Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG TRONG MÔI TRƯỜNG ppt

CÁC YẾU TỐ MÔI TRƯỜNG ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘC TÍNH KIM LOẠI NẶNG Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự biến dưỡng và tác động của kim loại nặng.. Độc tính của kim loại nặng cũng bị biến đổi khi si

Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG TRONG MÔI TRƯỜNG

I GIỚI THIỆU

Có 40 nguyên tố được xếp loại vào nhóm kim loại Nhiều kim loại, như nhóm kiềm thổ và một số vi lượng rất cần thiết cho sự sống và cũng có những chất có độ độc hại rất cao Những nguyên tố bán đa lượng như calcium(Ca), magnesium(Mg), sắt(Fe), kalium(K) và natrium(Na) là những chất quan trọng cho sự sống nhưng chúng trở nên độc hại khi vượt quá một nồng độ nhất định Các vi lượng như Cr, Co, Cu, Mn, Ni, Se và Zn có trong cấu tạo của nhiều loại phân tử quan trọng và là các đồng yếu tố (cofactor) của những men có mặt trong các quá trình biến dưỡng Nồng độ các chất kể trên nếu quá cao cũng trở nên độc hại Một số chất khác như Pb, Cd và Hg tác hại đến các mô ở bất kỳ nồng độ nào

Các kim loại được dùng làm chất độc từ rất lâu Chì và bạc đã được dùng vào 2000 năm trước thiên chúa giáng sinh Theophratus (380 BC) đã đề cập đến As và Hg Hippocrates là người đầu tiên đề cập đến các cơn đau bụng do tiếp xúc với kim loại Chì có trong hệ thống ống dẫn nước có liên quan đến sự suy thoái và sụp đổ của đế quốc La Mã Biến cố ngộ độc thủy ngân do ăn các hải sản ở vịnh Minamata Nhật Bản là một mốc quan trọng giúp nhân loại chú ý hơn về tác động của các kim loại tích lũy trong môi trường

Trong việc xác định các mối nguy hiểm đi kèm với các ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường, việc quan trọng nhất là xác định cho được các sinh vật nhạy cảm nhất đối với kim loại nặng Thông thường động vật nhạy cảm với kim loại nặng hơn thực vật, và con người nhạy cảm với kim loại nặng hơn hết

II NGUỒN PHÁT SINH KIM LOẠI NẶNG

Vỏ trái đất là nguồn lớn nhất của kim loại nặng Con người không thể tạo ra hoặc tiêu hủy được kim loại nặng, chúng chỉ bị dịch chuyển do các chu kỳ địa chất và sinh học Các hoạt động liên quan đến công nghiệp và kỹ thuật của con người mang kim loại ra ngoài các quặng mỏ và tạo ra các dạng kim loại mới rồi đưa kim loại nặng vào môi trường thông qua việc đốt các địa khai

2.1 Công nghiệp

Kim loại nặng gây ô nhiễm môi trường không phải chỉ xuất phát từ thiên nhiên mà còn từ các hoạt động công nghiệp của con người Việc đốt các sản phẩm địa khai phóng vào không khí khoảng 20 kim loại nặng độc hại trong đó có As, Be, Cd, Pb và Ni Các sản phẩm công nghiệp và thứ liệu công nghiệp có thể chứa nồng độ kim loại nặng cao Chẳng hạn, thủy ngân được dùng trong công nghiệp sản xuất ra Cl và sút (NaOH) trong công nghiệp sản xuất bột giấy, sản xuất pin, các bóng đèn huỳnh quang, công tắc điện, sơn, các sản phẩm nông nghiệp, sản phẩm dùng cho răng và dược phẩm

Chì ở dạng tetraethyl có trong xăng và các nguyên liệu đốt dùng trong công nghiệp là một nguồn gây nhiễm quan trọng

Khi khai quặng kẽm và chì sẽ sinh ra phó sản là cadmium gây ô nhiễm môi trường quan trọng Cd dùng nhiều trong công nghiệp sản xuất sơn, sắc tố, pin và nhựa Cd cũng dùng cho các sản phẩm chống ăn mòn thép, sắt, đồng, đồng thau và các hợp kim khác

2.2 Các sản phẩm nông nghiệp

Các kim loại nặng có mặt trong phân bón bao gồm Cd, Cr, Cu, Mn, Mo, Ni và Zn Nguồn As chủ yếu là từ các thuốc BVTV Arsenat chì là một chất thường có trong nước thải công nghiệp và cũng là một chất dùng trong BVTV

2.3 Thực phẩm và các phụ gia thực phẩm

Đối với người, con đường hấp thu kim loại nặng nhiều nhất là thông qua các loại thực phẩm và các phụ gia thực phẩm Sự hấp thu kim loại nặng thường thông qua hai cách: cách thứ nhất là do sự nuốt tình cờ các thực phẩm hoặc vật chất có chứa kim loại nặng Chẳng hạn trẻ em thường hay nuốt phải các thỏi sơn chứa chì Trong các thỏi sơn, lượng chứa kim loại nặng thường từ 50 đến 100g trên 1 cm2 Nuốt một vài thỏi sơn mỗi ngày là lượng chì đã quá mức cho phép hấp thu hàng ngày (Acceptable Daily Intake)

Thời đế quốc La Mã (509 - 476 AD), nước được dẫn đến các gia đình quý tộc bằng ống chì, do vậy họ tiêu thụ một lượng chì rất lớn Ngoài ra nhiều vật chứa đựng thức ăn cũng chứa chì Do vậy họ hấp thu một lượng chì lớn và dẫn đến các bệnh tật thần kinh kinh niên Cách thứ hai là từ sự tích lũy tăng bội sinh học qua chuỗi thực phẩm Một ví dụ điển hình là sự tích lũy thủy ngân methyl trong cá ở vịnh Minamata Nhật bản Người ta cũng tìm thấy Cd trong thịt, cá và trái cây

Chất bùn cống và bùn từ nhà máy xử lý nước thải ngoài lượng N, P và S cũng chứa các kim loại nặng như Cd, Cr, Cu, Pb, Hg, Ni và Zn thường được đem dùng làm phân trong sản xuất nông nghiệp Kim loại nặng ít rửa trôi trong điều kiện đất không bị chua hóa nhưng chúng vẫn được cây hút vào rồi đi vào chuỗi thực phẩm

III CÁC YẾU TỐ MÔI TRƯỜNG ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘC TÍNH KIM LOẠI NẶNG

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự biến dưỡng và tác động của kim loại nặng Các yếu tố này bao gồm tính chất đặc thù của sinh vật tiếp xúc với kim loại nặng Các tính chất này gồm: tuổi, khẩu phần, tìng trạnh miễn dịch, tính phái và giống loài Độc tính của kim loại nặng cũng bị biến đổi khi sinh vật tiếp xúc cùng lúc hoặc trước đó với những điều kiện phi sinh vật như ánh sáng, ẩm độ, tốc độ gió, lượng mưa, độ phóng xạ và sự thay đổi nhiệt độ

3.1 Nhiệt độ

Sự thay đổi của nhiệt độ môi trường bên ngoài ảnh hưởng đến sự biến dưỡng của các vật chất phi sinh học ở động vật máu nóng lẫn máu lạnh Có hai loại tác động của nhiệt độ: sự gia tăng tính độc có thể diễn ra khi có sự tăng hoặc giảm nhiệt độ Thông thường khi nhiệt độ nước biển gia tăng thì độ độc của kim loại nặng lên các sinh vật vô sống tăng theo (có một số ngoại lệ) Tuy nhiên không thể suy luận ra mối quan hệ đặc trưng giữa độc tính của kim loại nặng và các loài cá nước biển hoặc nước ngọt Chẳng hạn nếu cá hồi tiếp xúc với nitrate bạc thì độc tính thay đổi theo nhiệt độ, nhưng khi cá này tiếp xúc với đồng thì độc tính lại tỉ lệ nghịch với nhiệt độ Tương tự, độc tính của Cd đối với loài cá khác cá hồi tỷ lệ nghịch với nhiệt độ, trong khi đó đối với cá

Oryzias latipes thì ngược lại Ở các động vật đẳng nhiệt, các loài hữu sống trên cạn, ảnh hưởng

của nhiệt độ bị biến đổi do sự tác động của các hormones, trong khi đó ở các động vật vô sống trên cạn và thực vật thì có sự gia tăng đồng hóa ở nhiệt độ cao

3.2 Ánh sáng

Tính chất thay đổi giữa ngày và đêm của biến dưỡng tùy thuộc vào chu kỳ sáng hơn là cường độ sáng Các loại men liên quan đến sự giải độc có một nhịp điệu ngày đêm trong đó hoạt tính mạnh nhất xảy ra vào một thời khoảng nào đó trong chu kỳ sống Hoạt tính mạnh nhất của cytochrom

P450 trong các phản ứng giải độc, diễn ra vào thời kỳ đầu của pha tối

Sự biến đổi tỉ lệ sáng tối cũng ảnh hưởng sâu sắc đến biến dưỡng kim loại ở một số sinh vật như

bọn isopod Oniscus asellus Bọn này biến thái ở điều kiện sáng 18 giờ và tối 8 giờ nhưng sẽ

ngừng biến thái nếu tỉ lệ sáng/tối kể trên đảo ngược lại

3.3 pH

pH là một yếu tố phi sinh vật quan trọng qui định tính dễ sử dụng của kim loại cho thực vật Sự phân hủy của xác bã hữu cơ làm giảm pH đất do sự phóng thích các acid hữu cơ Sự giảm pH làm tăng tính di động của các loại muối kim loại nặng trong đất Mưa acid thúc đẩy sự di động của kim loại độc và không độc trong nước và đất và cũng có thể thúc đẩy sự biến đổi một số kim loại nặng sang các thể độc hại hơn

3.4 Sự thích ứng, sự tiếp xúc thay đổi và sự trộn lẫn:

Các số liệu về độ độc cấp tính (chứ không phải là các nghiên cứu về độ độc kinh niên trong phòng thí nghiệm) cho thấy có sự thích ứng với độc tính của các kim loại nặng Trắc nghiệm tính

độc với cá hồi (Salmo gairdneri) cho thấy là nếu tiếp xúc trước với đồng trong vòng 21 ngày thì

sẽ có sự quan hệ chặt chẽ giữa sự tiếp xúc trước với đồng và LC50 cấp tính Cá hồi Salmon

gairdneri khi bị tiếp xúc trước với kim loại nặng độc hại sẽ có được tính kháng tạm thời với phần

lớn kim loại và sẽ mất đi tính kháng này nếu được cho vào một môi trường trong sạch Hỗn hợp các kim loại nặng thường làm gia tăng tính độc Có một ít trường hợp khi cho một kim loại nặng vào sẽ làm giảm tính độc của loại khác Chẳng hạn bạc làm giảm tác dụng của Cd đối với vỏ trứng cá bơn

IV CÁC KIM LOẠI NẶNG ĐỘC HẠI TRONG KHÍ QUYỂN

Khí quyển là một thực thể biến đổi bao gồm bốn vùng: troposphere, stratosphere, mesosphere và thermosphere Bốn vùng này được phân cắt bởi ba vùng nghịch đảo nhiệt gọi là tropopause, stratopause và mesopause Vùng gần mặt đất là troposhere và là vùng có sự di chuyển của kim loại nặng nhiều nhất Nhiệt độ và gió có ảnh hưởng đến tốc độ di chuyển và lượng của kim loại nặng , các vật chất lơ lửng, aerosol và hơi nước Sự thay đổi nhiệt độ không khí làm tăng sự thăng động Ở trong tầng tropo, nhiệt độ không khí giảm khi cao độ tăng nhưng đôi khi cũng xảy ra nghịch đảo nhiệt gây ra sự di chuyển luồng khí theo chiều ngang và tăng sự hòa trộn Trường hợp nổ lò nguyên tử ở Chernobyl năm 1986, kim loại nặng đã di chuyển rất xa theo hai hướng và phủ trùm xuống toàn bộ Châu Âu trong vòng hai tuần Núi lửa đưa nhiều kim loại nặng vào trong thiên nhiên nhất Antimony(Sb), As, Cd, Pb và Se được phun vào không khí và nhiều kim loại nặng khác theo dung nham chảy ra đất Gió thường cuốn kim loại nặng từ vùng rừng bị cháy và các nguồn khác phát xuất từ hoạt động của con người đi các nơi khác

Nguồn nhân tạo của kim loại nặng gồm: (1) các khu vực công nghiệp và động cơ đốt các nhiên liệu địa khai như than, dầu và khí thiên nhiên, (2) nhà máy chế tạo và đúc kim loại, (3) mỏ và lò nung chảy kim loại nặng, (4) máy thiêu rác và nơi sản xuất xi măng Nồng độ kim loại nặng trong không khí ở vùng thôn quê và vùng xa xôi rất thấp, chỉ có nguồn từ tự nhiên mà thôi

Đốt than và dầu sinh ra As, bismuth (Bi), Cd, Pb, Cu, Mn, Hg, Ni, Se và Zn vào trong bầu khí quyển Ở bầu khí quyển đô thị còn tìm thấy cả antimony(Sb) và indium (In)

Các kim loại trong không khí cuối cùng cũng lắng tụ xuống đất ở dạng khô hoặc theo nước mưa hoặc tuyết và gây độc cho các vùng sinh thái cạn và nước

V KIM LOẠI NẶNG TRONG NƯỚC VÀ BÙN

Kim loại nặng có mặt trong nước ở thể hòa tan hoặc lắng tụ trong bùn đáy(nơi chứa chủ yếu của kim loại nặng) Ở khu vực cửa sông, kim loại nặng từ không khí và trong nước tích tụ lại, diễn ra các phản ứng hóa lý phức tạp trước khi đổ ra biển

Mưa acid, rửa trôi, chảy tràn, xói mòn đất và phân rã các khoáng vật làm tăng nồng độ của kim loại nặng trong vực nước tự nhiên Nguồn gốc kim loại nặng do con ngưởi tạo ra gồm: khai thác mỏ, nấu kim loại, rửa trôi từ các nơi thải rác, nước chảy tràn vùng đô thị, nước thải và nước chảy tràn trong nông nghiệp

Nước sông có nồng độ kim loại nặng cao hơn biển vì nó nhận trực tiếp các nguồn thải tập trung và phân tán Nồng độ kim loại nặng trong sông thay đổi tùy theo dân số hai bên bờ và theo mùa nước Nồng độ kim loại nặng thay đổi tỷ lệ nghịch với tốc độ nước chảy và khoảng cách tính từ nguồn thải

Trên biển, nguồn tích lũy quan trọng nhất là từ không khí (nhất là đối với chì, khoảng 90% tổng số) Nồng độ của kim loại nặng trong bùn đáy biển thay đổi tùy theo vị trí địa lý Nước biển vùng

ven bờ gần với các nguồn thải nên có nồng độ kim loại nặng cao nhất Trong trắc diện bùn đáy, kim loại nặng phân bố nhiều nhất ở lớp trên cùng tiếp xúc với nước và giảm dần theo chiều sâu Sự phân bố này có thể bị thay đổi do những sự xáo trộn bởi hoạt động của sinh vật đáy hoặc động đất ở đáy biển

Sự ô nhiễm kim loại nặng các vực nước đã được biết đến từ rất lâu, chẳng hạn như sự tích lũy kim loại nặng ở xứ Wales nước Anh đã được ghi nhận từ đầu thế kỷ 19, qua đầu thế kỷ 20 ở một số vực nước chỉ hiện diện các cộng đồng vô sống, trong nước không còn cá nữa Sự kiện nổi bật làm thế giới chú ý đến là ô nhiễm Hg gây chết người ở Minamata Nhật bản và Cd gây bệnh Itai Itai cũng xảy ra ở Nhật bản

Aûnh hưởng của kim loại nặng trên các sinh vật nước rất khó xác định vì nó lệ thuộc vào nhiều đặc tính lý hóa và vận tốc của dòng chảy Ngoài ra đặc điểm và kích thước của các thể hạt mà kim loại gắn vào cũng ảnh hưởng đến tính độc của kim loại nặng Muốn đi vào cơ thể sinh vật, kim loại nặng phải ở thể ăn được hoặc hòa tan trong nước Sự chelat hóa của kim loại nặng với phân tử chất hữu cơ có thể biến đổi phản ứng hóa học và thay đổi tính thấm qua màng và do đó thay đổi mức hấp thu kim loại nặng của sinh vật

Aûnh hưởng của kim loại nặng lên sinh vật trong môi trường nước rất thay đổi từ giảm sinh trưởng cho đến chết Thông thường thủy sinh vật còn non dễ bị ảnh hưởng bởi kim loại nặng hơn là sinh vật lớn, tuy nhiên cũng có ngoại lệ như trứng của một vài loại cá nước ngọt không nhạy cảm với kim loại nặng và ấu trùng của côn trùng thường chống chịu kim loại nặng mạnh hơn con trưởng thành

VI KIM LOẠI NẶNG TRONG MÔI TRƯỜNG CẠN

Nhiều kim loại nặng sẵn có trong vỏ trái đất được phóng thích ra đất theo các quá trình phong hóa nhưng nguồn kim loại nặng lớn nhất vẫn là từ các núi lửa Nguồn kim loại nặng do con người tạo

ra gồm đốt nhiên liệu địa khai, chế tạo kim loại, đúc kim loại, hỏa thiêu rác và sản xuất xi măng Kim loại nặng được đưa vào đất thông qua các loại phân bón, thuốc sát trùng và trong các chất thải được đưa vào làm phân bón trong nông nghiệp

Các kim loại nặng chủ yếu tìm thấy trong đất là: As, Cd, Pb, Hg, Se Kế đến là antimony, bismuth, indium, tellurium và thallium Những mức kim loại nặng cao hơn mức ghi ở Bảng 4 có thể tìm thấy được ở đất mỏ hoặc đất nông nghiệp dùng nhiều thuốc trừ dịch hại và bùn từ nhà máy xử lý nước thải

Ở gần các nhà máy luyện kim, nồng độ antimony và Cd cao Ở gần nhà máy chế tạo kim loại hoặc ở các vùng đất nông nghiệp dùng thuốc chứa As thì nồng độ As cao, đôi khi đến 600 μg/g Nguồn chì gồm có: nơi chế tạo các sản phẩm kim loại, chì từ tetraetyl chì của xăng trong xe, trong sơn và từ lò luyện kim Nồng độ chì trong đất có khi lên đến 10% Thủy ngân trong đất bắt nguồn từ các mỏ, từ sản xuất dichlorine và sút cũng như từ các thủy ngân dùng trong nông nghiệp Bảng 1 Mức kim loại ở đất mặt

Kim loại Mức biến thiên (μg g -1) Trung bình (μg g -1)

Bảng 2 Mức độ hấp thu tương đối của cây đối với một số kim loại

Cây Thạch tín

(As)

Cadmium Chì Thủy ngân

Đậu Thấp Thấp – trung bình

Bắp cải Cao Trung bình - thấp Thấp

bình Đậu Thấp Trung bình - thấp Thấp

Radish Trung bình Thấp – trung bình Cao

Sơ ri Trung bình

Lê Cao

Thực vật hấp thu kim loại nặng do bộ rễ hút hoặc qua lá nhưng qua rễ là phổ biến hơn cả Kim loại nặng được hút vào rễ theo khuynh độ nồng độ xuyên qua màng tế bào Trong cây, kim loại nặng được vận chuyển theo mô mộc đi đến các bộ phận của cây Tính chuyển vị của kim loại nặng thay đổi tùy theo từng cây nhưng thông thường thì cao nhất ở rễ và thấp nhất ở hạt

Kim loại nặng được hấp thu qua biểu bì lá, hấp thu mạnh nhất là kim loại nặng ở thể mù (aerosol) Nồng độ kim loại nặng thay đổi trong các bộ phân sử dụng của cây Chì thay đổi từ 0,001 μg/g đến 20μg/g Thực vật có độ hấp thu kim loại nặng khác nhau (xem Bảng 2) Phần lớn các loài thực vật không thể tồn tại ở đất có nồng độ kim loại nặng quá cao nhưng vẫn có ngoại lệ

Do quy tắc sinh tồn, vẫn có một số thực vật biến đổi di truyền để chịu đựng dần với nồng độ kim loại cao trong đất Cây táo tây rất mẫn cảm với nồng độ kim loại nặng cao trong đất và trở nên bất thụ

Sự hấp thu As của cây thay đổi tùy theo hợp chất As, giống cây, loại đất và khí hậu Chẳng hạn, rau cải tích lũy nhiều As khi trồng ở đất chứa arsenate chì nhưng không tích lũy nhiều ở đất có arsenic trioxide Ở đất có nhiều chì arsenate thì củ cải, củ radi, xà lách tăng hấp thu As trong khi đó cà rốt, brocoli, cà tím và cà tô mát không bị ảnh hưởng gì

Cd độc cho nhiều loài cây ở nồng độ thấp và cũng như Zn có thể được vận chuyển vào trong cây dễ dàng Một số loài cây tích lũy sinh học Cd và Zn đến mức cao hơn nồng độ trong đất, tỉ lệ hàm lượng cây/đất có khi đến 10 lần trong khi trường hợp bình thường đối với Zn là 0,6, Cu và Pb là 0,4 Sự hấp thu Cd ở đậu nành và lúa mì lớn hơn cả, thấp nhất là bắp, lúa và một số loại đậu khác Phần lớn Cd đi vào cơ thể con người là qua các loại hạt kể trên

Con người có thể hấp thu trực tiếp kim loại nặng từ thực vật hoặc thông qua các chuỗi thực phẩm khác Các sinh vật vô sống trong đất như trùn, cuốn chiếu (millipedes) và isopod kích thích sự phân hủy xác bã hữu cơ bằng cách làm gia tăng bề mặt phân hủy của vi khuẩn Bọn centipedes và nhện là sinh vật ăn các isopod sống trong đất và chuyển kim loại nặng từ các sinh vật tiêu thụ bậc nhất sang các sinh vật tiêu thụ bậc hai

Số lượng và sự đa dạng của nhiều loài vô sống sống trong đất bị suy giảm khi đất bị nhiễm kim loại nặng từ công nghiệp và từ các thuốc BVTV có chứa kim loại nặng Trùn đất có thể bị tiêu diệt hoàn toàn trong vườn cây và sân gôn sử dụng quá nhiều thuốc diệt nấm chứa đồng Thiếu hoạt động trộn đất của trùn sẽ xảy ra sự tích lũy các lá chứa kim loại nặng bán phân hủy ở lớp đất mặt Đôi khi cây trở nên nhạy hơn đối với các côn trùng ăn lá là do sự sụt giảm dân số và tính

đa dạng của các vi sinh vật và bọn vô sống sống trong đất

As hiện diện khá nhiều trong tự nhiên và đi vào cơ thể động vật, qua nước và thực phẩm, Tuy As gây bệnh nghề nghiệp trong ngành sản xuất nông dược (sát trùng, diệt nấm, diệt cỏ), chưa thấy có sinh vật trên cạn nào bị nhiễm độc do ô nhiễm As Nai hoặc các gia súc nếu hấp thu khoảng 70-180 mg As là có thể chết ngay(do liếm sodium arsenate trên cây cỏ)

Nhiều hợp chất As có độ độc thấp và có tính chuyên hóa đối với một số thực vật Chất đồng acetoarsenite (Paris green) được dùng để trừ ấu trùng muỗi vì nó không độc hại cho các sinh vật khác

Chim ngộ độc chì do các viên đạn chì găm dính vào cơ thể Động vật ngộ độc chì gây ra triệu chứng liên quan đến hệ hematopoietic, đường tiêu hóa sau đó là hệ thần kinh và thận

Chất methyl mecury dùng để xử lý hạt chống nấm mốc khi gieo vào đất đã làm giảm dân số nhiều loài chim ăn hạt Methyl mercury ngấm vào các sản phẩm nông nghiệp và cuối cùng vào

cơ thể con người Nhiễm độc Hg ở Minamata Nhật bản là một ca lịch sử Năm 1972, khoảng 459 người chết và 6350 người bị vào bệnh viện do ăn bánh mì làm tư bột xây lúa mì và lúa mạch được xử lý thủy ngân để dùng vào việc gieo trồng Tai nạn tương tự cho 1000 người Iraq cũng xảy

ra khoảng 10 năm sau đó

VII TÁC DỤNG ĐỘC CỦA KIM LOẠI NẶNG

Phần lớn các muối vô cơ của kim loại nặng ( Pb, Hg, As và Cd) gây độc thần kinh và tổn thương thận Một số kim loại nặng khác ở thể hữu cơ như alkyl thủy ngân, chì hữu cơ, thiếc hữu cơ có độc tính rất cao Ngoài ra kim loại nặng còn có tính gây ung thư như As, Cr và Ni

7.1 Cơ chế gây độc tổng quát của một số kim loại nặng

Arsenic

As là chất gây độc tế bào Ion hóa trị ba của As có ái lực cao đối với nhóm -SH (sulfhydryl) Nó chelat hóa với acid alpha lipoic để tạo thành một cấu trúc vòng Alpha lipoic là một đồng yếu tố của pyruvate dehydrogenase là một men cần cho sự sản xuất năng lượng trong chu trình Krebs

Arsenate là một dạng thường gặp của As thường tìm thấy trong các hệ sinh học, là một oxyanion giả vai trò của oxyanion phosphate trong tế bào Sự thay thế này làm gián đoạn các phản ứng biến dưỡng cần đến phosphate Arsenic thay thế phosphate trong tổng hợp ATP, gây ra sự ức chế tổng hợp ATP và làm tế bào bị thiệt hại

Cadmium

Cd gây hại cho các hệ thống thận, phổi, xương, dịch hoàn và thần kinh Tính độc tế bào của Cd lệ thuộc chặt chẽ vào sự tạo ra các protein có khả năng gắn kết cadmium là metallothionein (M) Do vậy, các tế bào biểu bì ống thận có thể chứa một lượng lớn phức hợp Cd-M mà không có dấu hiệu bị độc Sự phân hủy của phức hợp Cd-M bên trong tế bào phóng thích Cd vào những vị trí nhạy cảm, chẳng hạn như các men lệ thuộc vào Zn và làm tổn hại đến tế bào, đặc biệt là các tế bào tiểu quản trong thận

Chì

Cách chì gây độc rõ nhất là ức chế sự tổng hợp hemoglobin đưa đến bệnh thiếu máu Hai men ty thể là delta và alpha aminolevulinic acid dehydrogenase (ALAD) và ferrochelatase bị ức chế, tạo

ra sự giảm tổng hợp protoporphyrin và giảm gắn Fe2+ vào hemoglobine Sự giảm hemoglobine kích thích sự gia tăng hoạt động của ALA synthetase (ALAS) Do ức chế ALAD và gia tăng hoạt tính của ALAS sẽ có sự gia tăng ALA(delta aminolevulinic acid) trong gan

Vì chì có cấu trúc ion tương tự Ca, nó có thể được hấp thụ vào tế bào thần kinh và ty thể tương tự như Ca Do đó Pb thay thế Ca trong các chức năng tế bào và chu trình biến dưỡng, đưa đến sự giảm ATP và làm hỏng chức năng tổng quát của tế bào Sự kiện này rất đáng quan tâm vì nó ảnh huởng đến dẫn truyền luồng thần kinh qua synap Tác động ức chế của chì lên hoạt tính acetyl choline trên các màng có thể là kết quả của tác động ức chế của chì lên vận chuyển Ca vào các điểm cuối của synap

Các loại chì hữu cơ:

Thí nghiệm tetraalkyl chì trên chuột cho thấy một số triệu chứng trong bảng 3 sau:

Bảng 3: Các dấu hiệu lâm sàng sau khi tiếp xúc với Et4Pb hoặc Et3Pb

Pha I Trạng thái lờ đờ(lethargy)

Pha II Biếng ăn (Inappetance), run rẩy (Tremor), cử động mạnh (Hypermotility), kích

động mạnh (Hyperexcitability), hung hãn (Aggression)

Pha III Giảm thân nhiệt (hypothermia), co vặn (Convulsion), cử động không ăn khớp

(incoordination), mất điều hòa (ataxia), tệ liệt (paralysis)

Pha IV Chết

Hàm lượng chì ở trong não # 10μg/g lúc chuột chết Các thay đổi bệnh lý thấy được trong não là sự thoái biến ảnh hưởng đến tế bào thần kinh, dây cột sống (spinal cord), Hành tủy (medulla oblongata), cầu não (pons), não thùy (thalamus), phần vỏ tiểu não (cerebellar cortex), não giữa (midbrain), nhân đáy (basal nuclei)

Tetraalkyl chì (R4Pb) có độc tính không cao cho đến khi nó bị khử alkyl để trở thành trialkyl chì (R3Pb) do các men vi lạp thể gan Người ta cho rằng trialkyl chì gây rối loạn vận chuyển dòng ion

Cl vào trong tế bào thần kinh, sau đó gây ra sự kích thích quá mức (hyperexcitation) dẫn đến thiệt hại thần kinh Sự gia tăng kích thích thần kinh cũng kích thích sự biến dưỡng đường glucose cùng với sự tích lũy acid pyruvic và lactic vốn rất độc cho thần kinh Chì hữu cơ cũng tương tự như chì vô cơ, cản trở sự biến dưỡng Ca trong tế bào và ty thể dẫn đến sai lạc chức năng tế bào và chết

Thủy ngân

Thủy ngân vô cơ khó đi xuyên qua rào cản máu ở não, chủ yếu gây chết hoại các tiểu quản thận Hơi thủy ngân và các thủy ngân hữu cơ như thủy ngân methyl đi vào hệ thống thần kinh trung ương khá dễ dàng bởi vậy chúng là chất độc thần kinh Từ lúc có trường hợp ngộ độc methyl thủy ngân ở Nhật Bản người ta đã biết được methyl thủy ngân là chất rất độc trong môi trường Triệu chứng ngộ độc Hg ở Minamata được liệt kê ở bảng 4

Cơ chế gây độc tổng quát của methyl thủy ngân(CH3Hg) như sau: CH3Hg có ái lực cao với ligand sulfhydryl(-SH) CH3-Hg tạo phức hợp với amino acid cystein giàu -SH và đóng vai trò vật mang

Hg trong máu để đi vào hệ thần kinh trung ương Rào cản máu ở não(blood brain barrier=BBB) là

một hệ thống phức tạp điều hòa sự hấp thu các chất biến dưỡng từ máu và từ hệ thần kinh trung ương BBB có thể bị rối loạn khi CH3Hg đi xuyên qua nó Khi ở trong tế bào thần kinh, CH3Hg sẽ nối với các thành phần giàu nhóm -SH trong tế bào, đặc biệt là cấu trúc màng ở tế bào chất (hệ võng trong nội chất, trung thể, phức hệ Golgi, và màng nhân) Tất cả các hệ thống này rất cần thiết trong việc tạo năng lượng và tổng hợp protein cho tế bào Do đó, phức hợp CH3 -Hg-Cystein phá vỡ sự tổng hợp bình thường của protein

Trong tế bào có thể xảy ra sự khử methyl của CH3Hg (demethylation) Sự cắt nối Carbon-thủy ngân tạo ra gốc methyl tự do độc hại cho tế bào do nó khởi động và thúc đẩy sự peroxid hóa chất mỡ Bởi vậy, tác động độc của methyl thủy ngân có thể làm giảm đi bằng các chất oxi hóa(antioxidants) như selenium và Vitamin E Methyl thủy ngân cùng phá vỡ các vi tiểu quản trong hệ thần kinh cột sống do đó làm sai lệc chức năng tế bào

Bảng 4: Tần số các triệu chứng lâm sàng và triệu chứng bệnh Minamata

Tiết nước bọt quá nhiều 24

Phản xạ bẹänh lý (patholigic reflexes) 12

Múa chờn vờn (Athetosis) 9

Thiếc

Các hợp chất thiếc vô cơ không quá độc nhưng các hợp chất thiếc hữu cơ như thiếc trimethyl (TMT) và thiếc triethyl (TET) là những chất gây độc thần kinh mạnh mẽ TMT gây độc hệ thần kinh rõ nhất ở hệ bản tính(limbic system) TMT gây nên sự quá kích động bắt nguồn từ cấu tạo hải mã(hippocampal formation) TMT cũng làm rối loạn biến dưỡng glutamate và hệ sinh GABA(gamma-aminobutyric acid)

Mn và Al