Môi trường - Chương 1: Đại cương về độc học và độc học môi trường

các nhóm amino trong các bazơ purin trong axit nucleic Benzyl cacboni ion, nitreni ion Oxi của purin và pirimiđin trong axit nucleic Ankyl cacboni ion Cứng Photphat oxi trong axit nucleic Các chất độc nucleophin về nguyên tắc phản ứng với các hợp chất nội sinh electrophin. Các phản ứng như vậy xảy ra hiếm vì các phân tử sinh học hiếm khi là electrophin. Thí dụ, phản ứng cộng hoá trị của các amin và hiđrazit với anđehit piriđoxal, một đồng cơ chất đối với đecacboxilaza. CO, CN– , HS– ,  3N tạo liên kết cộng hoá trị phối trí với sắt trong các hemprotein. Các nucleophin khác phản ứng với hemoglobin theo phản ứng chuyển electron. Sự bứt hiđro Các gốc tự do có thể dễ dàng bứt các nguyên tử hiđro các chất nội sinh chuyển các hợp chất này thành gốc. Thí dụ sự bứt hiđro từ thiol (R-SH) tạo ra gốc thiyl (R- S ), gốc này là tiền chất của sự oxi hoá thiol khác cho các sản phẩm như axit sunfenic (R-SOH) và đisunfua (R-S-S-R). Các gốc có thể khử hiđro từ CH2 của axit amin tự do hoặc từ các mắt xích axit amin trong protein và chuyển hoá nó thành nhóm cacbonyl. Các cacbonyl này phản ứng với các amin tạo các liên kết ngang với ADN hoặc protein khác. Sự bứt hidro từ đeoxiribozơ trong ADN sinh ra gốc C-4, là giai đoạn đầu của sự bẻ gẫy ADN. Sự bứt hiđro từ các axit béo tạo ra các gốc lipit và khởi đầu cho sự peroxi hoá lipit. Sự nitro hoá các mắt xích tyrosin trong các protein bao gồm sự bứt hiđro tiếp theo bằng liên kết cộng hoá trị giữa gốc tyrosyl tạo ra và NO2 (xem sơ đồ 1.24) 40 Hình 1.24. Sự hình thành gốc 3-nitrotyrosin trong protein bởi phản ứng với nitơ đioxit (NO2).  NO2 là tác nhân nitro hoá được sinh ra từ ONOO – (NO  +  2O ). Ngoài ra nó có ở trong khói thuốc lá, khí xả động cơ, Sự chuyển electron Các hoá chất có thể oxi hoá Fe(II) trong hemoglobin thành Fe(III) tạo ra methemo- globin. Nitrit có thể oxi hoá hemoglobin, trong khi đó N-hiđroxyl arylamin (như đapson hiđroxilamin), các hợp chất phenol (như 5-hiđroxi primaquin), và hiđrazin (như phenylhiđrazin) bị đồng oxi hoá với oxihemoglobin, tạo ra methelmoglobin và hiđro peroxit. Phản ứng enzim Một số ít toxin phản ứng enzim với những protein mục tiêu riêng. Thí dụ, rixin gây ra sự phân mảnh thuỷ phân ribosom, khoá sự tổng hợp protein. Một số toxin vi khuẩn xúc tác cho sự chuyển đối với ADP-ribozơ từ NAD+ đến các protein riêng. Các ảnh hưởng của chất độc đến phân tử mục tiêu Mất chức năng của phân tử mục tiêu Hầu hết các hoá chất ức chế chức năng của các phân tử mục tiêu. Ví dụ: atropin, curare, stricnin ngăn trở các thụ thể truyền thần kinh bởi sự tấn công của chúng vào các vị trí liên kết - phối tử hoặc cản trở chức năng các kênh ion. Tetrođotoxin và saxitoxin ức chế sự mở các kênh natri hoạt hoá thế màng thần kinh, trong khi đó DDT và thuốc trừ sâu piretroit lại cản trở sự đóng các kênh natri. Một số chất độc ngăn trở các chất vận chuyển ion, một số khác ức chế vận chuyển electron ti thể và rất nhiều ức chế enzim. Chức năng protein bị tổn thương hư hại khi cấu hình hoặc cấu trúc bị thay đổi bởi tương tác với chất độc. Ví dụ, sự hoạt động của các enzim protein tyrosin photphataza, OH R NO2 HNO2 O R OH R NO2 NO2 OH R 41 glixeranđehit 3-photphat đehiđrogenaza, bị hư hại bởi các hoá chất hoạt động thiol dẫn đến sản sinh tín hiệu lầm lẫn hoặc làm hư hại năng lượng tế bào và nội cân bằng. Các chất độc có thể cản trở chức năng rập khuôn của ADN. Ví dụ liên kết cộng hoá trị của aflatoxin B1 8,9-epoxit vào N-7 của guanin gây ra sự cặp đôi của sản phẩm cộng mang guanin với ađenin hơn là với xitosin, dẫn đến tạo ra mã không đúng và sự đưa axit amin không đúng vào protein. Phá huỷ phân tử mục tiêu Một số phân tử mục tiêu dễ bị phá huỷ sau sự tấn công của hoá chất. Ví dụ, các gốc tự do như Cl3COO  và HO  có thể khơi mào cho sự phân huỷ peroxi hoá các lipit bởi sự bứt hiđro khỏi các axit béo, dẫn đến bẻ gãy mạch cacbon. Một số ADN bị phân mảnh bởi chất độc. Ví dụ, sự gẫy sợi đơn điển hình gây ra bởi các gốc OH qua sự bứt H khỏi đeoxiribozơ trong ADN tạo ra gốc C 4, tiếp theo bởi sự công  2O . Sự tấn công các bazơ của ADN với OH  có thể tạo ra sự hình thành imiđazol vòng–purin mở hoặc pirimiđin được thu nhỏ–vòng; điều đó ngăn cản sự sao chép ADN. Ngoài sự hình thành sản phẩm cộng, các chất độc làm biến đổi cấu trúc bậc nhất của các phân tử nội sinh bằng sự tạo liên kết ngang. Ví dụ, các electrophin hai nhóm chức như 2,5-hexađion, CS2, acrolein, 4-hiđroxinonenal và mù tạc nitơ tạo liên kết ngang các protein khung bào, các ADN, hoặc các ADN với protein. Sự hình thành kháng nguyên mới Trong khi liên kết cộng hoá trị của các chất ngoại sinh hoặc các sản phẩm chuyển hoá của chúng thường không ăn nhập với chức năng của hệ miễn dịch, thì một số protein bị biến đổi bởi chất độc gợi nhớ sự đáp ứng miễn dịch. Một số hoá chất (như đinitroclobenzen, penixilin, niken) có thể đủ hoạt động để liên kết với protein trực tiếp, một số khác có thể nhận được hoạt tính bởi sự tự oxi hoá đến quinon (như urushiol, chất gây dị ứng của cây trường xuân độc) hoặc bởi sinh chuyển hoá (như sinh chuyển hoá halothan bởi xitocrom P-450 thành electrophin trifloaxetat, CF3COCl), chất này liên kết như một hapten vào protein bề mặt tế bào và vi thể khác nhau trong gan, tạo ra sản phẩm kháng thể. Các tác nhân hoá chất là các nucleophin như các amin thơm, hiđrazin và thiol có thể bị oxi hoá bởi myeloperoxiđaza thành chất trung gian hoạt động liên kết vào các protein bề mặt các tế bào này, biến chúng thành các kháng nguyên. Chúng có thể bị tấn công bởi các kháng thể dẫn tới phá huỷ tế bào. Độc tính gây ra không bởi phản ứng với phân tử mục tiêu 42 Một số chất ngoại sinh không tham gia phản ứng với các phân tử mục tiêu nội sinh để gây ra tính độc mà thay vào đó làm thay đổi vi môi trường sinh học. Đó là các trường hợp: (1) hoá chất làm thay đổi nồng độ ion H+ trong pha nước sinh học như các axit và các chất bị sinh chuyển hoá thành axit (như etanol  axit axetic, etilenglicol  axit oxalic), cũng như các chất như 2,4-đinitrophenol, pentalophenol, chúng phân li proton phenol trong khuôn ti thể, do vậy làm tiêu tan proton građien điều hoà sự tổng hợp ATP; (2) các dung môi và chất tẩy rửa làm thay đổi hoá lí pha lipit trong màng tế bào và phá huỷ građien dung dịch vận chuyển ở màng, một quá trình quan trọng của các chức năng màng; (3) các chất ngoại sinh khác gây hại do chiếm các vị trí và không gian. Ví dụ: etilenglicol tạo ra các kết tủa không tan trong nước trong các ống thận; sunfonamit bao chiếm các vị trí liên kết bilirubin trên anbumin, gây ra độc tính bilirubin trong neonat; CO2 thay thế vị trí O2 trong không gian khoang phổi và gây ra ngạt. 1.7.3. Giai đoạn 3: Sự mất chức năng tế bào và các độc tính tạo ra. Mỗi tế bào trong sinh vật đa bào tiến hành các chương trình nhất định. Một số chương trình xác định số phận của tế bào (phân bào và biệt hoá) hoặc là sự chết theo chương trình. Các chương trình khác kiểm soát sự hoạt động đang tiếp diễn (hiện thời) của các tế bào được biệt hoá, xác định xem chúng tiết nhiều hoặc ít chất, xem chúng hiệp đồng hay nơi lỏng, chúng vận chuyển và trao đổi chất dinh dưỡng ở tốc độ thấp hay cao. Để điều hoà các chương trình tế bào này, các tế bào sở hữu các mạng tín hiệu (phiên mã, tải nạp, truyền thần kinh), các mạng tín hiệu này có thể được hoạt động hoặc mất hoạt hoá bởi các phân tử phát tín hiệu bên ngoài. Để thực thi các chương trình, các tế bào được trang bị các hệ thống sản xinh năng lượng, vận chuyển, động học, trao đổi chất, cũng như các nguyên tố cấu trúc được tổ chức thành các phức cao phân tử, màng tế bào, cơ quan tử; nhờ đó mà chúng duy trì tính toàn vẹn riêng của chúng (các chức năng nội) và giúp duy trì các tế bào khác (các chức năng ngoại). Các quá trình hình thành tính độc của giai đoạn ba trong cơ chê gây độc rất phức tạp, không thể miêu tả chi tiết trong giáo trình này, dưới đây chỉ đưa ra một tóm tắt sơ lược (hình 1.25). Hình 1.25 trình bày bản chất sự mất chức năng tế bào gây ra bởi các chất độc, mà không nhất thiết là hậu quả cuối cùng, tuỳ thuộc vào vai trò của phân tử mục tiêu chịu tác động. Nếu phân tử mục tiêu tham gia vào sự điều hoà tế bào (phát tín hiệu), sự mất điều hoà biểu hiện gen hoặc sự mất điều hoà chức năng đang tiếp diễn xảy ra là chủ yếu. Nếu phân tử mục tiêu tham gia vào sự duy trì nội bào, thì kết quả của sự mất chức năng có thể làm hư hại sau cùng sự sống sót của tế bào. Phản ứng của chất độc với các mục tiêu phục 43 vụ các chức năng ngoại bào có thể ảnh hưởng đến sự vận hành của các tế bào khác và hệ thống cơ quan hợp thành từ chúng. ẢNH HƯỞNG Hình1.25. Giai đoạn 3 trong sự hình thành tính độc: sự thay đổi chức năng điều hoà hoặc duy trì. 1.7.4. Giai đoạn 4: Sự sửa chữa và mất khả năng sửa chữa Sự sửa chữa Một lẽ đương nhiên, một khi cơ thể sinh vật gặp rủi ro, hư hại cần phải sửa chữa để tồn tại và phát triển. Các cơ chế sửa chữa được trình bày trên hình 1.26, bao gồm sự sửa chữa phân tử (protein, lipit, ADN), sửa chữa tế bào và sửa chữa mô. Sự sửa chữa phân tử được tiến hành bằng nhiều con đường khác nhau, ví dụ, phân tử ADN bị hư hại có thể được sửa chữa bằng sửa chữa trực tiếp, cắt bỏ, tái kết hợp. Sự sửa chữa tế bào bằng tăng phân bào của những tế bào còn sống sót để thay thế các tế bào đã bị mất. Sự PHÂN TỬ MỤC TIÊU như là chất xác định ảnh hưởng Sự mất điều hoà biểu hiện gen Không phù hợp Phân bào  sinh trưởng mới, quái thai Chết theo chương trình  xoắn mô, quái thai Tổng hợp protein  ví dụ, tăng sinh peroxisom Điều hoà tế bào (phát tín hiệu) Vai trò của phân tử mục tiêu Sự mất điều hoà chức năng tế bào đang tiến triển Hoạt động thần kinh không phù hợp Rung động, co giật, co cứng, loạn nhịp tim Mê, tê liệt Sa sút trí tuệ Sự duy trì nội bị hư hại Duy trì tế bào Hư hại Tổng hợp ATP Điều hoà Ca2+ Tổng hợp protein Chức năng mao mạch Chức năng màng tổn thương /chết tế bào Sự duy trì ngoại bị hư hại Hư hại chức năng của các hệ thống cơ quan hợp nhất, nghĩa là sự cân bằng huyết tố  xuất huyết 44 sửa chữa mô hư hại được tiến hành bằng tháo xả hết các tế bào bị hư hại nhờ sự chết theo chương trình của các tế bào bị hư được thúc đẩy nhanh, ngăn chặn sự hoại tử nguy hiểm hơn, và tái tạo lại mô nhờ tăng sinh. Sự mất khả năng sửa chữa Mặc dầu các cơ chế sữa vận hành ở các cấp độ phân tử, tế bào và mô, do các nguyên nhân khác nhau chúng thường thất bại để bảo vệ chống lại sự tổn thương, dẫn đến sự mất khả năng sửa chữa, và tính độc tạo ra từ sự mất sửa chữa này. SỰ SỬA CHỮA Phân tử Tế bào Mô Chết theo Protein Lipit ADN chương trình Tế bào Khuôn ngoại bào Hình 1.26. Các cơ chế sửa chữa. Sự mất chức năng của các cơ chế này gây ra sự mất khả năng sửa chữa Một số kiểu tính độc liên quan đến sự sửa chữa thất bại gây những tổn thương nghiêm trọng nhất như là hoại tử, xơ hoá và ung thư hoá học. Sự hoại tử mô liên quan sự chết theo chương trình và tăng sinh tế bào. Sự xơ hoá liên quan đến sự chết theo chương trình và sự tăng sinh tế bào và sản xuất chất nền (khuôn). Sự ungthư hoá học liên quan đến sự thất bại sửa chữa ADN, sự thất bại tế bào chết theo chương trình và sự thất bại kết thúc tăng sinh tế bào. 1.8. Sự ô nhiễm môi trường Một môi trường không ô nhiễm có lẽ chỉ tồn tại nếu như loài người và những hoạt động của họ không có ở trên trái đất này và nếu như môi trường không bị ô nhiễm bởi các nguồn điểm tự nhiên như núi lửa và cháy rừng. Điều này nói lên sự ô nhiễm môi trường (không khí, đất, nước, thực phẩm) là do con người và thiên nhiên gây ra. 1.8.1. Sự ô nhiễm không khí Sự ô nhiễm không khí gây ra bởi các chất ô nhiễm khí và các chất ô nhiễm hạt Tăng sinh 45 Chất ô nhiễm khí Các chất này là các khí ở điều kiện nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn cũng như các hơi được bốc hơi từ các chất lỏng hoặc rắn. Trong số các chất ô nhiễm khí được quan tâm nhiều nhất là cacbon monoxit (CO), hiđrocacbon, hiđrosunfua (H2S), nitơ oxit (NxOy ), ozon (O3), các chất oxi hóa khác và lưu huỳnh oxit (SxOy) và CO2 (Bảng 1.9) Bảng 1.9. Các chất ô nhiễm không khí chủ yếu, Nguồn và các ảnh hưởng Chất ô nhiễm Nguồn ảnh hưởng Ảnh hưởng Các lưu huỳnh oxit, các hạt Các nhà máy năng lượng dùng than, dầu, tinh luyện dầu, lò luyện kim, bếp dầu. Thành phần chủ yếu của sự lắng đọng axit. Làm hư hại thực vật, vật liệu. Gây kích ứng phổi, viêm phế quản mãn. Các nitơ oxit Sự phát thải của ô tô , xe máy. Các nhà máy năng lượng nhiên liệu hóa thạch Phù nề phổi, làm suy yếu sự bảo vệ phổi; thành phần quan trọng của khói mù quang hóa và sự lắng đọng axit. Cacbon monoxit Sự phát thải của xe động cơ. Đốt nhiên liệu hóa thạch. Sự cháy không hoàn toàn. Liên kết với hemoglobin tạo cacboxihemoglobin, độc, ngạt và chết. Cacbon đioxit Sản phẩm cháy hoàn toàn của than, củi, nhiên liệu hóa thach. Gây hiệu ứng nhà kính Ozon Sự phát thải của ô tô, khói mù quang hóa Gây hư hại thực vật, kích thích phổi Hidrocacbon, CxHy Khói mù, khói xăng, khói thuốc lá, các nguồn công nghiệp và tự nhiên. Đóng góp vào khói mù quang hóa. Hidrocacbon thơm đa vòng gây ung thư phổi Rađon Tự nhiên Gây ung thư Amiăng Mỏ amiăng Bệnh bụi phổi amiăng, ung thư phổi Các chất gây dị ứng Phấn hoa, bụi nhà, bụi lông động vật Hen, viêm mũi Asen Lò luyện đồng Ung thư phổi 46 Chất ô nhiễm hạt Các chất rắn hoặc lỏng mịn có thể tồn tại lơ lửng trong không khí gồm: Bụi : hạt tương đối lớn khoảng 100µm đường kính, tạo ra trực tiếp từ các chất sử dụng (như bụi than, bụi cát, bụi xi măng, tro,). Khói bụi: các hạt rắn lơ lửng nhỏ hơn 1 µm đường kính, thường được giải phóng từ các quá trình luyện kim hoặc hóa học ( như bụi kẽm và chì oxit). Sương mù: các hạt nhỏ lỏng lơ lửng trong không khí có đường kính nhỏ hơn 2µm (như mù axit sunfuric). Khói mù: các hạt rắn với đường kính 0,05  1µm tạo ra từ sự cháy không hoàn toàn nhiên liệu hóa thạch. Son khí: hạt lỏng hoặc rắn kích thước < 1,0µm lơ lửng trong không khí hoặc trong khí khác. Các chất ô nhiễm hạt này thường hấp phụ hoặc hòa tan các chất vô cơ, hữu cơ khác Các nguồn sinh các chất ô nhiễm không khí. Các chất ô nhiễm tự nhiên (nguồn tự nhiên) Nhiều chất ô nhiễm được hình thành và được phát ra từ các quá trình tự nhiên. Núi lửa phun trào phát ra các vật chất hạt cũng như các khí như lưu huỳnh đioxit, hidrosunfua và metan, những đám mây như thế có thể tồn tại ở trên không một thời gian dài và phát tán ra xung quanh. Cháy rừng và đồng cỏ tạo ra những lượng lớn các chất ô nhiễm ở dạng khói, CO2 , CO, các nitơ oxit, các hiđrocacbon và tro bụi. Các trận bão bụi là nguồn chung của chất ô nhiễm hạt, và các đại dương tạo ra các son khí ở các dạng hạt của muối biển. Thực vật là nguồn chủ yếu sinh hiđrocacbon, phấn hoa, bảo tử, gây ra những vấn đề về hô hấp và các phản ửng dị ứng. Các chất ô nhiễm do con người Các chất ô nhiễm này chủ yếu được tạo ra từ ba nguồn chính.: đốt cháy, các quá trình công nghiệp, khai thác và khoan mỏ. Các chất ô nhiễm chính tạo ra từ sự đốt cháy nhiên liệu hóa thạch (than, xăng, dầu), rác thải,vv là tro bay, khói, các lưu huỳnh oxit, nitơ oxit cũng như CO và CO2 và nhiều chất độc hại khác. 47 Các lĩnh vực công nghiệp có thể phát ra nhiều chất ô nhiễm khác nhau liên quan đến các quá trình sản xuất của chúng như sản xuất axit (sunfuaric, nitric, axetic, photphoric), sản xuất các hóa chất, dung môi, chất dẻo, các khí (clo, amoniac) và các kim loại (đồng, chì và kẽm) 1.8.2. Sự ô nhiễm nước và đất Như ta biết nước bao phủ ba phần tư bề mặt trái đất (chưa kể nước ngầm) phần còn lại bao phủ bởi đất. Điều đó không có gì ngạc nhiên nước và đất được xem như là những bể chứa chủ yếu cho hơn 100.000 hóa chất do con người sản xuất ra, sử dụng và thải bỏ trên toàn cầu. Sự ô nhiễm nước và đất bởi hóa chất và những chất độc khác là những nguồn gây bệnh ngay cả đối với những nước đã phát triển. Các nguồn sinh các chất ô nhiễm nước và đất Nước mặt và đất có thể bị ô nhiễm bởi các nguồn điểm (như các cửa cống thải chất thải công nghiệp hoặc thành phố ra sông, sự tràn hóa chất hoặc tràn dầu,) hoặc các nguồn không điểm (như cánh đồng từ đó các thuốc trừ dịch hại và phân bón được rửa trôi chảy ra sông). Các chất thải công nghiệp có khả năng tạo nên sự ô nhiễm lớn nhất của đất và nước. Các chất ô nhiễm công nghiệp bao gồm các chất thải hữu cơ như các dung môi, các chất hữu cơ tổng hợp, các chất thải vô cơ như các kim loại nặng và nhiều các chất khác. Bảng 1.10 nêu ví dụ về các kim loại nặng và một số nguyên tố độc hại có trong nước tự nhiên và nước thải. Các chất thải hộ gia đình và đô thị cả từ nước cống và chất thải hóa học không được xử lý trực tiếp thải ra sông, biển hoặc xử lý không triệt để là một nguồn chủ yếu khác của các chất ô nhiễm hóa học. Các chất hữu cơ, thuốc trừ dịch hại, phân bón, chất tẩy rửa và kim loại là những chất ô nhiễm có ý nghĩa được thải từ các vùng đô thị. Sự ô nhiễm đất và nước cũng có thể gây ra từ việc sử dụng các thuốc trừ dịch hại (trừ sâu, trừ cỏ, trừ nấm, trừ chuột) và phân bón (đặc biệt là nitrat và photpho). Các thuốc trừ dịch hại bền vững (các hợp chất cơ clo như DDT, anđrin, đienđrin, clođan,) rơi vào đất có khả năng di chuyển từ đất vào nước và nhờ vậy đi vào chuỗi thức ăn. Cũng bằng con đường tương tự thuốc trừ sâu, phân bón lọc qua đất hoặc dòng nước tưới tiêu hoặc nước mưa chảy vào hệ thống nước tự nhiên. Sự ô nhiễm từ các hợp chất dầu mỏ và các hóa chất phù trợ trong việc thăm dò, khai thác, chế biến dầu mỏ được quan tâm đặc biệt trong môi trường hiện nay. Có ít nhất hàng chục nghìn sự cố tràn dầu nghiêm trọng xảy ra trên khắp thế giới gây chết chim biển và ảnh hưởng đến đời sống các động vật gần bờ biển ( tôm, cua, nhuyễn thể hai vỏ,). 48 Bảng 1.10. Một số kim loại nặng độc và một số nguyên tố độc trong nước tự nhiên và nước thải, nguồn và các ảnh hưởng. Nguyên tố Nguồn Ảnh hưởng Chì (Pb) Công nghiệp mỏ, xăng chì, than đá, luyện kim, ống dẫn, ắc quy chì, đúc chì, que hàn, sơn, sản xuất hợp chất hóa học chứa chì. Bệnh thiếu máu, bệnh thận, rối loạn thần kinh, bệnh gut, ảnh hưởng sinh sản, ung thư Thủy ngân (Hg) Sự loại khí của vỏ trái đất, luyện Hg từ quặng, đốt than đá và dầu, chế tạo ắc quy, rơ le điện, đèn, điện cực, hỗn hống trám răng, tách vàng, sản xuất hóa chất chứa Hg. Gây độc thần kinh; viêm phổi, dạ dày ruột non, thận, toàn trạng hư biến Catmi (Cd) Nấu luyện kim loại và chế tạo hợp kim, đốt nhiên liệu hóa thạch, chế tạo ắc quy, que hàn, bột màu sơn. Gây kích thích đường hô hấp, tiêu hóa, gây hỏng thận, phá hủy các mô và hồng cầu, gây ung thư. Crom (Cr) Nấu luyện kim loại, mạ kim loại, đốt nhiên liệu hóa thạch, rác thải thành phố, sản xuất hóa chất chứa crom. Gây viêm da, đường hô hấp, gây kết tủa protein và ức chế hệ thống men, gây ung thư phổi. Niken (Ni) Công nghiệp khai thác thác mỏ, sản xuất hóa chất chứa niken, nấu luyện kim loại, đốt nhiên liệu hóa thạch, mạ kim loại. Gây hen xuyễn, phá hủy mô, gây ung thư phổi, ung thư mũi. Bo (B) Đốt than đá, sản xuất thủy tinh, chất tẩy rửa, phụ gia, chất thải công nghiệp. Ỉa chảy, gây phù nề phổi, làm tăng tính thẩm mao mạch phổi. Flo (F) Đốt than, công nghiệp luyện thép, luyện nhôm, sản xuất phân bón (phân lân), công nghiệp thủy tinh, gốm sứ, xi măng. Gây sự canxi hóa khác thường xương và răng. Ở nồng độ cao phá hủy tủy xương, phá hủy nhiễm săc thể, gây đột biến (ung thư) Sự ô nhiễm nước ngầm Sự ô nhiễm nước ngầm chủ yếu bởi các hợp chất hữu cơ bay hơi (các dung môi chứa halogen và các sản phẩm dầu mỏ), amoni và các kim loại. Các hợp chất hữu cơ bay hơi được sử dụng một lượng lớn trong công nghiệp như tẩy dầu mỡ, giặt khô, sơn và 49 trong quân sự. Các sản phẩm dầu mỏ thường được chứa trong các bồn chôn dưới đất. Các bồn này bị ăn mòn làm chảy dầu hoặc tràn dầu ngấm xuống đất và đi vào nước ngầm. Các chất hữu cơ bay hơi nói chung có tính linh động cao, di chuyển nhanh vào nước ngầm. Amoni từ nguồn phân bón, các kim loại từ các mỏ hoặc từ các điểm ô nhiễm nhờ những dòng nhỏ nước trong đất được đưa tới tầng nước ngầm. Các hiđrocacbon chứa clo phân tử khối thấp cũng được tìm thấy trong nước thành phố (nước sinh hoạt) do việc sử dụng clo để khử trùng nước. Clo phản ứng với các chất hữu cơ trong nước tạo ra các trihalometan như clorofom và các hợp chất chứa halogen khác (tetraclo cacbon ,1.2- đicloetan, bromđiclo metan, đibromclometan, bromofom). Sự nhiễm độc axit các nguồn nước do các axit có mặt trong mưa hoặc nước tháo từ các mỏ cũng rất đáng quan tâm. Vì khả năng của chùng làm hạ thấp pH của nước tới các mức có hại, cũng như giải phóng các kim loại độc thành dung dịch nhờ hòa tan. 50 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 2.1.1. Phân loại chất độc 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 –,  2NO ,  3NO , 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, 51 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). 52 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 53 (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 ( n g /g ) 54 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 55 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. 2.2. Phân loại các ảnh hưởng có hại của hoá chất Có nhiều cách phân loại các ảnh hưởng độc của hoá chất: theo hệ thống, theo nhóm hoá chất, theo loại đáp ứng độc và theo các ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp của hoá chất. Dưới đây là cách phân loại theo hệ thống: 2.2.1. Ảnh hưởng độc thông thường của hoá chất Ảnh hưởng không đặc trưng Đó là ảnh hưởng trực tiếp tại chỗ bị nhiễm, như da, đường hô hấp và chủ yếu là ăn mòn, gây bỏng. Ví dụ, khi các axit và bazơ vô cơ mạnh rơi vào da gây ra bỏng hoá học ở chỗ tiếp xúc hoặc khi ta hít phải metyl bromua (CH3Br) sẽ gây ra bỏng đường hô hấp, hoặc khi hít phải acrolein, fomanđehit, khí lưu huỳnh đioxit, nitơ oxit gây ra sự kích ứng ban đầu màng nhày. Ảnh hưởng độc đặc trưng Khác với loại ảnh hưởng độc không đặc trưng loại ảnh hưởng độc này có mức độ đặc trưng cao, có phản ứng ngay cả ở liều lượng thấp và tác động lên một loại mô hoặc một vài loại mô sinh học và có thể dẫn đến những hậu quả khác (ẩn chứa, lan truyền). Chẳng hạn, botulinus toxin là một globulin (protein có phân tử khối cao,khoảng 1 triệu, được tạo ra ở một vài nhóm vi khuẩn Clostridium botulium, liều gây chế đối với người 0,01 microgam) có độc tính do tác động lên các đầu giây thần kinh cản trở sự giải phóng dịch thể thần kinh có nhiệm vụ giúp cho sự truyền các xung thần kinh đến cơ bắp. Triệu chứng đầu tiên là làm tê liệt các chức năng của cơ. Một thí dụ khác, sự nhiễm độc bo làm tăng tính thẩm thấu của mao mạch phổi dẫn đến phù nề phổi và xuất huyết. Tính ảnh hưởng độc đặc trưng cao của nhóm các hợp chất hoá học này còn thể hiện ở chỗ chúng gây ra ảnh hưởng khởi đầu đến chức năng của cơ thể và sự thay đổi bệnh lí tiếp theo ở trong các cơ quan riêng. Ví dụ, sự gây độc gan từ các dẫn xuất halogen như CCl4, CH2Cl2 hoặc sự hư hại thần kinh quang học xẩy ra ở động vật linh trưởng liên quan tới metanol hoặc các sản phẩm chuyển hoá của nó. Trong các ví dụ trên, sự nhiễm những nồng độ lớn hơn của mỗi hoá chất có thể dẫn đến sự tổn thương lớn các cơ quan. 56 Nếu ảnh hưởng làm liên luỵ tổn thương hữu cơ đối với mô thì di chứng tương ứng với mức độ tổn thương mô có thể tiếp tục đối với sự nhiễm hoá chất tiếp theo. Mức độ di chứng bệnh lí thường xuyên (mãn tính) có thể xảy ra tiếp theo sự nhiễm độc với nhóm hoá chất này, tuỳ thuộc vào hiệu quả cơ chế sửa chữa và vào loại mô xem xét. Các ảnh hưởng độc đặc trưng có thể là thuận nghịch hoặc bất thuận nghịch. Tính thuận nghịch của ảnh hưởng liên quan đến liều nhiễm. Trường hợp của butulinus toxin, ảnh hưởng độc là thuận nghịch theo thời gian nếu động vật có đủ chức năng cơ còn lại để có thể duy trì những đòi hỏi về trao đổi chất hô hấp của nó vượt qua được giai đoạn thể hiện triệu chứng nhiễm độc. Các tác động đặc trưng của nhóm các hoá chất này có thể bao gồm những ảnh hưởng đã rõ hoặc chưa rõ cơ chế tác động. Ví dụ, các hợp chất gây các ảnh hưởng như là các tác nhân gây đột biến, ung thư, quái thai. Chẳng hạn, sự nhiễm của các tế bào nuôi cấy mô người đối với cafein nồng độ 1% sẽ gây ra sự phân mảnh một số nhiễm sắc thể, tạo ra các dạng đột biến của tế bào. Một số các chất khác gây ung thư (tạo ra khối u ác tính) như là 1,2-benzantraxen, metyl cholantren, benziđin, tori đioxit, Các chất có tác động gây quái thai có ảnh hưởng đặc trưng cao đến sự phát triển của bào thai hoặc những ảnh hưởng này gián tiếp được gây ra bởi sự thay đổi tình trạng dinh dưỡng của trạng thái phát triển nhanh của bào thai. Hầu hết các hoá chất gây quái thai là thuốc chữa bệnh. Nổi tiếng là actinomixin D, triopan xanh, Một số hoá chất không phải là thuốc chữa bệnh cũng có độc tính này. Ở đây cần nói thêm, ngoài các hoá chất có ảnh hưởng độc không đặc trưng và đặc trưng, còn có những tác nhân không có hoạt tính sinh học khởi đầu. Ví dụ như các khí trơ, nitrơ oxit, metan, etan. Những chất này khi có mặt ở nồng độ cao trong không khí sẽ thay thế oxi, những động vật phụ thuộc vào oxi trở thành thiếu oxi, sẽ bị ngạt thở. Những chất như vậy không thể xếp vào độc đặc trưng hay không đặc trưng. Điều nguy hiểm như nhiễm cấp không chủ định của người đối với nồng độ cao các hợp chất này xảy ra không có báo hiệu do chúng không màu, không mùi, không gây bỏng rát. Sự tạo di chứng bệnh lí Di chứng bệnh lí là sự mất chức năng vĩnh viễn hoặc tật của nó để lại sau khi sự nhiễm hoá chất không còn tiếp tục. Ví dụ, di chứng bệnh lí là “sẹo” mô, nó là mô sợi tạo ra từ sự thất bại của mô thường đối với sự khôi phục xảy ra sau sự xé rách hoặc bỏng của da. Một ví dụ khác, khi hít thở phải một lượng quá nhiều tricresyl photphat hoặc metyl butyl xeton cũng như hexan dẫn đến phá huỷ các tế bào thần kinh nào đó, để sau khi đã dừng nhiễm các chất này, sự liệt cơ vẫn mãi mãi còn lại. Ở những người ăn phải thực 57 phẩm có chứa metyl thuỷ ngân, tâm thần trở nên trì độn chậm chạp lâu dài sau khi hoá chất này không còn nữa. Tất cả những thí dụ này và còn nhiều thí dụ khác nói lên ảnh hưởng có hại của hoá chất. 2.2.2. Ảnh hưởng độc khác thường của hoá chất. Sự đáp ứng dị thường đối với hoá chất. Ảnh hưởng của hoá chất đến cơ chế miễn dịch trong cơ thể. Cơ chế miễn dịch bao gồm các sự kiện sau: sự nhiễm khởi đầu hoá chất, thời kì cảm ứng trong động vật, và cuối cùng là sự sản sinh protein mới được gọi là kháng thể (hình 2.2) NHIỄM KHỞI ĐẦU NHIỄM KẾ TIẾP Hình 2.2. Cơ chế dị nguyên của đáp ứng nhạy cảm đối với hoá chất Như chỉ ra ở hình 2.2, hoá chất hoặc sản phẩm trao đổi chất của nó tác dụng như là một hapten, chất này kết hợp với một protein nội sinh để tạo ra kháng nguyên. Kháng nguyên có khả năng làm xuất lộ sự hình thành các protein mới dịch thể hoặc tế bào được Chất hoặc sản phẩm trao đổi chất của nó (HAPTEN) Chất hoặc sản phẩm trao đổi chất của nó (HAPTEN) Liên hợp với protein (KHÁNG NGUYÊN) Liên hợp với protein (KHÁNG NGUYÊN) Kháng nguyên xuất lộ Sự hình thành protein dịch thể hoặc tế bào (KHÁNG THỂ) PHẢN ỨNG KHÁNG NGUYÊN – KHÁNG THỂ Phá huỷ tế bào 58 gọi là kháng thể. Sự nhiễm khởi đầu không gây ra sự phá huỷ hoặc hư hại tế bào nhưng gây ra cho động vật “được nhạy cảm” đối với sự nhiễm kế tiếp hoá chất. Sự nhiễm hoá chất của động vật ở nhiễm kế tiếp dẫn đến sự hình thành kháng nguyên, kháng nguyên này phản ứng với kháng thể tạo ra trước sinh ra sự đáp ứng trong mô ở hình thức phá huỷ hoặc hư hại tế bào. Đáp ứng là đáp ứng nhạy cảm hoặc đáp ứng miễn dịch. Có hai loại đáp ứng miễn dịch: loại thứ nhất tạo ra từ các phân tử lớn gặp trong tự nhiên như các protein hoặc lipit, loại thứ hai được tạo ra từ các phân tử thấp. Phản ứng nhạy cảm hoá Vấn đề được đặt ra là các hợp chất hoá học đơn giản (phân tử khối < 1000) có thể tham gia vào sự khởi đầu của đáp ứng miễn dịch; dựa trên kết quả thực nghiệm cho thấy một số dẫn xuất của đinitrobenzen được tiêm hoặc được áp dụng ở những khoảng thời gian thường xuyên và ở những lượng không gây ra ảnh hưởng không mong muốn trên động vật, sau quãng 7 đến 14 ngày, sự tiêm hoặc sự áp dụng kế tiếp của cùng hợp chất hoặc hợp chất có liên quan gần có thể tạo ra sự đáp ứng mô ở vị trí áp dụng hoặc toàn thân động vật. Những dẫn xuất có nhân đinitrobenzen chứa halogen có khả năng khơi mào hiện tượng nhạy cảm hoá, nếu thay thế halogen trong nhân đinitrobenzen bằng hiđro, hiđroxyl, metyl, amin thì sự nhạy cảm hoá không xảy ra. Các nhân đinitrobenzen chứa halogen có tác dụng khơi mào hiện tượng nhạy cảm được giải thích là sự có mặt của halogen đã làm dễ dàng sự liên kết bền của hoá chất đơn giản với chất mang protein nôi sinh, và phức tạo ra là kháng nguyên có khả năng làm xuất hiện sự hình thành kháng thể ở động vật, và những chất như đinitrobenzen chứa halogen được nói là có tính chất kháng nguyên. Một số gốc trên các axit amin đặc biệt cũng có khả năng tạo kháng nguyên. Bảng 2.3 giới thiệu một số nhóm hoạt động trên hapten và trên axit amin có khả năng phản ứng trong sự hình thành kháng nguyên Sự tạo kháng nguyên (phức hapten - protein) như vậy có hình thành liên kết bền, hầu hết là cộng hoá trị, và do đó mất đi các đặc tính hoá học của cả hapten và protein. Các hoá chất phản ứng với các protein ở trong một phản ứng thuận nghịch dễ dàng (liên kết ion hoặc lực Van đe Van) không có khả năng hình thành kháng nguyên. Vị trí tạo ra kháng thể ở động vật là các mô limpho chứa các tế bào (các tế bào limpho B và T) đảm đương, chúng có thể được kích thích bởi kháng nguyên đặc hiệu. Hai loại tế bào limpho hợp tác theo một phương thức nào đó để chúng nhận ra sự có mặt của kháng nguyên. Ở vào thời gian nhiễm khởi đầu kháng nguyên chúng chỉ là một số ít, thậm chí chỉ là một vài trong số hàng trăm nghìn hoặc hàng triệu tế bào limpho trong máu, nhưng khi kháng thể phản ứng với thụ thể trên tế bào sẽ kích thích chọn lọc cho sự 59 tạo ra các tế bào bổ sung cùng loại. Nhờ phương thức này một số lớn các tế bào đồng nhất (gọi là dòng tế bào) được tạo ra và mỗi tế bào này có thể nhận ra kháng nguyên, và đây chính là các tế bào tạo ra kháng thể dịch thể đặc trưng đối với kháng nguyên. Kháng thể dịch thể có mặt trong sinh chất máu, đặc biệt là trong phân đoạn globulin của huyết tương máu. Bảng 2.3. Một số nhóm hoạt động có khả năng phản ứng trong sự hình thành kháng nguyên Trên hapten Trên axit amin Điazoni –  N  N Serin – OH Thiol – SH Lisin – NH2 Axit sunfonic – SO3H Arginin – NH–C–NH NH Anđehit – CHO Xistein – SH Quinon Xistin – S – S – Halogen hoạt động Tirosin Sự đáp ứng miễn dịch Sự gây cảm ứng của việc hình thành kháng thể bởi kháng nguyên là phần nhạy cảm hoá của cơ chế miễn dịch. Sự nhiễm kế tiếp hapten hoặc kháng nguyên trong động vật đã được nhạy cảm hoá tạo ra phản ứng giữa kháng nguyên và kháng thể. Đây là phần phản ứng của cơ chế miễn dịch có tên gọi chung “đáp ứng miễn dịch”, “đáp ứng dị ứng”, “phản ứng nhạy cảm”. Không giống như phản ứng nhạy cảm hoá (tạo liên kết bền), phản ứng kháng nguyên – kháng thể rất có khả năng tham gia của sự tạo liên kết yếu sử dụng lực ion hoặc Van đe Van. Phản ứng kháng nguyên – kháng thể thường là phản ứng có tính đặc hiệu cao, trong đó chỉ các kháng nguyên đặc hiệu được sử dụng cho sự nhạy cảm phản ứng với kháng thể. Nói các khác, kháng thể thường chỉ phản ứng với hapten hoặc kháng nguyên nào được sử dụng cho sự nhạy cảm. Tuy nhiên phản ứng kháng nguyên – kháng thể thường không hoàn toàn đặc hiệu, một kháng thể có thể phản ứng với các hapten hoặc kháng nguyên khác nhau, hoặc ngược lại, tuy là cường độ phản ứng không giống nhau. OH OO 60 Trong những trường hợp như vậy danh từ “nhạy cảm chéo” được đưa ra để chỉ ra thiếu đặc hiệu đối với các hapten hoặc kháng nguyên. Đáp ứng kháng nguyên – kháng thể được biểu lộ tức thời hoặc nó có thể đáp ứng chậm. Đáp ứng của loại tức thời có khả năng gây ra sự giải phóng histamin từ nơi tàng trữ trong cơ thể. Các tế bào phì có thể được xem như là mô bị sốc (bị động chạm mạnh), và sự phá huỷ của các tế bào này bởi các phản ứng kháng nguyên – kháng thể có thể dẫn đến sự giải phóng cả histamin và heparin, gây ra bệnh huyết tương, như ảnh hưởng lớp ngoài da hoặc màng nhày, sốt rơm hoặc hen xuyễn. Đáp ứng dị ứng của loại chậm có thể không nhất thiết liên quan tới sự giải phóng histamin, mà thể hiện tác động phá huỷ trực tiếp trên các tế bào hoặc mô đặc trưng nào đó như là kết quả của phản ứng kháng nguyên – kháng thể. Các đáp ứng chậm có thể là toàn thân, nhưng cũng thường là tầng sinh bì. Các ảnh hưởng toàn thân được biểu lộ như là sự huỷ hoại các cơ quan riêng. Các ảnh hưởng tầng sinh bì có thể bao gồm toàn bộ dãy các hiện tượng có thể xảy ra ở tầng này (chàm, ghẻ ngứa, ban đỏ, tạo bọng,.) 2.2.3. Tính độc chọn lọc Tính độc chọn lọc có nghĩa là hoá chất gây thương tổn đối với loài sinh vật này mà không gây hại đối với loài sinh vật kia ngay khi cả hai cùng tiếp xúc. Tính độc chọn lọc sinh ra chủ yếu qua sự phân bố và sinh hoá so sánh. Cơ chế phân bố chọn lọc Ví dụ đầu tiên của cơ chế phân bố chọn lọc là sự diệt vi khuẩn của chất kháng sinh. Tetraxilin được tích luỹ bởi vi khuẩn mà không phải bởi tế bào động vật có vú, kết quả là sự tổng hợp protein bị ức chế mãnh liệt trong vi khuẩn và dẫn tới chết. Sự phá huỷ tế bào đặc trưng riêng thận (tế bào hình ống) gây ra bởi urani bicacbonat. Hợp chất này được bài tiết bởi thận bằng lọc qua tiểu cầu, và urani bicacbonat ở trong các tiểu quản được giải hấp, các ion uranyl tự do được giải phóng, kết hợp với các tế bào ống gây ra tính độc chọn lọc ống thận. Một thí dụ khác về sự khoá chu trình axit xitric của floaxetat (hình 2.3). Như chỉ ra ở hình 2.3, cacbohiđrat và chất béo là nguồn nhiên liệu, qua chuỗi chuyển hoá đến axetyl CoA, dùng cho các quá trình năng lượng của chu trình axit xitric. Chu trình phục vụ như một bộ máy cho sự trao đổi chất của axetyl–CoA. Trong chu trình này xitrat được chuyển hoá thành isoxitrat nhờ enzim aconitaza. Sự khoá enzim này bởi floaxetat (phân tử floaxetat cạnh tranh với phân tử xitrat giành các trung tâm hoạt động trên enzim aconitaza) là một cơ chế theo đó chu trình axit xitric có thể bị khoá. Tuy nhiên các enzim của chu trình axit xitric được định vị trong cấu trúc liên kết màng trong tế bào 61 như được biết là các ti thể. Hiện nay có các bằng chứng cho thấy tác động của floaxetat là tạo phức với thụ thể và làm mất hoạt tính của thụ thể có chức năng chủ yếu để vận chuyển axetat đi vào ti thể. Tóm lại tác động quan trọng của floaxetat là sự di chuyển khoá cạnh tranh các chất dinh dưỡng đặc trưng ở bên trong tế bào. Cacbohiđrat Chất béo Axetat Khoá Các mảnh 2 cacbon hoạt động (Axetyl-CoA)  Oxaloaxetat  Xitrat   )aconitaza( isoxitrat Các chất trung gian chu trình axit xitric Hình 2.3. Sự vận chuyển axetat qua màng trong hệ ti thể của tế bào được điều vận bởi thụ thể, mà thụ thể này bị khoá bởi floaxetat dẫn đến làm cạn nguồn nhiên liệu cho chu trình axit xitric. Cơ chế biến đổi sinh hoá chọn lọc Các quá trình biến đổi sinh học hoặc sinh hoá tạo thành một cơ chế mà số lượng các thí dụ về tính độc chọn lọc rất lớn. Ở đây có thể nêu ra một vài thí dụ điển hình. Hoá chất gây hại có thể trực tiếp từ chất đầu hoặc chất gián tiếp từ các sản phẩm phân huỷ (trao đổi chất) của nó, và đôi khi ta gặp trường hợp cả hai loài mục tiêu và không mục tiêu có cùng cách trao đổi chất đối với chất lạ nhưng tính độc do sự khác nhau về tốc độ trao đổi chất quyết định.Ví dụ, trường hợp của các thuốc trừ sâu cơ photpho. Có hai loại cơ photpho gây độc bởi khả năng ức chế enzim axetylcholinesteraza (ẠChE): một loại ức chế trực tiếp AChE như điisopropylflophotphat, metyl isopropyl- photphofloriđat, không đòi phải có sự chuyển hoá trao đổi chất (oxi hoá) thành các dạng hoạt động; trong khi đó loại ức chế gián tiếp như parathion hoặc malathion cần phải được hoạt hoá trao đổi chất (oxi hoá bởi enzim vi thể P-450) để thành các hợp chất có khả năng làm mất hoạt tính của AChE nhanh hơn (paraoxon, malaoxon). Các dẫn xuất hoạt động sau đó bị thuỷ phân (bởi esteraza) và nhờ đó mất hoạt tính. Dựa trên cơ sở các loài có thể hoạt hoá loại chất ức chế gián tiếp nhưng không thể thuỷ phân, chúng có thể tích luỹ dạng hoạt động, và do vậy có thể nhạy cảm đối với ảnh hưởng độc của hợp chất. Ngược lại, đối với các loài có thể thuỷ phân loại chất ức chế gián tiếp thay vì hoạt hoá, chúng Floaxetat 62 được hi vọng chống lại các ảnh hưởng độc của hợp chất. Các loài sinh vật khác nhau tiến hành các phản ứng hoạt hoá (oxi hoá) và làm mất hoạt hoá (thuỷ phân) này với những tốc độ khác nhau khiến cho sản phẩm hoạt hoá được tích luỹ ở loài sinh vật này (mục tiêu) mà không ở loài sinh vật kia (không mục tiêu) đưa đến tính độc chọn lọc (hình 2.4) Từ hình 2.4, ta thấy: Động vật có vú: thủy phân malathion nhanh, malaoxon nhanh thành các sản phẩm không hoạt động. Chính nhờ vậy malathion ít độc đối với động vật có vú. Côn trùng: thủy phân malathion chậm, đồng thời một lượng lớn malathion chuyển hoá thành malaoxon, và thuỷ phân malaoxon chậm (malaoxon tích luỹ trong côn trùng lâu hơn và nhiều hơn). Chính vì vậy malathion rất độc đối với côn trùng. Kết quả này dẫn đến tính độc chọn lọc của malathion đối với côn trùng. MALATHION (P = S) (Tương đối không hoạt động) (Côn trùng – nhanh (Côn trùng – chậm đv có vú – nhanh) đv có vú – nhanh) Oxi hoá Thủy phân và (enzim vi thể) liên kết MALAOXON (P = O)  Thuỷ phân  Các sản phẩm (hoạt động) (A-esteraza) (không hoạt động) (Côn trùng – chậm đv có vú – nhanh) Hình 2.4. Các con đường đối với sự biến đổi sinh học của malathion và tốc độ so sánh của các phản ứng trong côn trùng và động vật có vú Một ví dụ khác về tính độc chọn lọc gây ra bởi sự khác nhau về sinh hoá trong hai loại tế bào, vi khuẩn không hấp thụ axit folic nhưng tổng hợp được nó từ axi t p- aminobenzoic, axit glutamic và pteriđin, trong khi đó động vật có vú không tổng hợp được axit folic nhưng hấp thụ được nó từ thức ăn, do đó các thuốc sunfonamit có tính độc chọn lọc đối với vi khuẩn do sunfonamit giống axit p-aminobenzoic cả về điện tích và kích thước, gây đối kháng sự kết hợp axit p-aminobenzoic thành phân tử axit folic, còn ở người không có phản ứng này xảy ra. 63 Vai trò của thụ thể: Trong nhiều trường hợp tính độc chọn lọc của hoá chất được gây ra bởi tính đặc thù của các thụ thể (vận chuyển chất này mà không vận chuyển chất kia đi vào trong tế bào). Ví dụ, trường hợp của các amin gây tiết dạng ađrenalin, -epinephin và d- epinephrin, thụ thể tiếp nhận đồng phân quay trái ở một phạm vi lớn hơn nhiều so với đồng phân quay phải. Một ví dụ khác, ảnh hưởng gây chết của d-tubocurarin là do khả năng của nó gây ra sự liệt cơ vân bởi phản ứng với thụ thể mà với thụ thể này axetylcholin thường phản ứng. Phức d-tubocurarin - thụ thể đủ bền để thụ thể bị chiếm giữ không có khả năng phản ứng với axetylcholin như bình thường, hơn nữa phức này không có khả năng khởi động đáp ứng của cơ như đáp ứng được khởi động bình thường bởi phức homon thần kinh - thụ thể. Kết quả là sự khoá cơ chế sinh lí. Tác động của d-tubocurarin là đặc trưng đối với thụ thể axetylcholin ở các màng thần kinh cơ mà không có ảnh hưởng đến thụ thể axetylcholin trên cơ nhẵn hoặc tế bào tim.