Bài giảng cơ sở độc chất xâm nhập vào cơ thể sống

Vận chuyển trong môi trờng - Khi chất độc vận chuyển từ môi trờng đến vị trí sinh vậtsống, nồng độ chất độc trong môi trờng cú thể xỏc định đợc và phụ thuộc vào sự di chuyển chất độc từ

SỨC KHỎE MÔI TRƯỜNG

3.1 nGuyên tắc chunG nGhiên cứu về

hại cho sinh vật, huỷ diệt sinh vật

VD: cỏc chất hoỏ học có tính oxy hoỏ khử mạnh đi vào môi trờng nớc gây

VD: Chất độc từ khí đi vào nớc và vào đất

3.1 nGuyên tắc chunG nGhiên cứu về

độc học môI trờnG

3 Nghiên cứu tỏc động của chất độc lên một quần thể

trong một hệ sinh thỏi nhất định

- Có nhiều yếu tố môi trờng ảnh hởng đến quần thể

(hơn là cỏ thể) nhất là khi môi trờng có thể ảnh hởng

đến phản ứng sinh vật khi tiếp xúc với chất

độc

VD: Daphnia magna nhạy cảm với kim loại trong nớc mềm hơn lànớc cứng

4 Nghiên cứu trên hiệu ứng dới tử vong và trên tử vong

- Hiệu ứng dới tử vong: là liều lợng của chất độc đủ dể phỏt hiện những ảnh hởng có hại mà không làm sinh vật đó

chết

- Hiệu ứng tử vong : là liều lợng chất độc đủ để sinh vật đó

3.1 nGuyên tắc chunG nGhiên cứu về

độc học môI trờnG

5 Nghiờn cứu tơng tỏc chung giữa cỏc chất độc

chất độc cùng một lúc

- Sự tơng tỏc với cỏc chất độc cú thể làm tăng hoặc giảm tính độc

của hőn hợp

- Sự tơng tỏc cú thể do cấu trúc hoỏ học của cỏc

phân tử hoặc do biến đổi của cỏc quỏ trình

sinh lý trong cơ thể sinh vật (VD: loại thuốc an thần cho lợn)

Những biến đổi này xảy ra trong quỏ trình sinh hoỏ: bài tiết, hấp thụ…

3.1 nGuyên tắc chunG nGhiên cứu về

độc học môI trờnG

5 Nghiờn cứu tơng tỏc chung giữa cỏc chất độc (tiếp)

- Những biến đổi này xảy ra trong quỏ trình sinh

hoỏ: bài tiết, hấp thụ…

+ Tơng tỏc tăng cờng (làm tăng độc tính, thờng thấy khi hai hợp chất lân hữu cơ trong đất cùng xuất hiện một lần)

+ Tơng tỏc hợp lực: Thờng thấy ở loài chuột khi hấp thụ cùng một lúc heptatotoxin và etanol

+ Tơng tỏc tiềm ẩn: Trờng hợp hai chất không độc với sinh vật, với cơ thể, nếu để riờng rẽ Nếu hai chất này cùng vào cơ thể sinh vật thì tính độc sẽ tăng lờn

+ Tơng tỏc đối khỏng: Chất độc này sẽ cản trở tính độc của chất độc

khỏc khi hấp thụ cùng một lúc hoặc kế tiếp nhau (giảm tính

độc đi)

3.1 nGuyên tắc chunG nGhiên cứu về

chất độc đều cú ảnh hởng đối với tính độc đối với sinh

vật nghiờn cứu VD: tiếp xúc qua da ít độc hơn qua

miệng, và qua miệng ít độc hơn qua

đờng thở

3.2 độnG độc học môI trờnG

3.2.1 Mục đích

Tìm hiểu cỏc nguyờn lý, cơ chế, nguyờn tắc chất độc

di chuyển từ thành phần môi trờng này sang thành phầnmôi trờng khỏc và từ cỏc thành phần môi trờng đến bờnngoài cơ thể sống

3.2.2 Vận chuyển trong môi trờng

- Khi chất độc vận chuyển từ môi trờng đến vị trí sinh vậtsống, nồng độ chất độc trong môi trờng cú thể xỏc định

đợc và phụ thuộc vào sự di chuyển chất độc từ thành

phần này đến thành phần khỏc của môi trờng (thụng qua

việc phõn tớch cỏc mẫu thực phẩm trong chuỗi dinh dưỡng sinh thỏi)

- Vận chuyển chất độc trong môi trờng phụ thuộc rất

nhiều vào cỏc trạng thỏi của chất đú trong 4 thành phầnmôi trờng chính: khí quyển, thuỷ quyển, địa quyển vàsinh quyển

3.2 độnG độc học môI trờnG

3.2.2 Vận chuyển trong môi trờng (tiếp)

- Tốc độ chuyển động của cỏc chất độc trong môi trờng phụ thuộc vào:

+ Tính chất của chất độc (lý, húa: phõn cực, khụng phõn

cực, bay hơi, kớch thước )

+ Vận tốc di chuyển của chất độc trong thành phần môi trờng

+ Vân tốc chuyển hoỏ của chất độc từ thành

phần môi trờng này tới thành phần môi trờng

khỏc

+ Tốc độ tổn thất của chất độc từ bộ phận này đến bộ

phận khỏc (mỏ

3.2 độnG độc học môI trờnG

3.2.2 Vận chuyển trong môi trờng (tiếp)

Sự vận chuyển của chất độc trong môi trờng thông qua cỏc quỏ trình sau

Cơ chế vận chuyển Thành phần môi trờng Đặc điểm

1 Phân tỏn, khuyếch tỏn Không khí Phụ thuộc vận tốc giú, hớng giú

2 Lắng đọng khô (tích tụ hạt rằn thành) Lắng đọng ớt (tích tụ hạt mự)

Không khí Hàm lợng bụi, mự, vận tốc giú, hớng giú

3 Hấp phụ K – R (hấp phụ khô) Không khí → đất Hàm lợng hạt rắn trong khí, đặc tính của đất

(độ tơi xốp) khí hoặc hơi của hợp chất hữu cơ

Hấp phụ ớt L-R Nớc → đất Cỏc hợp chất tan hoặc không tan phụ thuộc

nhiều vào tính chất của bựn (trầm tích, kim loại nặng, chất hữu cơ)

4 Quỏ trinh bay hơi Nớc, đất → không khí Phụ thuộc sự chờnh lệch nhiệt độ giữa cỏc

thành phần môi tr- ờng, tính chất vật lý của chất độc(vận tốc bay hơi, nhiệt độ sôi) xảy ra nhiều với chất hữu cơ.

5 Quỏ trinh ngng tụ và hấp thụ

Khí ngng tụ thành nớc Phụ thuộc vào nhiệt độ môi trờng, tính chất của

chất độc (khả năng hấp thụ) chủ yếu xảy ra đối với cỏc chất độc hữu cơ và vô cơ.

6 Quỏ trinh rửa trôi Đất → nớc Phụ thuộc vào độ ȁm và cỏc điều kiện khí

tợng: ma, giú và khả năng hoà tan của chất

Bựn đỏy, SS, cỏc sinh vật cú khả năng hấp thụ, tích tụ cỏc 11

chất hữu cơ, kim loại nặng

3.2 độnG độc học môI trờnG

3.2.4 Khả năng tồn lu của chất độc trong môi trờng

Cú 2 tích chất của chất độc cần đợc quan tâm:

+ chất độc xuất hiện một lần (rủi ro, sự cố )

VD phun thuốc bảo vệ thực vật - chỉ sinh ra khi phun, khi đú chất độc tuân theo phản ứng bậc 1:



Nếu [A] = 1/2 [Ao]  T1/2 Thời gian bỏn huỷ (chu kỳ bỏn huỷ) + Chất độc xuất hiện liờn tục

VD: Khí thải ống khúi nhà mỏy, công nhân vận hành lò đốt, khi đú xuất hiện cân bằng:

r1 tốc độ chất độc đi vào môi trờng nghiờn cứu r2 tốc độ chất độc mất đi do vận chuyển và biến đổi thành phần môi trờng r1=k1.A; r2= k2.A khi k1=k2  [A] = r1/r2

13

3.2 độnG độc học môI trờnG

3.2.5 Cỏc yếu tố ảnh hởng đến khả năng tồn lu chất độc trong thành phần môi trờng

Cỏc quỏ trình hấp thụ, hấp phụ

Quỏ trình này xảy ra rất nhiều ở bựn đỏy của nớc, ở cỏc sinh vật trong

đỏt và đi vào khí quyển dới dạng cỏc hạt lơ lửng

Quỏ trình bay hơi

Quỏ trình tích luỹ sinh học

Cỏc chất độc đi vào sinh vật qua thức ăn và tích luỹ lại làm giảm nồng

độ chất độc trong mụi trường nhưng làm tăng nồng độ độc chất trong cơ thể sống Quỏ trình tích tụ sinh học phụ thuộc vào cỏc yếu tố sau:Tính a mỡ của chất độc (khả năng tan vào mỡ): Nếu chất độc hoà tan tốt

trong mỡ thì chúng dễ dàng tích luỹ mà không bị đào thải nh hoà tan vào nớc

Vận tốc chuyển hoỏ của chất độc trong cơ thể sinh vật

Chu kỳ bỏn huỷ của chất độc trong cơ thể sinh vật

Cú 2 dạng tích tụ sinh học: Tích tụ chất độc do khuyếch tỏn từ môi trờng

vào sinh vật; Tích luỹ chất độc do khuyếch đại sinh học: 14



3.2 độnG độc học môI trờnG

•

- - - -

-Tớch tụ sinh học ( TTSH) do khuyếch tỏn từ MT

Đục chất được hấp thụ từ mụi trường ngoài vào cơ thể sống và được tớch tụ lại trong cơ thể ( do chuyển húa chất ngoại lai Xenobiotic) TTSH phụ thuộc chủ yếu vào sự cõn bằng giữa tốc độ hấp thụ và tốc độ đào thải,

Khả năng TTSH cuả động vật phụ thuục: tớnh ưa mỡ của ĐC, tốc độ chuyển húa, chu kỡ bỏn phõn hủy của ĐC trong cơ thể

Mụ hỡnh đơn bộ phận (ĐC chỉ hấp thụ và đi vào một bộ phận của cơ thể) T 1/2 = 0,693/k2 với K2 là hằng số tốc độ hấp thụ

Mụ hỡnh đa bộ phận (ĐC hấp thụ và đi tới nhiều bộ phận của cơ thể )

Hệ số tớch tụ sinh học BCF ( Bioconcentration factor)

Log K B = nlog Pow + b p OW = K otanoll /K H2O b: Hệ số liờn quan đờn t/c MT

P octanol : hệ sụ phõn li của ĐC

3.2 độnG độc học môI trờnG

• Tớch tụ sinh học do khuyếch đại sinh học

• ĐC được truyền từ đời này sang đời khỏc

• Do tiếp xỳc với ĐC lõu dài và tớch luy trong cơ thể sống nờn ĐC tăng

lờn khi sinh võt tiếp tục phỏt triển và sinh trưởng

• Việc “đào thải” lại theo đường sinh sản, ĐC được tớch tụ sang cơ thể

sống mới do được truyền từ đời cha mẹ, ụng bà Quỏ trỡnh này chỉ dừng

lại khi sự sinh trưởng dừng lại

Chỳ ý

- Hệ số tớch tụ sinh học BCF đặc trưng quan trong cho khả năng tớch tụ sinh

học của độc chất trong cơ thể sống

- Hệ số phõn li P OW thể hiện khả năng tớch tụ ĐC trong cơ thể động vật

Koctanol đặc trưng cho khả năng hấp thụ trong mỡ

KH2O đặc trưng cho khả năng tan trong nước

16

3.2 độnG độc học môI trờnG

3.2.5 Cỏc yếu tố ảnh hởng đến khả năng tồn lu chất độc trong thành phần môi trờng(tiếp)

d Quỏ trình đào thải chất độcVận tốc đào thải của sinh vật sẽ ảnh hởng đến khả năng gây độc trong cơ thể sinh vật

VD: Quỏ trình đào thải qua thận (động vật), mang/cỏ, phân và cỏc tuyến (với côn trựng) Cỏc sinh vật bò sỏt, thì quỏ trình đào thải qua quỏ trình lột xỏc

Thời gian cần thiết cho quỏ trình đào thải thờng đợc xỏc định thông qua thời gian bỏn phân huý bằng cỏch đo nồng độ trong huyết tơng theo giờ hoặc lấy mẫu theo ngày

-Về lý thuyết, chất độc không bao giờ đào thải hoàn toàn ra khỏi cơ thể.Thực tế nú chỉ coi là đào thải hoàn toàn sau khi trải qua 9 chu kỳ bỏn

huý, chu kỳ này là hàm số bậc 1 của liều lợng

3.2 độnG độc học môI trờnG

3.2.5 Cỏc yếu tố ảnh hởng đến khả năng tồn lu chất độc trong thành phần môi trờng(tiếp)

e Quỏ trình phân huý quang hoỏ và biến đổi vật chất trong môi trờng

Cỏc phản ứng quang hoỏ xảy ra trong môi tròng cú thể làm biến đổi chất

độc nờn làm giảm hàm lợng của chất độc trong môi trờng

Điều kiện quan trọng để phản ứng quang hoỏ xảy ra là cỏc chất độc phải hấp thu cỏc tia súng điờn từ để cung cấp năng lợng phỏ vỡ liờn kết hoỏ học

Đối với sinh vật cú hai phản ứng quang hoỏ quan trọng:

+ Khử quang hoỏ

+ Oxy hoỏ quang hoỏ

Cả hai kiểu phản ứng này đều sinh ra cỏc gốc tự do

Sau đú phản ứng với 02 hoặc H tự do trong chất độc và chuyển hoỏ thành hợp chất hoỏ học khỏc

Quỏ trình quang hoỏ phụ thuộc năng lợng, ỏnh sỏng chiếu đến, bớc súng mà chất độc cú khả năng hấp thụ cũng nh sự cú mặt của cỏc phản

ứng quang hoỏ khỏc trong môi trờng 18

3.2 độnG độc học môI trờnG

3.2.5 Cỏc yếu tố ảnh hởng đến khả năng tồn lu chất độctrong thành phần môi trờng(tiếp)

g Quỏ trình thuý phân

- Trong môi trờng nớc, cú rất nhiều quỏ trình làm chất

độc bị phân huý thành chất khỏc VD: sự thuý phân

chất hữu cơ trong môi trờng nớc:

h Quỏ trình biến đổi do xúc tỏc trong môi trờng

-Rất nhiều hợp chất khi đa vào môi trờng cú thể đợc phân huý

do gặp cỏc chất xúc tỏc tồn tại ở dú cỏc chất xúc tỏc cú thể làkim loại nặng hoặc cỏc oxit kimloại nặng

- Tốc độ phản ứng chuyển hoỏ do VSV phụ thuộc vào cấu trúc,nồng độ của chất

độc, điều kiện môi trờng nh nhiệt độ, pH và cỏc yếu tố dinhdỡng

3.2 độnG độc học môI trờnG

3.2.6 Tiểu kết trong động độc học môi trờng

Khi một chất độc đi vào môi trờng sẽ tham gia rất nhiều quỏ trình vận chuyển, biến đổi và tạo thành vào thành phần môi trờng đú, hoặc vận chuyển biến đổi vào tạo thành từ thành phần môi trờng này chuuyển sang thành phần môi trờng khỏc Cỏc quỏ trình ảnh hởng tới sự tồn lu chất độc

Chất độc

Không khí Khuyếch tỏn Quang hoỏ Chuyển pha PƯ HH (cú xúc tỏc)

3.3 Độc học của các độc chất môi trờnG

3.3.1 Phơng thức độc chất đi vào cơ thể sống

Thực vật:

Tiếp xúc trực tiếp với độc chất: bề mặt lỏ, cành cây, do phun thuốc

Tiếp xúc giỏn tiếp thông qua chu trình dinh dỡng: chất độc bị hoà

tan vào đất, nớc, → rễ cây

Động vật: hấp thụ chất độcqua hít thở, tập trung chủ yếu

ở động vật bậc cao

22

3.3 Độc học của các độc chất môi trờnG

3.3.1 Phơng thức độc chất đi vào cơ thể sống (tiếp)

Với cỏc động vật bậc cao, phơng thức xâm nhập chất độc gồm cỏc bớc (hình 3.1):

Phân bố chất độc vào cơ thể (II)

Chuyển hoỏ chất độc (III)

Tích tụ và đào thảI (IV)

Chấp nhận và tích tụ

III Liờn kết Protein

Hệ thống mỏu và bạch huyết Phổi/mang

qúa trình hấp thụ độc chất qua da

Hấp thụ qua da:

Độc chất đi qua lớp biểu bì, màng tế bào ở phía ngoài

Khả năng thȁm thấu của da kém → chất độc khú đi theo đờng này.

Một số chất độc cú thể đợc hấp thụ qua da, do cú khả năng khuyếch tỏn qua lớp sừng vào lớp biểu bì và vào mỏu

Biểu bì Lớp dới biểu bì

Lớp dới da

26

qúa trình hấp thụ độc chất qua da

Cỏc chất độc dễ tan trong mỡ: hoà tan và khuyếch tỏn qua đệm mỡ dới da và đi vào mỏu tốc độ khuyếch tan phụ thuộc vào độ hoà tan của chất độc trong mỡ

Ví dụ: DDT khú bay hơi nhng khi tiếp xúc qua da, nhờ khả năng dễ

tan trong mỡ, nú sẽ xâm nhập qua da vào cơ thể và đi vào mỏu

Biểu bì Lớp dới biểu bì

Tế bào mỡ 27

qúa trình hấp thụ độc chất qua da

Cỏc độc chất dễ tan trong nớc:

- Khú đi qua cỏc đệm mỡ Chúng chỉ cú thể khuyếch

tỏn qua bề mặt bờn ngoài của da là phần cú khả

năng bị hydrat hoỏ

- Tuy nhiờn, một số độc chất cú kích thớc phân tử nhỏ cú

khả năng

gây độc bằng cỏch thấm qua da

- Phơng thức tiếp xúc với chất độc qua da ảnh hởng

quan trọng đến sự hấp thụ qua da

qúa trình hấp thụ độc chất qua da

Ví dụ:

Tắm giặt ở nơi nguồn nớc bị ô nhiễm

Không sử dụng găng tay, dụng cụ bảo hộ khi tiếp xúc với độc chất

Nhiều độc chất trong công nghiệp, nông nghiệp tan rất tốt trong mỡ và dễ thâm nhập qua da gây ngộ độc da dẫn tới ngộ độc cho ngời sử dụng Ví dụ: thuốc trừ sâu Một số chất độc cú thể tỏc động trực tiếp lờn vựng da tiếp xúc gây phỏ

huý trực tiếp vựng da bị tiếp xúc: H2SO4

,

hấp thụ độc chất qua đờnG hô hấp

Sự hấp thụ độc chất qua đờng hô hấp:

- Khi độc chất đợc hít vào, cỏc phân tử khuyếch tan qua

màng phổi → vào mỏu ở dạng hoà tan và đi tới cỏc cơ

quan trong cơ thể

- Kết quả là sự phân bố cân bằng giữa hai pha khí- mỏu

hoặc mỏu - cỏc

mô trong phổi

Cuống họng

Mũi

Thanh quản

Phổi Phế quản Túi phổi

Hình 3.2 Hệ thống hô hấp

31

hấp thụ độc chất qua đờnG hô hấp

Sự hấp thụ độc chất qua đờng hô hấp (tiếp):

Tuỳ thuộc hằng số phân bố khí trong mỏu và phế nang, khí

cú thể đợc

đào thải qua hô hấp và một phần đợc hấp thụ Một số

khí cú ỏi lực đặc biệt với một số cấu tử trong cơ thể

nh CO NO sẽ liờn kết với cỏc cấu tử này tạo ra phân tử

khí mới và chuyển hoỏ theo mỏu tới cỏc bộ phận khỏc

32

hấp thụ độc chất qua đờnG hô hấp

Nhìn chung quỏ trình hấp thụ độc chất cú hai dạng:

- Hấp thụ thụ động: phụ thuộc sự chờnh lệch nồng độ độcchất bờn trong và ngoài của cơ quan, cỏc màng tế bào

- Chủ động: không phải do chờnh lệch nồng độ giữa hai pha

mà do đặc

tr-ng của chất độc cú khả nătr-ng thȁm thấu qua màtr-ng Chất

độc là cỏc phân tử phân cực, a mỡ, không còn phụ thuộcvào khả năng hoà tan của chất độc trong mỏu

33

hấp thụ độc chất qua đờnG hô hấp

Quỏ trình hấp thụ chất độc phụ thuộc vào kích thớc

của phân tử/hạt chất độc:

- Kích thớc nhỏ thì tý lệ hoà tan mỡ/nớc cao, khả năng hấp thụ lớn

- Đờng kính 1-5 àm cú thể đi tới màng phổi, mô phổi

- Đờng kính 5-10 àm đợc giữ lại ở đờng hô hấp

- Đờng kính < 1 àm, xâm nhập rất sâu vào túi phổi, vào mỏu

hấp thụ độc chất qua đờnG tiêu hoá

Quỏ trình hấp thụ độc chất qua đờng tiờu hoỏ:

- Độc chất vào miệng, qua thực quản đi tới dạ dày và vào ruột Nếu chất độc cú khả năng tan trong mỡ hoặc cú cấu trúc tơng tự chất dinh dỡng và chất điện ly thì cú thể đợc vận chuyển vào hệ thống mỏu Ví dụ: Pb cú thể thay thế Ca theo con đờng vận chuyển Ca vào mỏu.

35

hấp thụ độc chất qua đờnG tiêu hoá

Quỏ trình hấp thụ độc chất qua đờng tiờu hoỏ (tiếp):

- Những độc chất cú kích thớc nhỏ cỡ 102 A0 cú thể đi

vào màng bạch huyết nh hấp thụ mỡ Ví dụ: cỏc chất màu

Azo

- Cỏc độc chất là axit yếu, bazơ yếu sẽ đợc hấp thụ bằng

cỏch khuyếch tỏn trong phần ruột dới dạng cỏc ion nh

hőn hợp cỏc ion hoặc không ion ở dạng hoà tan Những

chất độc dạng không bị ion hoỏ khú cú khả năng đợc

hấp thụ qua ruột và sẽ đợc đào thaỉ ra ngoài

Ví dụ: Zn cú cấu trúc giống Ca, nờn cả hai chất này đi

vào cơ thể đến cỏc cơ quan bài tiết nh thận, xơng và

thay thế Zn ở đú làm cho xơng xốp và dễ gãy

Sự tích luỹ chất độc cú thể xảy ra ở cỏc bộ phận:

Tại Protein của huyết tơng

Tại cỏc mô mỡ: những độc chất cú tính a mỡ (DDT, Furan, PCBs)

Tích tụ trong xơng: cỏc hợp chất Flo, Pb, Sr cú thể kếthợp chặt chẽ với cỏc tế bào xơng và bị lu giữ, tích tụ lạitrong xơng