Bài giảng Chương 1: Giới thiệu về độc chất học

TS. Lê Quốc Tuấn Khoa Môi Trường và Tài Nguyên, ĐH Nông Lâm TP.HCM Chương 1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỘC CHẤT HỌC 1.1. Một số nguyên lý và khái niệm về độc chất 1.1.1. Định nghĩa về độc chất Độc chất học có để được định nghĩa như là một ngành khoa học nghiên cứu về độc chất. Một chất độc có thể được định nghĩa như là chất gây nên ảnh hưởng có hại khi được đưa vào trong cơ thể sống. Từ lâu, độc chất học là ngành nghiên cứu các ảnh hưởng có hại bởi các tác nhân vật lý như phóng xạ và tiếng ồn. Tuy nhiên, trong thực tế, sự tồn tại của độc chất phức tạp hơn nhiều so với định nghĩa trên, những định nghĩa này liên quan đến ảnh hưởng của độc chất và sự đo lường ảnh hưởng của độc chất. Những định nghĩa rộng hơn về độc chất, như là “ngành nghiên cứu liên quan đến sự phát hiện, biểu hiện, thuộc tính, ảnh hưởng và điều tiết các chất độc”. Độc chất học không đơn giản là nghiên cứu một phân tử đơn lẻ mà là một loạt các phản ứng bắt đầu từ phơi nhiễm, tiếp theo là phân bố và đồng hóa, cuối cùng là phản ứng với các hợp chất cao phân tử trong tế bào (thường là DNA hoặc protein) và biểu hiện độc tính. Kết quả là, độc chất có thể bị đào thải qua bài tiết hoặc các biến tính bởi độc chất được sửa chữa. Các nhà khoa học nghiên cứu về độc chất đang cố gắng giải thích tại sao và bằng cách nào các chất có thể phá hủy hệ thống sinh học dẫn đến những ảnh hưởng mang tính độc hại. Do đó, họ đã làm việc cùng nhau để đưa ra những giải pháp nhằm khoanh vùng ngành khoa học nghiên cứu về độc chất. Ngành độc chất học phục vụ xã hội bằng nhiều cách, không chỉ bảo vệ con người và môi trường Ñi vaøo cô theå Tieâu hoùa Qua da Hít thôû Phôi nhieãm Haáp thu qua maùu vaø phaân phoái ñeán caùc cô vaø cô quan Gaây ñoäc Tích luõy Baøi tieát Ñoàng hoùa Ñöôøng ñi vaø aûnh höôûng cuûa ñoäc chaát trong cô theå TS. Lê Quốc Tuấn Khoa Môi Trường và Tài Nguyên, ĐH Nông Lâm TP.HCM khỏi các ảnh hưởng nguy hại của độc chất mà còn tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển các chất độc có tính chọn lọc cao như chất chống ung thư, thuốc chữa bệnh và chất diệt cỏ trong nông nghiệp. Độc tính là một khái niệm về liều lượng, hầu như các chất đều độc ở một vài nồng độ nhất định, ở nồng độ thấp thì nó không độc, nồng độ cao thì trở nên độc. Khoảng biến động giữa hai giới hạn ngưỡng độc đó vẫn có những ảnh hưởng nhất định. Tuy nhiên, nếu thời gian tiếp xúc lâu dài thì một chất cũng có thể trở nên rất độc. Vinyl chlroride là một ví dụ. Là một chất có khả năng gây ung thư gan ở nồng độ cao hoặc nồng độ thấp hơn nhưng tác động trong một thời gian dài và hầu như không độc ở nồng độ rất thấp. Sự đo lường độc tính rất phức tạp. Độc tính có thể cấp thời, có thể lâu dài và biến động từ cơ quan này đến cơ quan khác, biến động theo lứa tuổi, di truyền, giới tính, tình trạng sức khỏe của sinh vật. Cách đo độc tính đơn giản nhất của một chất được biểu diễn qua giá trị LD50 (nồng độ cần thiết để giết chết 50% một quần thể sinh vật trong điều kiện nhất định. Giá trị LD50 phụ thuộc rất nhiều vào các thông số khác nhau của môi trường ví dụ như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, độ pH... 1.1.2. Các nguyên lý và khái niệm về độc chất Có nhiều thuật ngữ được sử dụng trong ngành độc chất học. Tuy nhiên, một vài thuật ngữ đặc biệt quan trọng đến độc chất học sẽ được đề cập đến trong bài phần này A. Các dạng hoạt độc. Bao gồm sự xem xét chức năng cơ bản của cơ quan, tế bào và phân tử dẫn đến sự nhiễm độc: hấp thu, phân phối, đồng hóa, dạng hoạt động và bài tiết. Cơ chế hoạt độc ngày nay được sử dụng rộng rãi hơn nhằm mô tả hàng loạt các quá trình bắt đầu từ sự phơi nhiễm cho đến việc gây chết sinh vật. 1. Độc học hóa sinh và phân tử (biochemical and molecular toxicology) xem xét các quá trình ở mức hóa sinh và phân tử, bao gồm: các enzyme tổng hợp các ngoại độc tố sinh học, sự sinh ra các hoạt chất trung gian, phản ứng của ngoại độc tố sinh học hoặc sản phẩm của chúng với các hợp chất cao phân tử. 2. Độc học hành vi (Behavioral toxicology) liên quan đến ảnh hưởng của các chất độc đối với hành vi của động vật và con người. Là một quá trình biểu hiện chức năng của thần kinh. Nó liên quan đến cả hệ thống thần kinh ngoại biên và thần kinh trung ương, cũng như tác động đến các cơ quan khác như các tuyến tiết. 3. Độc học dinh dưỡng (Nutritional toxicology) đề cập đến ảnh hưởng của khẩu phần ăn đến sự biển hiện độc và đến các cơ chế của các ảnh hưởng này. 4. Quá trình ung thư (Carcinogenesis) bao gồm các hoạt động hóa học, sinh hóa và phân tử dẫn đến sự tăng sinh tế bào một cách bất thường có nguy cơ dẫn đến bệnh ung thư. TS. Lê Quốc Tuấn Khoa Môi Trường và Tài Nguyên, ĐH Nông Lâm TP.HCM 6. Đột biến (Mutagenesis) liên quan đến ảnh hưởng của độc chất lên vật liệu di truyền và sự di truyền những ảnh hưởng này. 7. Độc tính cơ quan (Organ toxicity) xem xét các ảnh hưởng ở mức độ chức năng của cơ quan (độc tính thần kinh, độc tính gan, độc tính thận ) B. Đo lường độc chất và độc tính. Các công cụ quan trọng được sử dụng như hóa phân tích, hoạt chất sinh học và toán ứng dụng được sử dụng để cung cấp phương pháp luận nhằm trả lời các câu hỏi quan trọng trong quá trình nghiên cứu độc chất. Chất này có độc hay không? Nó thuộc loại hóa chất nào? Nồng độ bao nhiêu? Làm thế nào chúng ta có thể đánh giá ảnh hưởng độc tính và nồng độ tối thiểu là bao nhiêu để gây độc và có thể phát hiện được. Sau dây là một số ngành có liên quan 1. Độc chất học phân tích là một ngành của hóa phân tích liên quan đến việc định dạng và đánh giá các hóa chất độc và hợp chất của chúng trong các vật liệu sinh học và trong môi trường. 2. Kiểm nghiệm độc tính liên quan đến việc sử dụng các cơ thể sống để đánh giá ảnh hưởng của độc tố. Nó vào gồm các kiểm nghiệm nhanh về độc tính gen như kỹ thuật nuôi cấy tế bào để sử dụng các mô cho nhiều kiểm nghiệm khác nhau từ độc tính cấp đến độc tính lâu dài. Nó thường được sử dụng để mô tả các kiểm nghiệm độc tính trong cơ thể sống. 3. Bệnh học nhiễm độc là một ngành của bệnh học liên quan đến ảnh hưởng của các tác nhân gây độc như sự thay đổi hình thái của bào quan, tế bào, mô hoặc cơ quan. 4. Toán sinh học và thống kê liên quan đến nhiều lĩnh vực của độc chất học. Chúng bao gồm phân tích số liệu, xác định độ tin cậy, mô hình hóa đánh giá nguy cơ và mô phỏng. 5. Phát nhiễm quan trọng trong mối liên quan giữa sự phơi nhiễm hóa chất và nhiễm bệnh trong cộng đồng dân cư. C. Độc chất học ứng dụng. Nó bao gồm nhiều khía cạnh của độc chất học như áp dụng để phát triển các phương pháp mới hoặc các độc chất chọn lọc mới nhằm áp dụng sớm cho các lãnh vực khác nhau. 1. Độc chất học lâm sàng nhằm phát hiện và chữa trị người bị nhiễm độc 2. Độc chất học thú y nhằm phát hiện và điều trị cho động vật bị nhiễm độc, đặc biệt là gia súc. Một khía cạnh khác của độc chất học thú y là nghiên cứu sự truyền nhiễm các độc tố đến cộng đồng dân cư qua thức ăn như sữa, cá các loại thịt khác. TS. Lê Quốc Tuấn Khoa Môi Trường và Tài Nguyên, ĐH Nông Lâm TP.HCM 3. Độc chất học môi trường nghiên cứu sự di chuyển các độc tố và hợp chất của chúng, các sản phẩn của sự phân hủy trong môi trường và trong chuỗi thức ăn. Đánh giá ảnh hưởng của các chất lây nhiễm lên các cá thể, đặc biệt là các cộng đồng dân cư. 4. Độc chất học công nghiệp là một lĩnh vực đặc biệt của độc chất học môi trường liên quan đến môi trường làm việc và tạo nên một phần quan trọng của vệ sinh công nghiệp. D. Phân loại hóa chất được sử dụng. Nó bao gồm các khía cạnh của độc chất trong phát triển các hóa chất mới cho mục đích thương mại. Một vài hóa chất được sử dụng là điều tất yếu, nhưng một số khác thì có những ảnh hưởng không mong muốn đối với người sử dụng. Các loại hóa chất được sử dụng không phải tất cả đều là chất tổng hợp, mà có rất nhiều chất có nguồn gốc từ thiên nhiên. Các sản phẩm tự nhiên được chiết xuất và sử dụng cho mục đích thương mại và các mục đích khác đều phải qua kiểm nghiệm độc tính như giống như các hóa chất tổng hợp. 1. Các hóa chất nông nghiệp bao gồm nhiều hợp chất như chất diệt côn trung, chất diệt cỏ, diệt nấmtất cả đều độc đối với sinh vật 2. Thuốc là một phần của hóa dược và dược học. Tuy nhiên, ảnh hưởng độc tính và kiểm nghiệm độc tính đối với chúng đều nằm trong ngành khoa học độc chất. 3. Chất gây nghiện là các hóa chất được sử dụng cho việc điều trị các bệnh liên quan đến thần kinh và có thể gây nên sự lệ thuộc và gây độc. Nhiều chất bị cấm sử dụng, nhưng một số khác lại có tác dụng chữa trị nếu được sử dụng đúng liều. 4. Các chất phụ gia thực phẩm là mối quan tâm của các nhà độc chất học khi chúng có độc tính hoặc được kiểm kiểm nghiệm để xác định độc tính tiềm ẩn. 5. Hóa chất công nghiệp có số lượng lớn, được kiểm nghiệm độc tính hoặc phơi nhiễm có kiểm soát. Tất cả đều độc. 6. Các hợp chất tự nhiên bao gồm nhiều độc chất từ thực vật, độc chất từ nấm và khoáng chất có mặt trong môi trường. Việc sử dụng một lượng lớn thảo dược và các chất bổ sung trong khẩu phần ăn đã trở thành mối quan ngại cho các nhà độc chất học và hoạch định chính sách. Hiệu quả của các chất này thì không chắc chắn, nhưng độc tính của nó thì hầu như ít được biết đến. 7. Các sản phẩm của sự đốt cháy thường ít khi được sử dụng nhưng chiếm thành phần lớn và có độc tính, sinh ra từ việc đốt nhiên liệu và các hóa chất công nghiệp khác. E. Những quy định về độc chất học. Các khía cạnh này liên quan đến đến việc ban hành luật và các quy định có thẩm quyền theo pháp luật được đưa ra nhằm giảm TS. Lê Quốc Tuấn Khoa Môi Trường và Tài Nguyên, ĐH Nông Lâm TP.HCM thiểu các ảnh hưởng độc hại của hóa chất đến sức khỏe con người và môi trường. 1. Khía cạnh pháp lý là việc ban hành luật, các quy định và thực thi pháp luật. Ở Mỹ, việc thực thi pháp luật được thực hiện bởi các cơ quan thuộc chính phủ như các Cục bảo vệ môi trường (EPA, Environmental Protection Agency), Cơ quan Thực phẩm và Dược phẩm (FDA, Food and Drug Administration), Cơ quan sức khỏa và an toàn lao động (OSHA, Occupational Safety and Health Administration). Tương tự các cơ quan trực thuộc chính phủ tồn tại trong nhiều các quốc gia khác trên thế giới. 2. Đánh giá rủi ro là việc xác định về rủi ro, rủi ro tiềm ẩn và cân bằng rủi ro và lợi nhuận. Nó cần thiết cho việc điều tiết các hợp chất độc hại. Đánh giá rủi ro về cơ bản được hình thành trước khi việc thông báo rủi ro và quản lý rủi ro được tiến hành. 1.1.3. Mối tương quan giữa độc chất học với các ngành khoa học khác. Độc chất học là một ngành khoa học có tính biến động cao, nghiên cứu độc tính của các sản phẩm tự nhiên hay hoạt động của con người tạo ra. Ngành này giúp mở rộng các ngành khoa học khác. Các ngành khoa học khác đóng góp nhiều phương pháp và nhiều khái niệm khoa học để phục vụ cho nhu cầu của các nhà độc chất học trong nghiên cứu cũng như trong ứng dụng độc chất học cho phục vụ con người. Và độc chất học cũng đóng góp rất nhiều cho các ngành khoa học khác. Đầu tiên phải kể đến là hóa học, hóa sinh, bệnh học, lý sinh, y tế dự phòng, miễn dịch học, sinh thái học và toán sinh học từ lâu đã rất quan trọng, trong khi sinh học phân tử mới phát triển trong hai hoặc ba thập niên gần đây đã đóng góp một phần quan trọng cho độc chất học. Độc chất học đóng góp đáng kể cho các ngành khoa học như y học, độc học lâm sàng, dược và dược học, sức khỏe cộng đồng và vệ sinh công nghiệp. Độc chất học cũng góp một hướng quan trọng cho thú y, cho các khía cạnh khác nông nghiệp như phát triển và sử dụng an toàn các hóa chất nông nghiệp. Các đóng góp của độc chất học trong nghiên cứu môi trường trở nên quan trọng hơn trong những năm gần đây. Từ đó cho thấy độc chất học là một ngành khoa học ứng dụng nhằm tăng cường chất lượng cuộc sống, bảo vệ môi trường và hơn thế nữa. Sự xáo trộn thường xuyên của các quá trình sống bởi hóa chất độc hại làm cho chúng ta có thể học được nhiều điều về các quá trình sống. Lĩnh vực độc chất học mở rộng nhanh chóng trong các thập niên gần đây cả về số lượng các nhà độc chất học và kiến thức được tích lũy. Việc mở rộng này mang đến sự thay đổi từ một ngành khoa học mô tả lúc ban TS. Lê Quốc Tuấn Khoa Môi Trường và Tài Nguyên, ĐH Nông Lâm TP.HCM đầu đến việc con người sử dụng rộng rãi các phương pháp để nghiên cứu các cơ chế liên quan đến độc chất. 1.2. Ảnh hưởng của độc chất đến con người và môi trường sinh thái 1.2.1. Ảnh hưởng của độc chất đến con người Độc chất tác động lên con người theo nhiều phương thức khác nhau và gây ra nhiều hậu quả nghiêm trọng như bệnh tật, thiểu năng trí tuệ, đặc biệt là sự biến đổi về cấu trúc của một số gen trong cơ thể và sự thay đổi này trở nên nghiêm trọng hơn khi được di truyền cho các thế hệ sau. Ảnh hưởng chi tiết của từng loại độc chất sẽ được đề cập đến trong các chương sau. 1.2.2. Vai trò của hệ thống sinh thái Nhiều chức năng của hệ thống sinh thái rất cần thiết cho chất lượng cuộc sống của con người bao gồm: sự cung cấp thức ăn, sự phân hủy chất thải, cung cấp nước uống và làm sạch môi trường không khí. Cho dù đóng góp của các hệ sinh thái trực tiếp cho con người là rất lớn, nhưng nguy cơ của các độc tố do con người hoặc thiên nhiên tạo ra ngày càng lớn hơn và đây là một điều đáng lo ngại. Độc chất không những gây ảnh hưởng đến môi trường địa phương mà còn đến hệ thống sinh thái toàn cầu. Trong phần này mô tả ảnh hưởng của các độc chất đến các chức năng cần thiết của hệ sinh thái. Dưới đây là một vài chức năng cơ bản của hệ sinh thái: - Hấp thu năng lượng mặt trời, tạo sinh khối, cung cấp thức ăn, kiến tạo vật chất, cung cấp năng lượng từ sinh khối - Phân hủy chất thải - Tái sinh chất dinh dưỡng (Vd. Cố định nitrogen) - Tích lũy, làm sạch và phân phối nước - Tạo ra và bảo dưỡng đất nông nghiệp - Kiểm soát côn trùng - Một thư viện gen cho phát triển các sản phẩm mới (thức ăn, dược phẩm và các hóa chất có lợi) bằng nhân giống và kỹ thuật sinh học. - Duy trì không khí để thở - Kiểm soát khí hậu - Có khả năng thay đổi vùng đệm và phục hồi từ các thiên tai như lũ lụt, cháy rừng và thiên dịch - Thụ phấn cây nông nghiệp TS. Lê Quốc Tuấn Khoa Môi Trường và Tài Nguyên, ĐH Nông Lâm TP.HCM - Tạo ra sự hài hòa trong vẽ đẹp thiên nhiên 1.2.3. Các kiểm nghiệm độc tính và hệ sinh thái Các kiểm nghiệm độc tính phải được thực hiện trước tiên để đánh giá vai trò của hệ thống sinh thái. Các phương pháp phát triển nhất để kiểm nghiệm độc tính của hệ sinh thái được thực hiện ở quy mô vùng và đánh giá các ảnh hưởng này lên sự sản xuất sinh khối liên quan đến nông nghiệp, lâm nghiệp và thủy sản. Các kiểm nghiệm độc tính được sử dụng để xác định mối tương quan giữa các điều kiện sinh thái và nồng độ của các độc chất. Nhiều hệ thống tự nhiên được quan sát và mối tương quan giữa các điều kiện sinh thái và hóa học được xác định. Sự tích hợp các thông tin về ảnh hưởng của các độc tố lên hệ thống sinh thái cung cấp cơ sở dữ liệu cho việc đưa ra các quyết định về môi trường. Sự đóng góp của hệ sinh thái đối với con người không chỉ dừng lại ở việc bảo vệ mà còn là công cụ hiệu quả trong việc thông tin các rủi ro đến công chúng. Trong khi các kiểm nghiệm độc chất với hệ thống sinh thái liên quan đến nông nghiệp, lâm nghiệp và thủy sản là phổ biến, thì việc kiểm nghiệm này vẫn phát triển phát triển yếu. Một vài nghiên cứu ảnh hưởng độc hại lên hệ thống sinh thái ở các quy mô khác nhau Độc chất Quy mô của Tóm tắt nghiên cứu Gây độc Quan sát Dự đoán Sản xuất sinh khối Kim loại nặng 1 1 1 Giảm năng xuất lúa mạch CO2 1 1 - Năng xuất lúa tăng khi CO2 tăng từ 330 đến 660 ppm CO2, Tia cực tím 5 1 5 Một mô hình để dự đoán năng xuất lúa dựa vào dữ liệu liều lượng-phản ứng, lập bản đồ và mô hình hóa cho sự phơi nhiễm Mưa acid 4 2 4 Thông tin địa lý về tốc độ phân hủy, điều kiện mùa màng và khả năng đệm tự nhiên để xác định các vùng bị ảnh hưởng bởi mưa acid Ô nhiễm khí O3 2 2 - Sư phá hủy rừng bởi việc thủng tầng ozone được kiểm tra bằng các cảm biến từ xa, kiểm nghiệm độc tính trong phòng thí nghiệm, các khảo sát sự phá hủy lá, các đánh giá nội vùng bằng cảm biến từ xa. Phân hủy các loại chất thải Chất thải công nghiệp 1 1 1 Quá trình phân hủy các hợp chất carbon bởi quần thể vi sinh vật sẽ bị dừng lại nếu có sự bổ sung các độc chất Tái sinh chất dinh dưỡng Ô nhiễm NOx 3 3 - Rừng tăng sinh khối sơ cấp sau 3 năm bổ sung nitrogen. Các hợp chất hữu cơ trong đất hoạt động như một bể thu nitrogen. Nhưng sau khi bảo hòa nó làm tăng sự rò rỉ vào trong hệ thống thủy sinh. TS. Lê Quốc Tuấn Khoa Môi Trường và Tài Nguyên, ĐH Nông Lâm TP.HCM Tích lũy làm sạch và phân phối nước. Phân bón NO3 3 2 3 Có khả năng gây nên ô nhiễm nước ngầm nếu việc bón phân không được kiểm soát chặt chẽ. Phát sinh và duy trì đất nông nghiệp Chất diệt cỏ 1 1 1 Các chất diệt cỏ thông dụng ngăng cản sự phân hủy phân bón do đó làm tăng sự hao hụt chất dinh dưỡng. Kiểm soát côn trùng Chất diệt côn trùng 2 2 - Làm giảm sự sinh sản thiên địch Thư viện gen Mưa acid 3 1 3 Hóa chất và các ảnh hưởng sinh học có khả năng làm giảm sự đa dạng sinh học Duy trì không khí để thở và kiểm soát khí hậu Ô nhiễm NOx 2 2 - Sự bổ sung nitrogen làm giảm sự tiêu thụ methane của vùng đất Khả năng thay đổi vùng đệm và phục hồi sau thiên tai 2 2 - Rừng bị ô nhiễm chất thải luyện kim cần thời gian lâu hơn để phục hồi so với việc cháy rừng Quy mô: từ 1 đến 5; 1=địa phương, 2=tiểu vùng, 3=vùng, 4=lục địa, 5=địa cầu .