MỘT SỐ MÔ HÌNH TOÁN TRONG NGHIÊN CỨU MÔI TRƯỜNG
21.8. MỘT SỐ MÔ HÌNH SINH HỌC
21.8.5. Quá trình tích lũy sinh học
Mụ hỡnh ủơn giản nhất là mụ hỡnh ủơn bộ phận trong ủú chỉ cú một bộ phận có liên quan ví dụ như máu
K1 K2
Mô hình đơn bộ phận Hấp thu hoá chất
Kel – Đào thải Cm
(nồng độ trong sinh quần)
Cb
(nồng độ trong sinh quần)
Bộ phận trung tâm (máu)
Các bộ phận ngoại vi (mô bào)
Sự tớch lũy sinh học là sự cõn bằng giữa hai quỏ trỡnh ủộng học là hấp thu và ủào thải, vận tốc thay ủổi của nồng ủộ chất gõy ụ nhiễm trong sinh vật có thể diễn tả như sau:
b m
b K C K C
dt dC
2
1 −
= Trong ủú:
Cb: nồng ủộ chất gõy ụ nhiễm trong sinh quần ((/g)
Cm: nồng ủộ của chất gõy ụ nhiễm trong mụi trường nước bao quanh T: thời gian (tính theo giờ)
K1: hằng số vận tốc hấp thu (ml/g.h-1)
[ K t]
m
b C e
K
C = K1 1− − 2
Ở trạng thỏi ủều, lượng hấp thu cõn bằng với lượng thải
b m
b K C K C
dt dB
2
0= 1 −
= K1Cm = K2Cb
Hệ số tớch lũy sinh học (BCF hoặc Kb) cú thể xỏc ủịnh theo cụng thức sau:
2 1
K K C BCF C
m
b =
=
Sự tiếp xỳc chấm dứt, sự hấp thu cũngbị ủịnh chỉ và KCm = 0 lỳc ủú chỉ cũn lại quỏ trỡnh ủào thải tớnh theo phương trỡnh sau:
b
b K C
dt dC
− 2
= Lấy tích phân ta có:
Cb = Cbo e-K2t
Cbo nồng ủộ của k vào ủầu thời kỳ loại thải.
303 , log 2
log K2t
C Cb = bo −
ðưa lờn ủồ thị nưả log của C và thời gian thị thu ủược một ủường thẳng. Bỏn sinh học cú thể ủược tớnh như sau:
2 2
/ 1
693 , 0 t = K b. Mô hình hai bộ phân
Chỉ trừ cỏc loài vụ sinh cơ thể ủơn giản chỉ gồm một bộ phận ở hầu hết cỏc sinh vật khỏc, một chất gõy ụ nhiễm phõn bố khụng ủồng ủều và ủi vào trong nhiều bộ phận khác nhau của cơ thể sinh vật. Một phần chất gây ô nhiễm cú thể bị ủào thải nhanh chúng trong khi phần cũn lại ủược ủào thải rất chậm. Chẳng hạn, các hợp chất phân bố vào mô mỡ của cơ thể có sự tuần hoàn tốt sẽ bị ủào thải chậm chạp hơn là quỏ trỡnh ủào thải ở trong mỏu.
Trong trường hợp này ta thu ủược ủường biểu diễn hai pha của sự ủào thải theo ủú sự ủào thải xảy ra từ cỏc bộ phận “nhanh” và “chậm”. Nồng ủộ tồn dư trong ủộng vật cú thể ủược tớnh như sau:
C = A.e-at + B.e-bt
A và B là ủiểm cắt của ủường tg cú ủộ dốc a và b. A + B tương ủương với nồng ủộ ban ủầu trong cơ thể lỳc khởi sự quỏ trỡnh ủào thải.
c. Xỏc ủịnh hệ số cụ ủọng sinh học
Mụ hỡnh ủược sử dụng rộng rói ủể giải thớch sự hấp thu, tớch lũy và loại bỏ một chất gõy ụ nhiễm là mụ hỡnh bộ phận ủược sử dụng trong ủộng dựơc học. Một bộ phận ủược ủịnh nghĩa là một phần khộp kớn của sinh vật chẳng hạn như một cơ quan của cơ thể trong ủú ủộng thỏi vận chuyển và biến dưỡng ủồng nhất với nhau và ủộng thỏi trong cơ quan này khỏc với cơ quan khác của cơ thể.
d. Sự khuếch ủại sinh học
Khi tớnh toỏn tớch lũy chất ủộc từ nguồn thực phẩm, cần phải cú sự ủiều chỉnh cho sự tăng trưởng của sinh vật trong mụ hỡnh ủơn bộ phận theo công thức do Thoman cung cấp:
Cb K RCf C
dt K dCb
m 2
1 + −
= α
Trong ủú:
α: khả năng ủồng hoỏ chất gõy ụ nhiễm vào thực phẩm.
R: lượng tiêu hoá/ thể trọng (g/g).
Cf: nồng ủộ chất ụ nhiễm trong thực phẩm.
Nếu sự tiếp xỳc với chất gõy ụ nhiễm kộo dài, tổng lượng ủộc hấp thu tiếp tục tăng lờn khi sinh vật tiếp tục tăng trưởng. Trạng thỏi ủều chỉ cú thể ủạt ủược khi sự tăng trưởng ủó dừng hoàn toàn. Dựa theo mụ hỡnh của Thoman, sự tớch lũy sinh học từ thực phẩm quan trọng hơn là sự cụ ủọng sinh học mụi trường nước. ðiều này càng ủỳng khi chất gõy ụ nhiễm cú bỏn sinh dài. ðối với những chất gây ô nhiễm có bán sinh ngắn, sự tham gia của
nhanh chúng. Mụ hỡnh giả ủịnh rằng sự tham gia từ hai nguồn mang tớnh chất bổ sung và tốc ủộ ủào thải dư lượng từ cả hai nguồn là giống nhau và tuõn theo ủộng học phản ứng bậc một.
Tuy vậy, trong một nghiên cứu về sự tích tụ cadimi và kẽm ở tôm, kết quả cho thấy sự loại trừ các kim loại này từ nguồn thực phẩm chậm hơn là vận tốc hấp thu từ nước. Sự hấp thu và ủào thải cỏc chất gõy ụ nhiễm bởi ủộng vật trong tự nhiờn bị biến ủổi do vận tốc biến dưỡng của ủộng vật và vận tốc này lại bị ảnh hưởng của cỏc ủiều kiện mụi trường như nhiệt ủộ.
Nhiệt ủộ ảnh hưởng ủến sự hấp thu năng lượng, tăng trưởng và hàm lượng chất bộo của ủộng vật. Tốc ủộ ủào thải cỏc hợp chất ưa mỡ suy giảm khi ủộng vật tớch lũy nhiều chất bộo. Dựa vào sự kiện này, cú tỏc giả ủó ủề xuất ý kiến là nồng ủộ hoỏ chất và hằng số vận tốc cú thể chuyển hoỏ ủược theo hàm lượng chất béo.
e. ðộng học của sự ủào thải ủộc chất
Vận tốc ủào thải hoỏ chất của một sinh vật cú tỏc ủộng rừ rệt ủến khả năng gõy ủộc và sự tớch lũy của hoỏ chất. Ở cỏc loài hữu sinh cú nhiều cỏch ủào thải cỏc chất ủộc chẳng hạn như tiết niệu qua thận, qua cỏc bề mặt hụ hấp như phổi ủối với cỏc ủộng vật hữu sinh trờn cạn và mang ủối với cỏc ủộng vật ở dưới nước. Cỏc loài chõn ủốt cú thể bài tiết chất ủộc qua sự lột xác. Mang có vai trò chính yếu trong việc bài tiết các hợp chất không phân cực ở cả loài cỏ và loài vụ sinh. Cỏc hợp chất hoà tan trong nước ủược bài tiết qua thận các loài hữu sinh và các cơ quan tương tự như thể mailphigian ở cụn trựng hoặc tuyến xanh lục nhúm giỏp xỏc. Mới ủõy, cú tỏc giả ủó chứng minh rằng cỏ bài tiết cỏc hydrocarbon ủa vũng vào ủường mật.
Mụ hỡnh ủơn giản nhất của sự bài tiết thấy ủược sự hấp thu và phõn bố diễn ra chỉ trong một bộ phận của mụi trường và theo ủộng học bậc một.
Thời gian cần thiết ủể nồng ủộ hoỏ chất giảm xuống cũn ẵ vẫn là một hằng số cho ủến khi tất cả hoỏ chất ủược bài tiết ra ngoài. Về mặt lý thuyết, một hoỏ chất khụng bao giờ ủược ủào thải ra ngoài hoàn toàn cơ thể khi nú trải qua 9 chu kỳ bỏn sinh. Bỏn sinh của một hoỏ chất tuõn theo ủộng học bậc nhất thị tuỳ thuộc vào liều lượng. Trong mô hình hở một bộ phận, người
ta cho rằng hoỏ chất ủược ủào thải khỏi huyết tương cựng vận tốc với sự ủào thải nó ra khỏi mô bào.
Hằng số vận tốc ủào thải Kel và bỏn sinh (+1/2) của một hoỏ chất ủược xỏc ủịnh bằng cỏch ủo nồng ủộ hoỏ chất trong huyết tương theo giờ hoặc ngày lấy mẫu ủược vẽ lờn ủồ thị. Cú thể suy diễn vị trớ ủường biểu diễn t = 0.
Hằng số vận tốc ủào thải Kel ủược tớnh bằng cỏch xỏc ủịnh ủộ dốc của ủường thẳng theo phương trỡnh sau:
ðộ dốc =
1 2
1
2 log
log t t
p p
x y
−
= −
∆
∆
P1: nồng ủộ chất ủộc huyết tương ở thời ủiểm t1
P2: nồng ủộ chất ủộc huyết tương ở thời ủiểm t2. ðộ dốc =
303 , 2
kel
Thay thế ta có T1/2= kel
693 , 0
ðặc ủiểm của ủộng học ủào thải theo bậc một là một ủường thẳng biểu diễn mối quan hệ của nồng ủộ hoỏ chất với thời gian. Tốc ủộ ủào thải một hoỏ chất tỉ lệ trực tiếp với nồng ủộ của nú trong sinh vật. T1/2 khụng tuỳ thuộc vào liều lượng, nồng ủộ của hoỏ chất giảm theo phần khụng ủổi trờn ủơn về thời gian, cũn gọi là hằng số tốc ủộ ủào thải kel.
Nếu khi vẽ trờn ủồ thị lograit của nồng ủộ hoỏ chất với thời gian khụng thu ủược một ủường thẳng mà là một ủường biểu diễn hàm mũ thỡ chỉ cần phõn tớch theo mụ hỡnh nhiều bộ phận. Trong trường hợp này ủộ ủào thải hoá chất ra khỏi bộ phận thứ nhất là máu và bộ phận thứ hai là thận sẽ khác nhau.
Phần lớn cỏc chất ủộc bị ủào thải theo ủộng học bậc một. Tuy vậy, nếu nồng ủộ của hoỏ chất ở mức cao trong ủộng vật, tốc ủộ ủào thải ban ủầu cú
thể giảm dần. ðiều này có thể do nhiều quá trình như sự sinh chuyển hoá hoặc vận chuyển tích cực.