy trình xử lý nước thông thường, minh chứng là sự hiện diện của chúngtrong nước uống [26] Việc không có khả năng thực hiện việc loại bỏ hoàn toànPPCPs khỏi nhà máy xử lý chất thải có nguy cơ tiềm ẩn đối với các sinh vật thủysinh và sức khỏe cộng đồng Bằng chứng từ các nghiên cứu giám sát là PPCPs đãtìm thấy đường xâm nhập vào môi trường nước và phổ biến ở khắp nơi [27] Bảnchất của việc sử dụng rộng rãi PPCPs trên toàn cầu, cùng với sự gia tăng ngày càngnhiều các loại dược phẩm mới ra thị trường đang góp phần đáng kể vào sự hiện diệnmôi trường của các hóa chất này và các chất chuyển hóa (dạng hoạt động) củachúng trong môi trường nước [20] Hơn nữa, mặc dù không phải tất cả PPCPs đềutồn tại lâu dài nhưng việc sử dụng và thải vào môi trường liên tục khiến nhiều ngườilầm tưởng là PPCPs không bị phân hủy ngay cả khi bị tác động bởi các quá trìnhmôi trường như phân hủy sinh học, phân hủy quang học và hấp thụ hạt Do đó, cácdược phẩm có thể phân hủy cuối cùng sẽ hoạt động hiệu quả và hoạt động như cáchợp chất khó phân hủy do chúng được giải phóng liên tục vào môi trường [28] D.Löffler, J Römbke [29] đã phân loại 10 dược phẩm và các chất chuyển hóa củachúng thành các hợp chất có độ bền thấp, trung bình và cao theo thời gian phân táncủa chúng (DT50) trong mẫu nước / trầm tích Paracetamol, Ibuprofen, 2-hyroxyibuprofen và CBM-diol được phân loại là có độ bền thấp (DT50 = 3,1-7ngày), Oxazepam , Iopromide và Iver-mectin được coi là tồn tại ở mức độ vừa phải(DT50 = 15-54 ngày) trong khi Clofibric acid, Diazepam, CBM được đánh giá là bền

bỉ cao (DT50 = 119-328 ngày) [29] Một nghiên cứu gần đây hơn đã chứng minhthuốc giải lo âu (Oxazepam) có khả năng tồn tại kéo dài trong các hồ nước ngọt dođầu vào trong quá khứ và dân số đô thị ngày càng tăng [30]

c Độc tính

Một mối quan tâm chính được nêu ra bởi sự hiện diện của PPCPs trong môitrường nước là khả năng của chúng can thiệp vào hệ thống nội tiết để tạo ra các tácđộng không mong muốn hoặc phá vỡ cân bằng nội tiết Tổ chức Y tế Thế giới(WHO) đã định nghĩa các chất gây rối loạn nội tiết (ED) là “chất hoặc hỗn hợpngoại sinh làm thay đổi (các) chức năng của hệ thống nội tiết và do đó gây ra các

ảnh hưởng xấu đến

sức khỏe ở một sinh vật, thế hệ con cháu hoặc quần thể phụ của nó” ED bao gồmmột nhóm lớn các chất hóa học từ tự nhiên (ví dụ như mycotoxin và phytoestrogen)và nguồn gốc tổng hợp (ví dụ như diethylstilbesterol và Bisphenol A) trong nhiềuloại sản phẩm tiêu dùng (ví dụ như PPCPs, sản phẩm làm sạch, chất kháng khuẩn,chất bảo quản thực phẩm và phthalate) [31] Dược phẩm gây rối loạn nội tiết baogồm hormone sinh dục, glucocorticoid, hormone tăng trưởng thú y và một số dượcchất không steroid Hơn nữa, độc tính phát sinh từ hỗn hợp phức tạp của PPCPs ởnồng độ thấp có thể dẫn đến tương tác hiệp đồng Điều này có nghĩa là mặc dù từngPPCPs có thể có sẵn ở nồng độ thấp nhưng không gây ra các tác dụng độc hại đáng

kể khi tác động đơn lẻ; Hỗn hợp PPCPs vẫn có thể gây độc tính sinh thái đáng kể.Điều này đã được chứng minh bởi M Cleuvers [32]; theo đó thuốc chống động kinh

- CBM và thuốc hạ lipid máu acid clofibric (cả hai thuộc các nhóm điều trị khácnhau) thể hiện tác dụng tiêu cực đối với Daphnia magna (một loài giáp sát nhỏ)mạnh hơn nhiều so với các hợp chất đơn lẻ ở cùng nồng độ K.L Thorpe, T.H.Hutchinson [33] cũng tiết lộ rằng hiệu ứng hỗn hợp của estradiol (E2) và 4-tert-nonylphenol có thể tạo ra phản ứng cộng / hiệp lực và do đó gây ra sản xuấtvitellogenin ở cá hồi con

Nhìn chung, độc tính của PPCPs trong môi trường nước vượt ra ngoài các tácđộng cấp tính được quan sát khi đạt hoặc vượt quá nồng độ điều trị mong muốn(therapeutic level) Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra độc tính của PPCPs thay đổitùy thuộc vào sinh vật tiếp xúc, thời gian tiếp xúc, nồng độ chất gây ô nhiễm và thờigian phát triển tại đó xảy ra tiếp xúc Hơn nữa, các tác động của phơi nhiễm mứcvết mãn tính (chronic trace-level exposure), đặc biệt là ở một số giai đoạn phát triểnnhạy cảm nhất định, chủ yếu quan sát được ở các sinh vật không phải mục tiêu bịphơi nhiễm nhiều hơn là phơi nhiễm liều cao cấp tính [34] Do nhiều chất gây ônhiễm dược phẩm được đẩy vào môi trường sau khi con người hoặc thú y sử dụngnên nồng độ chất chuyển hóa có thể cao hơn nồng độ của các hợp chất gốc Ví dụ,một số chất chuyển hóa acetyl hóa của kháng sinh (như N4- acetylsulfapyridine)được phát hiện là độc hơn hợp chất gốc (sulfapyridine) trong tảo [35] Ngoài ra, sựhiện diện của các tác nhân dược hoạt động trong các điều kiện không mong muốntrong môi trường nước có thể làm thay đổi các đặc tính độc học của chúng Để minh

họa, các sản phẩm phân hủy

quang của naproxen được báo cáo là có nhiều tác động độc hại hơn so với hợp chất

gốc trên tảo, luân trùng và động vật giáp xác [36] Các hợp chất dược phẩm có tínhaxit có thể gây ra các phản ứng độc học khác nhau ở các mức pH khác nhau ở cácsinh vật không phải mục tiêu tiếp xúc [37] và các kim loại được chứng minh là tích

tụ trong màng sinh học sông đã được chứng minh là làm tăng độc tính của một sốchất gây ô nhiễm kháng sinh (fluoroquinolones và tetracycline) theo cách phụ gia[38]

1.1.3 Sản xuất và sử dụng PPCPs

Năm 2017, doanh số bán dược phẩm toàn cầu là 996 tỷ đô la (cao hơn gần 30 tỷ

đô la so với con số 968 tỷ đô la được công bố vào năm 2016) [39] Tỉ lệ tăng trưởngkép trong ngành dược phẩm là 2.3% trong giai đoạn 2010 đến 2018, nó được dự báolà tăng lên 6.9% trong 6 năm tiếp theo (2019 đến 2024) Doanh số bán hàng toàncầu dự kiến sẽ lần đầu tiên vượt quá hàng nghìn tỷ đô la vào năm 2021-2022 và đạtdoanh thu 1.180 tỷ đô la vào năm 2024 [40] Cho đến nay, Hoa Kỳ vẫn là thị trườngdược phẩm lớn nhất (453 tỷ USD năm 2017), tiếp theo là các thị trường mới nổi(216 tỷ USD năm 2017, bao gồm Trung Quốc, Nga, Brazil và Ấn Độ), Châu Âu(214 tỷ USD năm 2017) và sau đó là các thị trường các nước phát triển (112 tỷ đô lavào năm 2017, bao gồm Nhật Bản, Canada và Úc)

Việt Nam là một trong những thị trường tăng trưởng cao nhất ở châu Á đối vớicác sản phẩm dược phẩm trong giai đoạn 2011–2015 và dự kiến sẽ giữ được tốc độnày trong 20 năm tới Giá trị thị trường toàn ngành năm 2015 đạt khoảng 4,2 tỷUSD, dự kiến đạt 10 tỷ USD vào năm 2020 Theo BMI (Business MonitorInternational), Việt Nam đứng thứ 13/175 quốc gia về các thị trường toàn cầu tăngtrưởng nhanh nhất về chi tiêu cho thuốc vào năm 2013 Tổng chi cho y tế chiếm 5%GDP năm 1990, tăng lên hơn 7% vào năm 2014, cao hơn hầu hết các nước đangphát triển khác ở châu Á [41] Tăng trưởng chi tiêu thuốc bình quân đầu người liêntục và ổn định Chi tiêu thuốc bình quân trên đầu người là 9,85 USD vào năm 2005và 22,25 USD vào năm 2010 và lên đến 44 USD vào năm 2015 [40] Tốc độ tăngtrưởng bình quân đạt 17,7%

/ năm từ 2005 đến 2010 và 14,6% trong giai đoạn 2010 đến 2015 Giả sử chi duy trì

tốc độ tăng trưởng ít nhất 14% / năm đến năm 2025, ước tính chi tiêu thuốc bìnhquân

đầu người sẽ tăng gấp đôi lên 85 USD vào năm 2020 và tăng gấp bốn lần lên 163

USD vào năm 2025 (Hình 1.2)

b

53-

122234-203,2

Roxithromycin 80214-83-1 837, C41H76N2O15 2,75 9,17

15 H

25 NO

Metoprolol cấp/

thứcấp

Hình 1 2 Biểu đồ gia tăng chi phí cho việc mua dược phẩm ở Việt Nam [8]

1.1.4 Nguồn thải PPCPs vào nguồn nước và các tác động của chúng

a Nguồn thải PPCPs vào nguồn nước

Sau khi sử dụng, nhiều PPCPs xâm nhập vào môi trường thông qua các con

đường khác nhau (Hình 1.3) Các nguồn thải chính của PPCPs đối nguồn nước bao

gồm nước thải từ các nhà máy xử lý nước thải đô thị [20], các nhà máy xử lý nước

thải sinh hoạt và quá trình xâm nhập của nước rỉ rác từ các bãi chôn lấp rác thải

Trong quá trình sử dụng PPCPs cho các mục đích điều trị y tế, chúng được bài tiết

và thải vào hệ thống nước thải hoặc bể tự hoại và được thu gom về các cơ sở xử lý

nước thải sinh hoạt PPCPs thường không được loại bỏ hoàn toàn trong các quy

trình xử lý nước thải thông thường, do đó thường có thể phát hiện được trong cácnguồn nước mặt ở nồng độ từ ng/L đến μg/L [42] Ngoài ra ở một số nơi, nước thảig/L [42] Ngoài ra ở một số nơi, nước thải

có thể được sử dụng để tưới với bùn thải đô thị để làm phân bón cho đất nôngnghiệp gây ra khả năng xâm nhập vào nguồn nước thông qua dòng chảy từ đất nôngnghiệp [43] [44] Một nguồn khác của PPCPs đối với môi trường là thông qua quátrình sản xuất của chúng khi nước thải từ cơ sở sản xuất đi thẳng vào các trạm xử lýnước thải [42] Ví dụ, tỷ lệ

loại bỏ các loại thuốc chống viêm không steroid (như ibuprofen và diclofenac) trongcác nhà máy xử lý nước thải có thể vượt 75%, nhưng CBM có tính kiềm chế đối vớicác phương pháp xử lý sinh học nên tỉ lệ loại bỏ rất thấp; nhiều chất bị loại bỏ trongcác trạm xử lý nước thải như fluoroquinolon (70%) chủ yếu là do bị hấp thụ mạnhvào bùn hơn là do phân hủy sinh học [45] Các bùn thải này hiện đang được khuyếnkhích tạo thành các sản phẩm cải tạo đất hữu cơ, nên các PPCPs có thể tiếp cậnnước ngầm thông qua việc rửa trôi từ đất và điều này có thể gây ra mối đe dọa đốivới nước uống Thuốc thú y được thải ra môi trường khi chất thải động vật ở trạngthái rắn hoặc lỏng được rải xuống ruộng nông nghiệp làm phân bón Các loại thuốcthú y này cùng với các chất chuyển hóa của chúng gây ô nhiễm đất và có thể xâmnhập vào chuỗi thức ăn Do đó, nước thải từ nông nghiệp có thể xâm nhập vàonguồn nước mặt và thấm vào nước ngầm [46] Đối với các PPCPs là sản phẩmchăm sóc cá nhân, hầu hết chúng được thải qua chất thải vòi hoa sen, bồn tắm, bơilội và rửa Tương tự dược phẩm, chúng có thể đi qua các nhà máy xử lý nước thảivà đến môi trường [43] (Hình 1.3).

Hình 1 3 Các nguồn phát thải PPCPs vào môi trường [43]

Các PPCPs được sử dụng như là hormone và thuốc trừ sâu thải vào môi trường nước liên tục hoặc gián đoạn Việc xả nước thải đã qua xử lý được xác định là nguồn

chính của PPCPs trong môi trường Các cơ sở sản xuất cũng có thể là nguồn thảiPPCPs quan trọng tại địa phương ở các vùng nước mặt lân cận, đặc biệt là ở cácnước thu nhập trung bình như Trung Quốc và Ấn Độ, nơi không có các quy địnhnghiêm ngặt về thải thuốc ra môi trường Hơn nữa, dòng chảy đô thị và nôngnghiệp, rò rỉ từ bể tự hoại trong các sự kiện bão/lũ hoặc bể chứa sự cố hệ thống đôikhi có thể trở thành nguồn tiềm năng của PPCPs trong nước tự nhiên.

b Tác động của PPCPs trong nguồn nước

(1) Tích lũy sinh học

Mặc dù PPCPs được phát hiện trong môi trường nước với nồng độ tương đốithấp và nhiều trong số chúng cùng với các chất chuyển hóa của chúng có hoạt tínhsinh học và có thể tác động đến các sinh vật thủy sinh không phải mục tiêu Một sốnghiên cứu đã kiểm tra ảnh hưởng của PPCPs đối với các sinh vật phi mục tiêu, đặcbiệt là cá Sự tiếp xúc của cá vàng (Carassius auratus) với gemfibrozil trong nước ởnồng độ phù hợp với môi trường trong 14 ngày dẫn đến hệ số tập trung sinh họctrong huyết tương là 113 [47] Một nghiên cứu khác của G Vernouillet, P.Eullaffroy [48], cho thấy sự tích tụ sinh học của thuốc chống động kinh CBM bởitảo (Pseudokirchneriella subcapitata) và giáp xác (Thamnocephalus platyurus) vớicác yếu tố tích lũy sinh học lần lượt là 2,2 và 12,6 Hơn nữa J Wang and P.R.Gardinali [49] đã báo cáo sự hấp thụ và làm lắng đọng dược phẩm của cá muỗi(Gambusia holbrooki) trong nước Các yếu tố tích lũy sinh học được đo đối vớiCAF, diphenhydramine, diltrazem, CBM và ibuprofen lần lượt là 2, 0.16, 16.1, 4 và

28 Oxazepam được phát hiện ở nồng độ cao ở cá rô Âu với hệ số tích lũy sinh họclà 12 [50] B Du, S.P Haddad [51] cũng tiết lộ sự tích tụ fluoxetine trong ốc sênvới hệ số tích lũy sinh học là 3000 S.R de Solla, È.A Gilroy [52] theo dõi 145PPCPs ở trai hoang dã và nuôi nhốt từ sông Grand, Ontario Bốn mươi ba dượcphẩm từ các lớp khác nhau đã được phát hiện trong mô trai, với các yếu tố tích tụsinh học nằm trong khoảng từ 0,66 đối với metformin đến 32,022 đối với sertraline.Nhiều chất kháng sinh đã được phát hiện trong tảo Thành phần lipid của tảocung cấp một điểm xâm nhập cho sự truyền dinh dưỡng các chất ô nhiễm hữu cơ ưa

mỡ Một nghiên cứu được thực hiện bởi M.A Coogan, R.E Edziyie [53] đã pháthiện sự