Một lượng lớn các chất gây ra những ảnh hưởng nguy hại đến môi trường là các phân tử hữu cơ tổng hợp. Các chất hữu cơ tích lũy trong dây chuyền thực phẩm và phân hủy rất chậm trong môi trường. Như vậy cần phải hiểu biết những nét chung về tính chất của các phân tử hữu cơ này trước khi chúng ta có thể hiểu được hành vi của chúng trong môi trường và loại bỏ chúng ra khỏi những vùng ô nhiễm. Hóa học hữu cơ nghiên cứu về:
1. Các phân tử hữu cơ là những chất trong đó carbon là thành phần cấu trúc cơ bản của phân tử.
2. Hai tính chất ảnh hưởng hành vi của các phân tử hữu cơ trong môi trường là tính chất vật lý và tính chất hóa học.
Các tính chất vật lý bao gồm độ tan trong nước, độ tan trong các tế bào mỡ và sự bay hơi. Các tính chất hóa học được đặc trưng bởi tính hoạt động hay, nói một cách khác, là khả năng phân hủy.
Quy luật chung đối với các hợp chất hữu cơ về tính chất vật lý:
1. Các phân tử chỉ chứa carbon, hydro và clo không tan trong nước 2. Các phân tử chỉ chứa carbon, hydro và clo là chất tan của mỡ 3. Các phân tử chỉ chứa carbon, hydro và clo là các chất bay hơi 4. Các phân tử hữu cơ chứa oxy tan trong nước hơn so với
hydrocarbon tương ứng
5. Các phân tử hữu cơ chứa oxy ít bay hơi hơn các hydrocarbon tương ứng
Quy luật chung đối với các hợp chất hữu cơ về tính chất hóa học:
1. Các phân tử bão hòa chỉ chứa carbon, hydro và clo là những phân tử không hoạt động
2. Các hydro carbon phân nhánh ít hoat động hơn các hydrocarbon mạch thẳng.
3. Các hydrocarbon chứa liên kết đôi hoạt động hơn các hydrocarbon bão hòa tương ứng
4. Các hydrocarbon chứa liên kết ba hoạt động hơn các hydrocarbon tương ứng với liên kết đôi.
5. Các hydrocarbon chứa oxy hoạt động hơn các hydrocarbon tương ứng.
Cấu trúc của các phân tử hữ cơ rất quan trọng, vì nhiều tính chất vật lý của các chất này phụ thuộc vào kích thước và hình dáng của phân tử. Dưới đây là một số phân tử hữu cơ thường được tìm thấy trong môi trường:
• Phân tử C2H6
• Phân tử C2H4
• Phân tử acetylene (C2H2)
Khi gắn một nguyên tử oxy giữa carbon và hydro dẫn tới tạo thành một phân tử hữu cơ mới gọi là alcohol. Rượu chứa hai nguyên tử carbon được gọi là ethanol.
Một nguyên tử oxy liên kết đôi với carbon sẽ cho ra ba loại chất.
Aldehyde tạo thành từ nguyên tử carbon tạo liên kết đôi với oxy và liên kết đơn với carbon hydro. Acetaldehyde là một ví dụ:
Keton được tạo ra từ một nguyên tử carbon tạo liên kết đôi với oxy và các liên kết đơn với các nguyên tử carbon khác. Acetone là một ví dụ:
Axit carboxylic tạo thành từ một nguyên tử carbon tạo liên kết đôi với oxy và một liên kết đơn với một nguyên tử carbon và liên kết đơn còn lại là liên kết với nhóm hydroxyl (-OH). Các hợp chất này được gọi là các axit carboxylic. Axit acetic là một ví dụ:
Một loại quan trọng của các phân tử hữu cơ tạo ra mù quang hóa là các peroxyaxit. Các hợp chất này tạo thành là do một nguyên tử carbon tạo liên kết đôi với oxy, một liên kết đơn với một nguyên tử carbon và liên kết đơn còn lại liên kết với nhóm peroxide
(OOH-). Axit peracetic là một ví dụ:
5.1.2. Các chất diệt côn trùng (Pesticides), diệt cỏ (herbicides), PCBs, PAHs và các sản phẩm phụ của quá trình sản suất
1. Các hợp chất diệt côn trùng hữu cơ clo (organochlorine insectides)
2. Hợp chất diệt cỏ (nitroaniline herbicides)
3. Các hợp chất diệt cỏ hỗn hợp (miscellaneous herbicides)
4. Thuốc diệt côn trùng carbamat (the carbamate insectides)
5. Thuốc diệt côn trùng hữu cơ phospho (organophosphate insectides)
6. Thuốc diệt côn trùng có nguồn gốc từ thực vật (botanical insecticides)
7. Các hợp chất polychloronated biphenyls
8. Các hợp chất dioxins và furans
5.1.3. Vi khuẩn biến đổi các chất hữu cơ
Sự phân hủy các phân tử hữu cơ phụ thuộc vào cấu trúc của chúng.
Quy tắc chung là các phân tử mạch nhánh phức tạp rất khó phân hủy;
ngược lại, các hợp chất với liên kết đôi (các olefin) bị phân hủy nhanh chóng. Mức độ phân hủy các hợp chất hữu cơ từ dễ đến khó được sắp xếp theo dãy:
Alkyne > Alkene > Carboxylic axit > Alcolhol > Chuỗi mạch thẳng >
Chất thơm > Các chất thơm clo hóa > Chuỗi mạch nhánh.
Các hợp chất hữu cơ bị phân hủy trong môi trường thông qua nột số biến đổi đã được biết. Chúng bị biến đổi bởi enzyme cư trú bên trong thành tế bào của vi khuẩn. Mỗi một sự biến đổi đưa ra dưới đây được tiến hành bởi một enzyme riêng biệt, thường được kết hợp với một loại vi khuẩn. Quá trình liên quan đến sự hấp phụ các phân tử hữu cơ vào các tâm hoạt động của enzyme, các tâm hoạt động này bao phủ toàn bộ phân tử hữu cơ bổ sung xúc tác hoặc khử xúc tác nguyên tử oxy và hydro thành chất nền hữu cơ. Thể tích và hình dáng của chất nền hữu cơ xác định các phân tử sẽ khớp với các tâm hoạt động của enzyme. Do vậy, sự
thay đổi nhẹ cấu trúc phân tử sẽ làm thay đổi lớn khả năng biến đổi các phân tử hữu cơ. Sự đòi hỏi cấu trúc của chất nền (thức ăn) phải tương thích với tâm hoạt động của enzyme giải thích tại sao các hydrocarbon mạch nhánh rất khó phân hủy. Sơ đồ các phản ứng đưa ra trong hình 5.1 dưới đây minh họa sự phân hủy hợp chất hữu cơ mạch thẳng.
.
Hình 5.1. Sơ đồ phân hủy hợp chất hữu cơ mạch thẳng
Giai đoạn đầu trong phân rã các hydrocarbon mạch thẳng là sự tạo thành nhóm hydroxyl trên carbon cuối. Quá trình này có thể được xem là
“gài” nguyên tử oxy vào liên kết C-H. Sản phẩm tạo thành là rượu (vì có nhóm OH). Giai đoạn thứ hai liên quan đến sự mất của hai nguyên tử hydro để tạo thành aldehyde. Giai đoạn thứ ba liên quan đến sự oxy hóa tiếp tục carbon cuối để từ aldehyde biến thành axit carboxylic. Khi axit carbonxilic được tạo thành, phân tử có thể trải qua sự oxy hóa làm giảm độ dài của phân tử. Sản phẩm tạo thành là axit carboxylic có mạch ngắn hơn và hai phân tử carbon dioxit.
Các hợp chất thơm là những chất chứa vòng benzene, phân tử đơn giản nhất là benzene, C6H6. Vòng benzen tạo ra bộ khung cơ bản của nhiều hợp chất hữu cơ có cấu trúc phức tạp được gọi là các hydrocarbon đa vòng thơm hoặc PAH. Sự phân hủy các hydrocarbon đa vòng xảy ra trên một vòng ở cùng một thời gian, với mỗi một vòng theo một con đường qua sản phẩm trung gian là “catechol” (hình 5.2). Để nắm được con đường phân hủy các vòng thơm, cần phải nhớ rằng cấu trúc của benzene có ba liên kết đôi. Benzene bổ sung oxy vào một liên đôi C = C để tạo thành “epoxide”. Sau đó, epoxide phản ứng với nước để tạo thành phân tử 3,5-cyclohexadiene-1.2 diol. Trong một trường hợp, diol trung gian có thể tạo thành trực tiếp mà không phải qua giai đoạn tạo thành epoxide. Khi được tạo thành, cyclohexadiene trung gian biến đổi thành
phân tử thơm chứa hai nhóm hydroxyl gần nhau (catechol). Catechol bị phân hủy (hình 5.3) qua con đường đưa ra dưới đây để tạo thành axit succinic và axit acetic.
Hình 5.2. Sự phân hủy của benzene bởi vi sinh vật
Hình 5.3. Sự phân hủy catechol bởi vi sinh vật
Các hợp chất chứa cả hai thành phần aliphatic và thành phần thơm bị phân hủy kế tiếp nhau, phần aliphatic của phân tử sẽ bị phân hủy đầu tiên thành hai carbon ở cùng một thời gian. Sản phẩm cuối cùng trước khi vòng thơm bị phân hủy là axit carboxylic. Axit carboxylic (ví dụ axit benzoic có một vòng thơm) biến đổi thành 3,5-cyclhexadiene-1.2-diol trước khi biến thành catechol. Ví dụ sự biến đổi của toluene:
Ví dụ cuối cùng được xem xét trong phần này là các hydrocarbon đa vòng, hoặc PAH, Naphthalene là một ví dụ đơn giản nhất của hydrocarbon đa vòng. Naphthalene phân hủy một vòng ở một thời gian, tạo thành chất tương tự 3,5-cyclohexadiene-1.2-diol. Chất này, sau đó biến thành chất hai vòng tương tự catechol là 1,2-dihydroxynaphthalene.
Sau đó 1,2-dihydroxynaphthalene biến thành axit salicylic và bị biến tính tiếp tục để sinh ra catechol. Tiếp theo, catechol biến thành axit acetic và axit succnic.
.