Một số nguyên lý về độc chất học môi trường

TS. Lê Quốc Tuấn Khoa Mơi Trường và Tài Nguyên, ĐH Nơng Lâm TP.HCM Chương 2. MỘT SỐ NGUYÊN LÝ VỀ ĐỘC CHẤT HỌC MƠI TRƯỜNG 2.1. Các nguyên lý về độc chất liên quan đến hĩa chất trong mơi trường, cơng nghiệp và trong tự nhiên Độc chất học mơi trường là một ngành khoa học trẻ phát triển nhanh trong 40 năm qua. Độc chất học mơi trường liên quan đến việc nghiên cứu nguồn gốc, con đường, sự chuyển hĩa và ảnh hưởng của các hĩa chất nguy hại trong mơi 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 ơ nhiễm mơi trường thật sự bắt đầu từ thập niên 60. Vào những năm đầu tiên của ngành nghiên cứu độc chất học mơi trường, các nhà khoa học quan tâm đến việc sử dụng các hĩa chất, hoặc hỗn hợp hĩa chất cĩ khả năng gây độc đặc biệt là các hợp chất cĩ 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 cơng thức tính mối tương quan giữa nồng độ và phản ứng. Ơng đã quan sát những bệnh nhân nhiễm độc ở nồng độ thấp thì thấy nĩ cĩ 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). Ơng đã đăng tải một cơng trình quan trọng về độc tính của các hợp chất tự nhiên, trong đĩ mơ tả mối tương quan hiện tượng nhiễm độc của bệnh nhân và thành phần các hĩa chất cĩ trong cơ thể của người bệnh (các mơ). Sau đĩ ơng đã nghiên cứu các hoạt tính của kháng thể và cho rằng cơ thể con người cĩ thế đào thải các độc chất. Sau đĩ, nhiều cơng trình nghiên cứu về độc chất đã được thực hiện trên độc vật. Và cũng từ đĩ, ngành độc chất học được xem như là một ngành khoa học. Cho đến giữa thế kỷ 19, khi cĩ sự phát triển vượt bậc của hĩa học, cùng với việc mở rộng quá trình tách chiết các hĩa 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 Mơi Trường và Tài Nguyên, ĐH Nơng 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 cơng nghiệp, liên quan trực tiếp đến sức khỏe cơng nhân và nơi làm việc. Trong suốt quá trình phát triển hĩa học, người ta đã nhận diện được độc chất học động vật ở Châu âu và Bắc Mỹ do một lượng lớn hĩa chất được sử dụng đã gây nên sự chết của sinh vật hoang dã. Sự ơ nhiễm mơi trường đã khiến nhiều chính phủ phải cĩ những chính sách phù hợp để đánh giá và kiểm sốt các chất gây ơ nhiễm tiềm năng trong nước thải cơng 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 mơi trường, được xuất bản. Cuốn sách mơ tả ảnh hưởng của các hĩa chất độc hại lên đời sống hoang dã, hay cịn gọi là sự biến mất của các lồi chim ven các dịng sơng. Cuối thập niên 60, Truhaut sử dụng thật ngữ “Độc học sinh thái” (Ecotoxicology) để mơ tả ngành nghiên cứu về độc tính mơi trường. Truhaut đã định nghĩa độc học sinh thái như là một nhánh của độc chất học mà nĩ 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 mơ tả độc tính sinh thái qua các bước sau: 1. Sự thâm nhập, phân phối và số phận của các chất gây ơ nhiễm trong mơi trường 2. Sự thâm nhập và số phận của các chất gây ơ nhiễm trong sinh vật của hệ sinh thái 3. Các ảnh hưởng cĩ hại của hĩa chất lên các cấu thành của hệ sinh thái (bao gồm cả con người) Mỗi một giai đoạn đều phức tạp bởi sự chuyển hĩa hữu sinh và vơ sinh của các hợp chất ban đầu. Đến giữa thập niên 70 các nhà khoa học bắt đầu nhận ra rằng kiểm sốt độc chất trong mơi trường phải từ các nguồn do con người tạo ra, qua việc thu thập số liệu về số lượng các hợp chất trong mơi trường đất và nước. TS. Lê Quốc Tuấn Khoa Mơi Trường và Tài Nguyên, ĐH Nơng Lâm TP.HCM Trước khi đánh giá ảnh hưởng sinh học của độc chất, chúng ta cần nhận biết cấu tạo của hợp hĩa chất, các cơ chế mà qua đĩ chất gây ơ nhiễm đi vào và di chuyển trong cơ thể sinh vật, sự chuyển hĩa vơ 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 ơ nhiễm. Trong thời gian này, nhiều nhà khoa học nhận thấy rằng chỉ qua việc định lượng thì chưa đủ để xác định và mơ tả các vấn đề của độc chất. Sự phát triển các mơ hình hĩa lý về đặc tính chất lây nhiễm trong mơi trường mở rộng đến những năm 1970. Nhiều thơng số vật lý và hĩa học (như pH, nhiệt độ, oxy hịa tan) được biết cĩ thể kiểm sốt sự hình thành các chất lây nhiễm trong mơi trường, dự đốn các chất lây nhiễm, do đĩ xác định được độc tính tiềm năng của chúng đối với mơi trường qua việc mơ hình hĩa. Những mơ hình hĩa phát triển trong 30 năm cũng vẫn đang được hồn thiện và tập trung vào các nghiên cứu độc tính mơi trường của các chất. 2.2. Ảnh hưởng của hĩa chất đối với sinh vật và con người Từ lâu cộng đồng châu Âu đã nhận ra rằng cần phải bảo vệ mơi 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 mơi trường được áp dụng cho các sản phẩm, kể cả các hĩa 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 cĩ thể được sử dụng mà khơng qua kiểm nghiệm - Khơng cĩ cơng cụ hữu hiệu để đảm bảo việc sử dụng an tồn các chất cĩ 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 cĩ nhiều loại hĩa chất được sử dụng cho các mục khác nhau khơng được kiểm nghiệm và đều cĩ khả năng tiềm tàng trong việc gây độc đối với sinh vật và mơi trương sinh thái. Đặc biệt là các hĩa chất được sử dụng trong nơng nghiệp như thuốc diệt cỏ, diệt cơn trùng, chất bảo vệ thực vật…Sau đây, một số hĩa chất độc trong mơi trường và ảnh hưởng của nĩ sẽ được đề cập đến 2.2.1 Chất độc da cam TS. Lê Quốc Tuấn Khoa Mơi Trường và Tài Nguyên, ĐH Nơng Lâm TP.HCM Chất độc da cam được Mỹ sử dụng trong chiến tranh Việt Nam. Từ năm 1961 đến 1971, khoảng 11 triệu gallon chất độc da cam được rải xuống miền Nam Việt Nam chiếm 10% diện tích đất nước, trong đó có 14% là đất nông nghiệp. Có nhiều loại chất độc da cam, trong đó đáng quan tâm nhất là dioxin. Dioxin được xem là một chất cực độc, gây ra các bệnh hiểm nghèo. Hầu như không bị phân hủy sinh học. Có thể tồn tại bền vững trong môi trường. 2.2.2. Độc chất dung môi Các dung môi có thể tan trong mỡ cũng như trong nước cũng như có thể hòa tan trong nước. Dung môi tan trong mỡ khi vào trong cơ thể thì tích tụ trong mô mỡ bao gồm cả hệ thần kinh. Dung môi tan trong nước có thể đi vào cơ thể qua da nếu tiếp xúc. Dung môi hữu cơ nhanh chóng hấp thu qua phổi. Khi bị nhiễm độc các chất dung môi thì chúng làm cản trở quá trình trao đổi chất 1. Benzene: Benzene là một loại dung môi hòa tan được rất nhiều chất như mỡ, cao su, SAU TRƯỚC Việc sử dụng dioxin và hậu quả của chúng TS. Lê Quốc Tuấn Khoa Mơi Trường và Tài Nguyên, ĐH Nơng Lâm TP.HCM vecni, da sợi vải len…Trong công nghiệp hóa học, benzene được sử dụng trong các quá trình tổng hợp. Benzene hấp thu qua phổi và qua da. Khi tiếp xúc ở liều cao gây độc cấp tính, suy giảm hệ thần kinh trung ương, gây chóng mặt, nhức đầu, ngộp thở...Nếu bị nhiễm mãn tính thí gây xáo trộn hệ tiêu hóa, ảnh hưởng đến nhiễm sắc thể và cấu trúc di truyền DNA. Hợp chất benzene phức tạp khi được chuyển hóa sinh học. Benzene dễ dàng kết hợp với protein hoặc nucleic acid. 2. Chloroform (CCl4) Chloroform hay còn gọi là carbon tetrachloride được sử dụng như là một dung môi và chất trung gian trong các quá trình công nghiệp. Chloroform làm suy giảm và tổn thương hầu hết các cơ quan trong cơ thể như hệ thần kinh trung ương, gan và mạch máu. Sự nhiễm độc chloroform thường dẫn đến sự suy nhược các cơ quan như suy yếu cơ tim, suy thoái thận. Biểu hiện chính khi bị nhiễm độc chloroform là hôn mê (nhiễm độc cấp tính), vàng da (nhiễm độc mãn tính). 2. 3. Chất gây ơ nhiễm khơng khí Chất gây ơ nhiễm khơng khí là chất tồn tại trong khơng khí cĩ khả năng gây hại đối với con người và mơi trường. Các chất gây ơ nhiễm cĩ thể ở dạng rắn, dạng lỏng hoặc dạng khí, cĩ nguồn gốc từ tự nhiên hoặc do con người tạo ra. Chất gây ơ nhiễm khơng khí cĩ thể phân thành 2 loại sơ cấp và thứ cấp. Chất gây ơ 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 khĩi xe hoặc SO2 từ các nhà máy. Chất gây ơ nhiễm thứ cấp khơng sinh ra trực tiếp từ các quá trình mà được tạo thành trong khơng khí khi các chất ơ nhiễm sơ cấp tương tác với nhau. Một ví dụ điển hình về chất gây ơ nhiễm thứ cấp là ozone tầng thấp, một trong nhiều chất gây ơ nhiễm tạo nên lớp sương quang hĩa. 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 cịn gọi là phản ứng quang hĩa. Cần lưu ý rằng, một số chất gây ơ nhiễm khơng khí cĩ thể là sơ cấp và Phân tử benzene TS. Lê Quốc Tuấn Khoa Mơi Trường và Tài Nguyên, ĐH Nơng Lâm TP.HCM thứ cấp. Cả hai đều sinh ra trực tiếp từ các chất gây ơ nhiễm sơ cấp. Theo nghiên cứu của trường sức khỏe cơng cộng thuộc đại học Harvard, khoảng 4% người chết ở Mỹ là do ơ nhiễm khơng khí. Phần lớn hợp chất gây ơ nhiễm khơng 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 cơng nghiệp khác. Bởi vì than và dầu lửa thường chứa các hợp chất cĩ chứa lưu huỳnh, do đĩ quá trình đốt cháy nhiên liệu sẽ tạo ra SO2. SO2 tiếp tục bị oxi hĩa 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 ơ nhiễm mơi 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 cĩ màu nâu đỏ, cĩ vị đắng. NO2 là một trong những chất gây ơ nhiễm khơng khí chủ yếu. 3. Carbon monoxide (CO) Là chất khí khơng màu, khơng mùi, khơng cháy nhưng rất độc. Nĩ là sản phẩm của quá trình đốt cháy khơng hồn tồn 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 ơ nhiễm khơng khí quan trọng. Chúng thường được chia thành 2 nhĩm riêng biệt đĩ là nhĩm methane (CH4) và nhĩm khơng methane. Methane là loại khí gây hiệu ứng nhà kính chủ yếu, nĩ gĩp 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 trị 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 khơng khí vùng. Trong các hợp chất hữu cơ bay hơi, các hợp chất cĩ vịng như benzene, toluene và xylene là các hợp chất cĩ tiềm năng gây ung thưc cao và cũng cĩ 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 cơng nghiệp 6. Bụi lơ lững Bụi lơ lững là các hạt mịn ở dạng rắn hoặc lỏng hịa tan trong khơng 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 Mơi Trường và Tài Nguyên, ĐH Nơng Lâm TP.HCM cĩ thể do con người hoặc tự nhiên. Một vài loại bụi cĩ 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 hĩa thạch cũng sinh ra một lượng lớn các sol khí. Tính trung bình trên tồn 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 khơng khí liên quan đến sức khỏe cộng đồng như gia tăng các bệnh về tim mạch, hơ hấp và ung thư đặc biệt là ung thư phổi. 2.4. Độc chất trong mơi trường nước 2.4.1. Chất hữu cơ dể bị phân hủy trong mơi trường nước Các chất này xuất phát từ các cống thải nước sinh hoạt, chất thải cơng nghiệp, trại chăn nuơi. Nước bị ơ nhiễm cần một lượng oxy cao cung cấp cho vi sinh vật phân hủy các chất, do đĩ làm suy giảm oxy hịa tan trong nước dẫn tới sự chết của động vật thủy sinh. Ngồi ra các sản phẩm của quá trình phân hủy chất hữu cơ cĩ thể trở thành độc chất đối với thủy sinh vật. Sự tiếp nhận độc chất đi vào trong mơi trường nước qua hệ thống cống thải TS. Lê Quốc Tuấn Khoa Mơi Trường và Tài Nguyên, ĐH Nơng Lâm TP.HCM 2.4.2. Các tác nhân gây bệnh Gồm các lồi sinh vật cĩ khả năng lây nhiễm được đưa vào trong mơi trường nước. Ví dụ như nước thải của các bệnh viện khi chưa được xử lý hoặc xử lý khơng 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, cơng nghiệp và nơng nghiệp. Khi cĩ 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 cĩ 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 ơ nhiễm hữu cơ cho nguồn nước. Độc chất trong nước gây nên hiện tượng cá chết hàng loạt 2.4.4. Các hĩa chất tổng hợp – bền vững Những chất này cĩ nguồn gốc từ các chất tẩy rửa, thuốc trừ sâu, thuốc kích thích sinh trưởng, thuốc diệt cỏ, hĩa chất cơng nghiệp…Các chất này cĩ 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 Mơi Trường và Tài Nguyên, ĐH Nơng 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 vơ cơ và khống chất Bao gồm các kim loại, các ion, dầu mỏ, các chất rắn và nhiều hợp chất hĩa học khác. Chúng cĩ nguồn gốc từ cơng nghiệp khai thác mỏ, hoạt động khai thác dầu, sản xuất nơng nghiệp, các hiện tượng tự nhiên như xĩi mịn, phong hĩa, 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 phĩng xạ Ơ nhiễm phĩng xạ bắt nguồn từ việc khai khác mỏ quặng phĩng xạ, hoạt động của các lị 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. Tĩm lại, các loại độc chất đi vào trong mơi trường nước bằng nhiều con đường khác nhau, cĩ cơ chế hoạt động phức tạp hơn khi được chuyển hĩa trong mơi trường, khi tương qua lại giữa chúng hoặc giữa chúng với các cấu thành của hệ thống sinh thái thủy sinh.