NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TÍCH LUỸ - ĐÀO THẢI VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC KIM LOẠI NẶNG (As, Cd, Pb) ĐẾN HÀM LƯỢNG CORTISOL TRONG CÁ ĐIÊU HỒNG TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ

Cần nghiên cứu những vấn đề rất cấp thiết nhưng chưa được giải quyết trên cơ sở nghiên cứu một cách có hệ thống và khoa học về quy luật của quá trình tích luỹ và đào

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-

NGUYỄN QUỐC THẮNG

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TÍCH LUỸ - ĐÀO THẢI VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC KIM LOẠI NẶNG (As, Cd, Pb) ĐẾN HÀM LƯỢNG CORTISOL TRONG

CÁ ĐIÊU HỒNG (OREOCHROMIS SP.)

Chuyên ngành: Hoá vô cơ

Mã số chuyên ngành: 9.44.01.13

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HOÁ HỌC

Tp Hồ Chí Minh, năm 2018

(Korea Instite of Toxicology – Gajeong-ro, Yuseong-gu, Daejeon), Khoa Hoá học trường Đại học Quốc gia Changwon (Hàn Quốc), Viện Địa lý Tài nguyên thành phố Hồ Chí Minh và Viện Khoa học Vật liệu ứng dụng – Học viện Khoa học và Công nghệ.

Người hướng dẫn khoa học 1: PGS TS LÊ VĂN TÁN

Người hướng dẫn khoa học 2: PGS TS NGUYỄN THỊ KIM PHƯỢNG

Phản biện 1:

Phản biện 2:

Phản biện 3:

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Học Viện

tổ chức tại Viện Khoa học vật liệu ứng dụng, Viện Hàn lâm

Khoa học và Công nghệ Việt nam, Số 01A, đường TL 29, Phường

Thạnh Lộc, Quận 12, TP Hồ Chí Minh

vào hồi … giờ 00 ngày … tháng … năm 2018

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài: Cá Điêu hồng là nguồn thực phẩm được

ưa chuộng do chất lượng thịt cá và giá thành hợp lý Vì sống trong nước nên cá chịu ảnh hưởng của môi trường và nguồn nước thải từ các khu công nghiệp Không những thế, kim loại nặng trong môi trường nước có khả năng tích luỹ trong cá và có nguy cơ xâm nhập vào cơ thể và gây nguy hại cho con người

Cần nghiên cứu những vấn đề rất cấp thiết nhưng chưa được giải quyết trên cơ sở nghiên cứu một cách có hệ thống và khoa học về quy luật của quá trình tích luỹ và đào thải kim loại nặng, ảnh hưởng của kim loại nặng đến hàm lượng cortisol trong cá

Mục tiêu: Nghiên cứu ảnh hưởng của 3 kim loại nặng điển hình

(Cd, Pb và As) đến quá trình phát triển, tích luỹ, đào thải và ảnh hưởng

đến hàm lượng cortisol trong máu cá Điêu hồng (Oreochromis sp)

sống trong nước ô nhiễm

Những đóng góp mới: Công trình nghiên cứu một cách có

hệ thống và toàn diện về quy luật hấp thu, đào thải và ảnh hưởng của kim loại nặng (Cd, Pb và As) đến hàm lượng cortisol trong cá Điêu hồng sống trong nước ô nhiễm

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn: Kết quả nghiên cứu sẽ làm cơ sở

khoa học trong lĩnh vực hoá học môi trường, độc chất môi trường,

sử dụng chỉ thị sinh học để cảnh báo ô nhiễm môi trường và góp phần cảnh báo những rủi ro, nguy cơ lan truyền kim loại nặng qua thực phẩm và gây hại cho sức khỏe con người

Bố cục của Luận án: Luận án gồm: Phần mở đầu, kết luận và 3

chương (Chương 1: Tổng quan, Chương 2: Phương pháp nghiên cứu, Chương 3: Kết quả và thảo luận) Luận án có 17 bảng số liệu, 43 hình

và đã có 6 công trình có liên quan được công bố Phần phụ lục bao gồm 78 bảng số liệu và hình ảnh

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Cadimi là nguyên tố không cần thiết, gây độc cho cơ thể con người ngay cả ở nồng độ thấp và chúng sẽ tích lũy sinh học trong cơ thể người cũng như trong các hệ sinh thái

Chì là một kim loại độc có thể gây tổn hại cho hệ thần kinh Tiếp xúc lâu ngày với chì hoặc các hợp chất của nó có thể gây bệnh thận và các cơn đau bất thường giống như đau bụng Ngưỡng độc cấp tính của

Pb phụ thuộc vào loài, tuổi của sinh vật

Ảnh hưởng hóa sinh chính của asen: Làm đông tụ protein; tạo phức với coenzym và phá hủy quá trình photphat hóa tạo ATP Cơ chế gây độc của asen là tấn công vào nhóm sulfuahydryl của enzym làm cản trở hoạt động của các enzym Asen (III) vô cơ có độc tính cao nhất Độc chất xâm nhập vào cơ thể sinh vật từ bộ phận cơ thể tiếp xúc với độc chất như đường tiêu hóa, đường hô hấp, qua da, cơ quan tổn thương Kim loại xâm nhập vào cơ thể sống chủ yếu qua hấp thu chủ động hoặc khuếch tán thụ động Sự tích lũy sinh học các kim loại nặng cadimi, chì và asen trong các cá thể sống trong môi trường

ô nhiễm khác nhau tùy theo loài, các mô khác nhau, tuổi, dạng hóa học của độc tố, ảnh hưởng tương hỗ của các nguyên tố khác Khả năng đào thải kim loại phụ thuộc vào nhiều yếu tố như loại kim loại ô nhiễm, ảnh hưởng của hỗn hợp kim loại, loài, đặc điểm sinh học của các mô Độc chất có thể thoát khỏi đường máu và xâm nhập vào các mô khác, tại đây, độc chất được chuyển hóa sinh học, đào thải hoặc tích tụ Các phản ứng này xảy ra nhanh hay chậm tùy thuộc vào hàm lượng độc chất ở bộ phận tiếp xúc, ái lực và hoạt tính riêng của độc chất

Cortisol là một loại hóc-môn corticosteroid được sản sinh bởi bộ phận Zona fasciculata trên vỏ thượng thận Đây là hóc-môn quan trọng và được xem là “hóc-môn stress” Tác dụng của cortisol: Chuyển hóa glucid, protein, lipit, chuyển hóa nước và điện giải, chống căng thẳng, làm tăng đông máu, tăng số lượng hồng cầu, bạch cầu, tiểu cầu nhưng giảm tế bào lympho, làm chậm lên sẹo các vết thương Các nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi hàm lượng cortisol trong

cơ thể như trạng thái căng thẳng, bệnh, chu kỳ sinh học, loài, giới tính, các giai đoạn sinh trưởng phát triển của sinh vật

Trong những năm gần đây, có nhiều nhóm nghiên cứu về sự tích lũy kim loại nặng trong sinh vật sống trong nước Các nhóm tác giả Mohammed Aldoghachi Jasim Aldoghachi (2016), Kah Hin Low (2011), Abdulali Taweel (2011) Mohammed Aldoghachi Jasim Aldoghachi et al (2016) nghiên cứu sự tích luỹ kim loại nặng trong cá Điêu hồng sống trong môi trường tự nhiên Một số nghiên cứu cho

thấy kim loại nặng tích lũy trong gan cá cao hơn trong thịt (Elzbieta Kondera, 2014, El-Moselhy KM, 2014, Canli M, 2003) Kết quả

nghiên cứu của một số tác giả khác cho thấy mang cá có khuynh hướng lũy kim loại nặng cao hơn (Wong và cộng sự, 2001, Altındağ và Yiğit,

2005, Karadede-Akin và Ünlü, 2007) Ở Việt Nam, một số nhóm nghiên cứu về sự tích lũy kim loại nặng trong thực vật hoặc động vật thân mềm hai mảnh vỏ Chưa có công trình khoa học trong và ngoài nước nào nghiên cứu một cách có hệ thống về quy luật tích luỹ, đào thải và ảnh hưởng của kim loại nặng đến thành phần sinh hoá trong cá Điêu hồng

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Thiết kế thí nghiệm xác định ngưỡng độc cấp tính

Cá Điêu hồng được thí nghiệm nuôi trong nước ô nhiễm asen hoặc cadimi hoặc chì ở các nồng độ khác nhau trong 96 giờ Mỗi thí nghiệm chọn ngẫu nhiên 30 cá, chia ra ba bể nuôi, mỗi bể 10 cá Theo dõi số lượng cá chết trong 24, 48, 72 và 96 giờ ô nhiễm kim loại Xây dựng

đồ thị tương quan giữa nồng độ từng kim loại nặng trong nước và tỷ

lệ cá chết, từ đó ước lượng LC50 của từng kim loại nặng

2.2 Thiết kế thí nghiệm nghiên cứu độc mãn tính (subchronic) của từng kim loại đến sự tích luỹ, đào thải và rối loạn cortisol trong cá Điêu hồng

Trong nghiên cứu này, cá được thí nghiệm bằng cách nuôi trong nước không ô nhiễm kim loại nặng (cá đối chứng) và nước ô nhiễm kim loại asen hoặc cadimi hoặc chì ở các mức nồng độ khác nhau (3,5

%; 5 % và 10 % của LC50 của từng kim loại)

- Nồng độ asen: 1,00 mg/L; 1,50 mg/L và 3,00 mg/L

- Nồng độ cadimi: 0,66 mg/L; 1,00 mg/L và 2,00 mg/L

- Nồng độ chì: 0,12 mg/L; 0,18 mg/L and 0,33 mg/L

Mỗi thí nghiệm chọn ngẫu nhiên 75 cá, chia thành 3 bể nuôi, mỗi

bể 25 cá (n=3) Nước nuôi cá được phân tích tổng hàm lượng kim loại nặng 2 lần trong tuần bằng thiết bị phổ hấp thu nguyên tử Mẫu cá thí nghiệm được lấy lúc 8 đến 9 giờ để đảm bảo lượng hocmon ở mức cao nhất trong chu kỳ sản sinh chất nội tiết Mẫu cá được lấy ngẫu nhiên ở các ngày thứ 4, 12 và 20 kể từ khi bắt đầu sống trong nước ô nhiễm kim loại nặng Cá được rửa sạch bằng nước cất hai lần trước khi lấy máu và lấy gan, mang và thịt Mẫu máu được lấy ở vây đuôi sau đó ly tâm ở tốc độ 5500 vòng/ phút trong 5 phút để tách lấy huyết thanh đem phân tích cortisol Mẫu gan, mang và thịt được sấy khô ở 105 oC trong

10 giờ trước khi phân tích As, Cd và Pb As được phân tích bằng thiết

bị ICP-MS 7700 (JP 13052271, Agilent, USA) Cd và Pb phân tích bằng thiết bị ICP-OES (Optima 2100 DV, Perkin Elmer) Phân tích cortisol trên thiết bị HPLC-DAD Thiết bị HPLC-UV-HG-AAS được

sử dụng để phân tích các dạng hóa học của asen

2 3 Xử lý kết quả thực nghiệm

Xử lý kết quả thực nghiệm bằng phần mềm SPSS phiên bản 22.0, dùng phương pháp phân tích phương sai một yếu tố (ANOVA), kiểm định Duncan’s test, mức ý nghĩa 0,05 Kết quả phân tích được biểu diễn bằng giá trị chính  độ lệch chuẩn

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1 Đánh giá các phương pháp phân tích

3.1.1 Đánh giá phương pháp định lượng cortisol

Đỉnh đặc trưng của cortisol trên sắc ký đồ đối xứng, thời gian lưu 7,45 phút Giới hạn phát hiện và giới hạn phương pháp định lượng cortisol trong huyết tương cá lần lượt là 0,87 µg/L và 2,90 µg/L Độ đúng của kết quả phân tích hàm lượng cortisol trong cá Điêu hồng khoảng từ 91,2 đến 94,5%; độ chụm từ 1,1 đến 2,6% Quy trình trích ly, làm sạch cortisol trong huyết tương cá Điêu hồng và định lượng bằng kỹ thuật RP-HPLC-UV phù hợp để phân tích cortisol

3.1.2 Đánh giá phương pháp định lượng Cd , Pb và As trong cá Điêu hồng

- Khoảng tuyến tính của phép đo Cd trên thiết bị ICP-OES đáp ứng trong khoảng nồng độ rộng Giá trị LOD và LOQ lần lượt là 0,52 µg/L

và 1,73 µg/L Hiệu suất thu hồi Cd cao khoảng 94,4%; độ chệch giữa các lần đo nhỏ hơn 10% Quy trình vô cơ hóa mẫu và phép đo Cd trên thiết bị ICP-OES phù hợp để xác định lượng vết Cd trong các mẫu

- Quy trình vô cơ hóa mẫu và định lượng Pb trên thiết bị ICP-OES có độ chính xác và độ nhạy cao Giá trị LOD và LOQ lần lượt là 1,2

µg/L và 3,9 µg/L Hiệu suất thu hồi Pb cao khoảng 92,2%; độ chệch giữa các lần đo nhỏ hơn 5% Như vậy, phương pháp này rất thích hợp

để phân tích vết Pb trong thực phẩm

- Quy trình vô cơ hóa mẫu và định lượng As trên thiết bị ICP-MS có độ chính xác và độ nhạy cao Giá trị LOD và LOQ lần lượt là 0,076 µg/L và 0,253 µg/L Độ đúng của phương pháp khoảng 96,0 đến 98,6%; RSD% giữa các lần đo trong khoảng từ 0,41% đến 4,17% Phương pháp ICP-MS rất phù hợp để định lượng vết As trong mẫu cá

3.2 Nghiên cứu về asen

3.2.1 Nghiên cứu ngưỡng độc cấp tính của asen

Không có hiện tượng cá chết trong thí nghiệm đối chứng và cá thí nghiệm khi nồng độ As trong nước < 20 mg/L Nồng độ As trong nước khoảng 20 mg/L đến 40 mg/L, lượng cá chết trong vòng 96 giờ tăng khoảng từ 13,3 đến 100%

Hình 3.2 Ảnh hưởng của As trong

nước đến số cá chết trong 96 giờ

Hình 3.5 Tích lũy As trong mang

trimetylasen trong cơ thể cá Tilapia mossambica sống trong nước

ô nhiễm As (III) vô cơ.3.2.2 Nghiên cứu độc mãn tính của As đối với cá Điêu hồng

3.2.2.1 Sự tích lũy asen trong cá Điêu hồng sống trong nước ô nhiễm

Quan sát quá trình phát triển của cá đối chứng cho thấy cá không mệt mỏi, ăn bình thường Trong khi đó, đối với cá sống trong nước

ô nhiễm As, cá có dấu hiệu mệt mỏi, ít bơi lội, ăn kém, chậm lớn Sau

20 ngày thí nghiệm, trọng lượng cá đối chứng tăng đáng kể khoảng 19,3%, trong khi đó, trọng lượng cá ô nhiễm As (1,00 đến 3,00 mg/L) chỉ tăng khoảng từ 2,7 đến 5,7 % so với trọng lượng cá ban đầu

Tích lũy As trong mang cá: Tích lũy As trong mang cá sống trong

nước ô nhiễm tăng theo thời gian và nồng độ As trong nước đồng thời cao hơn đáng kể so với cá đối chứng (hình 3.5) Khi nồng độ As trong nước tăng từ 1,00 đến 3,00 mg/L, tích lũy As trong mang cá sau 4 ngày sống trong nước ô nhiễm tăng khoảng từ 0,18 đến 0,60 mg/kg Kéo dài thời gian ô nhiễm đến 20 ngày, hàm lượng As trong mang cá

ô nhiễm tăng lên khoảng từ 0,89 đến 1,29 mg/kg

Hình 3.6 Tích lũy As trong gan cá Hình 3.7 Tích lũy As trong thịt cá

Tích lũy As trong gan: Hàm lượng As trong gan cá sống trong

nước ô nhiễm tăng theo thời gian và nồng độ As trong nước (Hình 3.6) Tích lũy As trong gan cá ô nhiễm cao hơn đáng kể so với cá đối chứng Khi nồng độ As trong nước tăng từ 1,00 đến 3,00 mg/L, tích

lũy As trong gan cá sau 4 ngày sống trong nước ô nhiễm tăng khoảng từ 0,38 đến 0,88 mg/kg Kéo dài thời gian sống đến 20 ngày, hàm lượng As trong gan cá ô nhiễm khoảng từ 1,15 đến 1,80 mg/kg

Tích lũy As trong thịt cá: Sau 4 ngày sống trong nước ô nhiễm As

(1,00 đến 3,00 mg/L), tích lũy As trong thịt cá khoảng từ 0,57 đến 1,21 mg/kg Sau 20 ngày ô nhiễm, tích lũy As trong thịt cá ô nhiễm khoảng từ 2,27 đến 3,01 mg/kg thịt khô (hình 3.7) Tích lũy As trong thịt cá Điêu hồng sống trong nước ô nhiễm tăng theo thời gian và nồng độ As trong nước

Tích lũy As trong mang, gan và thịt cá Điêu hồng sống trong nước

ô nhiễm tăng theo nồng độ As trong nước và cao hơn đáng kể so với cá đối chứng Tích lũy As trong cá theo thứ tự sau: Thịt > gan > mang Bề mặt mang cá tích điện âm, trong nước As (III) tồn tại dưới dạng AsO2- cũng mang điện tích âm, do lực đẩy tĩnh điện giữa mang cá và anion AsO2- nên As dễ dàng xâm nhập vào cơ thể cùng với sự chuyển hóa sinh học As vô cơ thành As hữu cơ ít độc hơn và được lưu trữ chủ yếu ở thịt Do đó, As tích luỹ nhiều trong thịt hơn gan và mang Phân bố tích lũy As trong cá của nghiên cứu này hoàn toàn phù hợp với các công bố trước đây As tích luỹ nhiều nhất trong thịt

cá Điêu hồng, cá trê Silurus glanis và cá chép Tích lũy As trong thịt

của 5 loài cá ở Neretva, Croatia nhiều hơn đáng kể so với gan và mang

cá

Khi nồng độ As trong nước thấp, cá không nhận biết ngộ độc nên chủ động trao đổi chất (trọng lượng cá tăng) nhờ vậy mà As trong nước xâm nhập vào cơ thể cá qua 2 con đường chủ động và khuếch tán thụ động Khi nồng độ As trong nước cao, cá nhận biết ngộ độc nên hạn chế trao đổi chất (trọng lượng cá tăng ít hoặc không tăng), lượng

As xâm nhập vào cơ thể cá chủ yếu qua con đường khuếch tán

thụ động Lượng As xâm nhập vào cơ thể cá sống trong nước ô nhiễm

As nồng độ cao nhiều hơn so với cá sống trong nước ô nhiễm As nồng độ thấp, tuy nhiên, sự tăng lượng As trong cá không đáng kể so với sự tăng lượng As trong nước do đó mà tỷ lệ Ascá/Asnước giảm khi nồng độ As trong nước tăng (Hình 3.9)

Hình 3.9 Tỷ lệ nồng độ As

trong nước và tích lũy trong cá Hình 3.15 Sự thay đổi lượng cortisol so với cá đối chứng 3.2.2.2 Sự đào thải asen trong cá Điêu hồng ô nhiễm sống trong nước sạch (thôi nhiễm)

Quan sát quá trình phát triển của cá đối chứng cho thấy cá khỏe mạnh, ăn bình thường nhưng cá ô nhiễm As, mặc dù được sống trong nước sạch nhưng vẫn còn dấu hiệu mệt mỏi, ít bơi lội, ăn kém Sau 10 ngày thí nghiệm, trọng lượng cá đối chứng tăng 12,3% còn cá

ô nhiễm chỉ tăng từ 1,0 đến 1,9% As ảnh hưởng đáng kể và lâu dài đến sự phát triển của cá Điêu hồng

Bảng 3.8 Tỉ lệ đào thải As trong cá Điêu hồng

trong nước sạch tăng không đáng kể Độ giảm hàm lượng As trong mang, gan và thịt cá nhanh hơn so với mức độ tăng trọng lượng như vậy đã xảy ra quá trình loại bỏ/đào thải As ra khỏi cơ thể của cá

ô nhiễm Thứ tự đào thải As trong cá thí nghiệm: Gan > mang  thịt

3.2.2.3 Sự khử độc asen trong cá Điêu hồng sống trong nước ô nhiễm

Asen tồn tại trong gan và thịt cá Điêu hồng ô nhiễm dưới dạng AsB, DMA và một lượng asen ở dạng chưa xác định được Asen (III) và asen (V) không tồn tại trong gan và thịt cá, chứng tỏ cá Điêu hồng chuyển hóa sinh học hoàn toàn các dạng asen vô cơ

Hình 3.10 Sắc ký đồ chuẩn các

dạng hóa học của asen

Hình 3.11 Sắc ký đồ dạng hóa học của asen trong mẫu CMR

Hình 3.12 Sắc ký đồ dạng hóa học của asen trong a) thịt cá và b) gan cá

3.2.2.4 Ảnh hưởng của As trong nước đến sự thay đổi cortisol trong huyết tương cá Điêu hồng

Hàm lượng cortisol trong huyết tương cá sống trong nước ô nhiễm:

As gây rối loạn nội tiết cá theo kiểu tăng sinh cortisol khi cá bắt đầu sống trong nước ô nhiễm và sau đó giảm sinh cortisol (Hình

3.15) Trong 4 ngày đầu sống trong nước ô nhiễm, lượng cortisol trong

cá ô nhiễm tăng và cao hơn đáng kể (từ 21,5 đến 51,1%) so với cá đối chứng Kéo dài đến ngày thứ 12, lượng cortisol trong huyết tương

cá sống trong nước ô nhiễm As 1,00 mg/L tiếp tục tăng cao hơn so với ngày thứ 4 và cao hơn so với cá đối chứng khoảng 47,4% Trong khi đó, lượng cortisol trong huyết tương cá ô nhiễm As từ 1,50 đến 3,00 mg/L giảm thấp hơn đáng kể so với ngày thứ 4 nhưng vẫn cao hơn

so với cá đối chứng khoảng từ 9,2 đến 17,4% Kéo dài đến ngày thứ

20, lượng cortisol trong huyết tương cá ô nhiễm giảm và thấp hơn

so với cá đối chứng khoảng từ 11,7% đến 18,4%

Hàm lượng cortisol trong cá ô nhiễm sống trong nước sạch: Sau

10 ngày thôi nhiễm As, lượng cortisol trong huyết tương cá đối chứng tăng thêm 4,7%, lượng cortisol trong cá sống trong nước ô nhiễm As từ 1,00 đến 1,50 mg/L không khác biệt so với lượng cortisol trong cá

ô nhiễm khi mới bắt đầu sống trong nước sạch Lượng cortisol trong huyết tương cá ô nhiễm As 3,00 mg/L tiếp tục giảm và thấp hơn khoảng 29,8% so với khi mới bắt đầu sống trong nước sạch Như vậy,

hệ nội tiết của cá Điêu hồng đã bị tổn hại nghiêm trọng sau 20 ngày sống trong nước ô nhiễm As (từ 1,00 đến 3,00 mg/L), không thể phục

hồi trong vòng 10 ngày sống trong nước sạch

3.3 Nghiên cứu về Cd

Kết quả trên hình 3.17 cho thấy, cá chết ở tất cả các thí nghiệm trong 96 giờ sống trong nước ô nhiễm Cd Lượng cá chết tăng theo nồng độ Cd trong nước và tăng theo thời gian ô nhiễm Không có

cá chết ở các thí nghiệm đối chứng Giá trị LC50 trong 96 giờ của Cd đối với cá Điêu hồng thí nghiệm ước lượng được là 19,63 mgCd/L