Tính độc của các hợp chất thơm halogen hóa docx

TÍNH ĐỘC CỦA CÁC HỢP CHẤT THƠM HALOGEN HÓA 1.. Chúng có thể gây ra các chứng như: - Rối loạn chuyển hóa porphyrin porphyria - Bệnh ban Clo ngoài da chloracne - Độc bào thai embryo toxici

TÍNH ĐỘC CỦA CÁC HỢP CHẤT THƠM HALOGEN HÓA

1 GIỚI THIỆU:

Các hợp chất thơm halogen hóa(PAC = polychlorinated aromatic compound), đặc biệt là PCB

(polychlorinated biphenyl) và PCDD (polychlorinated dibenzo-p-dioxin) đã được giới khoa học, quản lý nhà nước, báo chí và công chúng chú ý đến rất nhiều trong hai thập niên vừa qua Trong 40 năm đầu tiên trên 50 năm có mặt trên thị trường, polychlorinated biphenyl được đánh giá là những chất trơ về mặt sinh học và có ích trong sản xuất công nghiệp Các chất trong nhóm hợp chất halogen hóa có:

- Bromobenzen

- Hexachlorobenzen

Biphenyl

Dibenzofuran

Dibenzodioxin

Các chất kể trên có tác động đến cytochrome P450 và các men biến dưỡng hóa chất ngoại sinh (xenobiotic metabolizing enzymes) Chúng có thể gây ra các chứng như:

- Rối loạn chuyển hóa porphyrin (porphyria)

- Bệnh ban Clo ngoài da (chloracne)

- Độc bào thai (embryo toxicity)

- Gây biến dạng (teratogenesis)

ĐCHMT nghiên cứu về những mối hiểm nguy do tiếp xúc với các hợp chất thơm halogen hóa gây ra

2 SỰ HALOGEN HÓA:

Clo vô cơ là một ion chính có hoạt tính sinh lý, tuy vậy các halogen trong đó có clo nối cộng hóa trị với carbon ít có mặt trong thiên nhiên Người ta đã tìm thấy nhiều halogen lạ trong các sinh vật biển, nấm và sinh vật bậc cao Các sinh vật biển phải sống trong môi trường có nồng độ halogen cao nhưng những sinh vật trên cạn và nước ngọt ít chứa các halogen nối cộng hóa trị (Thyroxin là một ngoại lệ)

Halogen dễ sản xuất với giá rẻ, chúng nối kết dễ dàng vào nguyên tử carbon, đặc biệt là các carbon chưa bảo hòa Halogen được dùng nhiều trong việc chế tạo dung môi, hóa chất công nghiệp, nông dược và dược phẩm Thông thường người ta halogen hóa các chất để gia tăng trọng lượng phân tử của các hợp chất, tức là tăng trọng lượng riêng, điểm sôi, điểm nóng chảy và áp suất hơi PCB cũng được chế tạo bằng cách chlorine hóa biphenyl cho tới khi đạt được những tính chất mong muốn

Các hợp chất halogen hóa có tính bền vững cao hơn Nối C -X (X = halogen) bền vững hơn nối C-H Tính bền vững này lại không tốt về mặt môi trường vì chúng tồn lưu quá lâu Trong thiên nhiên DDT å DDE bền vững hơn

Bảng 1 và 2 trình bày một số các chất halogen và các đặc tính của nó, mức halogen hóa càng cao thì tính hòa tan trong nước càng giảm Các chất halogen hóa có khả năng trộn lẫn với nhau và với các vật chất không phân cực khác như dầu và các chất béo nguồn gốc sinh học Các chất halogen hóa có xu hướng tích lũy trong mô mỡ động vật do đó khó chuyển hóa sinh học hoặc bị bài tiết ra ngoài Sự tích lũy sinh học của các hợp chất không phân cực là rất cao, đôi khi sinh vật tích lũy nồng độ cao hơn ở mức lũy thừa 3 đến 6 so với nồng độ trong nước mà chúng đang sống

Tính bền vững và thích chất béo là chỉ tiêu quan trọng để đánh giá khả năng tích lũy sinh

học, trong khi đó tính hòa tan trong nước và bốc hơi là chỉ tiêu để đánh giá mức độ phát tán trong môi trường Thông thường các hydrocarbon halogen hóa có nồng độ thấp trong nước và cao hơn trong đất, bùn đáy và sinh vật Sự tích lũy sinh học trong nhiều loài sinh vật khác nhau gọi là sự phát tán sinh học (bio dispersion) Sự phát tán này đáng kể ở các loài côn trùng vìø các giai đoạn ấu trùng phát triển trong nước hoặc lớp đất mặt

Các chất có độ bốc hơi cao sẽ phân tán nhanh chóng vào không khí, các hợp chất có độ bốc hơi trung bình hoặc thấp bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi các điều kiện khí hậu và được đưa đi một quãng ngắn trong khí quyển hoặc bị giữ lại lâu dài trong các phức chất khác

Bảng 1 Một số đặc tính của các Benzene halogen hóa

phân tử

Tỷ trọng Nhiệt độ (o C )

Điểm tan Ở 1 atm (1)

Độ hòa tan trong chất lỏng

(mmol/l) Benzene

1- F

1- Cl

1- Br

1- I

1- Cl

1,3- Cl

1,4- Cl

1,2,3- Cl

1,3,5- Cl

1,2,3,4- Cl

1,2,4,5- Cl

Penta- Cl

Hexa- Cl

Phenol

Penta-Cl Phenol

78

96

113

157

204

113

147

147

181

181

216

216

250

285

94

266

0,878 1,022 1,107 1,495 1,831 1,107 1,288 1,288 1,454 1,454 1,858

1,834 2,044 1,071 1,978

5,5 -42 -45 -31 -28 -45 -24 -24 68 64 46 139 84 231 41 190

80

85

132

156

189

132

173

174

218

208

254

245

276

309

182

309

24,1

4,30 2,86

4,30 0,83 0,53 0,12 0,029 0,036 0,0059 0,0026 0,000017

708

30

(1) Độ nhiệt khí sinh ra ở 1 atm

Bảng 2 Đặc tính của một số Chlorobiphenyls

Số theo

IUPAC

phân tử

Điểm tan Độ hòa tan

trong nước (μmol/l)

Thời gian lưu tương đối trong sắc ký (OCN= 1,0)

1

4

15

18

28

31

37

44

52

70

77

95

101

110

118

126

128

136

153

194

2 2,2/ 4,4/ 2,5,2/ 2,4,4/ 2,5,4/ 3,4,4/ 2,3,2/,5/ 2,5,2/, 5/ 2,5,3/, 4/ 3,4,3/, 4/ 2,3,6,2/, 5/ 2,4,5,2/, 5/ 2,3,6,3/, 4/ 2,4,5,3/, 4/ 3,4,5,3/, 4/ 2,3,4,2/, 3/, 4/ 2,3,6,2/, 3/, 6/ 2,4,5,2/, 4/, 5/ 2,3,4,5,2/, 3/, 5/, 5/

189

223

223

258

258

258

258

292

292

292

292

326

326

326

326

326

361

361

361

430

34 60 148 45 57 67 87 48 88 104 178 99 77 oil 109 154 150 114 103 156

23,4 3,5 0,2 0,2 0,3 0,4

0,6 0,052 0,056 0,039 0,013

0,0012 0,017 0,0033 0,00029

0,1554 0,2245 0,3387 0,3378 0,4031 0,4024 0,4858 0,4832 0,4557 0,5407 0,6295 0,5464 0,5816 0,6314 0,6693 0,7512 0,7761 0,6257 0,7036 0,9620

3 CÁC HYDROCARBON HALOGEN HÓA:

Các halides hữu cơ (hay các hydrocarbon halogen hóa) được sản xuất rất nhiều Ví dụ: hằng năm ở Mỹ sản xuất hàng trăm triệu tấn các alkyl halides như: chloroform và hexa chloroethane Năm 1978 Mỹ sản xuất 11 × 109 cân Anh chất dichloroethane Các vinyl halides như dichloroethylene và vinyl chloride cũng được sản xuất rất nhiều Một số alkyl halide như chloral hydrate, halothane và chloroform tác hại hệ thần kinh Những chất biến dưỡng của alkyl halide và vinyl halide có tính độc cho gan và thận cũng như gây ung thư

Các alicyclic halogen hóa như lindane, toxaphene, mirex, aldrin và heptachlor cũng là những chất có độc tính sinh thái cao

4 CÁC CHẤT THƠM HALOGEN HÓA:

Các hợp chất phenol và phenoxy halogen hóa có tính phân cực cao hơn các hợp chất thơm halogen hóa, do vậy chúng có phản ứng khác nhau Các chất này có thể được bào chế cho một mục tiêu sử dụng nào đó (pentachlorophenol, 2,4 - dichlorophenoxy acetic acid) hoặc chúng là

các chất trung gian hay phó sản của quá trình sản xuất các hóa chất khác hoặc là sản phẩm phân hủy các hóa chất phức tạp Đặc tính phân cực của các chất thơm halogen hóa làm chúng có thể đạt đến nồng độ cao trong môi trường lỏng và phân bố đồng đều trong các mô bào

Các benzene halogen hóa như bromobenzene, p-dichlorobenzene (PDB) và hexachlorobenzene (HCB) đều có tính ưa mỡ cao Do vậy trước khi bị loại thải chúng đã đi vào các quá trình biến dưỡng PDB và HCB có thể thăng hoa do vậy dễ tiếp xúc ở dạng aerosol Các hợp chất này gây hại cho gan, thận và hệ thần kinh Các chất biến dưỡng gồm những phenol halogen hóa có hoạt tính sinh học, gây ra biến dị và ung thư Một số halobenzene như PDB có độc tính thấp, trong khi đó thì HCB là một chất có ảnh hưởng đến hệ men vi thể và các chất sinh porphyrin

Khi các vòng thơm nối kết với nhau để tạo ra naphthalene hoặc biphenyl thì các chất này sẽ tăng độ bền vững và gia tăng khả năng halogen hóa PCN (polychlorinated naphthalene) có công dụng tương tự PCB được bán ra thị trường dưới nhãn hiệu Halowax PCB (polychlorinated biphenyl) được dùng làm chất làm chậm (retardant) Trong hợp chất PCB nếu thay thế Cl bằng Br thì độc tính sẽ tăng lên Bảng 3 và 4 trình bày các trường hợp ngộ độc nhóm chất thơm halogen hóa và những vùng bị nhiễm

Bảng 3 Một số trường hợp bị nhiễm độc do các hợp chất thơm halogen hóa

độc

Nguồn chất độc Năm 1916

Những năm

1940 và 1950

Năm 1950

Năm 1955

Năm 1968

Những năm

1960

Năm 1973

Năm 1976

Năm 1979

Bệnh ban Clo ngoài da Bệnh X trên gia súc

Bệnh thủy thủng(edema)

ở gà con Bệnh rối loạn chuyển hóa Porphyrin (Thổ Nhĩ Kỳ) Yusho (Nhật Bản)

Chất độc màu da cam (Việt Nam)

PBB (Michigan)

Seveso (Italy) Yucheng (Taiwan)

PCN PCN

PCDD, PCN, PCB

HCB PCB, PCDF TCDD PBB

TCDD PCB, PCDF

Do SX mặt nạ chống hơi độc

Nhiều nguồn khác nhau

Do đun nóng chất béo với Chlorophenol

Hạt lúa mì bị xử lý đem xay làm bột

Dầu gạo bị nhiễm dung dịch trao đổi nhiệt

Phun thuốc diệt cỏ từ máy bay

Trong chất giảm cháy và trong thức ăn gia súc

Nổ nhà máy hóa chất Dầu gạo bị nhiễm dung dịch trao đổi nhiệt

Bảng 4 Các khu vực bị nhiễm nhiều PCA

Khu vực PCA (1) Loại hữu sống bị hại (2)

Biển Baltic và Bắc Hải

Ngũ Đại Hồ (Mỹ)

Sông Hudson (Mỹ)

Seveso (Italy)

Sông Sheboygan (Mỹ)

Thủy đạo St.Lawrence (Mỹ)

Bãi biển Time (Mỹ)

PCB > DDT

PCB > DDT > Cyclodien PCB

PCDD PCB PCB > DDT TCDD

Cá, động vật có vú ở biển, chim ăn cá

Cá, chim ăn cá Cá

Gia súc, thú hoang Cá, chim

Cá, cá voi Thú hoang

(1) Là loại độc tính cao nhất được biết đến rộng rãi nhất Ngoài ra các chất độc khác như kim loại nặng và các hợp chất thơm đa nhân cũng có mặt với những hàm lượng thay đổi

(2) Bao gồm những giống loài bị hại chủ yếu (trừ con người) ở vùng bị nhiễm

5 CÁC CHẤT PCB, PCDF VÀ PCDD

5.1 Việc sản xuất sử dụng và phát tán

PCB được tổng hợp lần đầu vào thế kỷ 19 nhưng mãi đến năm 1930 mới được sản xuất và tiêu thụ mạnh PCB có nhiều công dụng và toàn thế giới đã dùng đến 1,2 × 109 kg Vào những năm

1970 không còn sản xuất PCB nữa Các tên thương mại của PCB và hãng sản xuất được ghi ở Bảng 5

Bảng 5 Các sản phẩm thương mại của PCB và nhà sản xuất

Aroclor

Aroclor, Santotherm

Chlophen

Delor

Fenclor

Kanechlor

Phenoclor, Pyralene

Soval

Monsanto (Mỹ) Mitsubishi - Monsanto (Nhật) Bayer (Đức )

Chemko (Tiệp Khắc) Caffaro (Ý)

Kanegafuchi (Nhật) Prodelec (Pháp) Sovol (Liên Xô)

PCB có trong tăng phô đèn và tụ điện, chất lỏng thủy lực (hydraulic fluids), chất lỏng truyền nhiệt (heat transfer fluids) chất dẻo, chất dính, chất bôi trơn, dầu vật kính hiển vi, chất làm chậm cháy (flame retardant), làm chất độn (extender) hoặc dung môi cho các chất khác Lớp hồ chứa PCB phủ bên trong các silo đựng ngũ cốc nhiễm vào sữa bò khi chúng ăn các ngũ cốc lấy từ silô, những người sống ở nơi này cũng bị nhiễm PCB trong các sản phẩm nhựa và chất dính trong các dụng cụ chăn nuôi cũ kỹ có thể lan sang chuỗi thực phẩm Các sản phẩm như dầu thắng và giấy copy không carbon giúp PCB lan truyền rộng rãi PCB có trong các tăng

phô hiện có là nguồn lan nhiễm vào môi trường Các đèn huỳnh quang chế tạo trước năm

1972 cũng như các dụng cụ điện cũ kỹ là nguồn lan nhiễm PCB trong không khí nhà bếp

PCB là chất ít độc cấp tính, nhưng nếu tiếp xúc nhiều trong sản xuất công nghiệp sẽ tạo ra các bệnh da và thận Tuy nhiên, tác dụng độc kinh niên cũng như tác động lên sinh thái của PCB vẫn chưa được hiểu rõ hoàn toàn Do việc sử dụng PCB rộng rãi mà chưa chú ý đến môi trường cũng như chưa chú ý đến tác động lên sức khỏe con người đã góp phần đưa các hóa chất này vào môi trường

Năm 1966 nhà nghiên cứu Soren Jensen công bố thông tin rằng PCB thường xuất hiện trong sắc ký đồ phân tích thuốc BVTV trong thiên nhiên Thụy Điển Năm 1969 ngộ độc PCB đã xảy

ra ở Nhật Bản, lúc đó khoảng 1/3 tổng lượng PCB đã đi vào môi trường Không giống như PCB, các chất polychlorinated dibenzofuran (PCDF) và dibenzo dioxin (PCDD) không được sản xuất nhiều mà chỉ có ở lượng nhỏ dưới dạng chất chuẩn dùng trong phân tích hoặc trong nghiên cứu PCDF và PCDD là tạp chất sinh ra trong quá trình sản xuất các chất thơm Clo hóa khác, đặc biệt khi sử dụng các hợp chất phenol trong quá trình tổng hợp Các chất này sinh ra khi đốt các hợp chất Clo hóa Đốt rác đô thịï cũng sinh ra PCDF và PCDD (do sự cháy các vật chất hữu cơ cùng lúc với các chloride vô cơ)

PCB nếu bị đốt nóng lâu sẽ chuyển thành PCDF Chất lỏng chứa bên trong bộ trao đổi nhiệt rò

rỉ vào dầu gạo ở Nhật gây ra tai nạn ngộ độc PCB ở Yusho năm 1968 (PCB này lại chứa đựng một lượng PCDF đáng kể làm tăng thêm tính độc) Muội than tích tụ từ sự đốt các tăng phô chứa PCB trở nên độc hơn do tích lũy thêm PCDF và PCDD Nhiệt độ hình thành của PCDF và PCDD vào # 250-350o C và chúng chỉ bị hủy đi ở nhiệt độ 800o C Do vậy kiểm soát nhiệt độ cẩn thận trong quá trình đốt là biện pháp để giảm các chất PCA chẳng hạn như chất độc màu da cam Đốt không kiểm soát ở nhiệt độ thấp các sản phẩm điện tạo ra các loại hơi cực độc Thành phần các đồng phân có ảnh hưởng đến hoạt tính sinh học của các chất

Bảng 6 Số lượng đồng gốc của một số hợp chất thơm tiêu biểu

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Tổng số

1

3

4

3

1

1 _ _ _ _

13

2

10

14

22

14

10

2

1 _ _

75

4

16

28

38

28

16

4

1 _ _

135

3

12

24

42

46

42

24

12

3

1

209

Bảng 7 Thành phần phân tử (% xấp xỉ trọng lượng/ trọng lượng) của Aroclors

Mono Cl

Di Cl

Tri Cl

Tetra Cl

Penta Cl

Hexa Cl

Hepta Cl

Octa Cl

Deca Cl

1,0 16,0 49,0 25,0 8,0 1,0

<0,1

ND

ND

<0,1 0,5 1,0 21,0

48,0 23,0 6,0

ND

ND

ND

ND <0,5

1,5 12,0 38,0 41,0

8,0 <0,1

ï

5.2 Các đặc tính lý hoá sinh:

Sự oxid hóa ở nhiệt độ cao là một trong những yếu tố làm thay đổi thường xuyên thành phần của phức hợp dư lượng PCA Trong thiên nhiên hiện nay có lẽ có đủ 400 đồng loại của PCA cùng với các chất thơm Clo hóa hoặc bromine hóa khác (ví dụ: phenol, benzene, naphthalene, azobenzen)

Các đồng loại có chứa nhiều Cl nhất thì sẽ có trọng lượng phân tử, độ nóng chảy cao nhất và áp suất hơi thấp nhất Tuy nhiên các tính chất trên cũng bị ảnh hưởng bởi vị trí của nguyên tử

Cl Thời gian lưu của một chất đồng loại trong máy sắc ký là trị số xấp xỉ của độ bốc hơi của nó Khi Clo gắn vào vị trí para, chất đồng phân giảm độ bốc hơi và thời gian lưu trong máy sắc ký gia tăng Clo ở vị trí ortho làm giảm thời gian lưu trong máy sắc ký so với các đồng loại khác Tính bốc hơi có ảnh hưởng mạnh mẽ đến sự phát tán của các chất đồng loại với PCB và

dư lượng của chúng trong môi trường Tính hòa tan trong nước cũng có ảnh hưởng mạnh đến sự tích tụ của các chất đồng loại Một số vi khuẩn trong đất hoặc bùn đáy (ở điều kiện hiếu khí hay yếm khí) có khả năng phân giải PCB Khả năng phân giải các chất đồng loại của PCB của vi khuẩn tỉ lệ nghịch với hệ số phân ly của chúng Tiến trình khử Clo có thể có bản chất men trong đó các vi khuẩn kỵ khí có thể hưởng lợi nhiều thường do khuynh độ năng lượng tự

do lớn hơn do phản ứng khử Clo các hợp chất thơm Sự khử Clo trong điều kiện yếm khí có ý nghĩa quan trọng vì PCB có nồng độ cao trong bùn đáy, khi các phân tử Clo bị khử đi, PCB sẽ dễ bị tác động bởi với các men 2,3- và 3,4- dyoxygenase của vi khuẩn hiếu khí cũng như monooxygenase P450 ở các sinh vật bậc cao

5.3 Thành phần và phân tích:

ĐCHMT tùy thuộc chặt chẽ vào hóa học phân tích Trong hai thập niên vừa qua, hóa học phân tích đã phát triển rất mạnh do đó đã giúp cho việc phân tích ngày càng chính xác hơn và nồng

độ phát hiện ngày càng nhỏ hơn Hầu hết các phương pháp phân tích sử dụng kỹ thuật chiết trích bằng các dung môi không phân cực và dùng sắc ký khí hoặc lỏng với đầu dò cộng kết điện tử(ECD=electron capture detector) ECD cực kỳ nhạy với các hợp chất halogen hóa vì vậy các dung môi thuốc thử và dụng cụ thủy tinh có thể ảnh hưởng nếu không duy trì những tiêu chuẩn khắt khe trong phòng thí nghiệm

Các chất đồng loại(congener) của PCB có tính bốc hơi cao sẽ dễ hòa tan trong nước và dễ bị phân hủy sinh học Chẳng hạn như Aroclor chứa 42% trọng lượng là chlorine do đó nó chứa tỉ lệ cao chất đồng loại ít chlorine hơn so với Aroclor 1254 và 1260 Trong môi trường, các chất đồng loại chứa ít Clo bị mất đi rất nhanh do sự hấp thu của phiêu sinh vật và cá nhỏ Các Aroclor có lượng clo cao có xu hướng tích lũy vào đáy bùn

6) ĐỘC TÍNH CỦA CÁC PCB

Các biểu hiện thông thường khi các động vật khác nhau tiếp xúc với PCB gồm có:

Ảnh hưởng gan:

-Chứng gan to (hepatomegaly) phân cắt tế bào vô độ ở ống dẫn mật

-Hoại tử lan rộng (ở thỏ) hoặc cục bộ (chuột)

-Tích lũy mỡ, thái hóa mô mỡ

-Sự cảm ứng của các men monooxygenase vi thể và các men khác

-Giảm hoạt tính của các men ATPase ở màng

-Suy kiệt các vitamin hòa tan trong chất béo, đặc biệt là vitamine A

-Rối loạn chuyển hóa porphyrine

Ảnh hường hệ tiêu hóa:

-Phình to (hypertrophy) hoặc phân cắt tế bào vô độ (hyperplasia)

-Loét và hoại thư bao tử

-Màng nhầy ruột bị phù (ở khỉ), phân cắt tế bào vô độ

-Xuất huyết, hoại tử (chuột túi, bò)

Ảnh hưởng hệ hô hấp

-Viêm phổi kinh niên, ho kinh niên

Ảnh hưởng hệ thần kinh:

-Làm biến đổi mức catecholamine

-Hành vi sai lạc

-Cử động tức thời bị sai lạc

-Bị tê ở các đầu chi

Aûnh hưởng da

-Ban clo ngoài da (đặc trưng đối với người)

-Edema, rụng lông tóc (alopecia)

Độc đối với hệ miễn dịch

-Thoái triển hệ lympho (lách=spleen, hạch bạch huyết=lymph node, tuyến ức= thymus)

-Suy giảm lượng lympho bào tuần hoàn

-Suy giảm đáp ứng của kháng thể

-Tăng tính nhạy cảm với virus

-Ức chế các tế bào tiêu diệt (natural killer cells) tự nhiên

Hệ nội tiết

-Thay đổi mức steroid tuần hoàn

-Phân bào vô độ ở vỏ thận

-Bệnh lý tuyến giáp, thay đổi các hormone tuyến giáp tuần hoàn

Ảnh hưởng hệ sinh sản

- Kéo dài thời kỳ có kinh

- Giảm dục tính

- Ảnh hưởng đến phôi và bào thai

Gây ung thư:

- Có khả năng gây ung thư

Các đặc điểm quan trọng nhất về tính độc của các chất PCB là:

1) Các chất gốc (chứ không phải là các chất biến dưỡng) có tác dụng độc

2) Tác dụng độc bị điều tiết do hiện tượng nối kết với các chất nhận cytosol (“Ah”)

3) Mỗi chất đồng loại (congener) đều có thể gây ra toàn bộ hội chứng