Chương 2 PHÂN LOẠI CHẤT ĐỘC VÀ CÁC ẢNH HƯỞNG ĐỘC
2.1. Phân loại, nguồn gốc, sự tồn lưu của chất độc trong môi trường
Chất độc được phân loại theo nhiều cách khác nhau tuỳ thuộc vào sự quan tâm và đòi hỏi của nhà phân loại. Chẳng hạn theo cơ quan mục tiêu chịu tác động (chất độc gan, chất độc thận, chất độc thần kinh,…), theo ảnh hưởng độc (chất độc ung thư, chất độc đột biến, chất độc tổn thương gan), theo mục đích sử dụng (thuốc trừ dịch hại, dung môi, phụ gia thực phẩm,…), theo chất hoá học (chất độc vô cơ, chất độc hữu cơ),v.v… Các cách phân loại đơn như trên không áp dụng được cho toàn bộ phổ các tác nhân độc. Trong giáo trình này chất độc được phân loại theo cách kết hợp cả tính chất hoá học và sinh học, và nguồn gốc.
Chất độc vô cơ:
Các khí độc và anion độc (CO, SO2, NOx, O3, CN–, NO2, NO3 , F– ) Các kim loại nặng độc và asen (Pb, Hg, Cd, Cr,… , As)
Các nguyên tố phóng xạ (3H, 224Ra, 226Ra, 228Ra, 222Rn, 90Sr, 131I) Chất độc hữu cơ:
Theo lớp chất: Hiđrocacbon, hợp chất cơ clo, hợp chất cơ photpho,…
Theo nguồn gốc: chất độc vi sinh (aflatoxin, tetrođotoxin,…)
Theo tác động ảnh hưởng: homon môi trường (bisphenol-A, n-nonylphenol,…) Ngoài ra, các tác nhân độc khác không phải hoá chất (bụi, âm thanh,…) được xem là các tác nhân độc độc lập, không xếp loại.
2.1.2. Nguồn gốc chất độc
Rất nhiều chất ô nhiễm được hình thành và được phát ra qua các quá trình tự nhiên: núi lửa phun trào, cháy rừng và đồng cỏ, bão bụi, mưa gió sấm sét, từ thực vật và cây cối, từ hoạt động của thế giới vi sinh vật.
Nguồn chủ yếu của các chất ô nhiễm môi trường là nguồn con người và được tạo ra từ ba nguồn chính sau: (1) các nguồn đốt cháy: đốt nhiên liệu hoá thạch (than, dầu);
đốt rác thải; (2) các nguồn công nghiệp: sản xuất hoá chất (thuốc trừ dịch hại, dung môi,
chất tẩy rửa, polime, phẩm nhuộm, axit và bazơ, các khí như clo, amoniac; các kim loại và dẫn xuất của chúng như đồng, chì, kẽm,…), công nghiệp giấy, công nghiệp vật liệu xây dựng (xi măng, gạch ngói), công nghiệp phân bón, công nghiệp luyện kim, giao thông vận tải là những nguồn phát thải nhiều chất ô nhiễm; (3) khai thác mỏ và khoan mỏ (nước rỉ axit mỏ, tràn dầu,…).
Nguồn “trong nhà” cũng đóng góp một phần đáng kể vào sự ô nhiễm môi trường.
“Trong nhà” ý nói là nhà ở, các toà nhà công cộng, cơ quan, trường học, bệnh viện. Sự ô nhiễm có thể đến từ vật liệu xây dựng sử dụng hoá chất (sơn, polime,…), từ sử dụng và thải bỏ thuốc độc, từ sử dụng các chất tẩy rửa, mĩ phẩm, thuốc trừ sâu bọ, mối mọt, từ khói thuốc, từ đun nấu thực phẩm, từ các phế thải thực phẩm, phân gia súc,…
2.1.3. Sự tồn lưu chất độc trong môi trường.
Sự lưu chuyển
Các hoá chất thoát vào môi trường hiếm khi nằm lại nguyên trạng hoặc tại chỗ mà lưu chuyển trong môi trường. Ví dụ, các hoá chất nông nghiệp phun cho cây có thể trôi từ điểm sử dụng đi vào dòng nước xả trở thành chất ô nhiễm nước hoặc bay hơi vào khí quyển gây ô nhiễm không khí. Từ không khí các hoá chất có thể ngưng tụ hoặc hoà tan vào nước mưa rơi trở lại mặt đất gây ô nhiễm cho đất trên diện rộng và nước bề mặt. Từ bề mặt đất và nước bề mặt hoá chất có thể ngấm vào tầng nước ngầm hoặc lắng đọng vào trầm tích. Các hoá chất cũng có thể được lưu chuyển qua chuỗi thức ăn. Chẳng hạn, các hoá chất nông nghiệp, đặc biệt là các hợp chất clo bền vững, ít bị trao đổi chất bởi vi sinh vật tồn tại trong đất và trong nước, chúng có thể đi vào chuỗi thức ăn trên cạn và dưới nước, mặc dù trong chuỗi thức ăn dưới nước, các thành viên cao của chuỗi, như cá, có thể tích luỹ một lượng lớn chất độc trực tiếp ngay từ môi trường do có diện tích mang thở lớn. Cá có thể di chuyển từ vùng nước ô nhiễm cao tới vùng nước không ô nhiễm hoặc ô nhiễm thấp, ở đây chất độc từ cá được giải phóng ra môi trường do sự cân bằng phân bố gây ô nhiễm những vùng nước rộng lớn. Các yếu tố nhiệt độ (làm tăng sự bốc hơi), tốc độ của gió bão làm tăng sự vận chuyển hoá chất đi khắp nơi, kể cả vùng xa xôi hẻo lánh.
Tính tồn lưu môi trường
Nhiều quá trình sinh học và phi sinh học tồn tại trong tự nhiên tham gia vào sự phân huỷ các hoá chất độc. Nhiều hoá chất được giải phóng vào môi trường gây ra sự nguy hại tối thiểu đơn giản vì đời sống của chúng ngắn (dễ bị phân huỷ) trong môi trường. Nhiều hoá chất gây hại lâu dài cho môi trường (ví dụ, DDT, PCB, PCDD) do chúng kháng các quá trình phân huỷ và tồn lưu trong môi trường một thời gian cực kì dài (bảng 2.1).
Bảng 2.1. Thời gian bán huỷ của một số chất ô nhiễm hoá học
Chất ô nhiễm Thời gian bán huỷ Môi trường Kim loại và đồng vị phóng xạ Hàng thế kỉ và nhiều thế kỉ Đất
DDT 10 năm Đất
TCDD 9 năm Đất
Atrazin 25 tháng Nước
Benzoperilen (PAH) 14 tháng Đất
Phenantren (PAH) 138 ngày Đất
Cacbofuran 45 ngày Nước
Sự thải liên tục các hoá chất khó phân huỷ vào môi trường có thể gây ra sự tích luỹ của chúng ở các mức môi trường đủ để gây độc. Các hoá chất như vậy có thể tiếp tục gây hại thời gian dài sau khi sự thải chúng vào môi trường đã dừng. Chẳng hạn, người ta thấy lượng morex trong một số hồ còn tìm thấy tới 80% sau khi đã ngừng sử dụng 20 năm, tương tự DDT đã ngừng sử dụng 10 năm, cá sấu ở một số hồ vùng nhiệt đới Châu Mỹ vẫn bị sụt giảm sinh sản nghiêm trọng. Sự tồn lưu của hoá chất trong môi trường phụ thuộc nhiều vào các quá trình phân huỷ sinh học và phi sinh học trong môi trường.
2.1.4. Sự tích luỹ sinh học
Sự tồn lưu môi trường đơn độc của hoá chất không thôi không dẫn đến một sự nguy hại nào đáng kể. Nếu hoá chất không thể đi vào cơ thể sinh vật thì nó không gây ra hiểm hoạ độc. Một khi được hấp thụ, hoá chất phải tích luỹ trong cơ thể đến những mức đủ để gây ra độc. Sự tích luỹ sinh học hay sinh tích luỹ được định nghĩa là quá trình sinh vật tích luỹ các hoá chất cả trực tiếp từ môi trường phi sinh học (nghĩa là nước, không khí, đất) và từ các nguồn dinh dưỡng.Các hoá chất môi trường chủ yếu được hấp thụ bởi cơ thể bằng sự khuếch tán thụ động. Các vị trí chủ yếu hấp thụ hoá chất bao gồm các màng phổi, mang và ống tiêu hoá. Trong khi đó màng lọc (da) và các cấu trúc liên quan (vẩy, lông, tóc,…) lại là rào chắn bảo vệ khỏi nhiều thương tổn môi trường, mặc dù vậy một số hoá chất có thể hấp thụ tốt qua da.
Môi trường nước là nơi chủ yếu ở đó các hoá chất ưa mỡ đi qua rào chắn giữa môi trường phi sinh học và sinh học. Hồ, sông, biển được xem là bể chứa các hoá chất. Các sinh vật nước thường cho một lượng nước cực lớn đi qua các màng hô hấp của chúng
(mang) và hoá chất được chiết khỏi nước ở đây. Các sinh vật nước có thể tích luỹ các hoá chất ưa dầu và đạt tới nồng độ cơ thể cao hơn gấp bội so với nồng độ của hoá chất tìm thấy trong môi trường (bảng 2.2).
Bảng 2.2. Sinh tích luỹ một số chất ô nhiễm môi trường bởi cá Hoá chất Hệ số tích luỹ sinh học*
DDT 127.000
TCDD 39.000
Enđrin 6.800
Pentaclobenzen 5.000
Lepthophot 750
Triclobenzen 183
* Hệ số tích luỹ sinh học hay hệ số sinh tích luỹ được định nghĩa là tỉ số nồng độ hoá chất ở trong cá và trong nước ở trạng thái cân bằng bền
Vì hoá chất phải đi qua lớp kép lipit của các màng dể đi vào cơ thể, khả năng sinh tích luỹ hoá chất có sự tương quan dương với độ tan lipit (độ ưa dầu). Nói cách khác, độ sinh tích luỹ hoá chất từ môi trường của sinh vật nước phụ thuộc vào hàm lượng lipit của cơ thể, vì lipit cơ thể là nơi đầu tiên lưu giữ các hoá chất (hình 2.1).
Hình 2.1. Mối quan hệ giữa hàm lượng lipit của một số sinh vật được lấy mẫu từ hồ Ontario và nồng độ PCB toàn thân
4500 - 4000 -
3000 - 2000 - 1000 -
0 2 4 6 8 10 12 Lipit (%)
P C B ( ng /g )
Các hoá chất cũng có thể được vận chuyển dọc theo chuỗi thức ăn từ sinh vật mồi đến động vật ăn thịt (sự chuyển đổi dinh dưỡng). Đối với các hoá chất ưa dầu cao, sự chuyển đổi này có thể dẫn đến nồng độ của hoá chất với mỗi vòng tăng dần luỹ tiến (sinh khuếch đại).
Sự sinh tích luỹ có thể dẫn đến sự khởi đầu mãnh liệt chậm của tính độc, vì các chất độc có thể lúc đầu bị cô lập ở nơi dự trữ lipit nhưng có thể được huy động tới vị trí đích gây độc khi kho dự trữ lipit này được sử dụng. Ví dụ: lipit dự trữ thường được huy động trong sự chuẩn bị sinh sản. Sự tiêu lipit có thể gây ra sự giải phóng chất độc ưa lipit dẫn đến tác động độc. Các ảnh hưởng như vậy có thể gây chết các sinh vật trưởng thành khi chúng sắp đến thời kì sinh sản. Các hoá chất ưa lipit cũng có thể được truyền sang hậu bối trong lipit được liên kết với noãn hoàng của sinh vật đẻ trứng hoặc sữa của động vật có vú gây ra độc cho hậu bối mà không hiển diện ở sinh vật mẹ.
Các yếu tố ảnh hưởng đến sinh tích luỹ
Sinh tích luỹ chịu ảnh hưởng bởi một số yếu tố. Trước hết là tính tồn lưu môi trường. Độ sinh tích luỹ hoá chất được biết là nồng độ có mặt trong môi trường. Các hoá chất dễ dàng bị loại khỏi môi trường nói chung không có khả năng để sinh tích luỹ, trừ trường hợp chất ô nhiễm liên tục được đưa vào môi trường.
Như đã có đề cập ở trên, độ ưa dầu là yếu tố quyết định chủ yếu của khả năng sinh tích luỹ hoá chất. Tuy nhiên, các hoá chất ưa lipit cũng có khuynh hướng lớn đối với sự hấp thụ lên trầm tích, làm cho chúng mất khả năng sinh tích luỹ do quá trình loại không phân hủy này. Ví dụ, sự hấp thụ của benzo[a] piren lên các axit humic đã làm giảm khả năng sinh tích luỹ của cá thái dương theo hệ số ba. Cá ở các hồ thiếu dinh dưỡng có mức chất rắn lơ lửng thấp tích luỹ DDT nhiều hơn so với cá sống ở các hồ phì dinh dưỡng có hàm lượng chất rắn lơ lửng cao.
Bảng 2.3. Các hệ số sinh tích luỹ dự kiến và đo lường trong cá của các hoá chất có tính nhạy cảm khác nhau đối với sự sinh chuyển hoá.
Hoá chất Độ nhạy cảm đối với sự sinh chuyển hoá
Hệ số sinh tích luỹ Dự đoán Đo lường
Clođan Thấp 47.900 38.000
PCB Thấp 36.300 42.600
Mirex Thấp 21.900 18.200
Pentaclophenol Cao 4.900 780
Tris (2,3-đibrompropyl) photphat
Cao 4.570 3
Một khi được hấp thu bởi sinh vật, số phận của chất ô nhiễm sẽ ảnh hưởng đến sự sinh tích luỹ của nó. Các hoá chất dễ bị sinh chuyển hoá thành sản phẩm dễ tan trong nước hơn, ít tan trong lipit và do đó ít bị cô lập trong các phạm vi lipit, dễ được thải loại khỏi cơ thể. Như dự đoán ở bảng 2.3, các hoá chất nhạy cảm đối với sự sinh chuyển hoá (pentaclophenol, tris (2,3-đibrompropyl) photphat) ít có khả năng dự đoán dựa trên độ ưa lipit hơn so với chất ưa lipit có sự nhạy cảm đối với sự sinh chuyển hoá thấp.