Bải Giảng Độc Chất Học Thủy Vực

Tổng quan độc chất học thủy Độc chất trong thuỷ vực và các nhân tố ảnh hưởng đến độc tính Xâm nhập, chuyển hoá, đào thải và tích tụ chất độc ở thủy sinh vật Cơ chế ảnh hưởng của một số độc chất phổ biến đến thủy sinh vật Phương pháp xác định nồng độ gây độc cấp tính Đánh giá rủi ro độc chất

Độc học thủy vực (Aquatic Toxicology)

Nguyễn Văn Công nvcong@ctu.edu.vn 0918.855 468 Vĩnh Thịnh 0976 540270 pvthinh62@gmail.com

Cách học

Cách học

Cách học

Cách học

Cách học

Cách học

• Vào LMS để đăng ký môn học (nhớ cho địa chỉ email)

• Vào LMS để lấy bài giảng và tài liệu đọc thêm

• Vào LMS để trao đổi với giáo viên hoặc gửi email (nếu

cần)

• Báo cáo seminar: 30%

• Thi hết môn: 70%

Cách học

• Sinh viên tự tra cứu bài giảng, đọc bài

• Đọc một số bài đọc thêm để nắm kiến thức

Chương 1

TỔNG QUAN Độc chất học thủy vực

Nguyễn Văn Công

nvcong@ctu.edu.vn

Nội dung

1. Giới thiệu về độc chất học thuỷ vực

2. Lịch sử nghiên cứu và phát triển

3. Một số khái niệm cơ bản về dùng trong độc học

1 Giới thiệu độc chất học thủy vực

 Độc chất học thuỷ vực (ĐCHTV)– Aquatic toxicology

(AT)

 Lĩnh vực nghiên cứu về “ảnh hưởng” của các “độc chất”

lên “thuỷ sinh vật” ở các mức độ gây hại khác nhau.

Nguồn gốc độc chất trong thủy vực

Các quá trình lý hóa ảnh hưởng độc

chất trong thủy vực

Newman & Unger, 2003

Thủy sinh vật chịu ảnh hưởng độc chất

Một số đáp ứng của sinh vật với độc chất &

stress môi trường

Ảnh hưởng diazinon lên cá lóc

Days after the first exposure

Những kiến thức cần thiết

Lý học Cấu trúc phân tử, hoà

tan, bay hơi và hút thấm

Hoá chất phân bố trong thủy vực như thế nào

Hóa học Thủy phân, oxi hoá,quang phân… Hoá chất tồn tại dạng nào & thay đổi nồng độ ra sao

Sinh học • Tập tính sinh vật;• Khả năng gải độc • Cơ hội sinh vật tiếp xúc;• Khả năng chịu đựng, ảh …

Các lĩnh vực liên quan

 Sinh thái thuỷ vực

 Sinh lý động thực vật thuỷ sinh

• Chúng ta đã

có những khối kiến thức nào?

• Phân tích khả năng gây độc

Cấu trúc & chức năng sinh học

• Sinh thái thuỷ vực

Acute Toxicity Test

• Goldfish là đối tượng đầu tiên

• Các loài TSV khác nhau chịu đựng khác nhau với độc chất

• Cho thấy khác biệt giữa độc cấp tính & mãn tính

• Phát hiện ảnh hưởng DDT lên cá

& chim

Năm 1948 đạo luật “quản lý ô

nhiễm nước” đầu tiên ra đời nhờ

đóng góp của độc chất học thuỷ vực

• Ngưỡng chịu đựng mãn tính;

• Quy trình thuần dưỡng TSV;

• Quy trình đánh ảnh hưởng độc chất;

• Phát hiện quan hệ độc cấp – mãn tính.

Đạo luật Chất lượng nước ra đời

1930s

1940-1950s

1960s

2 Lịch sử nghiên cứu & phát triển

2 Lịch sử nghiên cứu & phát triển

• Phát triển sang hướng NC hệ thống sinh học (Huyết học, mô học, trao đổi chất, sinh lý, sinh hoá)

• Tập tính, liên quan giữa đáp ứng sinh học - bệnh tật - hệ sinh thái;

• Liên quan độc chất - sức khoẻ con người (Bioaccumulation, bio- magnification).

• Đánh dấu sinh học (Biomarker)

• Đánh giá rủi ro (Risk Assessment) cho TSV & con người

• Tập huấn, truyền đạt kinh nghiệm 1970s

1980s-nay

3 Một số thuật ngữ

 Là chất có thể gây “ảnh hưởng có hại” đến hệ thống

sinh học, phá vỡ cấu trúc, chức năng sinh học hoặc

gây chết sinh vật

 “Ảnh hưởng có hại” của độc chất là những ảnh

hưởng làm cho sinh vật khác với tình trạng bình

thường và không có lợi cho sự phát triển của nó

– Thay đổi tập tính

– Giảm đề kháng

– Giảm sinh trưởng

– Giảm sức sinh sản

Độ tính (toxicity)

 Đề cập đến tiềm năng mà chất độc có thể gây ảnh

hưởng có hại cho sinh vật sống Khả năng gây độc

có thể “trực tiếp” hoặc “gián tiếp”

– Trực tiếp: chất ô nhiễm từ môi trường vô sinh

xâm nhập vào sinh vật và gây ảnh hưởng có hại

– Gián tiếp: gây ảnh hưởng có hại qua chuỗi thức

ăn

Exposure và Response

 Exposure: đề cập đến điều kiện tiếp xúc của sinh

vật với độc chất Bao gồm nồng độ khi tiếp xúc, thời

gian tiếp xúc, mức độ thường xuyên tiếp xúc với

độc chất

 Response: đề cập đến đáp ứng của sinh vật khi

hay sau khi tiếp xúc với độc chất

– Thay đổi sinh lý, sinh hoá, … (trao đổi chất, enzymes…)

– Thay đổi tập tính (bơi lội, đớp khí, co giật)

– Tăng/giảm bắt mồi, sinh trưởng, sinh sản;

– Và sau cùng là chết.

Độc cấp tính & mãn tính

 Cấp tính (acute toxicity): đề cập đến thời gian xác

định độc tính của chất độc đối với sinh vật (chết)

trong thời gian ngắn (vài giờ đến vài ngày – 4 ngày

hay 96h)

 Mãn tính (Chronic toxicity): cũng đề cập đến thời

gian xác định độc tính của chất độc đối với sinh vật

(tăng trưởng, sinh sản, bệnh tật, …) nhưng trong

thời gian dài (một giai đoạn của vòng đời hay cả

vòng đời sinh vật) ở nồng độ dưới ngưỡng gây chết

(sublethal concentration)

LC50, EC50 và LD50

 Median Lethal Concentration

(LC50), Median Lethal Dose

ảnh hưởng 50% chỉ tiêu theo

dõi (sinh trưởng, hoạt tính

enzyme, sinh sản, chết ở

plankton) sau thời gian thí

nghiệm xác định

LC50/EC50/LD50

* P P

– Y phải chuyển sang arsin tỷ lệ chết.

– X phải chuyển sang log (nồng độ)

=> để mối tương quan chặt chẻ hơn.

16

Sử dụng SPSS

19

LOEC/LOEL & MATC

 Nồng độ thấp nhất thấy ảnh hưởng - Lowest

Observed Effect Concentration (LOEC-LOEL): làgiới hạn nồng độ thấp nhất của chất độc mà ở đóđộc chất bắt đầu gây ảnh hưởng đáng kể đến sinhvật (sai khác có ý nghĩa so với đối chứng)

 Nồng độ gây độc cao nhất chấp nhận – Maximun

Allowable Toxic Concentration (MATC) là giới hạnnồng độ cao nhất của chất độc mà ở đó chất độckhông gây hại đến sức sản xuất (sinh trưởng, sinhsản) của sinh vật

NOEC/NOEL & SC

 Nồng độ không thấy ảnh hưởng - No Observed

Effect Concentration (NOEC)/No Observed Effect Level (NOEL): là giới hạn nồng độ cao nhất của

chất độc mà ở đó độc chất không gây ảnh hưởng

đáng kể (sai khác không có ý nghĩa so với đốichứng) đến sinh vật

 Nồng độ an toàn - Safe concentration (SC): là nồng

độ cao nhất của độc chất mà không thấy ảnh

hưởng đến sinh vật sau thời gian dài tiếp xúc củamột hay nhiều thế hệ

23

NOEC LOEC

Đơn vị gây độc (Toxic Units - TU)

(Sprague, 1970 Water Research 4,3-32)

 TU < 1 => Chết < 50%

 TU = 1 => Chết khoảng 50%

 TU > 1 => Chết > 50%

(Nồng độ trong MT) (LC50)

•Dựa vào nồng độ gây chết sinh vật (48 hay 96 giờ)

• Dựa vào nồng độ độc chất trong môi trường

Đánh dấu sinh học

 Đánh dấu sinh học (biomarker): là những đo đạc để

phát hiện những thay đổi sinh học của cá thể sinh

vật khi tiếp xúc với độc chất trước khi gây ảnh

hưởng nghiêm trọng (Van Gestel & Van

Brummelen, 1996)

– Huyết học

– Mô học

– Sinh lý, sinh hoá, …

báo sớm khả năng gây tác hại nghiêm trọng.

Đáp ứng của sinh vật với chất ô nhiễm

(Oost et al., 2003 Env Toxicol Phamacol, 57-149)

Biomarkers  other effects

Tích tụ sinh học (bioaccumulation)

 Là kết quả của quá trình hấp thụ và đào thải chất

độc từ nhiều nguồn khác nhau (nước, đất, thức ăn)

trong môitrường sống của sinh vật

 Hệ số tích tụ sinh học (Bioaccumulation Factor – BAF)

BAF=Csv/Cmt

Csv: nồng độ độc chất trong cơ thể sinh vật

Cmt: nồng độ độc chất trong môi trường (từ các nguồn độc chất khác nhau)

 Hàmlượng mỡ trong cơ thể

– Tỷ lệ mỡ nhiều => tích luỹ nhiều và đào thải ít

Nồng độ sinh học (bioconcentration)

 Chỉ đề cặp đến chất độc tích tụ trong cơ thể do hấp

thụ từ nước

 Một chất xem như tích tụ sinh học khi nồng độ chất

đó trong cơ thể sinh vật cao hơn nồng độ trong MT

 Hệ số nồng độ sinh học (bioconcentration factor –

K ow = C octanol /C water

 Kowtỷ lệ tuậnvới BCF;

 Kow>103hay log Kow>3 =>

Chất có tiềmnăng tích tụsinh học

•Hợp chất HC có công thức > C27H56không thấy tích luỹ sinh học

•Hợp chất không ưa nước có kích thước dài hơn 4.3nm thì không tích luỹ sinh

học (Chưa là giới hạn tối đa vì các nghiên cứu chỉ triển khai trên một số loài).

Khuếch đại sinh học (biomagnification)

 Độc chất trong sinh vật ở bậc dinh dưỡng sau cao hơn bậc dinh dưỡng trước (gia tăng qua bậc dinh dưỡng) gọi là hiện tượng khuếch đại sinh học

 Xảy ra chủ yếu đối với chất bền vững hoặc tan trong mỡ.

 Quá trình chuyển hoá năng lượng mất đi do

sử dụng cho trao đổi chất => Làm cô đặc nồng độ trong bậc dinh dưỡng cao hơn.

Ước đoán khả năng khuếch đại sinh học

– B: Hệ số khuếch đại sinh học:

– Cn: Nồng độ độc chất trong sinh vật ở bậc dinh dưỡng

đang nghiên cứu

– Cn-1: Nồng độ độc chất trong sinh vật ở bậc dinh

dưỡng thấp hơn

– Điều kiện áp dụng là sinh vật đã ở mức bảo hoà nồng

độ độc chất trong cơ thể (steady state)

Tài liệu tham khảo

Tài liệu tham khảo

Chương 2 Độc chất trong thủy vực

Khí quyển

Thủy quyển Địa quyển

L n đ n d m ư

Dissolved Particular

Organic

Inorganic

MeCln

MeCO3MeSO4

Con đường hấp thụ & đào thải kim

loại ở thủy sinh vật

Roesijadi, 1992

Dạng không tan, kết hợp với vật chất lơ lững

Dạng tan

trong

nước

• Khi Fe2+oxi hoá thành Fe3+tạo thành rỉ sắt

(Fe(OH)3)kết tủa xuống đáy thuỷ vực hay bám

vào mang thuỷ sinh vật => ngăn cản trao đổi oxy và

gây chết

Fe ở ĐBSCL

• Màuđỏ là nơi đất phèn (28%)

• Phèn hoá (đầu mùa mưa) làm

giảm thấp pH (3.5 hay thấp hơn)

=> làm hoà tan nhiều kim loại vào

đất, nước => môi trường trở nên

bất lợi hơn cho TSV

Chuyển hóa Fe trong nước

• Trong thuỷ vực, Fe2+dễ bị oxihóa thành Fe3+ khi có

oxy;

• Quá trình oxi hoá Fe2+=>Fe3+ trongnước ngọt kéo dài

hàng giờ, trong khi đó trong nước mặn chỉ trong vài

phút (Gunnars et al., 2002);

• => Oxy hóa từ Fe2+ =>Fe3+trong nước mặn nhanh hơn

trong nước ngọt;

• => Trong nước ngọt tồn tại Fe 2+ nhiều hơn trong

nước lợ, mặn (Martin et al., 1991)

Vai trò của Fe đối với TSV

• Là nguyên tố cần thiết cho sinh vật,

• Là thành phần quan trọng của hồng

cầu, giúp vận chuyển oxy đến các cơ

quan trong cơ thể sinh vật sống.

• Oxy gắn vào các hemoglobin

• Nhu cầu Fe trong thành phần thức ăn

cá từ 30-150 mgFe/kg tuỳ theo loài cá

(Andersen et al., 1997; Gaitlin and Wilson, 1986; Zibdeb

• Không là nguyên tố cần thiết cho sinh vật

• Quá trình acid hoá hay phèn hoá gây ô nhiễm Al trong đất và

nước.

• Các dạng tồn tại: Al 3+ , Al(OH)2+ , Al(OH)4+ , Al(OH)3

• Sự hiện diện các dạng tồn tại phụ thuộc vào pH;

• pH khoảng 6-7 đa số Al tồn tại dạng kết tủa (Al(OH)3) (Spry, 1991;

Peakall & Burger, 2003).

• Nhôm gây độc cho sinh vật thông qua gây ảnh hưởng đến chức

năng hô hấp và trao đổi ion của mang (Neville, 1985; Wood and

McDonald, 1987; Howells et al., 1990).

6 xuống 4.7 (Peakall & Burger, 2003)

Động thái của Al ở pH khác nhau trong thuỷ vực

(Spry, 1991 Environmental Pollution 71, 243-304)

pH

[Al3+]

• Phèn hoá làm pH giảm thấp

=> Hoà tan và rửa trôi Al3+

vàonước (>100mg/L) (van

• Cu là nguyên t ố cần thiết cho sinh vật, có vai trò trong hô hấp

của tế bào và là thành phần của một số protein quan trọng

(enzyem)

• Nhu cầu cần thiết cho cá từ 15-60M Cu/kg (Lanno et al., 1985;

Watanabe et al., 1997), vượt nhu cầu sẽ gây độc

• Khi thức ăn có nhiều Cu => gây ức chế enzyeme tiêu hoá

(Woodward et al., 1995)

• Nước có nhiều Cu => ảnh hưởng chức năng của mang, chủ yếu

là quá trình điều hoà hấp thụ Natri (Lauren and McDonald, 1985;

Clearwater et al., 2002; Wood, 2001).

• Sử dụng hóa chất có chứa Cu?

Kẽm (Zn)

• Là kim loại cần thiết, có vai trò quan trọng trong tăng

trọng, sinh sản và hệ thống miễn dich (Watanabe et al.,

1997)

• Nhu cầu Zn từ 230-460M cho 1 kg thức ăn (Ogino &

Yang, 1978; Gatlin & Wilson, 1983)

• Vượt nhu cầu sẽ gây độc thông qua gây ảnh hưởng

đến trao đổi canxi (Ca) ở sinh vật (Spy & Wood,

1985; Hogstrand & Wood, 1996)

Cơ chế hấp thụ Zn ở thuỷ sinh vật

• Zn được hấp thụ trực

tiếp vào tế bào ở

dạng ion hay dạng kết

hợp với ligand (Li)

hoặc amino acid (AA)

• Bên trong tế bào Zn

Cadimium (Cd)

• Không là kim loại cần thiết cho thuỷ sinh vật

• Trong thuỷ vực, khoảng 20% Cd tồn tại dưới liên kết với các

vật chất hữu cơ lơ lững (Huckabee and Blaylock, 1973)

• Trong nước ngọt, các dạng tồn tại của Cd phụ thuộc vào pH:

– pH ~ 8 => tồn tại dạng Cd 2+

– pH > 8 => tồn tại dạng Carbonate (CdCO3) =>kết tủa

• Trong nước lợ, mặn, tồn tại dạng CdCl + , CdCl2.

• Chỉ có dạng Cd 2+ mới được hấp thụ vào sinh vật

• Cd không khuếch đại sinh học (Jensen and Bro-Rasmussen,

1992)

• Có nhiều trong phân hoá học dùng cho canh tác nông nghiệp

(On, 2003)

Arsenic (As)

• Cần thiết cho động vật

hữu nhũ và chim nhưng

chưa rỏ cho thuỷ sinh vật

(McKee and Wolf, 1963)

(Ferguson and Gavis, 1972)

Động thái As trong thuỷ vực

(Oremland, et al., 2003)

Càng xuống sâu, As 3+ càng nhiều => là dạng độc cao

cao hơn tiêu chuẩn nước

uống của WHO (10g/L),

• Các dạng hoà tan dễ được sinh vật hấp thụ và gây độc.

• Dạng không hoà tan (Mercuric sulfite) không độc.

• Nồng độ gây độc cho vi sinh vật rất thấp (5g/L).

• LC50 cá nước ngọt từ 33-400 g/L nhưng ở cá nước mặn thì cao

hơn => Hg độc trong nước ngọt hơn nước mặn.

• Tan trong mỡ

• Có khả năng tích tụ sinh học cao (10 4 -10 6 lần cao hơn nồng độ

trong nước).

• Chi tiết xem lược khảo “Ecological effects, transport, and fate of

mercury: A general review” (Boening, 2000 Chemosphrere 40,

1335-1351)

ro o

rg .

2 Các chất vô cơ

Các chất dinh dưỡng

• Các hợp chất của nitơ (NH4+, NO3-) và phosphorus

(PO43-) sinh ra từ nhiều nguồn khác nhau: rửa trôi trên

bề mặt trái đất, phong hoá, phân huỷ vật chất hữu

cơ…

• Là chất dinh dưỡng cho thực vật thuỷ sinh

• Nồng độ cao gây phú dưỡng cho thuỷ vực => gây độc

cho nhiều loài thuỷ sinh vật

• NH3& NO2gâyđộc cho thủy sinh vật

• NH3 sinh ra do sử dụng phân bón trong canh tác nông

nghiệp, do sản phẩm thải của thuỷ sinh vật…

• Sự tồn tại NH3trong thuỷ vực phụ thuộc vào pH và

nhiệt độ

Thayđổi tỷ lệ (%) NH3-N trong dung dịch NH4+theo

pH và nhiệt độ

89 72 45 20 7.5 2.5 80 25 080

30

85 64 36 15 5.4 1.8 57 18 057

25

80 56 28 11 3.8 1.2 40 13 040

20

73 46 21 8 2.7 86 27 087 027

15

65 37 16 5.6 1.8 59 19 059 019

10

56 28 11 3.8 1.2 39 12 040 013

5

10 9.5 9 8.5 8 7.5 7 6.5 6

pH

o C

(Thurston et al., 1974) Số liệu áp dụng đúng trong nước ngọt

Almost all fish studied to date are amoniolitic

Imballances in amino acid uptake/usage require excretion of NH3

Protien metabolism requires same

NH3 production 1/10th to 1/3 of CO2 production

The Urea (or ornithine) cycle is not active enough to

allow for significant urea production in freah water

tropical fish (energetic considerations?)

Ammonia production peaks after

feeding

Mommsen and walsh, 1992

There are two excretion routes

In Salt water and air-breathing

fish this route is insufficient and

NH4+ is actively excreted

Tot NH

4

Ip et al 2001

Increase in pH and temperature both cause an increase in the

molfraction of NH3 (Graph shows fresh water)

Ammonia toxicity increases dramatically

with increasing pH (data from fresh water)

Ip et al 2001

Ammonia toxicity in Fresh water animals

Effect of temperature less than pH but still significant

Ip et al 2001

Criterion Continuous Concentration

Control of pH in (recirculating) aquaculture important

Ip et al 2001

The effect of ionic strength: Nomogram from Boutilier et al 1984

Increased ionic strenght will decrease pK (ammon) and increase fraction of Total N

as NH3

Toxic effects of ammonia

25

• 4Hb(Fe 2+ )O2+ 4NO2- + 4H + => 4Hb(Fe 3+ ) + 4NO3- +O2+ 2H2O

• => làm giảm khả năng chuyên chở oxy của hồng cầu

• => Ảnh hưởng đến hô hấp của các mô trong cơ thể

Nitơ trong cơ thể sinh vật dạng protein,

Enzymes, hormones, AND, ARN

NO2 (1mM) làmtăng nhịp đập của tim cá hồi

• H2S sinh ra do phân huỷ vật chất hữu cơ ở nền đáy

thuỷ vực trong điều kiện thiếu oxy

– Do ô nhiễm vật chất hữu cơ (TĂ thừa, chất thải…)

– Thuỷ vực quá sâu

• 96h-LC50 của đa số cá nước ngọt<100g/L (3M H2S)

• Các loài cá có khả năng đớp khí trời có thể chịu đựng

H2S tốt hơn cá không có khả năng đớp khí trời

• Thuỷ vực nước ngọt có [H2S] từ 0.1-250 g/L