Chuong 4 (r1)(1)

Nền tảng độc chất học môi trường Các khu công nghiệp và nông nghiệp thường xuyên sử dụng nhiều loại hóa chất cùng với chất thải hóa học phát sinh từ khu chế xuất được thải vào môi trườn

Chương 4

ĐỘC CHẤT HỌC MÔI TRƯỜNG

4.1 Nền tảng độc chất học môi trường

Các khu công nghiệp và nông nghiệp thường xuyên sử dụng nhiều loại hóa chất cùng với chất thải hóa học phát sinh từ khu chế xuất được thải vào môi trường Các loại khí thải phát tán trong không khí; chất thải lỏng hòa tan vào các nguồn tiếp nhận và được vận chuyển xa nguồn thải một cách nhanh chóng Giống như các chất diệt cỏ và các hóa chất nông nghiệp khác làm thay đổi sản lượng nông nghiệp và lâm nghiệp Trong thực tế, lợi nhuận từ việc sử dụng các loại hóa chất cho phát triển công nghiệp thường có ảnh hưởng không tốt đến môi trường Việc sử dụng các chất diệt côn trùng có thể làm cho cá và chim chết hàng loạt Ngoài ra ảnh hưởng của các độc tố phát sinh trong quá trình sử dụng, các loại hóa chất còn gây ảnh hưởng đến đời sống hoang dã và trong nhiều trường hợp có thể gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người và cộng đồng Điều này đã gióng lên một hồi chuông cảnh báo về tác hại của các hóa chất được sử dụng Do đó đã

có một vài khuyến cáo đưa ra nhằm điều tiết và hạn chế việc thải các hóa chất vào môi trường Việc thải hóa chất vào trong môi trường đòi hỏi có một sự hiểu biết về thuộc tính của độc chất và hậu quả chúng đối với môi trường Từ đó ngành độc chất học môi trương ra đời

Độc chất học môi trường là ngành khoa khoa học nghiên cứu “số phận”

và ảnh hưởng các hóa chất trong môi trường Cho dù, định nghĩa này đầu tiên đề cập đến các hóa chất tự nhiên có trong môi trường, độc chất học môi trường về

cơ bản kết hợp với ngành hóa môi trường nghiên cứu về các hợp chất do con người tạo ra Độc chất học môi trường có thể chia ra thành 2 chuyên ngành: độc chất học sức khỏe môi trường và độc chất học sinh thái Độc chất học sức khỏe môi trường là ngành nghiên cứu ảnh hưởng của các hóa chất lên sức khỏe con người, trong khi độc chất học sinh thái tập trung vào ảnh hưởng của độc chất môi trường lên hệ sinh thái và các cấu thành của hệ sinh thái Đánh giá ảnh hưởng độc tính của các hóa chất lên con người có liên quan đến việc sử dụng các mẫu sinh vật chuẩn (vd chuột) cũng như các đánh giá về sự phát nhiễm của cộng đồng bị phơi nhiễm (vd nông dân và công nhân) Trái lại, độc học sinh thái liên quan đến ngành nghiên cứu ảnh hưởng của độc chất lên nhiều loại sinh vật cấu thành nên hệ sinh thái từ vi sinh vật cho đến động vật ăn thịt Hơn nữa, để có một

cái nhìn toàn diện về ảnh hưởng của hóa chất trong môi trường đòi hỏi có những đánh giá bổ sung về độc chất học như số phận của hóa chất trong môi trường và các phản ứng của độc chất với các thành phần “vô sinh” của hệ thống sinh thái

Đo đó, để đánh giá ảnh hưởng của hóa chất trong môi trường cần phải sử dụng kiến thức chuyên ngành của nhiều ngành khoa học khác nhau Mục đích cuối cùng của những đánh giá này là giải thích ảnh hưởng của hóa chất có mặt trong môi trường (đánh giá quá khứ nguy hại) và dự đoán ảnh hưởng của các hóa chất trước khi chúng được thải vào môi trường (đánh giá tiềm năng nguy hại)

Hóa chất gây nên các mối nguy hiểm cho môi trường thường có 3 đặc điểm sau: bền vững trong môi trường, dễ tích lũy trong cơ thể sống và độc tính cao

4.2 Tính bền vững trong môi trường của độc chất

Các quá trình hữu sinh và vô sinh tồn tại trong tự nhiên thực hiện chức năng loại thải độc tố hóa học Nhiều hóa chất thải vào môi trường có tính nguy hại thấp do chúng có thời gian sống thấp Các hóa chất có mối nguy hại cao (vd DDT: Dichloro-Diphenyl-Trichloroethane, PCB: Polychlorinated biphenyl, TCDD: Polychlorinated dibenzodioxin) không bị phân hủy và bền vững lâu dài trong môi trường Việc tiếp tục thải các chất này vào trong môi trường sẽ dẫn đến

sự tích lũy của chúng đến mức độ đủ để gây độc Những hóa chất này có thể tiếp tục gây độc trong thời gian dài cho dù quá trình thải chúng vào môi trường đã dừng lại từ lâu Chúng ta có thể đánh giá sự vền vững của các hóa chất qua thời

gian bán hủy hủy của chúng (Bảng 4.1) Sự phân hủy của độc chất trong môi

trường thường diễn ra qua 2 quá trình: hữu sinh và vô sinh Cả hai quá trình hữu

sinh và vô sinh đều có vai trò quan trọng trong việc phân hủy và chuyển hóa các độc chất trong môi trường

Bảng 4.1 Thời gian bán phân hủy của một số chất trong môi trường

Độc chất Thời gian bán phân hủy Môi trường

4.2.1 Phân hủy vô sinh

Nhiều yếu tố trong môi trường có thể phá hủy cấu trúc bền của hóa chất trong môi trường Nhiều quá trình phân hủy vô sinh diễn ra nhờ ảnh hưởng của ánh sáng (quang phân) hay nước (thủy phân)

Quang phân Ánh sáng, trước tiên là vùng tử ngoại, có khả năng bẻ gãy

các liên kết hóa học, do đó góp phần vào việc phân hủy một vài hóa chất Quang phân chủ yếu diễn ra trong không khí hoặc trong nước bề mặt nơi mà cường độ ánh sáng cao nhất Quang năng phụ thuộc vào cả cường độ ánh sáng và khả năng hấp thu ánh sáng của các phân tử Các hợp chất mạch vòng không no như polycyclic aromatic hydrocarbon dễ dàng bị quan phân do chúng có khả năng hấp thu năng lượng ánh sáng cao Năng lượng ánh sáng cũng có thể tạo điều kiện thuận lợi cho việc tương tác giữa các chất ô nhiễm và oxy chúng qua quá trình thủy phân hoặc oxi hóa Sự quang oxi hóa chất diệt côn trùng parathion được

biểu diễn qua Hình 4.1

Thủy phân Nước, thường kết hợp với năng năng lượng ánh sáng hoặc

nhiệt độ, có thể bẻ gãy các liên kết hóa học Phản ứng thủy phân thường dẫn đến việc chèn một nguyên tử oxygen vào trong phân tử Liên kết ester trong phân tử parathion (hình 26.1) rất dễ dàng bị thủy phân Sự thủy phân làm giảm thời gian bán phân hủy của các hóa chất trong môi trường Tốc độ thủy phân các hóa chất phụ thuộc vào nhiệt độ và pH của môi trường nước Tốc độ thủy phân tăng khi nhiệt độ tăng và pH khắc nghiệt

Quang Hóa Thủy phân

Hình 4.1 Ảnh hưởng của ánh sáng (quang hóa) và nước mưa (thủy phân) đến sự

phân hủy parathion

4.2.2 Phân hủy hữu sinh

Nhiều chất lây nhiễm trong môi trường dễ dàng bị phân hủy vô sinh Tuy nhiên, quá trình phân hủy vô sinh thường xảy ra với tốc độ chậm Sự phân hủy các chất lây nhiễm có thể diễn ra ở tốc độ cao qua hoạt động của vi sinh vật Vi sinh vật (vi khuẩn, nấm) phân hủy các chất nhằm lấy năng lượng từ các nguồn này Quá trình phân hủy hữu sinh thường được thực hiện bởi các enzyme và tốc

độ phân hủy nhanh hơn rất nhiều so với phân hủy vô sinh Các quá trình phân hủy hữu sinh có thể dẫn đến sự khoáng hóa hoàn toàn cách chất thành nước, CO2

và các chất vô cơ Phân hủy hữu sinh bao gồm các quá trình kết hợp với sự phân hủy vô sinh (vd thủy phân, oxi hóa) và các quá trình loại bỏ các nguyên tử clo, cắt các cấu trúc mạch vòng, loại bỏ chuỗi carbon Quá trình mà qua đó các vi

sinh vật loại bỏ các chất gây ô nhiễm môi trường được gọi là sự xử lý sinh học (bioremediation)

4.3 Tích lũy sinh học

4.3.1 Đặc tính của quá trình tích lũy sinh học

Chỉ có tính chất bền vững trong môi trường, thì các chất sẽ không gây nên vấn đề gì cho môi trường Nếu một chất không thể xâm nhập vào bên trong

cơ thể của sinh vật, thì nó sẽ không đem đến mối đe dọa nào Một khi đã được hấp thu, hóa chất được tích lũy trong cơ thể đến giới hạn có thể gây độc Sự tích lũy sinh học được định nghĩa như là một quá trình mà qua đó sinh vật tích lũy các hóa chất trực tiếp từ môi trường vô sinh (vd nước, khí, đất) và từ các nguồn thức ăn (truyền dưỡng) Các hóa chất môi trường được hấp thu một lượng lớn bởi sinh vật qua quá trình khuếch tán thụ động Vị trí đầu tiên cho việc hấp thu bao gồm màng phổi, mang, đường ruột Da và các cấu trúc khác (vảy, lông mao, lông vũ) có tác dụng bảo vệ cơ thể Tuy nhiên, việc hấp thu một số hóa chất qua da có thể xảy ra Các hóa chất phải xuyên qua lớp đôi lipid của màng để đi vào trong

cơ thể Tiềm năng tích lũy sinh học các hóa chất có liên quan với sự hòa tan trong lipid của các chất Môi trường nước là nơi mà tại đó các chất có ái lực với lipid xuyên qua tấm chắn giữa môi trường vô sinh và sinh vật Bởi vì (1) sông, hồ và đại dương như là các bể lắng các chất và (2) sinh vật thủy sinh chuyển một lượng lớn nước xuyên qua màng hô hấp của chúng (mang) cho phép tách một lượng vừa đủ các hóa chất từ nước Thủy sinh vật có thế tích lũy sinh học các hóa chất

có ái lực với lipid và đạt đến nồng độ cao hơn nồng độ chất đó có trong môi

trường (Bảng 4.2)

Bảng 4.2 Sự tích lũy sinh học một số độc chất trong cá

Độc chất Chỉ số tích lũy

Pentachlorobenzene 5.000

Nguồn: LeBlanc, 1994, Environ Sci Technol., 28, 154-160

Chỉ số tích lũy là tỉ lệ nồng độ độc chất trong cá và trong nước lúc ở trạng thái cân bằng

Sự hấp thu các chất hòa tan trong lipid từ môi trường phụ thuộc chủ yếu vào thành phần lipid của các cơ quan, bởi vì lipid của cơ thế là nơi đầu tiên lưu lại hóa chất (hình 26.2)

Hình 4.2 Mối tương quan giữa thành phần lipid và nồng độ PCB

(Polychlorinated biphenyl) Nguồn: Oliver và Niimi, 1988 Environ Sci Technol.,

22, 388-397

Các hóa chất có thể được chuyển vào chuỗi thức ăn từ sinh vật đến động vật ăn thịt Đối với các chất hòa tan trong lipid, thì sự vận chuyển này có thể dẫn đến việc tăng nồng độ hóa chất với mỗi mắc xích tiếp theo trong chuỗi thức ăn (phát tán sinh học) Như được mô tả ở hình 26.3, một chất có thể tích lũy sinh học bởi một nhân tố của (2) bất kể nguồn chất lây nhiễm là nước hay thức ăn thì việc phát tán các chất ở mỗi mức dinh dưỡng sẽ dẫn đến nồng độ cao hơn của chất đó trong mức cao của chuỗi thức ăn

Hình 4.3 Sự gia tăng nồng độ độc chất trong chuỗi thức ăn sinh thái (1) là nồng

độ độc chất trong môi trường nước Sự tích lũy sinh học độc chất từ cả môi trường nước và nguồn thức ăn Số có vòng tròn là nồng độ độc chất trong các cấu thành của chuỗi thức ăn; số đi kèm theo với mũi tên là nồng độ độc chất chuyển

từ cấu thành này đến cấu thành khác

Điều đó cho thấy tích lũy sinh học độc chất điển hình từ nước môi trường nước hơn là từ thức ăn và dường như không có một cá thể nào tích lũy độc chất ở cùng một mức độ từ cả 2 nguồn Ví dụ, sự vận chuyển DDT trong chuỗi thức ăn

đã dẫn đến sự suy thoái nhiều quần thể chim ăn thịt Điều này đã góp phần làm nên một quyết định là cấm sử dụng chất diệt côn trùng này

Tích lũy sinh học làm chậm quá trình biểu hiện độc tính của hóa chất Lúc đầu độc chất được tích lũy trong lipid, nhưng vẫn di chuyển đến mục tiêu Khi lipid được sử dụng thì hóa chất này mới biểu hiện độc tính Ví dụ, độc chất tích lũy trong lipid thường được di chuyển trong quá trình chuẩn bị cho sự sinh sản Sự mất lipid có thể dẫn đến giải phóng các độc chất hòa tan trong lipid và

làm cho chúng trở nên độc Hệ quả này có thể dẫn đến sự chết của các cá thể trưởng thành khi chúng tiến đến sự thành thục để sinh sản Các hóa chất hòa tan trong lipid cũng có thể được chuyển cho các thế hệ sau Ví dụ, lipid có trong lòng

đỏ của trứng hoặc trong sữa động vật có vú, có khả năng sự gây độc cho các thế

hệ sau mà thế hệ bố mẹ không bị nhiễm độc bởi các hóa chất này

4.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự tích lũy sinh học

Sự tích lũy sinh học các độc chất môi trường chịu ảnh hưởng bởi một vài yếu tố Trước hết phải kể đến là tính bền vững trong môi trường của độc chất Mức độ tích lũy của một chất trong môi trường được xác định bằng nồng độ của chất đó trong môi trường Chất gây ô nhiễm dễ dàng bị đào thải ra khỏi môi trường thì thường không sẵn sàng cho tích lũy sinh học

Như đã đề cập ở trên, tính tan trong lipid là một nhân tố quyết định cho khả năng tích lũy sinh học của một chất Tuy nhiên, các chất có ái lực với lipid thường có xu hướng ngấm vào trong nền đáy, vì thế làm cho chúng ít sẵn sàng cho việc tích lũy sinh học Ví dụ một số chất dễ dàng bị hấp thu bởi acid humic

có trong bùn đáy thì thường ít có khả năng tích lũy sinh học trong cá

Khi bị hấp thu bởi sinh vật, thì số phận của chất gây ô nhiễm sẽ ảnh hưởng đến sự tích lũy sinh học của nó Các chất bị chuyển hóa sinh học thường trở nên dễ tan trong nước và ít tan trong lipid Chất bị chuyển hóa sinh học do đó

ít bị cô lập trong khối lipid và dễ dàng bị đào thải ra khỏi cơ thể Như được biểu

diễn ở bảng 4.3, các chất dễ dàng bị chuyển hóa sinh học, thì sự tích lũy sinh học

sẽ ít diễn ra Sự khác nhau về tốc độ đào thải dẫn đến sự khác nhau trong tích lũy sinh học của loài

Bảng 4.3 Các chỉ số tích lũy sinh học đo được và dự đoán trong cá của một số

độc chất

Chỉ số tích lũy Độc chất Dễ dàng chuyển

hóa sinh học Dự đoán Đo được

Nguồn: Mackay, 1982 Environ Sci Technol., 16, 274-278

4.4 Độc tính

4.4.1 Độc tính cấp

Độc tính cấp được định nghĩa là độc tính diễn ra trong thời gian phơi nhiễm ngắn Độc tính cấp trong mơi trường thường liên quan đến tai nạn (ví dụ:

sự rị rỉ của hĩa chất vào trong một con sơng do tai nạn của một tàu chở hĩa chất) hoặc sự bất cẩn trong việc sử dụng hĩa chất (ví dụ: sự phun hĩa chất của các máy bay nhưng khơng đúng mục tiêu) Các giới hạn xả thải được đưa ra dựa vào chất thải cơng nghiệp hoặc chất thải sinh hoạt, khi được tuân thủ, thường thành cơng trong việc bảo vệ sinh vật trong các vùng tiếp nhận khỏi bị độc tính cấp Độc tính cấp của một chất thường được đánh giá qua giá trị LC50 hoặc LD50 Những thơng

số này thường cĩ ý nghĩa thống kê để đánh giá độc tính cấp tương đối của độc chất LC50 và LD50 biến động đối với sinh vật trong nước và trong đất theo thứ tự

và chúng được biểu diễn ở Bảng 4.4

Bảng 4.4 Thứ tự đánh giá độc tính cấp của một số độc chất đối với cá và động

vật hoang dã

Độc tính cấp của các độc chất mơi trường được xác định qua thí nghiệm với sự lựa chọn các lồi đại diện trong hệ thống sinh thái (vd động vật cĩ vú, chim, cá, động vật khơng xương sống, thực vật cĩ mạch, tảo Cụ thể, US EPA yêu cầu các kiểm nghiệm độc tính cấp với ít nhất 8 lồi nước ngọt và nước mặn khác nhau (16 kiểm nghiệm) bao gồm cá, động vật khơng xương sống, và thực vật khi thành lập các tiêu chuẩn về của một chất nào đĩ trong mơi trường nước Các cố gắng được thực hiện chỉ nhằm phân loại sinh vật qua sự nhạy cảm với độc chất Tuy nhiên, khơng cĩ sinh vật vào là luơn bất biến với sự nhạy cảm ít hơn hoặc nhiều hơn với độc tính cấp của độc chất Hơn nữa, việc sử dụng các lồi chuẩn trong đánh giá độc tính của một chất cho thấy rằng các lồi đại diện cho sự

(mg/L) có vú LD Chim/Động vật50 (mg/L) Xếp hạng độc Chất điển hình

Hơi độc Khá độc Rất độc Cực độc

(mg/L) có vú LD Chim/Động vật50 (mg/L) Xếp hạng độc Chất điển hình

Hơi độc Khá độc Rất độc Cực độc

nhạy cảm của nhiều loài khác chỉ đúng ở một chừng mực nào đó của hệ sinh thái

mà thôi Những phỏng đoán có chừng mực như thế này thường thiếu chính xác

4.4.2 Cơ chế gây độc tính cấp

Độc chất môi trường có thể biểu hiện độc tính cấp bằng nhiều cơ chế khác nhau Một vài ví dụ dưới đây về các cơ chế đặc biệt liên quan đến các loại độc chất gây nên độc tính cấp trong môi trường tại một thời điểm hiện tại nhất định

Ức chế cholinesterase Sự ức chế họat động của cholinesterase là đặc

tính của độc tính cấp liên quan đến phosphate hữu cơ và thuốc trừ sâu carbamate

Từ 40 đến 80% ức chế hoạt động của cholinesterase não được tìm thấy trong cá

bị nhiễm độc Độc tính cấp do việc ức chế cholinesterase khá phổ biến đối với cá

và chim bị nhiễm độc do việc sử dụng một lượng lớn phosphate hữu cơ và carbamate trong các đồng cỏ, trong nông nghiệp và trong bảo trì sân gôn Sự ức chế cholinesterase trong cá có thể xảy ra sau những cơn mưa lớn, do trong môi trường nước nằm gần các khu vực được phun thuốc diệt côn trùng tiếp nhận một lượng nước mưa chảy tràn bề mặt Độc tính cấp đối với chim thường diễn ra sau khi chim ăn các loại thức ăn nằm trong vùng đã được phun thuốc diệt côn trùng

Trạng thái mê man Một cách thức thông thường mà qua đó các chất

thải công nghiệp gây nên độc tính cấp, đặc biệt là đối với sinh vật thủy sinh, là trạng thái mê man Trạng thái mê man xảy ra khi một độc chất tích lũy trong màng tế bào tương tác với hoạt động bình thường của màng Các phản ứng điển hình với trạng thái mê man là giảm hoạt động, giảm phản ứng đối với các tuyến ngoại tiết và tăng sự hình thành sắc tố (ở cá) Trạng thái này có tính thuận nghịch

và các sinh vật không chết thường trở lại hoạt động bình thường khi độc chất bị đào thải ra khỏi cơ thể Nếu bị mê man lâu dài có thể dẫn đến cái chết Khoảng 60% hóa chất công nghiệp đi vào trong môi trường nước gây nên độc tính cấp qua trạng thái mê man Hóa chất gây nên độc tính cấp qua trạng thái mê man thường không gây nên độc tính tại một vài vùng đặc biệt trong cơ thể sinh vật và

có ái lực với lipid, dẫn đến việc tích lũy độc chất này trong lớp lipid hoặc pha giữa lipid và nước của màng đến một mức độ đủ để phá hủy chức năng của màng Hóa chất gây nên trạng thái mê man bao gồm alcohol, ketone, benzene, ether và aldehide

4.4.3 Độc tính mãn tính