Bài giảng Một số nguyên lý về độc chất học môi trường

TS. Lê Quốc Tuấn Khoa Môi Trường và Tài Nguyên, ĐH Nông Lâm TP.HCM Chương 2. MỘT SỐ NGUYÊN LÝ VỀ ĐỘC CHẤT HỌC MÔI TRƯỜNG 2.1. Các nguyên lý về độc chất liên quan đến hóa chất trong môi trường, công nghiệp và trong tự nhiên Độc chất học môi trường là một ngành khoa học trẻ phát triển nhanh trong 40 năm qua. Độc chất học môi trường liên quan đến việc nghiên cứu nguồn gốc, con đường, sự chuyển hóa và ảnh hưởng của các hóa chất nguy hại trong môi trường. Nghiên cứu ảnh hưởng nguy hại mở rộng bắt đầu từ cá thể và quần thể sinh vật cho đến hệ thống sinh thái. Nghiên cứu ảnh hưởng độc của các chất gây ô nhiễm môi trường thật sự bắt đầu từ thập niên 60. Vào những năm đầu tiên của ngành nghiên cứu độc chất học môi trường, các nhà khoa học quan tâm đến việc sử dụng các hóa chất, hoặc hỗn hợp hóa chất có khả năng gây độc đặc biệt là các hợp chất có nguồn gốc từ arsen và thủy ngân. Trước đây, hầu như việc áp dụng arsen và thủy ngân đều mang tính tích cực bởi vì “tiện ích” của chúng như là một chất độc để giả quyết các vấn đề cá nhân và chính trị. Những người nghiên cứu về độc chất đầu tiên phải kể đến là các nhà vật lý và giả kim. Một nhà vật lý người Thụy sĩ Paracedsus (1499-1541) đặc biệt nổi tiếng với công thức tính mối tương quan giữa nồng độ và phản ứng. Ông đã quan sát những bệnh nhân nhiễm độc ở nồng độ thấp thì thấy nó có tác dụng tích cực, trái lại ở nồng độ cao thì phát hiện ra hiện tượng nhiễm độc. Nhà vật lý tiếp theo là Orfila (1787-1853). Ông đã đăng tải một công trình quan trọng về độc tính của các hợp chất tự nhiên, trong đó mô tả mối tương quan hiện tượng nhiễm độc của bệnh nhân và thành phần các hóa chất có trong cơ thể của người bệnh (các mô). Sau đó ông đã nghiên cứu các hoạt tính của kháng thể và cho rằng cơ thể con người có thế đào thải các độc chất. Sau đó, nhiều công trình nghiên cứu về độc chất đã được thực hiện trên độc vật. Và cũng từ đó, ngành độc chất học được xem như là một ngành khoa học. Cho đến giữa thế kỷ 19, khi có sự phát triển vượt bậc của hóa học, cùng với việc mở rộng quá trình tách chiết các hóa chất tự nhiên và sản xuất những hợp chất nhân tạo mới, ngành độc chất bước qua một giai đoạn phát triển mới. Cho dù độc chất học phát triển nhanh, nhưng vẫn dựa TS. Lê Quốc Tuấn Khoa Môi Trường và Tài Nguyên, ĐH Nông Lâm TP.HCM vào 2 nền tảng sau: 1. Kiểm nghiệm các loại dược phẩm mới 2. Xác định ảnh hưởng độc tiềm ẩn từ các hợp chất tự nhiên và nhân tạo. Kỷ nguyên này đánh giá sự khởi đầu của độc ngành độc chất học công nghiệp, liên quan trực tiếp đến sức khỏe công nhân và nơi làm việc. Trong suốt quá trình phát triển hóa học, người ta đã nhận diện được độc chất học động vật ở Châu âu và Bắc Mỹ do một lượng lớn hóa chất được sử dụng đã gây nên sự chết của sinh vật hoang dã. Sự ô nhiễm môi trường đã khiến nhiều chính phủ phải có những chính sách phù hợp để đánh giá và kiểm soát các chất gây ô nhiễm tiềm năng trong nước thải công nghiệp. Tuy nhiên, cho đến năm 1962, một cuốn sách của Carson với tiêu đề “Mùa Xuân thầm lặng” (Silent Spring), một sự nhận diện về độc tính môi trường, được xuất bản. Cuốn sách mô tả ảnh hưởng của các hóa chất độc hại lên đời sống hoang dã, hay còn gọi là sự biến mất của các loài chim ven các dòng sông. Cuối thập niên 60, Truhaut sử dụng thật ngữ “Độc học sinh thái” (Ecotoxicology) để mô tả ngành nghiên cứu về độc tính môi trường. Truhaut đã định nghĩa độc học sinh thái như là một nhánh của độc chất học mà nó tập trung vào ảnh hưởng độc của các hợp chất tự nhiên và nhân tạo lên cơ thể sống. Truhaut chính thức phân biệt giữa độc học truyền thống và độc học sinh thái và mô tả độc tính sinh thái qua các bước sau: 1. Sự thâm nhập, phân phối và số phận của các chất gây ô nhiễm trong môi trường 2. Sự thâm nhập và số phận của các chất gây ô nhiễm trong sinh vật của hệ sinh thái 3. Các ảnh hưởng có hại của hóa chất lên các cấu thành của hệ sinh thái (bao gồm cả con người) Mỗi một giai đoạn đều phức tạp bởi sự chuyển hóa hữu sinh và vô sinh của các hợp chất ban đầu. Đến giữa thập niên 70 các nhà khoa học bắt đầu nhận ra rằng kiểm soát độc chất trong môi trường phải từ các nguồn do con người tạo ra, qua việc thu thập số liệu về số lượng các hợp chất trong môi trường đất và nước. TS. Lê Quốc Tuấn Khoa Môi Trường và Tài Nguyên, ĐH Nông Lâm TP.HCM Trước khi đánh giá ảnh hưởng sinh học của độc chất, chúng ta cần nhận biết cấu tạo của hợp hóa chất, các cơ chế mà qua đó chất gây ô nhiễm đi vào và di chuyển trong cơ thể sinh vật, sự chuyển hóa vô sinh và hữu sinh các hợp chất ban đầu, tính chất của các phản ứng trong cơ thể sinh vật và sự thay đổi thuộc tính vật lý và sinh lý của chất gây ô nhiễm. Trong thời gian này, nhiều nhà khoa học nhận thấy rằng chỉ qua việc định lượng thì chưa đủ để xác định và mô tả các vấn đề của độc chất. Sự phát triển các mô hình hóa lý về đặc tính chất lây nhiễm trong môi trường mở rộng đến những năm 1970. Nhiều thông số vật lý và hóa học (như pH, nhiệt độ, oxy hòa tan) được biết có thể kiểm soát sự hình thành các chất lây nhiễm trong môi trường, dự đoán các chất lây nhiễm, do đó xác định được độc tính tiềm năng của chúng đối với môi trường qua việc mô hình hóa. Những mô hình hóa phát triển trong 30 năm cũng vẫn đang được hoàn thiện và tập trung vào các nghiên cứu độc tính môi trường của các chất. 2.2. Ảnh hưởng của hóa chất đối với sinh vật và con người Từ lâu cộng đồng châu Âu đã nhận ra rằng cần phải bảo vệ môi trường và tạo nên chuẩn mực chung để bảo vệ người tiêu dùng để bảo đảm sự tự do thương mại giữa các chính phủ thành viên. Vì lý do này các quy định về môi trường được áp dụng cho các sản phẩm, kể cả các hóa chất nguy hại. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, phản hồi cho hệ thống hiện tại được xác định và kiểm tra. Điều quan trọng nhất là: - 100.106 các hợp chất đang tồn tại có thể được sử dụng mà không qua kiểm nghiệm - Không có công cụ hữu hiệu để đảm bảo việc sử dụng an toàn các chất có nguy cơ cao - Thiếu động lực cho việc sáng chế, đặc biệt là thay thế các hoặc làm giảm chất thải nguy hại Chính vì thế ngày càng có nhiều loại hóa chất được sử dụng cho các mục khác nhau không được kiểm nghiệm và đều có khả năng tiềm tàng trong việc gây độc đối với sinh vật và môi trương sinh thái. Đặc biệt là các hóa chất được sử dụng trong nông nghiệp như thuốc diệt cỏ, diệt côn trùng, chất bảo vệ thực vật…Sau đây, một số hóa chất độc trong môi trường và ảnh hưởng của nó sẽ được đề cập đến 2.2.1 Chaát ñoäc da cam TS. Lê Quốc Tuấn Khoa Môi Trường và Tài Nguyên, ĐH Nông Lâm TP.HCM Chaát ñoäc da cam ñöôïc Myõ söû duïng trong chieán tranh Vieät Nam. Töø naêm 1961 ñeán 1971, khoaûng 11 trieäu gallon chaát ñoäc da cam ñöôïc raûi xuoáng mieàn Nam Vieät Nam chieám 10% dieän tích ñaát nöôùc, trong ñoù coù 14% laø ñaát noâng nghieäp. Coù nhieàu loaïi chaát ñoäc da cam, trong ñoù ñaùng quan taâm nhaát laø dioxin. Dioxin ñöôïc xem laø moät chaát cöïc ñoäc, gaây ra caùc beänh hieåm ngheøo. Haàu nhö khoâng bò phaân huûy sinh hoïc. Coù theå toàn taïi beàn vöõng trong moâi tröôøng. 2.2.2. Ñoäc chaát dung moâi Caùc dung moâi coù theå tan trong môõ cuõng nhö trong nöôùc cuõng nhö coù theå hoøa tan trong nöôùc. Dung moâi tan trong môõ khi vaøo trong cô theå thì tích tuï trong moâ môõ bao goàm caû heä thaàn kinh. Dung moâi tan trong nöôùc coù theå ñi vaøo cô theå qua da neáu tieáp xuùc. Dung moâi höõu cô nhanh choùng haáp thu qua phoåi. Khi bò nhieãm ñoäc caùc chaát dung moâi thì chuùng laøm caûn trôû quaù trình trao ñoåi chaát 1. Benzene: Benzene laø moät loaïi dung moâi hoøa tan ñöôïc raát nhieàu chaát nhö môõ, cao su, SAU TRÖÔÙC Vieäc söû duïng dioxin vaø haäu quaû cuûa chuùng TS. Lê Quốc Tuấn Khoa Môi Trường và Tài Nguyên, ĐH Nông Lâm TP.HCM vecni, da sôïi vaûi len…Trong coâng nghieäp hoùa hoïc, benzene ñöôïc söû duïng trong caùc quaù trình toång hôïp. Benzene haáp thu qua phoåi vaø qua da. Khi tieáp xuùc ôû lieàu cao gaây ñoäc caáp tính, suy giaûm heä thaàn kinh trung öông, gaây choùng maët, nhöùc ñaàu, ngoäp thôû...Neáu bò nhieãm maõn tính thí gaây xaùo troän heä tieâu hoùa, aûnh höôûng ñeán nhieãm saéc theå vaø caáu truùc di truyeàn DNA. Hôïp chaát benzene phöùc taïp khi ñöôïc chuyeån hoùa sinh hoïc. Benzene deã daøng keát hôïp vôùi protein hoaëc nucleic acid. 2. Chloroform (CCl4) Chloroform hay coøn goïi laø carbon tetrachloride ñöôïc söû duïng nhö laø moät dung moâi vaø chaát trung gian trong caùc quaù trình coâng nghieäp. Chloroform laøm suy giaûm vaø toån thöông haàu heát caùc cô quan trong cô theå nhö heä thaàn kinh trung öông, gan vaø maïch maùu. Söï nhieãm ñoäc chloroform thöôøng daãn ñeán söï suy nhöôïc caùc cô quan nhö suy yeáu cô tim, suy thoaùi thaän. Bieåu hieän chính khi bò nhieãm ñoäc chloroform laø hoân meâ (nhieãm ñoäc caáp tính), vaøng da (nhieãm ñoäc maõn tính). 2. 3. Chất gây ô nhiễm không khí Chất gây ô nhiễm không khí là chất tồn tại trong không khí có khả năng gây hại đối với con người và môi trường. Các chất gây ô nhiễm có thể ở dạng rắn, dạng lỏng hoặc dạng khí, có nguồn gốc từ tự nhiên hoặc do con người tạo ra. Chất gây ô nhiễm không khí có thể phân thành 2 loại sơ cấp và thứ cấp. Chất gây ô nhiễm sơ cấp là những chất sinh ra từ một quá trình nào đấy, như tro bụi từ sự phun trào của núi lửa, khí CO từ khói xe hoặc SO2 từ các nhà máy. Chất gây ô nhiễm thứ cấp không sinh ra trực tiếp từ các quá trình mà được tạo thành trong không khí khi các chất ô nhiễm sơ cấp tương tác với nhau. Một ví dụ điển hình về chất gây ô nhiễm thứ cấp là ozone tầng thấp, một trong nhiều chất gây ô nhiễm tạo nên lớp sương quang hóa. Ozone tầng thấp được tạo thành bởi phản ứng giữa NOx và các hợp chất hữu cơ bay hơi dưới tác dụng của ánh sáng hay còn gọi là phản ứng quang hóa. Cần lưu ý rằng, một số chất gây ô nhiễm không khí có thể là sơ cấp và Phaân töû benzene TS. Lê Quốc Tuấn Khoa Môi Trường và Tài Nguyên, ĐH Nông Lâm TP.HCM thứ cấp. Cả hai đều sinh ra trực tiếp từ các chất gây ô nhiễm sơ cấp. Theo nghiên cứu của trường sức khỏe công cộng thuộc đại học Harvard, khoảng 4% người chết ở Mỹ là do ô nhiễm không khí. Phần lớn hợp chất gây ô nhiễm không khí sơ cấp là do các hoạt động của con người bao gồm: 1. Sulfur oxide (SOx) Đặc biệt là SO2 là khí thải sinh ra từ hoạt động của núi lửa và từ các quá trình công nghiệp khác. Bởi vì than và dầu lửa thường chứa các hợp chất có chứa lưu huỳnh, do đó quá trình đốt cháy nhiên liệu sẽ tạo ra SO2. SO2 tiếp tục bị oxi hóa dưới xúc tác NO2 tạo thành SO3, rồi tạo thành H2SO4, cuối cùng tạo nên mưa acid. Đây là một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường khi dầu lửa được sử dụng làm nguồn cung cấp năng lượng. 2. Nitrogen oxide (NOx) Đặc biệt là NO2 được sinh ra từ quá trình đốt cháy ở nhiệt độ cao. Là một khí có màu nâu đỏ, có vị đắng. NO2 là một trong những chất gây ô nhiễm không khí chủ yếu. 3. Carbon monoxide (CO) Là chất khí không màu, không mùi, không cháy nhưng rất độc. Nó là sản phẩm của quá trình đốt cháy không hoàn toàn nhiên liệu như khí tự nhiên, than hoặc gỗ. Khí thải từ xe cộ là một nguồn chính sinh ra CO. 4. Carbon dioxide (CO2) là một khí nhà kính sinh ra từ sự đốt cháy. 5. Các hợp chất hữu cơ bay hơi Các chất hữu cơ bay hơn là nguồn gây ô nhiễm không khí quan trọng. Chúng thường được chia thành 2 nhóm riêng biệt đó là nhóm methane (CH4) và nhóm không methane. Methane là loại khí gây hiệu ứng nhà kính chủ yếu, nó góp phần vào việc gây hiện tượng ấm lên của trái đất. Các hợp chất hữu cơ bay hơi khác cũng gây nên hiệu ứng nhà kính tùy theo vai trò của chúng trong việc tạo thành tầng ozone và trong việc kéo dài thời gian sống của methane trong bầu khí quyển, mặc dù ảnh sự ảnh hưởng này biến động theo chất lượng không khí vùng. Trong các hợp chất hữu cơ bay hơi, các hợp chất có vòng như benzene, toluene và xylene là các hợp chất có tiềm năng gây ung thưc cao và cũng có thể gây nên bệnh bạch cầu nếu tiếp xúc trong thời gian dài. 1,3-butadien là một hợp chất nguy hiểm thường được sử dụng trong công nghiệp 6. Bụi lơ lững Bụi lơ lững là các hạt mịn ở dạng rắn hoặc lỏng hòa tan trong không khí. Trái lại, sol khí liên quan đến các hạt và khí trộn lẫn với nhau. Nguồn gốc bụi lơ lững TS. Lê Quốc Tuấn Khoa Môi Trường và Tài Nguyên, ĐH Nông Lâm TP.HCM có thể do con người hoặc tự nhiên. Một vài loại bụi có trong tự nhiên sinh ra từ núi lửa, bão cát, cháy rừng hoặc đồng cỏ, bụi từ thực vật hoặc từ đại dương. Các hoạt động của con người như đốt cháy nhiên liệu hóa thạch cũng sinh ra một lượng lớn các sol khí. Tính trung bình trên toàn cầu, các sol khí từ hoạt động của con người hiện nay chiếm khoảng 10% tổng số các sol khí trong bầu khí quyển. Sự gia tăng các hạt mịn trong không khí liên quan đến sức khỏe cộng đồng như gia tăng các bệnh về tim mạch, hô hấp và ung thư đặc biệt là ung thư phổi. 2.4. Độc chất trong môi trường nước 2.4.1. Chất hữu cơ dể bị phân hủy trong môi trường nước Các chất này xuất phát từ các cống thải nước sinh hoạt, chất thải công nghiệp, trại chăn nuôi. Nước bị ô nhiễm cần một lượng oxy cao cung cấp cho vi sinh vật phân hủy các chất, do đó làm suy giảm oxy hòa tan trong nước dẫn tới sự chết của động vật thủy sinh. Ngoài ra các sản phẩm của quá trình phân hủy chất hữu cơ có thể trở thành độc chất đối với thủy sinh vật. Sự tiếp nhận độc chất đi vào trong môi trường nước qua hệ thống cống thải TS. Lê Quốc Tuấn Khoa Môi Trường và Tài Nguyên, ĐH Nông Lâm TP.HCM 2.4.2. Các tác nhân gây bệnh Gồm các loài sinh vật có khả năng lây nhiễm được đưa vào trong môi trường nước. Ví dụ như nước thải của các bệnh viện khi chưa được xử lý hoặc xử lý không triệt để các mầm bệnh. 2.4.3. Chất dinh dưỡng thực vật. Chủ yếu là carbon, nitrogen, phosphore. Hàm lượng các chất này gia tăng tại những vùng tiếp nhận nước thải sinh hoạt, công nghiệp và nông nghiệp. Khi có quá nhiều chất dinh dưỡng sẽ tạo ra hiện tượng phú dưỡng làm cho thực vật thủy sinh phát triển nhanh. Các thực vật thủy sinh có thể sinh ra nhiều loại độc tố trong quá trình phát triển của chúng, ví dụ như sự nở hoa của tảo. Khi chúng chết thì lại gây nên sự ô nhiễm hữu cơ cho nguồn nước. Độc chất trong nước gây nên hiện tượng cá chết hàng loạt 2.4.4. Các hóa chất tổng hợp – bền vững Những chất này có nguồn gốc từ các chất tẩy rửa, thuốc trừ sâu, thuốc kích thích sinh trưởng, thuốc diệt cỏ, hóa chất công nghiệp…Các chất này có độc tính cao đối với sinh vật. Sự tích lũy của các độc chất này trong chuỗi thức ăn, mặc TS. Lê Quốc Tuấn Khoa Môi Trường và Tài Nguyên, ĐH Nông Lâm TP.HCM dù ở nồng độ thấp nhưng quá trình tích lũy lâu dài, sẽ dẫn đến hiện tượng gây độc trong hệ thống sinh thái. 2.4.5. Các chất vô cơ và khoáng chất Bao gồm các kim loại, các ion, dầu mỏ, các chất rắn và nhiều hợp chất hóa học khác. Chúng có nguồn gốc từ công nghiệp khai thác mỏ, hoạt động khai thác dầu, sản xuất nông nghiệp, các hiện tượng tự nhiên như xói mòn, phong hóa, lũ lụt…các chất này hủy diệt đời sống thủy sinh, ảnh hưởng đến quá trình tự làm sạch của nguồn nước. 2.4.6. Các chất phóng xạ Ô nhiễm phóng xạ bắt nguồn từ việc khai khác mỏ quặng phóng xạ, hoạt động của các lò phản ứng hạt nhân. Các chất này làm chết hoặc làm thay đổi cấu trúc vật liệu di truyền, hoạt động trao đổi chất, quá trình sinh trưởng và phát triển của sinh vật. Tóm lại, các loại độc chất đi vào trong môi trường nước bằng nhiều con đường khác nhau, có cơ chế hoạt động phức tạp hơn khi được chuyển hóa trong môi trường, khi tương qua lại giữa chúng hoặc giữa chúng với các cấu thành của hệ thống sinh thái thủy sinh.