Giáo trình hóa học môi trường ( environmental chemistry) docx

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC HUẾ KHOA HÓA ⎯ ⎯ Giáo trình HĨA HỌC MƠI TRƯỜNG (ENVIRONMENTAL CHEMISTRY) ThS HỒNG THÁI LONG Huế − 2008 MỤC LỤC MỤC LỤC 1  DANH MỤC HÌNH 4  DANH MỤC BẢNG 6  1.  MỞ ĐẦU 7  1.1 Một số khái niệm 7  1.1.1 Môi trường 7  1.1.2 Hóa học môi trường 7  1.1.3 Ô nhiễm môi trường 7  1.1.4 Chất gây ô nhiễm 7  1.1.5 Đường chất gây ô nhiễm (pollutant pathways) 7  1.2 Cấu trúc thành phần môi trường Trái đất 8  1.2.1 Cấu trúc Trái đất 8  1.2.2 Thành phần môi trường Trái đất 11  1.3 Quá trình phát triển sống Trái đất 12  1.4 Chu trình địa hóa 13  Câu hỏi 15  2.  KHÍ QUYỂN VÀ SỰ Ơ NHIỄM KHÍ QUYỂN 16  2.1 Cấu trúc khí 16  2.1.1 Tầng đối lưu 17  2.1.2 Tầng bình lưu 18  2.1.3 Tầng trung lưu 18  2.1.4 Tầng nhiệt lưu 18  2.2 Sự hình thành thành phần khí 18  2.2.1 Sự hình thành khí 18  2.2.2 Thành phần khí 19  2.3 Các phản ứng oxy khí 21  2.4 Ơ nhiễm khơng khí 25  2.4.1 Sulfua dioxit (SO2) 26  2.4.2 Các oxit nitơ 29  2.4.3 Các oxit cacbon 32  2.4.4 Hydrocacbon 34  2.4.4.1 Mêtan (CH4) 34  2.4.4.2 Các hydrocacbon khác mêtan (non-methane hydrocarbons−NMHCs) 34  2.4.4.3 Các dẫn xuất halogen hydrocacbon 35  2.4.5 Các hạt lơ lửng tầng đối lưu 37  2.4.5.1 Muội than (soot) 37  2.4.5.2 Các hạt hợp chất chì 38  2.4.5.3 Tro bay (fly ash) 38  2.4.5.4 Amiăng (asbestos) 38  2.4.5.5 Biện pháp giảm thiểu ô nhiễm hạt chất rắn lơ lửng 39  2.5 Tác động tổng hợp chất ô nhiễm không khí 41  2.5.1 Hiệu ứng nhà kính 41  2.5.2 Sự suy giảm nồng độ ozon tầng bình lưu 43  2.5.2.1 Tầng ozon 43  2.5.2.2 Các phản ứng tạo thành phân hủy ozon tầng bình lưu 43  2.5.2.3 Sự suy giảm nồng độ ozon tầng bình lưu 44  2.5.3 Sương khói (smog) 46  2.5.3.1 Sương khói kiểu London 46  2.5.3.2 Sương khói kiểu Los Angeles 47  2.5.4 Mưa axit 49  Câu hỏi 51    THỦY QUYỂN VÀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG NƯỚC 52  3.1 Tài nguyên nước chu trình nước 52  3.2 Thành phần nước tự nhiên 53  3.2.1 Các khí hòa tan 53  3.2.2 Chất rắn 53  3.2.2.1 Chất rắn lơ lửng chất rắn hòa tan 53  3.2.2.2 Các chất vô hòa tan 55  3.2.2.3 Các chất hữu 57  3.2.3 Thành phần sinh học nước tự nhiên 58  3.3 Vai trò vi sinh vật chuyển hóa hóa học mơi trường nước 59  3.3.1 Phản ứng chuyển hóa cacbon 59  3.3.2 Phản ứng chuyển hóa nitơ 60  3.3.3 Phản ứng chuyển hóa lưu huỳnh 61  3.3.4 Phản ứng chuyển hóa photpho 61  3.3.5 Phản ứng chuyển hóa sắt 61  3.5.6 Phản ứng chuyển hóa halogen hợp chất hữu chứa halogen 62  3.4 Sự tạo phức nước tự nhiên nước thải 62  3.5 Ô nhiễm môi trường nước 64  3.5.1 Các nguồn gây ô nhiễm nước 64  3.5.2 Các tác nhân gây ô nhiễm nước 66  3.5.2.1 Các ion vô hòa tan 66  3.5.2.2 Các chất hữu 71  3.5.2.3 Dầu mỡ 77  3.5.2.4 Các chất có màu 78  3.5.2.5 Các chất gây mùi vị 78  3.5.2.6 Các vi sinh vật gây bệnh (pathogens) 78  3.5.3 Các yêu cầu chất lượng nước − Tiêu chuẩn chất lượng nước 80  3.6 Xử lý nước thải 83  3.6.1 Các phương pháp sinh học để xử lý nước thải 83  3.6.1.1 Các phương pháp hiếu khí 83  3.6.1.2 Các phương pháp kỵ khí 85  3.6.1.3 Một số phương pháp xử lý sinh học thông dụng khác 86  3.6.2 Các phương pháp lý − hóa học để xử lý nước thải 87  3.6.2.1 Phương pháp lắng keo tụ 87  3.6.2.2 Phương pháp hấp phụ 87  3.6.2.3 Phương pháp trung hòa 87  3.6.2.4 Phương pháp oxy hóa 88  Câu hỏi 88    ĐỊA QUYỂN VÀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG ĐẤT 89  4.1 Khái niệm đất 89  4.2 Bản chất thành phần đất 89  4.2.1 Các thành phần vô đất 90  4.2.2 Các thành phần hữu đất 91  4.3 Nước khơng khí đất 93  4.3.1 Nước đất 93  4.3.2 Khơng khí đất 94  4.4 Dịch đất 94  4.5 Phản ứng axit-bazơ phản ứng trao đổi ion đất 94  4.5.1 Sự tạo thành axit vô đất 94  4.5.2 Điều chỉnh độ axit đất 95  4.5.3 Cân trao đổi ion đất 95  4.6 Chất dinh dưỡng vi lượng đa lượng đất 96  4.6.1 Chất dinh dưỡng đa lượng 96  4.6.1.1 Nitơ 97  4.6.1.2 Photpho 98  4.6.1.3 Kali 98  4.6.2 Chất dinh dưỡng vi lượng 98  4.7 Sự xói mịn thối hóa đất 100  4.7.1 Xói mịn đất 100  4.7.2 Sa mạc hóa 100  4.7.3 Đất tài nguyên nước 101  4.8 Ô nhiễm môi trường đất 101  4.8.1 Ảnh hưởng hoạt động nông nghiệp 101  4.8.1.1 Sử dụng phân bón 101  4.8.1.2 Sử dụng hóa chất bảo vệ thực vật 101  4.8.1.3 Chế độ tưới tiêu 102  4.8.2 Ảnh hưởng hoạt động sinh hoạt công nghiệp 103  4.8.3 Một số phương pháp xử lý đất bị ô nhiễm 104  4.8.3.1 Xử lý chỗ (in-situ) 104  4.8.3.2 Xử lý đất bị nhiễm sau bóc khỏi vị trí 105  Câu hỏi 106    HÓA CHẤT ĐỘC TRONG MÔI TRƯỜNG 107  5.1 Hóa chất độc mơi trường 107  5.2 Độc học môi trường 107  5.3 Tính bền vững độc chất môi trường 109  5.3.1 Phân hủy phi sinh học 109  5.3.2 Phân hủy sinh học 110  5.3.3 Quá trình suy giảm nồng độ không phân hủy 110  5.4 Tích lũy sinh học 111  5.4.1 Tích lũy sinh học 111  5.4.2 Những yếu tố ảnh hưởng đến tích lũy sinh học 112  5.5 Độc tính 113  5.5.1 Độ độc cấp tính 113  5.5.2 Cơ chế gây độc cấp tính 114  5.5.3 Độ độc mãn tính 115  5.6 Tác dụng độc hại số chất 116  5.6.1 Hóa chất bảo vệ thực vật 116  5.6.1.1 Tác dụng độc hại thuốc trừ sâu clo 116  5.6.1.2 Tác dụng độc hại thuốc trừ sâu photpho cacbamat 118  5.6.1.3 Tác dụng độc hại metyl izocyanat (MIC) 119  5.6.2 Kim loại 119  5.6.2.1 Các chế gây độc phổ biến phận thể bị tổn hại 120  5.6.2.2 Tác dụng độc hại asen 121  5.6.2.3 Tác dụng độc hại cadmi 123  5.6.2.4 Tác dụng độc hại chì 123  5.6.2.5 Tác dụng độc hại thủy ngân 124  5.6.3 Tác dụng độc hại số chất độc khác 127  5.6.3.1 Tác dụng độc hại cacbon monooxit (CO) 127  5.6.3.2 Tác dụng độc hại oxit nitơ (NOx) 127  5.6.3.3 Tác dụng độc hại khí sunfurơ (SO2) 128  5.6.3.4 Tác dụng độc hại ozon PAN 128  5.6.3.5 Tác dụng độc hại cyanua (CN−) 128  5.6.3.6 Các chất gây ung thư (carcinogens) 129  Câu hỏi 133  TÀI LIỆU THAM KHẢO 134  DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Hình 1.2 Hình 1.3 Hình 1.4 Hình 1.5 Hình 1.6 Hình 2.1 Hình 2.2 Hình 2.3 Hình 2.4 Hình 2.5 Hình 2.6 Hình 2.7 Hình 2.8 Hình 2.9 Hình 2.10 Hình 2.11 Hình 2.12 Hình 2.13 Hình 2.14 Hình 2.15 Hình 2.16 Hình 2.17 Hình 2.18 Hình 2.19 Hình 2.20 Hình 2.21 Hình 2.22 Hình 2.23 Hình 2.24 Hình 3.1 Hình 3.2 Hình 3.3 Hình 3.4 Hình 3.5 Hình 3.6 Hình 3.7 Hình 3.8 Hình 3.9 Hình 3.10 Hình 3.11 Hình 3.12 Hình 3.13 Hình 3.14 Cấu trúc Trái đất [17] 8  Mặt cắt ngang bề mặt Trái đất [17] 9  Các mảng lục địa [7] 10  Sự dịch chuyển mảng lục địa [17] 10  Hai dạng tế bào Prokaryote Eukaryote [19] 13  Mơ hình tổng qt chu trình địa hóa [17] 14  Các thành phần khí [15] 16  Sự thay đổi nhiệt độ theo độ cao khí [8] 17  Trao đổi oxy khí quyển, địa quyển, thủy sinh [15] 21  Cấu trúc (a) pyrrole, (b) vòng porphyrin, (c) chlorophyll 23  Vai trò ATP NADPH phản ứng quang hợp [17] 24  Các nguồn gây nhiễm khí tự nhiên nhân tạo 26  Nồng độ (trung bình giờ) hàng ngày chất ô nhiễm Los Angeles, USA [8] 30  Các chuyển hóa hóa học chủ yếu NOx tầng đối lưu [7] 31  Các phản ứng oxy hóa mêtan chủ yếu có mặt NOx tầng đối lưu vào ban ngày (xảy khơng khí lẫn khơng khí bị nhiễm) [7] 34  (a) pyren; (b): benzopyren 37  Kiểm tra bụi amiăng cơng trình xây dựng [18] 38  Thiết bị lắng quán tính (cyclon) [12] 39  Thiết bị lọc bụi túi vải [15] 40  Thiết bị lọc bụi Venturi [15] 40  Sơ đồ nguyên tắc lọc bụi tĩnh điện [15] 41  Hiệu ứng nhà kính 42  Sơ đồ mô tả lốc xốy hình thành vào mùa Đơng Nam cực [17] 45  Lỗ thủng lớn tầng ozon Nam cực ghi nhận (21-30/9/2006) [28] 46  Sương khói năm 1952 London [26] 47  Điều kiện tạo thành sương khói quang hóa [17] 48  (A) Các phản ứng tạo thành sương khói; (B) Các phản ứng tạo thành PAN [8] 48  Sương khói Los Angeles [27] 49  Mưa axit hủy hoại rừng dãy núi Blue Ridge, North Carolina [29] 50  Mưa axit ăn mòn tượng đá vôi [25] 50  Chu trình nước [12] 52  Sơ đồ xác định quan hệ chất rắn lơ lửng chất rắn hòa tan [16] 54  Chu trình Nitơ [8] 60  Công thức cấu tạo dự đoán axit fulvic [8] 63  Sơ đồ tách chiết hợp chất humic từ xác thực vật phân hủy 63  Các kiểu tạo phức hợp chất humic với ion kim loại [8] 63  Trẻ em dị tật ảnh hưởng vụ nhiễm độc thủy ngân Minamata [23] 70  Công thức cấu tạo hợp chất DDT, DDD, DDE 72  Công thức cấu tạo số hóa chất bảo vệ thực vật thông dụng 73  Công thức cấu tạo nhóm dioxin chất dioxin (TCDD) 74  Cấu trúc phân tử biphenyl (mỗi vị trí đánh số có ngun tử clo vào tạo thành phân tử PCB) 75  Chrysence benzo(a)pyrene hợp chất thuộc nhóm PAHs 75  Sơ đồ hệ xử lý nước thải theo kỹ thuật bùn hoạt hóa 84  Bể lọc nhỏ giọt để xử lý nước thải đô thị [20] 84  Hình 3.15 Hình 3.16 Hình 4.1 Hình 4.2 Hình 4.3 Hình 5.1 Hình 5.2 Hình 5.3 Hình 5.4 Hình 5.5 Hình 5.6 Hình 5.7 Hình 5.8 Hình 5.9 Sơ đồ hệ thống UASB 85  Sơ đồ biểu diễn hoạt động ao tùy nghi [12] 86  Các tầng đất 90  Sự chuyển hóa nitơ đất 97  Muối tích tụ bề mặt đất vùng canh tác [21] 103  Ảnh hưởng nắng (quang phân) mưa (thủy phân) đến phân hủy parathion 110  Tương quan hàm lượng chất béo thể nhiều loại động vật hồ Ontario (thuộc Ngũ Đại Hồ) hàm lượng PCBs tồn thể [10] 112  Sự tích lũy DDT qua chuỗi thức ăn môi trường nước [8] 118  Quá trình nhập bào (endocytosis) trình xuất bào (exocytosis) 120  Nhiễm độc asen gây hoại tử bàn tay ngón tay [30] 121  Công thức cấu tạo ALA−dehydraza enzim porphobilinogen 124  Phức chelat chì với chất chống độc 124  Bàn tay bị biến dạng nạn nhân bị ngộ độc Hg Minamata [22] 125  Sự khuếch đại sinh học thủy ngân chuỗi thức ăn [8] 126  DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Các nguyên tố phần cấu trúc Trái đất [17] 9  Bảng 1.2 10 nguyên tố hóa học vũ trụ, Trái đất, vỏ Trái đất, đại dương, khí (khơng khí khơ) sinh (% khối lượng) [17] 11  Bảng 2.1 Thành phần khơng khí khơ tầng đối lưu [7] 20  Bảng 2.2 Các chất khí có hàm lượng thấp khơng khí khơ tầng đối lưu [15] 20  Bảng 2.3 Thời gian lưu số chất gây nhiễm khí [7] 26  Bảng 2.4 Một số ảnh hưởng SO2 người [7] 27  Bảng 2.5 So sánh khả hấp thụ xạ khí nhà kính [7] 42  Bảng 2.6 So sánh đóng góp vào hiệu ứng nhà kính khí nhà kính [7] 43  Bảng 3.1 Sự phân bố tài nguyên nước toàn cầu [12] 52  Bảng 3.2 Thành phần hóa học trung bình nước sơng hồ nước biển toàn cầu [5] 55  Bảng 3.3 Tải lượng tác nhân ô nhiễm người đưa vào môi trường hàng ngày [5] 65  Bảng 3.4 Một số nguyên tố vi lượng quan trọng nước tự nhiên [15] 68  Bảng 3.5 Nồng độ tối đa cho phép số kim loại nặng loại nước theo Tiêu chuẩn Việt Nam môi trường 69  Bảng 3.6 Giá trị giới hạn cho phép thông số nồng độ chất ô nhiễm nước mặt (TCVN 5942−1995) 81  Bảng 3.7 Giá trị giới hạn cho phép thông số nồng độ chất ô nhiễm nước thải công nghiệp (TCVN 5945 -1995) 82  Bảng 4.1 Hàm lượng nguyên tố hóa học đá đất (‰ w/w) [6] 91  Bảng 4.2 Các loại hợp chất hữu đất [15] 92  Bảng 5.1 Các nguyên tố độc hại nước thiên nhiên nước thải [8] 108  Bảng 5.2 Thời gian bán hủy số hóa chất độc bền vững mơi trường [10] 109  Bảng 5.3 Tích lũy sinh học cá số chất gây ô nhiễm [10] 111  Bảng 5.4 Giá trị phân tích giá trị tính tốn hệ số tích lũy sinh học cá số hóa chất có khả chuyển hóa sinh học khác 113  Bảng 5.5 Phân loại độ độc theo Hodge & Sterner [24] 114  Bảng 5.6 Phân loại độ độc (liều độc qua đường ăn uống gây chết người) theo Gosselin, Smith & Hodge [24] 114  Bảng 5.7 Phân loại độ độc cấp tính hóa chất độc cá động vật [10] 114  Bảng 5.8 Độ độc cấp tính độ độc mãn tính số loại thuốc trừ sâu xác định phòng thí nghiệm lồi cá [10] 116  Bảng 5.9 Đặc tính hóa học sinh hóa thủy ngân hợp chất [8] 126  Bảng 5.10 Ảnh hưởng độc hại CO người nồng độ khác [8] 127  Bảng 5.11 Ảnh hưởng độc hại NO2 với người nồng độ khác [8] 127  Bảng 5.12 Phân loại chất gây ung thư theo IARC EPA [10] 130  Bảng 5.13 Danh mục tác nhân, chất, hỗn hợp chất gây ung thư người ngành nghề có nguy bị phơi nhiễm [10] 130  MỞ ĐẦU 1.1 Một số khái niệm 1.1.1 Môi trường Môi trường tổng hợp điều kiện bên ngồi có ảnh hưởng đến đời sống phát triển sinh vật Đối với người, môi trường sống tổng hợp điều kiện vật lý, hóa học, kinh tế xã hội có ảnh hưởng đến sống phát triển cá nhân, cộng đồng người Môi trường sống người vũ trụ, hệ Mặt trời Trái đất có ảnh hưởng trực tiếp rõ rệt Để đánh giá chất lượng môi trường, người ta thường đo đạc, phân tích so sánh thơng số chất lượng môi trường với tiêu chuẩn chất lượng môi trường quốc gia hay tổ chức quốc tế đưa 1.1.2 Hóa học mơi trường Hóa học môi trường môn khoa học nghiên cứu tượng hóa học xảy mơi trường Nói cách khác, hóa học mơi trường nghiên cứu nguồn, phản ứng, vận chuyển, hiệu ứng tồn chất hóa học khơng khí, nước, đất, ảnh hưởng hoạt động người đến q trình Như vậy, hóa học môi trường môn học đa ngành liên quan trực tiếp đến ngành hóa học, vật lý, sinh học, địa chất học, nông học, y học, Các kiến thức hóa học mơi trường khơng cần thiết cho nhà hóa học, mà cịn cần thiết cho nhà nghiên cứu môi trường, kỹ thuật quản lý 1.1.3 Ơ nhiễm mơi trường Ô nhiễm môi trường thay đổi không mong muốn tính chất vật lý, hóa học, sinh học khơng khí, nước hay đất gây ảnh hưởng có hại cho sức khỏe, sống, hoạt động người hay sinh vật khác [13] Một định nghĩa khác ô nhiễm môi trường, sử dụng phổ biến cho rằng, ô nhiễm mơi trường q trình người chuyển vào mơi trường chất hay dạng lượng có khả gây hại cho sức khỏe người, sinh vật, hệ sinh thái, hủy hoại cấu trúc, hài hòa, làm ảnh hưởng đến tác dụng lợi ích vốn có mơi trường [14] Theo Luật Bảo vệ môi trường Việt Nam, ô nhiễm môi trường làm thay đổi tính chất mơi trường, vi phạm tiêu chuẩn môi trường 1.1.4 Chất gây ô nhiễm Chất (gây) nhiễm chất khơng có tự nhiên, vốn có tự nhiên có hàm lượng lớn gây tác động có hại cho môi trường thiên nhiên, cho người sinh vật khác Chất gây nhiễm có nguồn gốc tự nhiên (núi lửa, cháy rừng, bão lụt, ) hoạt động người tạo (hoạt động sản xuất công nghiệp, giao thông vận tải, chiến tranh, sinh hoạt đô thị, ) 1.1.5 Đường chất gây ô nhiễm (pollutant pathways) Đường chất gây ô nhiễm chế phát tán chất gây ô nhiễm từ nguồn phát sinh đến phận mơi trường Ví dụ: đường chì xăng dầu động vào thể người gây độc hại: äng xaí khê ú Pb(C2H5)4 (xăng, dầu động cơ) ⎯⎯⎯⎯⎯ PbCl2 + PbBr2 (khí quyển) → Người ← Thực phẩm ← PbCl2 + PbBr2 (trong đất) 1.2 Cấu trúc thành phần môi trường Trái đất 1.2.1 Cấu trúc Trái đất Có nhiều giả thiết giải thích nguồn gốc hệ Mặt trời nói chung Trái đất nói riêng, song tất giả thiết dựa hiểu biết ỏi hệ Mặt trời, cịn gây nhiều tranh cãi Những chứng có cho thấy rằng, Trái đất hành tinh có lớp vỏ cứng xuất cách khoảng 4,5 tỷ năm, cách Mặt trời 150 triệu km Cấu trúc Trái đất (Hình 1.1) thay đổi tỷ năm gần Bề dày (Km) Đại dương 10 Vỏ lục địa Vỏ đại dương 60 − 40 Vỏ Lớp phủ 1000 2900 400 5100 6370 Lớp phủ Ngoài Trong Vùng chuyển tiếp Nhân 1000 Lớp phủ Hình 1.1 Cấu trúc Trái đất [17] Phần vỏ mỏng bên Trái đất, chiếm 1% khối lượng Trái đất, lại đóng vai trị quan trọng sống phát triển loài người Bề mặt Trái đất không đều, khoảng 70% bị bao phủ nước với độ sâu trung bình khoảng km (0 − 11 km) Phần lại khối đất với độ cao trung bình 0,84 km (0 − 8,8 km) mặt nước biển Hai phần ba khối đất thuộc phần Bắc bán cầu Khối đất lục địa xác định giới hạn khơng phải bờ biển, mà mép phần phẳng đáy đại dương (có thể xa bờ), lục địa bao gồm phần thềm lục địa Theo cách xác định nhiều trường hợp, đảo ngồi khơi phận khối đất lục địa gần chúng Cách xác định phần lục địa hoàn toàn phù hợp với thực tế khác thành phần đá lớp vỏ lục địa đá lớp vỏ đáy đại dương Bảng 1.1 Các nguyên tố phần cấu trúc Trái đất [17] Phần cấu trúc Trái đất Các nguyên tố (theo thứ tự nồng độ giảm dần) Khí N, O Đại dương O, H (Cl, Na, Mg, S) Đá trầm tích O, Si, Al, Fe, Ca, K, Mg, C, Na Đá granit từ nham thạch O, Si, Al, K, Na, Ca, Fe, Mg Đá bazan từ nham thạch O, Si, Al, Fe, Ca, Mg Lớp phủ O, Si, Mg, Fe Khí Núi (8,8 km) Tầng bình lưu (35 km) bao gồm tầng ozon (15 km) Tầng đối lưu (15 km) Đất thấp (trung bình 0,84 km) Đá trầm tích Thềm lục địa Đại dương (sâu trung bình km) Vực (11 km) Đá granit từ nham thạch Đá bazan từ nham thạch Lớp phủ 20 40 60 80 100 % bề mặt Trái đất bị chiếm Hình 1.2 Mặt cắt ngang bề mặt Trái đất [17] Phần đọc thêm: Sự chuyển dịch mảng lục địa Giả thuyết hoạt động kiến tạo cho rằng, lớp vỏ cứng Trái đất tạo nên 15 mảng lục địa có kích thước khác lắp ghép lại, có mảng Có mảng chứa phần đại dương chứa phần lục địa, đa số mảng lục địa vừa chứa phần đại duơng, vừa chứa phần lục địa Dưới tác động dòng chuyển dịch bên lòng Trái đất, mảng lục địa ln trơi dạt lớp mềm (asthenosphere) Có kiểu chuyển dịch tương đối mảng lục địa liền 120 Kim loại dạng hợp chất tan dầu thấm qua màng tế bào (ví dụ thủy ngân dạng metyl thủy ngân); kim loại liên kết với protein (như cadmium-metallothionein) thâm nhập vào tế bào qua trình nhập bào (endocytosis - q trình chất vào bên tế bào không theo đường thấm qua màng tế bào, lúc màng tế bào gập lại thu tóm chất bên ngồi tế bào tạo thành bọng có màng bao bọc bên tế bào); số kim loại khác (ví dụ chì) hấp thụ đường khuếch tán thụ động (khuếch tán qua màng chênh lệch nồng độ bên bên tế bào theo hướng làm giảm gradient nồng độ) Hình 5.4 Quá trình nhập bào (endocytosis) trình xuất bào (exocytosis) Tác dụng gây độc kim loại thường liên quan đến tương tác kim loại thành phần đích tế bào Các đích bị cơng thường q trình sinh hóa riêng biệt, màng tế bào hay màng thành phần tế bào 5.6.2.1 Các chế gây độc phổ biến phận thể bị tổn hại Ức chế kích hoạt enzim: chế gây độc kim loại tương tác với enzim, gây ức chế kích hoạt enzim Kim loại gây ức chế enzim hai đường sau: − Kim loại độc tác dụng với nhóm sulfhydryl (−SH) enzim, phản ứng sau ion thủy ngân (II) với enzim: SH + Hg2+ → [Enzim] SH S [Enzim] Hg + 2H+ S − Kim loại độc thay kim loại có mặt enzim Ví dụ: chì thay kẽm enzim axit δ-aminolevulinic dehydratase (ALAD) gây ức chế q trình tổng hợp hem (là nhóm khơng chứa protein, có nhân sắt bao bọc dị vòng hữu porphyrin; thành phần quan trọng hemoglobin enzim có chứa hem sắc tố tế bào - cytochrome) Khả gây ung thư: số kim loại có khả gây ung thư cho người động vật Ví dụ: hợp chất asen, số hợp chất crom, niken tác nhân có khả gây ung thư người; beri, cadmi cisplatin (Pt(NH3)2Cl2) tác nhân có khả gây ung thư Người ta cho rằng, số kim loại có khả gây ung thư chúng tương tác với ADN thể động vật Cơ quan nội bào: kim loại độc hủy hoại cấu trúc chức nội 121 bào quan Ví dụ, ức chế enzim thể lưới nội chất (endoplasmic reticulum); tích tụ kim loại thể men (lysosome); ức chế enzim hô hấp thể hạt sợi (mitochondria)… Thận: quan tiết thể, nên thận thường quan bị ảnh hưởng chất độc kim loại thể Cadmi, thủy ngân thường kim loại độc có ảnh hưởng mạnh đến thận Hệ thần kinh: hệ thần kinh thường bị tác động kim loại độc, đặc biệt kim loại dạng hợp chất hữu Ví dụ metyl thủy ngân, tan chất béo, nên dễ qua màng tế bào xâm nhập vào hệ thần kinh Ngược lại dạng thủy ngân vô dễ tan nước hơn, nên có khả xâm nhập vào hệ thần kinh, mà thường chất độc gây hại cho thận Tương tự vậy, hợp chất chì hữu thường chất độc thần kinh, cịn dạng chì vơ lại gây ức chế enzim Hệ nội tiết khả sinh sản: quan sinh sản người hoạt động theo chế phức tạp liên quan đến thần kinh nội tiết hóc mơn, chất độc có khả tham gia vào q trình ảnh hưởng đến hệ sinh sản Chì cadmi kim loại độc gây tác hại hệ sinh sản người Hệ hô hấp: tiếp xúc với kim loại dạng bụi hủy hoại phổi Phơi nhiễm cấp tính làm kích thích gây tổn thương đường hơ hấp Phơi nhiễm mãn tính làm xơ hóa (nhơm) gây ung thư (asen, crom, niken) 5.6.2.2 Tác dụng độc hại asen Thông thường nồng độ asen khơng khí nước thấp, nguồn phơi nhiễm asen người thực phẩm Tuy vậy, số vùng giới, Đài Loan, Nam Mỹ, Banglades,…nồng độ asen nước ngầm cao Cư dân sinh sống sử dụng nước ngầm vùng có nồng độ asen cao thường bị mắc bệnh bệnh sừng hóa, tăng sắc tố da,… Phơi nhiễm mức nồng độ cao dẫn đến hậu nghiêm trọng bị hoại tử đầu ngón tay, ngón chân, bệnh “blackfoot”, ung thư … Hình 5.5 Nhiễm độc asen gây hoại tử bàn tay ngón tay [30] Hiện nay, khoảng 80% hợp chất asen dùng làm thuốc trừ sâu, loại 122 thuốc diệt nấm, diệt cỏ Ngồi ra, asen cịn dùng để sản xuất dụng cụ thủy tinh, sơn, chất màu, vật liệu bán dẫn Asen tồn hợp chất ba mức oxy hóa: asen (+5) hợp chất asenat; asen (+3) asenit; asen (-3) khí asin Độc tính dạng asen khác tăng dần theo thứ tự sau: As(+5) < As(+3) < As(-3) Trong mơi trường, vi sinh vật chuyển hóa asen thành dimethylasenate, chất tích lũy sinh học cá, nghêu sị làm ảnh hưởng đến người qua chuỗi thức ăn Các hợp chất asen (+3) tan dầu mỡ thâm nhập vào thể đường tiêu hóa, hơ hấp tiếp xúc qua da Trong vòng 24 sau hấp thụ, asen phân bố khắp thể,liên kết với nhóm −SH protein tế bào Chỉ phần nhỏ vào tế bào thần kinh Asen thay photpho tích tụ xương nhiều năm Asen (III) độc cơng vào nhóm −SH enzim, làm cản trở hoạt động enzim: SH [Enzim] S [Enzim] + AsO33 SH CH2 CH2 S CH2 SH S CH2 + AsO33- CH2 As O + 2OH As S CH2 SH O + 2OH (CH2)5 (CH2)5 C C O O Protein Protein (dihyrolipoic axit - protein) (phỉïc bë thủ âäüng họa) AsO43− có tính chất tương tự PO43− thay ion PO43− gây ức chế enzim, ngăn cản tạo ATP chất sản sinh lượng CH2 OH CH CH2 OPO32PO43- OH CH ATP O C O C OPO32- H OPO32- Glyxeraldehyt - phosphat Adenosine Triphosphat 1,3 - Diphosphat Glyxerat Nếu có mặt AsO43− trình phụ xảy ra, tạo thành 1−aseno, 3−photphat glyxerat, nên tạo thành 1,3−diphotphat glyxerat không xảy ra, khơng hình thành phát triển ATP: CH2 OH CH C CH2 OPO32- O H Glyxeraldehyt - phosphate AsO43- OH CH C OPO32ATP O OAsO321-arseno,3 - phosphate glyxerat Adenosine Triphosphate 123 Asen (+3) nồng độ cao làm đơng tụ protein, có lẽ asen (+3) cơng liên kết có nhóm sulfua Sau bị nhiễm độc cấp tính từ 30 phút đến giờ, nhiều triệu chứng đường ruột nặng xuất Các triệu chứng nôn mửa, tiêu chảy máu, đau bụng dội, đau có cảm giác cháy bỏng thực quản Sau số triệu chứng kèm tình trạng giãn mạch, co thắc tim, phù não, đau thần kinh ngoại biên Cuối nạn nhân bị vàng da, rối loạn thận chết vịng từ 24 đến ngày rối loạn tuần hoàn Nhiễm độc mạn tính thường kèm với triệu chứng không rõ ràng tiêu chảy, đau bụng, tăng sắc tố tăng sừng hóa Cuối dẫn đến hoại tử đầu ngón tay, ngón chân; thiếu máu; ung thư da, phổi tế bào mũi Các chất chống độc asen hóa chất chứa nhóm −SH 2,3− dimercapto propanol (HS−CH2−CH(SH)−CH2OH) (BAL), chất có khả tạo liên kết với AsO33−, nên khơng cịn As (III) để liên kết với nhóm −SH enzim 5.6.2.3 Tác dụng độc hại cadmi Trong tự nhiên cadmi chủ yếu kèm với chì kẽm quặng Cadmi bị phát tán vào môi trường gần mỏ khai thác khu vực luyện kim Trong công nghiệp cadmi sử dụng để làm chất màu sơn, chất dẻo, mạ điện, chế tạo hợp kim, pin sạc Nguồn gây nhiễm độc cadmi thường nước ngầm bị ô nhiễm công nghiệp luyện kim, sử dụng công nghiệp, sử dụng bùn nước thải thị làm phân bón Lưỡi câu, xiên đâm cá, sản phẩm ngũ cốc, rau, nguồn gây nhiễm cadmi thực phẩm Nhiễm độc cấp tính gây đau rát vùng tiếp xúc Sau ăn uống bị nhiễm độc cadmi, triệu chứng thường gặp buồn nơn, nơn, đau bụng Nhiễm độc qua đường hơ hấp dẫn đến phù phổi Nhiễm độc mạn tính thường quan tâm đặc biệt cadmi bị đào thải khỏi thể chậm, thời gian bán phân hủy thể vào khoảng 30 năm Vì vậy, phơi nhiễm nồng độ thấp dẫn đến tình trạng tích lũy cadmi thể Phần lớn cadmi thâm nhập vào thể người đào thải từ từ qua thận, khoảng 1% giữ lại thận, cadmi liên kết với protein tạo thành metallotionein có thận Phần cịn lại thể tích lũy với tuổi tác Khi lượng Cd2+ tích lũy đủ lớn, chỗ ion Zn2+ enzim quan trọng gây rối loạn tiêu hóa chứng bệnh rối loạn chức thận, thiếu máu, tăng huyết áp, gây dòn xương, phá hủy tủy xương, gây ung thư Sự cố nhiễm độc cadmi xảy tỉnh Toyama, Nhật Bản, vào năm 1940 hoạt động khai khống làm nhiễm cadmi sông Jinzu phụ lưu Nước sông sử dụng cho thủy lợi dùng để sản xuất nước uống Hậu làm hàng trăm người dân sống khu vực bị mắc chứng bệnh nhiễm độc cadmi có tên gọi “bệnh itai-itai” Hầu hết nạn nhân bị tổn thương thận loãng xương, nhiều người chết Vụ nhiễm độc Toyama xem vụ nhiễm độc cadmi nghiêm trọng từ trước đến 5.6.2.4 Tác dụng độc hại chì Trung bình người dân thành phố lớn ngày đưa vào thể 10 μg Pb từ không khí, 15 μg Pb từ nước (dạng hịa tan dạng phức) 200 μg Pb từ nguồn lương thực thực phẩm; tiết khoảng 200 μg Pb, khoảng 25 μg giữ lại xương Tác dụng độc hại chủ yếu chì gây ức chế số enzim quan trọng trình tổng hợp máu ngăn chặn trình tạo hồng cầu Chì ức chế ALA-dehidraza enzim (I), giai đoạn tạo thành porphobilinogen (II) (là sản phẩm trung gian q trình tạo hồng cầu) khơng thể xảy Vì vậy, chì phá hủy trình tổng hợp hemoglobin 124 sắc tố khác sắc tố tế bào (cytochromes) CH2 C HOOC CH2 C CH2 CH2 COOH HOOC CH2 C O C C CH COOH H2N NH2 CH2 N H H (I) delta-aminolevulinic axit (ALA dehydrase enzym) (II) porphobilinogen Hình 5.6 Cơng thức cấu tạo ALA−dehydraza enzim porphobilinogen Chì cịn gây hại đến hệ thần kinh, đặc biệt trẻ sơ sinh trẻ em tuổi phát triển hệ thần kinh Ngay phơi nhiễm chì mức độ thấp, trẻ có biểu hiếu động thái quá, giảm ý, thiểu trí tuệ, suy giảm thị lực Khi bị phơi nhiễm mức nồng độ cao hơn, nạn nhân (cả trẻ em người lớn) bị bệnh não Chì phá hủy động mạch nhỏ mao mạch làm phù não thối hóa thần kinh Triệu chứng lâm sàng gây tác hại trạng thái lờ đờ, co giật, mê Do có tính chất hóa học tương tự Ca nên thể Pb tích lũy xương, chì kết hợp với photphat xương di chuyển vào mô mềm thể độc tính Ngồi ra, chì ảnh hưởng đến hệ sinh sản, gây sẩy thai, ảnh hưởng có hại cho trẻ sơ sinh Khi hàm lượng máu khoảng 0,3 ppm, chì ngăn cản trình sử dụng oxy để oxy hóa glucoza tạo lượng cho q trình sống, làm cho thể mệt mỏi Khi nồng độ máu nằm khoảng > 0,5 − 0,8 ppm, chì gây rối loạn chức thận phá hũy não Ở nồng độ cao (> 0,8 ppm) chì gây thiếu máu thiếu hemoglobin Các chất chống độc chì hóa chất có khả tạo phức chelat tan với Pb2+ Ví dụ, dung dịch phức chelat canxi dùng để giải độc chì phức chelat chì bền phức chelat canxi nên Pb2+ chỗ Ca2+ phức chelat, kết phức chelat chì tạo thành tan đào thải ngồi qua nước tiểu Các hóa chất dùng để giải độc chì EDTA, 2,3-dimercaptopropanol, penicillamin , chúng tạo với chì phức chelat sau: O C O CH2 C CH2 N CH2 O Pb N CH2 O C CH2 CH2 O O C O O Phæïc Pb - EDTA H2C CH CH2OH S OH S O C Pb HC H N C S S H2C S CH CH2OH H3C Pb CH3 Phæïc Pb - BAL (BAL: 2,3 - mercapto propanol) Phỉïc Pb - (d-penicillamin) Hình 5.7 Phức chelat chì với chất chống độc 5.6.2.5 Tác dụng độc hại thủy ngân Thủy ngân có nhiều ứng dụng rộng rãi cơng nghiệp, sản xuất NaOH, Cl2 cách điện phân dung dịch muối ăn bão hòa với điện cực thủy ngân Ngành công nghiệp sản xuất thiết bị điện sản xuất đèn thủy ngân cao áp, pin thủy ngân, rơle điện dùng nhiều thủy ngân Trong nông nghiệp, người ta dùng lượng lớn hợp chất thủy ngân để chống nấm làm hạt giống Các hợp chất thường dùng là: 125 Metyl nitril thủy ngân: CH3−Hg−CN NH2 Metyl dixian diamit thủy ngân: H3C Hg N C NH2 H2N C N Metyl axetat thủy ngân: Etyl clorua thủy ngân: CH3−Hg−OOC−CH3 C2H5−Hg−Cl Các hợp chất thủy ngân dùng làm hạt giống, gieo hạt giống xuống đất, hợp chất phân tán rộng đất Sau đó, thủy ngân vào thực vật, động vật chuyển vào thức ăn người Thủy ngân kim loại có độc tính cao Vào năm 1953 − 1960, Nhật có nhiều trường hợp bị nhiễm độc nặng ăn phải cá nhiễm thủy ngân từ vịnh Minamata Nước vịnh bị nhiễm thủy ngân nước thải nhà máy hóa chất Cá vịnh có chứa 27 − 102 ppm thủy ngân dạng metyl thủy ngân (xem “Phần đọc thêm” mục 3.5.2.1 Các ion vô hịa tan) Năm 1972, 450 nơng dân Irắc chết ăn phải loại lúa mạch bị nhiễm thủy ngân từ thuốc trừ sâu Hai kiện chứng tỏ thủy ngân chất gây độc mạnh Hình 5.8 Bàn tay bị biến dạng nạn nhân bị ngộ độc Hg Minamata [22] Tính độc thủy ngân phụ thuộc vào dạng hợp chất hóa học − Thủy ngân kim loại tương đối trơ khơng độc, nuốt thủy ngân vào bụng sau lại thải ngồi, khơng gây hậu nghiêm trọng Nhưng thủy ngân hít phải độc Khi hít phải thủy ngân, thủy ngân vào não qua máu, hủy hoại hệ thần kinh trung ương − Thủy ngân (I) Hg22+ vào thể tác dụng với ion Cl− có dày tạo thành hợp chất khơng tan Hg2Cl2 bị đào thải ngồi, nên Hg22+ khơng độc − Thủy ngân (II) Hg2+ độc, dễ dàng kết hợp với amino axit có chứa lưu huỳnh protein Hg2+ tạo liên kết với hemoglobin albumin huyết hai chất có chứa nhóm −SH Song Hg2+ khơng thể chui qua màng sinh học nên khơng thể thâm nhập vào tế bào sinh học − Các hợp chất hữu thủy ngân có độc tính cao nhất, đặc biệt ion metyl thủy ngân CH3Hg+, chất tan mỡ, phần chất béo màng não tủy Trong ankyl thủy ngân, liên kết cộng hóa trị Hg với C bền vững, không dễ 126 dàng bị phá vỡ nên ankyl thủy ngân bền Đặc tính nguy hiểm ankyl thủy ngân (RHg+) thấm qua màng ngăn cản thâm nhập vào mô bào thai qua thai Khi mẹ bị nhiễm metyl thủy ngân trẻ sinh thường chịu thương tổn hồi phục hệ thần kinh trung ương, gây nên bệnh tâm thần phân liệt, co giật, trí tuệ phát triển Hg liên kết vào màng tế bào ngăn cản trình vận chuyển đường qua màng, lại cho K qua màng Đối với tế bào não, trình vừa nêu làm suy giảm lượng tế bào, gây rối loạn việc truyền xung thần kinh Nhiễm độc metyl thủy ngân dẫn tới phân chia nhiễm sắc thể, phá vỡ nhiễm sắc thể ngăn cản phân chia tế bào Các triệu chứng nhiễm độc thủy ngân bắt đầu xuất nồng độ metyl thủy ngân (CH3Hg+) máu vào khoảng 0,5 ppm Đặc tính độc hại thủy ngân hợp chất thủy ngân trình bày tóm tắt Bảng 5.9 Bảng 5.9 Đặc tính hóa học sinh hóa thủy ngân hợp chất [8] Loại Đặc tính hóa học sinh hóa Hg Nguyên tố thủy ngân tương đối trơ, khơng độc Hơi thủy ngân hít phải độc Tạo hợp chất không tan với clorua (Hg2Cl2) có độ độc thấp Hg22+ Hg Độc, khó di chuyển qua màng sinh học 2+ RHg+ Rất độc, thông thường dạng CH3Hg+, nguy hiểm cho hệ thần kinh não, dễ di chuyển qua màng sinh học, tích trữ mơ mỡ R2Hg Độc tính thấp, chuyển thành RHg+ mơi trường axit trung bình HgS Khơng tan khơng độc, có đất Trong môi trường nước, thủy ngân muối thủy ngân bị số vi khuẩn kỵ khí chuyển hóa thành metyl thủy ngân hay dimetyl thủy ngân (CH3)2Hg Dimetyl thủy ngân mơi trường axit trung bình chuyển hóa thành metyl thủy ngân (CH3Hg+) tan nước Quá trình lan truyền thủy ngân cuối vào thể người tóm tắt sơ đồ sau: Hg2+ VK kỵ khí CH3Hg+ Phiêu sinh vật Nồng độ tăng 103 lần Người Cá lớn Cá nhỏ Cơn trùng Chim Hình 5.9 Sự khuếch đại sinh học thủy ngân chuỗi thức ăn [8] Có thể ngăn chặn tình trạng nhiễm thủy ngân tuân thủ qui tắc Tổ chức Bảo vệ Môi trường Mỹ Thụy điển đề nghị: − Chuyển hướng cơng nghệ thay sử dụng điện cực thủy ngân công nghiệp sản xuất NaOH Cl2, − Cấm sản xuất sử dụng thuốc trừ sâu loại ankyl thủy ngân, 127 − Hạn chế sản xuất sử dụng loại thước trừ sâu khác có chứa thủy ngân, sử dụng chọn lọc số vùng, Trầm tích nhiễm thủy ngân sơng hồ tạo ion metyl thủy ngân tan vào nước Ở Thụy Điển, người ta thử nghiệm bao phủ trầm tích đáy vật liệu nghiền mịn có khả hấp phụ cao để tránh q trình tái hịa tan thủy ngân vào nước Cũng chơn lấp trầm tích nhiễm thủy ngân vật liệu vô trơ 5.6.3 Tác dụng độc hại số chất độc khác 5.6.3.1 Tác dụng độc hại cacbon monooxit (CO) Cacbon monooxit khí độc, tạo hợp chất bền với hemoglobin CO O2 hemoglobin tạo cacboxy-hemoglobin, làm giảm khả tải O2 máu: O2Hb + CO ↔ COHb + O2 Khi cấp cứu người bị nhiễm độc CO, trước hết phải đưa nạn nhân chỗ thoáng cho thở oxy để phản ứng giải hấp CO xảy ra: HbCO + O2 ↔ HbO2 + CO Bảng 5.10 Ảnh hưởng độc hại CO người nồng độ khác [8] Nồng độ CO (ppm) HbO2 →HbCO 10 Rối loạn khả phán đốn, giảm tầm nhìn 100 15 Đau đầu, chóng mặt, mệt mỏi 250 32 Ngất, bất tỉnh 750 60 Chết sau vài 1000 66 Chết nhanh % chuyển hóa Ảnh hưởng độc hại người 5.6.3.2 Tác dụng độc hại oxit nitơ (NOx) Trong khí thường tồn hai oxit nitơ NO NO2 NO có khả tạo liên kết với hemoglobin CO, làm giảm hiệu suất vận chuyển oxy máu Song, khơng khí bị nhiễm, lượng NO thấp nhiều lần so với khí CO, tác động đến hemoglobin nhỏ nhiều NO2 độc hại sức khỏe người Cơ chế gây độc NO2 chưa biết rõ Người ta cho rằng, số enzim catalase lactic dehydrogenase bị phân hủy tác dụng NO2 Thuốc chống ngộ độc NO2 thường sử dụng chất chống oxy hóa vitamin E Bảng 5.11 Ảnh hưởng độc hại NO2 với người nồng độ khác [8] Nồng độ NO2 (ppm) Thời gian phơi nhiễm Mức độ độc hại người 50 − 100 Dưới Viêm phổi phơi nhiễm 6−8 tuần 150 − 200 − Hủy hoại khí quản, chết phơi nhiễm 3−5 tuần ≥ 500 − 10 ngày Chết 128 5.6.3.3 Tác dụng độc hại khí sunfurơ (SO2) Khí sunfurơ gây tác hại chủ yếu đường hơ hấp, kích thích gây ngạt Hầu hết người bị kích thích nồng độ SO2 khơng khí cao ppm Những người nhạy cảm bị kích thích nồng độ thấp − ppm SO2 Nhiễm độc SO2 nồng độ cao − 10 ppm SO2 gây co thắt phế quản mạnh Ơ nhiễm SO2 kèm với khói gây tượng synergism, đặc biệt cố sương khói kiểu London Mặc dù nồng độ gây chết người lớn, đến 500 ppm, khí SO2 xem tác nhân gây nhiễm khơng khí đáng kể nhất, gây tác hại đến người già, người có bệnh đường hô hấp, tim mạch Đối với thực vật, nồng độ cao, SO2 phá hủy mô lá, làm hư hại vùng rìa vùng nằm gân Khi độ ẩm tương đối khơng khí tăng lên tác hại SO2 thực vật tăng lên Tác hại trở nên nghiêm trọng lỗ nhỏ lớp biểu bì bề mặt dùng để trao đổi khí bị nở Tiếp xúc lâu dài với khí chứa SO2 nồng độ thấp nguy hiểm với trồng tiếp xúc với nồng độ cao thời gian ngắn 5.6.3.4 Tác dụng độc hại ozon PAN Ozon PAN (peroxyaxetyl nitrat CH3−COO−ONO2) sản phẩm q trình quang hóa Cả hai khí gây tác hại mắt quan hô hấp người Con người cần tiếp xúc với khơng khí chứa 50 ppm O3 vài dẫn tới tử vong bị tràn dịch màng phổi Ở nồng độ thấp không dẫn đến chết người, gây tích lũy chất lỏng phổi phá hoại mao quản phổi Trẻ em động vật non nhạy cảm với tác động độc hại ozon Tác dụng hóa sinh ozon PAN chủ yếu tạo gốc tự Nhóm −SH (sulphydril) enzim bị tác nhân oxy hóa cơng, ngồi cịn bị axêtyl hóa bới PAN Các tác nhân oxy hóa quang hóa làm tê liệt hoạt động enzim izocitric dehydrogenase; malic dehydrogenase glucose−6−photphate−dehydrogen −ase Các enzim có liên quan đến chu trình axit citric làm phân hủy glucose, chất tạo lượng tế bào Các tác nhân oxy hóa ngăn cản hoạt tính enzim tổng hợp xenluloza chất béo thực vật 5.6.3.5 Tác dụng độc hại cyanua (CN−) Cyanua có hạt loại táo, mơ, anh đào, đào, mận, Cyanua thực vật thưòng liên kết với gốc đường gọi amygdalin Đường amygdalin bị enzim hay axit thủy phân tạo cyanua (ví dụ: dày): O C6H10O4 C6H11O5 CH C N caïc âån vë glucose + 2H2O HCN + 2C6H12O6 + C6H5CHO Glucose Benzaldehyt Amydalin Cyanua ức chế enzim oxy hóa làm ngăn cản giai đoạn trung gian trình sử dụng oxy để tạo ATP Quá trình tạo ATP (adenozin triphotphat) xảy qua bước sau: Bước 1: Fericytochrom oxydaza (một protein chứa sắt, viết tắt Fe(III)−oxit) bị glucoza khử thành ferrocytochrom oxydaza (viết tắt Fe(II)−oxit): Fe(III)−oxit + glucoza → Fe(II)−oxit + glyxeraldehyt 129 Bước 2: Fe(II)−oxit nhường e cho oxy biến thành Fe(III)−oxit: Fe(II)−oxit + ½ O2 + 2H+ → Fe(III)−oxit + H2O Sau glyxeraldehyt kết hợp với PO43−, tạo ADP (adenozin diphotphat), chất tiếp tục kết hợp với PO43− để tạo thành ATP chất sản sinh lượng: 3- ADP ⎯⎯⎯ ATP → Nếu có mặt xianua Fe(III)−oxit kết hợp với CN−: Fe(III)−oxit + CN− → Fe(III)−oxit−CN làm bước bị ngăn cản, bước sau khơng xảy để tạo thành ATP Thêm vào CN− cịn tạo phức với hợp chất hematin khác Để điều trị nhiễm độc cyanua, người ta tiêm NaNO2 vào mạch máu, cho nạn nhân ngửi amylnitrit, xảy phản ứng sau: − NO2− oxy hóa hemoglobin HbFe(II) thành methemiglobin HbFe(III), chất khơng vận chuyển O2 tới mô hemoglobin HbFe(II): PO NO − HbFe(II) ⎯⎯⎯ HbFe(III) → (phản ứng xem nguyên nhân gây độc NO2−, làm thiếu oxy, có dẫn đến tử vong) − HbFe(III) lấy CN− phức ferricytochrom oxydaza với CN−: HbFe(III) + Fe(III)−oxit−CN → HbFe(III)−CN + Fe(III)−oxit − Điều trị tiếp với S2O32− để loại bỏ CN−: HbFe(III)−CN + S2O32− → SCN− + SO32− + HbFe(II) Phản ứng cần xúc tác men chứa nhóm SCN− (rhodanase) hay mitocrondrial sulfua transferase 5.6.3.6 Các chất gây ung thư (carcinogens) Các nghiên cứu dịch tễ học cung cấp nhiều chứng cho thấy người phơi nhiễm số loại hóa chất, tác nhân độc hại xác định mắc bệnh ung thư Thuật ngữ carcinogens dùng để hóa chất , tác nhân (tia phóng xạ, tia xạ, ), có khả gây ung thư người động vật Dựa vào khả gây ung thư, Tổ chức Thế giới Nghiên cứu Ung thư (IARC – International Agency for Reseach on Cancer) Tổ chức Bảo vệ Môi trường (EPA) phân loại chất độc thành nhóm (Bảng 5.12) Bên cạnh chất xếp vào loại có khả gây ung thư (carcinogen), cịn có số chất thân khơng có khả gây ung thư, kết hợp với tác nhân khác lại có khả gây ung thư, chất loại gọi tên co-carcinogens Để đánh giá khả gây ung thư tác nhân nghi vấn, người ta thường sử dụng kết nghiên cứu dịch tễ học nghiên cứu động vật loài gặm nhấm Bằng chứng quan trọng để kết luận khả gây ung thư tác nhân thường dựa vào kết nghiên cứu dịch tễ học Tuy vậy, nghiên cứu thường phức tạp thường phải cần thời gian hàng chục năm (20 đến 30 năm) từ lúc phơi nhiễm với tác nhân đến lúc triệu chứng lâm sàng chứng bệnh ung thư phát Do thời gian cần theo dõi dài, nên nghiên cứu dịch tễ học thường bị ảnh hưởng nhiều yếu tố phơi nhiễm bổ sung yếu tố ảnh hưởng khác không kiểm sốt được, làm cho kết nghiên cứu khó nói hồn tồn xác 130 Bảng 5.12 Phân loại chất gây ung thư theo IARC EPA [10] IARC EPA Nhóm Nhóm A Đã biết gây ung thư cho người (Đã có đủ chứng dịch tễ học để chứng minh có liên quan tác nhân phơi nhiễm việc phát bệnh ung thư nạn nhân) Nhóm 2A Nhóm B Gần chắn gây ung thư cho người Nhóm B1 Chưa có nhiều chứng dịch tễ học khả gây ung thư người, khơng tính đến chứng động vật thí nghiệm Nhóm B2 Có đủ chứng dịch tễ học khả gây ung thư động vật thí nghiệm, chưa có khơng có chứng thỏa đáng khả gây ung thư người Nhóm 2B Nhóm C Có thể gây ung thư cho người Khơng có chứng khả gây ung thư người, chứng động vật Nhóm Nhóm D Khơng thể đánh giá khả gây ung thư cho người Chưa có khơng có chứng thỏa đáng khả gây ung thư người động vật Nhóm E Gần chắn không gây ung thư cho người Khơng có chứng khả gây ung thư thí nghiệm hồn chỉnh lồi động vật khác khơng có chứng khả gây ung thư thí nghiệm đầy đủ dịch tễ học thí nghiệm động vật Nhóm Danh mục hóa chất, tác nhân IARC xếp loại tác nhân gây ung thư trình bày Bảng 5.13 Bảng cịn cung cấp thơng tin nghề nghiệp có bị phơi nhiễm với loại hóa chất tương ứng Bảng 5.13 Danh mục tác nhân, chất, hỗn hợp chất gây ung thư người ngành nghề có nguy bị phơi nhiễm [10] Aflatoxyns 4-Aminobiphenyl Asen số hợp chất asen Amiăng Azathioprine Benzene Benzidine Beri số hợp chất beri N,N-bis-(2-Chloroethyl)-2-naphthylamine (chlornaphazine) Bis(chloromethyl) ether chloromethyl methyl ether 1,4-Butanediol dimethylsulfonate (Myleran®) Cadmi số hợp chất cadmi Chlorambucil 1-(2-Chloroethyl)-3-(4-methylcyclohexyl)-1-nitrosourea (MeCCNU) Crom số hợp chất crom 131 (Bảng 15.3 tiếp theo) Cyclophosphamide Cyclosporin A (cyclosporin) Diethylstilbestrol Virut Epstein-Barr Erionite Liệu pháp Estrogen Estrogens, không thuộc loại steroid Estrogens, thuộc loại steroid Etylen oxit Etoposide kết hợp với cisplatin bleomycin Helicobacter pylori Virut Hepatitis B (gây viêm gan B, mãn tính) Virut Hepatitis C (gây viêm gan C, mãn tính) Thuốc nam có chứa hoạt chất từ lồi Aristolochia (một lồi dây leo) HIV, nhóm Virut Papilloma, nhóm 16 Virut Papilloma, nhóm 18 Virut tế bào lymphotropic T, nhóm Melphalan (2-amino-3-[4-[bis(2-chloroethyl)amino]phenyl]-propanoic a.) Methoxsalen với liệu pháp UV-A (PUVA) MOPP liệu pháp hóa học kết hợp khác kể tác nhân ankyl hóa Mustard Gas (Bis (2-chloroethyl) sulfide; dùng làm vũ khí hóa học) 2-Naphthylamine Neutron Các hợp chất Nicken Opisthorchis viverrini (một loại sán lá) Thuốc ngừa thai Tia phóng xạ α Tia phóng xạ β Radon Schistosoma haematobium (một loại ký sinh trùng) Silica Bức xạ Mặt trời Bột Talc chứa khoáng dạng sợi amiăng Tamoxyfen (một loại dược phẩm điều trị ung thư vú) 2,3,7,8-Tetrachlorodibenzo-para-dioxin 132 (Bảng 15.3 tiếp theo) Thiotepa [tris(1-aziridinyl)phosphine sulfide] Thori dioxit Treosulfan Vinyl clorua Bức xạ tia X tia γ Hỗn hợp Đồ uống có cồn Hỗn hợp giảm đau chứa phenacetin Nhai trầu với thuốc Tro than đá hắc ín từ than đá Dầu khống (mineral oils) Cá muối Shale oils (loại dầu tách từ đá trầm tích chứa chất hữu cơ) Muội than Khói thuốc sản phẩm thuốc khơng khói Mùn cưa Tình phơi nhiễm Sản xuất nhơm Sản xuất phẩm nhuộm auramine Sản xuất sửa chữa giày da Khí hóa than đá Khí hóa than cốc Săn xuất đồ gỗ Bị phơi nhiễm radon khai thác hematit Đúc, luyện sắt thép Sản xuất isopropanol Sản xuất thuốc nhuộm fucsin Thợ sơn Cơng nghiệp cao su Khói axit vơ mạnh có chứa axit sulfuric Khơng phải loại hóa chất nhân tạo gây ung thư người, tự nhiên có nhiều tác nhân gây ung thư, sợi amiăng, aflatoxyn B1, cau, niken số hợp chất asen có khả gây ung thư người Các chất độc gây ung thư tác động lên ADN, cản trở chúng truyền dẫn cần thiết cho việc tổng hợp chất điều khiển trình sinh trưởng tế bào, làm cho tế bào phát triển vô tổ chức, chèn ép tế bào khác, gây ung thư 133 Câu hỏi Đối tượng nghiên cứu độc học môi trường gì? Các tính chất nguy hiểm cần lưu ý chất độc? Chất độc loại “ưa dầu” hay “ưa nước” thường có khả tích lũy sinh học? Tại sao? Giải thích ý nghĩa đại lượng LC50, LD50, NOEL, LOEL Để đánh giá độ độc cấp tính thường sử dụng đại lượng nào? Khi so sánh độ độc chất dựa vào giá trị LC50 hay LD50 cần lưu ý điều gì? DDT tác động đến hệ thần kinh trùng? Giải thích nêu ví dụ ảnh hưởng chất độc hóa học đến enzim Các chế gây độc phổ biến accs kim loại độc? Trình bày độc tính thủy ngân dạng hợp chất 10 Giải thích tác dụng độc hại CO, NOx, SO2, CN− 134 TÀI LIỆU THAM KHẢO Lê Huy Bá Độc học Môi trường, NXB.ĐHQG TP HCM, tái lần (2002) Lê Huy Bá Môi trường (Tập 1), NXB KH&KT (1997) Đặng Kim Chi Hóa học môi trường (Tập 1), NXB KH&KT (1998) Vũ Đăng Độ Hóa học nhiễm mơi trường, NXB Giáo dục (1997) Lê Trình Quan trắc kiểm sốt nhiễm môi trường nước, NXB KH&KT (1997) Phạm Hùng Việt, Trần Tứ Hiếu, Nguyễn Văn Nội Hóa học mơi trường sở, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội (1999) [7] Andrew R.W Jackson & Julie M Jackson Environmental Science - The Natural Environment and Human Impact, Longman Group Limited, 1st ed (1996) [8] Anil Kumar De Environmental Chemistry, Wiley Eastern Ltd, 2nd ed (1989) [9] Donald L Sparks Environmental soil chemistry, Elsevier Science, 2nd ed.(2003) [10] Ernest Hodgson A textbook of modern toxycology, John Wiley & Sons, Inc., 3rd ed (2004) [11] Eugene R Weiner Applications of Environmental Chemistry, Lewis Publishers, 1st ed (2000) [12] Howard S Peavy, Donald R Rowe, George Tchobanoglous Environmental Engineering, McGraw-Hill Book Co., 1st ed (1985) [13] J Glynn Henry, Gary W Heinke Environmental Science and Engineering, Prentice Hall, Inc., 1st ed (1989) [14] Malcolm Grant, Richard Hawkins The Concise Lexicon of Environmental Terms, John Wiley & Sons, 1st ed (1995) [15] Manahan Stanley E “Frontmatter” Fundamentals of Environmental Chemistry, CRC Press, 2nd ed (2001) [16] Metcalf & Eddy, Inc Wastewater Engineering: Treatment, Disposal, and Reuse, McGraw-Hill, Inc., 3rd ed (1991) [17] Peter O’Neill Environmental Chemistry, Chapman & Hall, 2nd ed (1993) [18] http://www.admas.ltd.uk/images/clip_image002_000.jpg [19] http://curriculum.calstatela.edu/courses/builders/lessons/less/les4/genes/eut_and_pro.gif [20] http://industrial-landscape.com/FG-image-gallery/source/image/ trickling_filter_8983.jpg [21] http://umanitoba.ca/institutes/natural_resources/gallery/canada/manitoba_prairies/ lgmanitobaprairies3.jpg [22] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/thumb/8/8d/Tomokos_hand.gif/190pxTomokos_hand.gif [23] http://whyfiles.org/201mercury/images/minamata_child.jpg [24] http://www.ccohs.ca/oshanswers/chemicals/ld50.html [25] http://www.elmhurst.edu/~chm/vchembook/images2/196sculpture.gif [26] http://www.eoearth.org/upload/thumb/b/b7/London_Smog.jpg/300px-London_Smog.jpg [27] http://www.mrfs.net/trips/2004/Southern_California/Los_Angeles/la_skyline.jpg [28] http://www.nasa.gov/images/content/160658main2_OZONE_large_350.jpg [29] http://www.robl.w1.com/Pix/C900991.jpg [30] http://www.siliconeer.com/past_issues/2000/may_00_arsenic_3.jpg [1] [2] [3] [4] [5] [6] ... chất lượng môi trường quốc gia hay tổ chức quốc tế đưa 1.1.2 Hóa học mơi trường Hóa học mơi trường mơn khoa học nghiên cứu tượng hóa học xảy mơi trường Nói cách khác, hóa học mơi trường nghiên... đồng thể (oxy hóa pha khí oxy hóa pha lỏng) − Oxy hóa dị thể: Phản ứng oxy hóa SO2 pha khí: 2SO2 (k) + O2 (k) → 2SO3 (k) (a) có mặt nước xảy phản ứng sau: SO3 (k) + H2O(l) → H2SO4 (dd) (b) điều... chất hóa học khơng khí, nước, đất, ảnh hưởng hoạt động người đến trình Như vậy, hóa học mơi trường mơn học đa ngành liên quan trực tiếp đến ngành hóa học, vật lý, sinh học, địa chất học, nơng học,