độc học môi trường nguyên lý độc học

Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Khoa đào tạo chất lượng cao Chương II Nguyên Lý Của Độc Học GVHD: Cô Nguyễn Thị Thu Thảo SVTH: Nguyễn Đăng Quang Nguyễn Thành Nam Nguyễn Thị Ngọc Thảo Nguyễn Bích Ngọc Phạm Thị Cẩm Tiên Mục Lục 1 1.Nguyên tắc chung trong nghiên cứu độc học. 1.1 Hiệu ứng dưới và trên tử vong. 1.2 Sự tương tác giữa các độc chất. 2. Con đường di chuyển chất ô nhiễm trong môi trường. 2.1 Nguồn phát sinh. 2.2 Sự phát tán, vận chuyển, xâm nhập và biến đổi của chất ô nhiễm trong môi trường. 3.Con đường xâm nhập và quá trình tác động của chất độc đối với cơ thể. 3.1 Quá trình hấp thụ. 3.2 Quá trình phân bố. 3.3 Quá trình chuyển hóa chất độc tại các cơ quan trong cơ thể. 3.4 Quá trình tích tụ hoặc đào thải. 1. Nguyên tắc chung trong nghiên cứu độc học. 1.1 Hiệu ứng dưới tử vong và trên tử vong. 2 Hiệu ứng trên tử vong là liều lượng độc chất có trong môi trường đủ để cho cơ thể sống đó chết. Mục đích nghiên cứu dựa trên hiệu ứng trên tử vong: đưa ra các giới hạn cần thiết để đề ra các tiêu chuẩn môi trường. • Hiệu ứng dưới tử vong là liều lượng của độc chất đủ để phát hiện những ảnh hưởng có hại mà không làm cho cơ thể đó bị chết. Mục đích của nghiên cứu dựa trên hiệu ứng dưới tử vong: đánh giá được khả năng thích nghi và sức đề kháng của cơ thể sống đối với môi trường. • 1.2 Sự tương tác giữa các độc chất. • Độc học môi trường không nghiên cứu tác dụng của độc chất một cách độc lập mà nghiên cứu đặt trong mối quan hệ tương tác giữa các độc chất. - Tương tác hợp lực: Được thể hiện khi cơ thể sống hấp thụ hai hay nhiều chất độc. Tác dụng tổng của các chất này lớn hơn tổng tác dụng của các chất cộng lại. Ví dụ như tương tác người làm việc với amiăng tăng lên 5 lần, người hút thuốc lá tăng lên 11 lần nhưng đối với người vừa hút thuốc lá vừa làm việc với amiang thì tăng lên đến 55 lần so với người bình thường tăng khả năng ung thư phổi . Amiăng chỉ một nhóm sợi khoáng chất tự nhiên dẫn nhiệt kém và có thể chịu được các tấn công hóa học amiăng được sử dụng làm vật liệu xây dựng. - Tương tác tiềm ẩn: Một chất khi đơn độc đi vào cơ thể thì không gây phản ứng cho cơ thể, nhưng khi có mặt chất khác trong cơ thể thì tính độc của chất đó tăng lên. Ví dụ tương tác giữa izopropanol và CCl4 là tương tác tiềm ẩn. Izopropanol không độc đối với chuột, nhưng dưới tác dụng của CCl4 thì tính độc của nó sẽ tăng lên rất nhiều. - Tương tác đối kháng:  Đối kháng hóa học: Một độc chất sẽ làm mất độc tính của chất khác qua phản ứng hóa học với chất đó. Ví dụ tương tác giữa EDTA và kim loại là tương tác hóa học. EDTA phản ứng với hợp chất kim loại, làm cho kim loại không có khả năng liên kết với nhóm –SH của protein gây biến tính protein.  Đối kháng cạnh tranh: 3 Phản ứng đối kháng cạnh tranh là phản ứng khi chất đối kháng va chất cạnh tranh tác động lên cùng một chất tiếp nhận. Độc chất đối kháng canh tranh làm chuyển dịch chất khác ra khỏi vị trí nhiễm độc. Ví dụ: tương tác giữa O2 và CO là tương tác đối kháng cạnh tranh. CO có tác dụng với Hemoglobin ngăn cản vận chuyển O2 trong máu, nhưng khi nồng độ O2 cao thì O2 sẽ đẩy CO ra khỏi Hb đưa về trạng thái ban đầu. HbO2 + CO → HbCO + O2 HbCO + O2 → HbO2 + CO  Đối kháng không cạnh tranh: Chất đối kháng cản trở tác động có hại của độc chất nào đó bằng cách nối kết các thành phần liên quan tới độc chất A chứ không liên kết trực tiếp với độc chất A. Ví dụ: tương tác giữa atropin và các chất ưc chế enzyme acetylcholinesterase là tương tác đối kháng không cạnh tranh. Atropin làm giảm độc tính của các chất ức chế enzyme acetylcholinesterase (enzyme phân giải acetylcholin) bằng cách không tác dụng trực tiếp lên enzyme đó mà tác dụng lên recepter của cetylcholin.  Đối kháng chuyển vị: Đối kháng chuyển vị là đối kháng tạo nên khi có sự chuyển đổi dược động học của độc chất làm cho độc chất tiến tới dạng độc hơn. Ví dụ: một số chất sau khi qua chuyển hóa của hệ enzyme có trong gan tạo thành chất độc hơn đối với cơ thể. 2. Con đường di chuyển chất ô nhiễm trong môi trường. 2.1 Nguồn phát sinh. 4 Chất ô nhiễm sơ cấp: là các chất ô nhiễm được thải trực tiếp từ nguồn ô nhiễm. VD: Các chất SOx, NOx, bụi,.. thải ra từ các quá trình đốt nhiên liệu Chất ô nhiễm thứ cấp: là các chất ô nhiễm được taoh thành từ các chất ô nhiễm sơ cấp do các quá trình biến đổi hóa học trong khí quyển VD: H2SO4 sinh ra từ quá trình hấp thụ hơi nước trong khí quyển của SOx là chất ô nhiễm thứ cấp Quá trình lấy mẫu và phân tích chất thải tại nguồn cho phép xác định chủng loại và nồng độ củ chất ô nhiễm sơ cấp Quá trình lấy mẫu và phân tích các chất ô nhiễm trong khí quyển cho phép xác định chủng loại, nồng độ của chất ô nhiễm thứ cấp. Các chất ô nhiễm thứ cấp thường có độc tính cao hơn chất ô nhiễm sơ cấp, tuy nhiên cũng có những chất ô nhiễm thứ cấp lại có tác động tốt cho môi trường VD: Sản phẩm của quá trình phản ứng giữa NH3 với hơi nước và NO2 trong khí quyển tạo thành NH4NO3 là một chất làm giàu cho đất 2.2 Sự phát tán, vận chuyển, xâm nhập và biến đổi của chất ô nhiễm trong môi trường. Khi có mặt trong môi trường,các chất ô nhiễm sẽ di chuyển và kết hợp hoặc phản ứng với một số yếu tố nhân tạo hoặc tự nhiên khác trong môi trường.Chúng có thể phát tán,xâm nhập một cách nhanh hay chậm, một cách trực tiếp hay gián tiếp. Sự di chuyển này có thể xảy ra ở cả ba môi trường rắn,lỏng và khí. • Chất ô nhiễm trong không khí và nước thường ở dạng rắn, chúng tồn tại dưới dạng các hạt rắn lơ lửng.Các chất ô nhiễm được hút bám vào chất rắn hoặc phân hủy trong chất nền ( không khí, nước ). • Các chất ô nhiễm do con người thải vào môi trường sẽ nhanh chóng phát tán vào khí quyển, thủy quyển và địa quyển. Một phần chất ô nhiễm cũng như ác chất độccủa chúng sẽ được giữ lại ở khí quyển, thủy quyển hoặc địa quyển, một phần khác sẽ quay trở lại sinh quyển qua các quá trình tích lũy sinh học cũng như tích tụ sinh hóa. • Chất ô nhiễm còn có thể di chuyển từ khí quyển sang địa quyển, thủy quyển và ngược lại bằng các quá trình như bốc hơi,sự lắng tụ, sự dẫn nước,xói mòn… • 5 • Ví dụ : chất ô nhiễm A dạng khí được thải vào khí quyển. Tại đây chất A sẽ chịu ảnh hưởng của môi trường khí quyển cũng như tính chất của chính nó mà chất ô nhiễm A có thể tồn tại ở dạng sương khói hay dạng bụi. Một phần chất ô nhiễm A ảnh hưởng đến sinh quyển bởi các cơ chế tích tụ sinh hóa,một phần sẽ vận chuyển vào môi trường đất và nước bởi sự lắng tụ ( mưa). 1.Các dạng phát tán Sự phát tán cac chất ô nhiễm vào môi trường xảy ra liên lục hoặc ngắt quãng: - - - Phát tán ở dạng khí : các chất ô nhiễm trong môi trường ở dạng pha khí bao gồm các chất bay hơi từ ao hồ,thùng chứa,khí thải từ các nhà máy, lò đốt, các phương tiện hoạt động giao thông…tùy theo mức độ phát tán, phạm vi ảnh hưởng, cố định hay di động có thể phân loại như sau: • Nguồn điểm : ống khói nhà máy, khí bãi chon lấp.. • Đường : khói xe, bụi từ đường phố… • Vùng :đầm chứa, chất bay hơi từ ao hồ… • Nhất thời : sự cố tràn dầu, rơi vãi chất ô nhiễm… • Thể tích : phòng điều chế hóa chất dệt nhuộm… Phát tán ở dạng rắn : chủ yếu từ hai nguồn là quá trình đốt và nguồn tức thời ( từ bốc dỡ vật liệu, bến đỗ, các công trình xây dựng, bãi chon lấp…). Nguyên nhân chính gây nên phát tán là do tác động của gió và hoạt động của con người. Phát tán ở dạng lỏng : quá trình phát tán của chất ô nhiễm đa dạng về hình thức và luôn xảy ra không ngừng ví dụ như : đầu ra của hệ thống xử lí, nước rò rỉ từ các tháp xử lí khí thải lò đốt, nước rửa máy móc,sự cố tràn dầu… 2. Sự vận chuyển các chất ô nhiễm trong môi trường: 6 Cơ chế vận chuyển: - Đối lưu : là sự di chuyển thụ động của một chất độc trong môi trường bao gồm: • Đối lưu đồng nhất : chất độc vận chuyển trong cùng một môi trường.Tốc độ vận chuyển đối lưu đồng nhất phụ thuộc vào nồng độ độc chất trong môi trường đối lưu và tốc độ dòng chảy của môi trường N=G*C Với N : tốc độ vận chuyển đối lưu đồng nhất (g/h) C: nồng độ độc chất trong môi trường đối lưu (g/m³) G: tốc độ dòng chảy của môi trường (m³/h) • Đối lưu không đồng nhất: chất độc vận chuyển giữa hai môi trường khác nhau, liên quan đến pha thứ cấp trong pha đối lưu khi một hạt trong không khí hoặc hạt trong nước hoạt động như một chất mang độc. 3. Sự xâm nhập và biến đổi của chất ô nhiễm trong môi trường: a) Sự xâm nhập và biến đổi của chất ô nhiễm trong đất: - Các chất ô nhiễm xâm nhập vào đất thông qua sự hấp thụ của thực vật và một - phần khác xâm nhập vào đất thông qua việc hòa tan trong nước mưa Qúa trình biến đổi của chất ô nhiễm trong đất là quá trình biến đổi sinh học Ví dụ : trong đất, chất ô nhiễm A hay sản phẩm của nó sẽ gây độc cho môi trường đất và ảnh hưởng đến sinh quyển thông qua sự tích lũy sinh học và mạng lưới chuỗi thức 7 ăn.Chất ô nhiễm A cũng và sản phẩm của nó cũng có thể vận chuyển xuống nước trong đất, vào tầng nước ngầm hoặc chảy tràn trên bề mặt đất (do mưa) đến thủy quyển và gây độc cho hệ sinh thái nước và lại tiếp tục quay trở lại khí quyển bởi sự bốc hơi ( nếu còn đủ liều lượng).Sau khi có mặt trong môi trường nước do sự lắng tụ chất ô nhiễm A hay sản phẩm của nó có thể sẽ gây độc cho sinh quyển cũng như có thể vận chuyển vào địa quyển bởi sự dẫn nước và cũng có thể trở lại khí quyển bởi sự bốc hơi. b) Sự vận chuyển chất ô nhiễm trong không khí Chất ô nhiễm khi đi vào khí quyển, chúng sẽ lan truyền và phát tán trong không khí phụ thuộc rất nhiều vào chiều gió, đặc tính của môi trường không khí, địa hình khu vực,bản chất của chất ô nhiễm và nguồn phát thải. Nguồn phát thải vào không khí bao gồm hai nguồn chính là từ các ống khói và từ ao hồ thiết bị. Cơ chế xâm nhập chủ yếu: rửa trôi theo nước mưa và quá trình lắng trọng lực Quá trình biến đổi của chất ô nhiễm trong không khí : oxi hóa bởi ozon c) Sự vận chuyển chất ô nhiễm trong nước Nước là một môi trường thuận tiện cho việc vận chuyển các chất gây ô nhiễm vào môi trường.Một số quá trình liên quan đến sự di chuyển,tích tụ chất ô nhiễm trong môi trường nước như : quá trình vật lí, pha loãng của dòng chảy, phân tán bề mặt,bốc hơi,quá trình chuyển hóa phân hủy các chất hữu cơ,quá trình trầm tích,sự tác động của ánh sáng mặt trời,sự hấp thụ sinh học các chất bẩn của vi sinh vật thủy sinh… Cơ chế xâm nhập chính: bay hơi, hút bám Cơ chế biến đổi chính: phân hủy sinh học và phân hủy quang hóa Sự pha loãng : chất ô nhiễm khi đi vào nước nhanh chóng bị phân tán hay bị pha loãng trong nước, kết quả của sự tác động đó làm giảm nồng độ một số chất ô nhiễm trong nước, quá trình này được thúc đẩy bởi sự tham gia của chính nước song,suối trên bề mặt và dưới đáy dòng sông • Sự thủy phân:các sinh vật yếm khí sẽ hóa lỏng và chia nhỏ thành phần các chất hữu cơ và phân tán chúng trong nước • Sự oxy hóa: ngay khi các chất hữu cơ vào trong nước,nó bắt đầu oxy hóa nhờ sự phát triển của các vi sinh oxy hóa trong nước.Qúa trình này xảy ra đối với một số chất ô nhiễm dạng hữu cơ.Các chất hữu cơ sẽ bị oxy hóa hết hay một phần tùy theo cấu trúc từng loại mà cho ra các dạng khác nhau,đa phần sản • 8 phẩm cuả chúng là vô hại.Đây là một trong những quá trình ảnh hưởng đến sự tồn lưu chất ô nhiễm trong nước. Con đường xâm nhập và quá trình tác động của chất độc đối với cơ thể. 3. 3.1 Quá trình hấp thụ. Hấp thụ là quá trình thấm qua màng tế bào và xâm nhập vào máu của các chất. Ngoài ra các chất độc được vận chuyển từ máu vào trong các mô cũng gọi là sự hấp thụ. Độc chất đi qua màng theo 4 cách sau: a. Hấp thụ thụ động: là quá trình hấp thụ xảy ra do sự chênh lệch nồng độ (độc chất đi từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp) của độc chất ở phía trong và phía ngoài màng sinh học. Độc chất có khả năng hấp thụ thụ động qua màng tế bào bao gồm độc chất có khối lượng phân tử nhỏ tan trong nước và độc chất tan tốt trong mỡ. + Độc chất có khối lượng phân tử nhỏ tan tốt trong nước hấp thụ qua màng nhờ kênh vận chuyển ion có trên màng. + Độc chất tan tốt trong mỡ hấp thụ qua màng nhờ lớp phospho lipid của màng tế bào. Phần lớn độc chất đi vào cơ thể qua con đường hấp thụ thụ động. b. Hấp thụ chủ động: vận chuyển các chất bằng cách sử dụng năng lượng của tế bào ( độc chất được vận chuyển từ nơi có nồng độ thấp đến nơi có nồng độ cao ). c. Hấp thụ nhờ các chất mang: là cơ chế vận chuyển chất độc vào trong tế bào nhờ các chất mang của tế bào. Các chất liên kết với chất mang đi vào trong tế bào, các chất này được giải phóng và chất mang tiếp tục vận chuyển chất khác đi qua màng tế bào. 9 d. Nội thấm bào: bao gồm kiểu hấp thụ các tiểu phần dạng rắn theo cơ chế thực bào và hấp thụ các tiểu phần ở dạng lỏng dưới dạng uốn bào. Hấp thụ qua da: da có tính thẩm thấu không cao, do đó tạo nên một hàng rào ngăn cản độc chất ngoài môi trường vào cơ thể qua da. Tuy nhiên một số độc chất có khả năng hấp thụ qua da. Độc chất hấp thụ qua da phần lớn là qua lớp tế bào biểu bì da và một phần qua các tuyến bã nhờn, tuyến mồ hôi, qua các tuyến nang của lông. a. Hấp thụ độc chất qua màng tế bào biểu bì da ( cơ chế khuếch tán thụ động ). Chất độc hấp thụ qua màng tế bào biểu bì da qua hai pha: - Hấp thụ qua lớp sừng: lớp bì có nhiệm vụ ngăn chặn sự xâm nhập của độc chất vào cơ thể sống. Hấp thụ qua lớp này mang tính chọn lọc, chỉ cho phép những chất phân cực có khối lượng phân tử nhỏ khuếch tán qua lớp protein và chất không phân cực tan tốt trong mỡ khuếch tán qua lớp lipid. - Hấp thụ qua lớp chân bì: hấp thụ qua lớp chân bì không có tính chọn lọc, phần lớn các phân tử có khả năng hấp thụ qua lớp sừng đều được hấp thụ qua lớp bì. b. Hấp thụ qua tuyến bã nhờn, tuyến mồ hôi, qua các tuyến nang của lông: khả năng hấp thụ thấp do các tuyến này chỉ chiếm khoảng 1% bề mặt cơ thể. Chủ yếu cho các chất độc phân cực có khối lượng phân tử nhỏ đi qua. c. Yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ qua da của độc chất: - Tốc độ dòng máu của huyết thanh: tốc độ di chuyển độc chất từ lớp biểu bì vào hệ tuần hoàn máu phụ thuộc vào tốc độ dòng máu. Tốc độ vận chuyển của dòng máu càng cao thì khả năng hấp thụ càng cao. - Yếu tố môi trường: yếu tố môi trường thay đổi làm khả năng vận chuyển độc chất qua da cũng thay đổi. Ví dụ: khả năng vận chuyển của độc chất tăng khi độ ẩm qua da giảm. - Độ dày mỏng của da: những vùng da khác nhau trong cơ thể có khả năng hấp thụ độc chất khác nhau. Vùng da lòng 10 bàn tay, bàn chân là vùng da khó hấp thụ hơn so với các vùng da khác. 1. Hấp thụ qua đường hô hấp: độc chất có trong không khí theo khí thở vào mũi, đến phế quản, khí quản qua các phế nang vào hệ tuần hoàn máu. Phế nang phổi có bề mặt tiếp xúc lớn và có lưu lượng máu cao nên phần lớn độc chất được hấp thụ tại phế nang. Đối với các độc chất khác nhau thì khả năng hấp thụ qua đường hô hấp khác nhau. a. Đối với các độc chất là chất khí và hơi: các chất khí sau khi qua đường hô hấp gây bỏng rát đường hô hấp hoặc qua phổi đi vào máu. Khả năng hấp thụ qua đường hô hấp vào máu phụ thuộc vào khả năng hòa tan trong máu của độc chất. Khí càng dễ hòa tan trong máu thì hấp thụ xảy ra càng nhanh. Khác với hấp thụ độc chất qua da, các chất khí, hơi là chất phân cực tan tốt trong nước dễ dàng hấp thụ qua đường hô hấp đi vào máu. b. Đối với độc chất là các hạt: khả năng hấp thụ độc chất phụ thuộc vào kích thước của hạt:  Các hạt có kích thước lớn hơn 5 micro mét, thường chỉ gây tác động đến đường hô hấp trên.  Các hạt có kích thước lớn hơn 5 micro mét tới 1 micro mét, có thể đến màng phổi và các mao mạch trên phổi.  Các hạt có kích thước nhỏ hơn 1 micro mét, có thể đến được màng phổi và thấm qua màng đi vào hệ tuần hoàn.  Các chất độc được hấp thụ qua màng hô hấp vào máu rồi phân bố đến các cơ quan não, thận trước khi qua gan.  Yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp thụ: nồng độ các chất trong không khí, thể tích hô hấp mỗi phút, tốc độ vận chuyển của dòng máu...lượng độc chất hấp thụ lớn khi nồng độ chất hấp thụ cao, thể tích hô hấp lớn và tốc độ vận chuyển của dòng máu nhanh. Hấp thụ qua đường tiêu hóa: độc chất đi vào cơ thể chủ yếu là thông qua các loại thực phẩm và nước uống dễ bị nhiễm độc. Hấp thụ chất độc qua đường tiêu hóa vào máu được thực hiện trên suốt đường tiêu hóa, nhưng chủ yếu xảy ra ở ruột non và dạ dày. Phần không được hấp thụ được thải ra ngoài theo đường phân.  Độc chất sau khi qua đường tiêu hóa thường được đưa vào gan trước khi đến hệ tuần hoàn. Chính vì được chuyển hóa trong gan và dạ dày nên độc tính của độc chất thường giảm đi rất nhiều.  i) Hấp thụ độc chất qua thành ruột non: phần lớn độc chất được đưa vào máu qua thành ruột non. Hấp thụ độc chất qua thành ruột non được thực hiện bởi nhiều cơ chế khác nhau tùy theo tính chất của độc chất. 11 Độc chất không phân cực dễ tan trong mỡ, dễ dàng hấp thụ qua thành ruột theo cơ chế hấp thụ thụ động. • Độc chất phân cực, có kích thước phân tử nhỏ hấp thụ thụ động qua thành ruột tương tự như các hợp chất dễ tan trong mỡ.  Độc chất có cấu trúc gần giống với các chất dinh dưỡng: qua hệ thống hấp thụ đặc biệt đi vào máu.  pH ảnh hưởng đến khả năng ion hóa của độc chất, nên cũng ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ độc chất qua thành ruột. Thông thường môi trường ruột non là môi trường bazơ yếu, nên các bazơ yếu khó bị ion hóa, trong môi trường ruột non dễ hấp thụ hơn so với các axit yếu. 2) Hấp thụ độc chất qua dạ dày: dạ dày là vùng hấp thụ đặc biệt đối với các axit yếu. Độc chất là các axit hữu cơ yếu khó bị ion hóa trong dịch dạ dày ( pH=2 ) nên dễ dàng đucợ hấp thụ qua thành dạ dày đi vào máu. Ngoài ra các độc chất dễ tan trong mỡ, độc chất phân cực có kích thước nhỏ hấp thụ thụ động qua thành dạ dày. • 3.2 Quá trình phân bố. Chất độc phân bố trong máu được phân bố vào các mô của các cơ quan khác nhau trong cơ thể, nhờ hệ tuần hoàn. Lượng độc chất vận chuyển vào các tế bào của các cơ quan phụ thuộc vào lượng máu lưu chuyển đến và đặc điểm của cơ quan đó. • Phân bố chất độc trong gan và thận: Gan và thận là 2 cơ quan lưu giữ chất độc trong cơ thể con người. Độc chất đi vào trong gan và thận chủ yếu theo cơ chế hấp thụ chủ động bởi các protein có khả năng cố định độc chất đặc biệt. Ví dụ như metalothionein là protein cố định cadimi ở gan cũng như ở thận. Ở gan thường lưu trữ các độc chất có tính ưa mỡ ngược lại ở thận thường lưu trữ các độc chất có tính ưa nước. • Phân bố các độc chất trong xương Các chất phân bố trong xương và vỏ não thường là các chất có ái lực như cation Ca, Ba, Phản ứng tích lũy độc chất trong xương là phản ứng thay thế giữa chất độc có mặt trong chất lỏng giữa các khe với thành phần của 12 xương. Độc chất tích lũy trong xương tồn tại rất lâu và khó đào thải • Phân bố độc chất trong mỡ Các mô mỡ là nơi tích giữ mạnh các hợp chất hòa tan được trong chất béo như các dung môi hữu cơ, các khí trơ, dioxin,…Độc chất tích lũy trong mỡ bằng cách hòa tan trong mỡ hoặc liên kết với các axit béo. Cũng như xương độc chất tích lũy trong mỡ tồn tại rất lâu và khó đào thải. • Phân bố độc chất vào nhau thai Độc chất phân bố vào nhau thai chủ yếu bằng cơ chế khuếch tán thụ động. Hàng rào máu-nhau cản trở sự vận chuyển của chất độc và bảo vệ cho nhau các bào thai. Các chất độc phân bố chủ yếu vào nhau thai chủ yếu là các chất hữu co ưa mỡ có khả năng hòa tan trong lớp lipip đi qua hàng rào máu nhau. 3.3 Quá trình chuyển hóa độc chất tại các cơ quan trong cơ thể. Sau khi độc chất phân bố đến các cơ quan của cơ thể, ở đây độc chất chịu tác động của những chuyển hóa sinh học khác nhau. Mục đích quá trình chuyển hóa nhằm giảm độc chất và biến đổi độc chất thành chất dễ đào thải để đưa ra ngoài cơ thể. Chuyển hóa độc chất được thực hiện ở hầu hết các mô, các cơ quan trong cơ thể nhưng chủ yếu là gan. Enzyme tham gia chuyển hóa độc chất tập trung chủ yếu ở ty thể và tiểu thể của tế bào. Thông thường quá trình chuyển hóa độc chất biến đổi độc chất từ chất không phân cực khó đào thải thành chất phân cực tan tốt trong nước và dễ đào thải gọi là quá trình “khử hoạt hóa sinh học”. Quá trình “hoạt hóa sinh học” là quá trính cơ thể chuyển chất ô nhiễm từ môi trường thành chất độc Mục đích: giảm đọc tính của chất độc và biết đổi độc chất thành chất dễ đào thải Độc chất (A) Dẫn xuất phân cực 13 Giai đoạn 1 enzyme Đào thải Dẫn xuất độc chất (B) Dẫn xuất độc Giai đoạn 2 Phức chất dễ đòa thải Đào thải Gây thương tổn các phân tử sinh học (AND, protein, lipid,..) Tổn thương, chất tế bào Sinh dị ứng, đột biến, ung thư, quái thai, tổn thương cơ quan, tử vong. Sơ đồ chuyển hóa sinh học độc chất trong cơ thể Quá trình chuyển hóa chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố: độ tuổi, di truyền, dinh dưỡng, yếu tố môi trường ngoài, và các độc chất môi trường khác. Phản ứng giai đoạn 1: Chuyển hóa các chất thành dẫn xuất, với các nhóm chức năng thích hợp cho phản ứng ở giai đoạn hai. Gồm 3 loại phản ứng: Oxy hóa, khử và thủy phân. Phản ứng oxy hóa Đây là loại phản ứng thường nhất trong các phản ứng chuyển hóa độc chất. Có vai trò sát nhập oxy của không khí và các dẫn xuất của độc chất. Rất nhiều độc chất như hydrocacbon mạch thẳng, vòng, hydrocacbon có nhân thơm, hợp chất của lưu huỳnh, hợp chất của phospho,.. bị oxy hóa sau khi vào cơ thể 14 Sơ đồ oxy hóa chuyển hóa độc chất Các enzyme phân bố nhiều trong tế bào gan. Enzyme này xúc tác cho phản ứng oxy hóa độc chất tạo ra các gốc do là dẫn xuất độc chất có hoạt tính mạnh và khử oxy tạo gốc O 2, gốc OH hoạt động mạnh và độc tính cao VD Các dẫn xuất của epoxyd, dẫn xuất N-hydroxy, gốc tự do của hợp chất clo, gốc tự do OH, NO, là các dẫn xuất có tính độc mạnh gây đột biến gen, ung thư và gây hoại tử Các gốc tự do này nếu không được khử ở phản ứng giai đoạn 2 sẽ phản ứng với thành phần của cơ thể gây hại đến cơ thể sống. Vì vậy nếu phản ứng oxy hóa xảy ra quá mạnh và thường xuyên sẽ dẫn đến tình trạng stress, suy nhược và dễ nhiễm bệnh. Bảng 3.1: Một số dẫn xuất của độc chất có độc tính mạnh Độc chất Aflatoxin B1 Benzen, cã hợp chất thơm đa vòng Cacbon tatra clorua Cloruaform Metanol Nitrat Chất chuyển hóa Aflatoxin-2,3epoxyd Các epoxyd Gốc tự do Triclometan Phosgen Formandehyd Nitrit Độc tính Ung thư gan Tổn thương tủy xương, ung thư, độc tế bào Hoại tử và ung thư gan Hoại tử gan và thận Tác động võng mạc Tăng methemoglobin trong máu 15 Nitrit Parathion Nitrosamin Paraxon Ung thư gan, ung thư phổi Tê liệt thần kinh Các phản ứng oxy hóa sẽ xảy ra khi độc chất đi vào cơ thể gồm: • Phản ứng oxy hóa rượu nhờ enzyme dehydrogenase Rượu sau khi vào cơ thể sẽ nhanh chóng được oxy hóa tạo thành aldehid, aldehid nhanh chóng bị oxy hóa tạo thành axit. Axit này tiếp tục được oxy hóa đến sản phẩm cuối cùng là CO2, H2O và tạo năng lượng cho cơ thể. Tuy nhiên uống rượu thường xuyên sẽ làm giảm chức năng giải độc của men gan. Aldehid là sản trung gian có tính độc mạnh, thông thường khi aldehid được oxy hóa ngay, trong trường hợp lượng rượu quá nhiều aldehid được tạo thành sẽ gây độc cho cơ thể dẫn đến gan nhiễm mỡ, xơ gan và ung thư gan. Mặt khác còn gây thiếu oxy lên não làm não không hoạt đồn bình thường. Oxy hóa alcol bậc 1 và bậc 2 được xúc tác bởi enzyme alcol dehydrogenase, Oxy hóa aldehid bởi aldehiddehydrogenase.Các enzyme này phân bố chủ yếu ở gan và nằm trong tế bào chất. Họat tính của enzyme phụ thuộc vào chế độ ăn uống, nếu thếu protein sẽ làm giảm hoạt tính của enzyme. 16 Phản úng oxy hóa rượu: CH3CH2OH → CH3CHO → CH3COOH → Chu trình Creb → CO2 + H2O • Phản ứng oxy hóa nhò các enzyme cytocrom-P450 Enzyme Cytocrom P450 có nhiều trong gan và dịch ruột non. Có khả năng oxy hóa các hợp chất tan trong lipid, nhưng không oxy hóa được các hợp chất không tan trong lipid. Enzyme này sử dụng nhân sắt để oxy hóa các chất và không có tính đặc hiệu cao Enzyme cytocrom P450 tham gia xúc tác một số phản ứng sau:  Hydroxyl hóa RH → ROH  N-Hydroxyl hóa RNH2 → RNH-OH 17  Epoxyd hóa  Deakyl hóa R1-O-CH2R2 → R1OH  Oxy hóa sulfit R1-S-R2 → R1-SO-R2  Desunfua R-CH=S → R-CH=O  Dehalogen Ar-F → Ar-OH  Deamin hóa oxy hóa RCH2CHNH2CH3 → RCH2COCH3 Phản ứng khử Phản ứng khử độc chất ít xảy ra hơn so với phản ứng oxy hóa độc chất. Các phản ứng khử khi vào cơ thể bao gồm các dẫn xuất diazo, hợp chất clo, hợp chất nitro,… Enzyme tham gia trong phản úng khử là các enzyme reductase có nhiều trong tiểu thể. Ngoài ra còn được thực hiện bởi các vi khuẩn đường ruột. Phản ứng khử thường tạo ra những dẫn xuất khó đào thải và có tính độc mạnh Một vài phản ứng khử hay gặp  Khử diazo R-N=N-R → 2RNH2  Khử clo R-CCl3 → R-CCl2 → RCHCl2 Phản ứng thủy phân: 18 Độc chất là các este, amid và các hợp chất cao phân tử sau khi chúng vào cơ thể sẽ bị thủy phân thành các đơn phân tử. Những enzyme tham gia thủy phân như: esterase, amidase, protease, glucosidase,… có nhiều trong máu, gan và một phần hòa tan vào tế bào. Có 3 loại thủy phân:  Thủy phân este nhờ enzyme esterase R-COOR’ → RCOOH + R’OH  Thủy phân Amis nhờ enzyme amidase R-NH-CO-R’→ RNH2 + R’COOH  Thủy phân đường Các enzyme thủy phân glucoside như glucosidase, NAD glucosidase, cắt lien kết glucoside tạo nên các đường đơn. Phản ứng giai đoạn 2 Các phản ứng giai đoạn hai là phản ứng giữa các đẫn xuất độc được tạo ra trong giai đoạn một với các chất có trong cơ thể, để tạo ra các chất không độc và dễ đào thải ra ngoài cơ thể. Các phản ứng liên hợp với dẫn xuất độc chất a. Phản ứng liên hợp với glucuronic: Phản ứng liên hợp với gucuronic là phản ứng quan trọng nhất trong quá trình bài tiết độc chất qua gan-mật và thận. Emzyme xúc tác cho glucuronic lien hợp là enzyme UDP-glucuronyl transferase nằm ở tiểu thể của gan. Phức chất được tạo thành rất dễ đào thải và chủ yếu được đào thải qua đường mật và một phần qua đường nước tiểu. Phản ứng liên hợp với glucuronic: UDPGA + X X-glucuronic + UDP UDPGA: uridindiphosphat glucuronic acid. X: Chất có khả năng liên hợp với axit glucuronic. X có thể là: 19 +Phenol và dẫn xuất của phenol +Alcaloid, các steroid +Acid mạch thẳng, amin có nhân thơm +Những dẫn xuất của lưu huỳnh X-glucuronic: phức chất tạo thành với glucuronic có tính axit, và ion hóa ở pH sinh lý của cơ thể. b.Liên hợp với acid sulfuric: Những chất tham gia liên hợp với axit sulfuric bao gồm các dẫn xuất của phenol, hoặc một số rượu của carbuahydro mạch thẳng, mạch nhánh. Sản phẩm tạo thành là các este của axit sulfuric, dễ tan trong nước và dễ dàng dduojc đào thải qua mật và thân đạc biệt là đào thải qua nước tiểu. Ví dụ phản ứng liên kết với acid sulfuric C6H5OH + H2SO4 → H-SO4-C6H5 + H2O c.Liên hợp với acid acetic Những chất tham gia phản ứng với acid acetic có chức amin bậc nhất như histamine, acid amin, các hydrazine, hydrazid, các sulfonamid, có thể phản ứng với acetic acid. Ví dụ phản ứng liên kết với acid acetic H H N SO2NH2 + CH3COOH H H N SO2NH2 Các sulfonamide sau khi liên hợp với axit acetic, sẽ tạo thành những tinh thể sắc cạnh gây tổn thương cho đường tiết niệu. d.Phản ứng liên hợp với glutathione Đây là phản ứng đóng vai trò quan trọng trong quá trình giảm độc tính của các dẫn xuất của độc chất. Phản ứng này được xúc tác bởi enzyme glutation-s-transferease và cofactor là glutathione. Các liên hợp với glutation là các dẫn xuất có độc tính mạnh như epoxyd vá các dẫn xuất của clo. Các phức chất tạo thành su phản ứng thường bền, ít độc và dễ đào thải 20 Ví dụ phản ứng liên hợp với glutathione Br SG OH Các phản ứng chống oxy hóa Phản ứng oxy hóa làm giảm tác động của các gốc tự do tao ra trong quá trình oxy hóa ở giai đoạn 1. Được thực hiện bởi các enzyme chống oxy hóa và các vitamin như vitamin E, vitamin C. Vitamin E có nhiệm vụ ngăn cản phản ứng peroxi hóa lipid bằng cách phản ứng với các gốc tự do lipidOO. Gốc tự do ascrobat (Vitamin C) được tạo thành sau phản ứng sẽ bị khử bởi glutathione hoặc enzyme vitamin C redutase.  Phản ứng oxy hóa nhờ enzyme superoxide dismutase (SOD) Enzyme SOD là enzyme có nhân Zn-Cu có nhiều trong tế bào chất, nhân Mn có nhiều trong mitochondria. Chúng có nhiệm vụ làm giảm nồng độ của ion superoxide trong tế bào. Enzyme này tham gia xúc tác phản ứng sau: 2O2 + 2H → O2 + H2O2  Enzyme catalase là một hemoprotein, xúc tác cho phản ứng chuyển hóa khử độc hydroperoxide. 2H2O2 → O2 + 2H2O ∗ Nhận xét Phản ứng giai đoạn 2 có vai trò quan trọng trong quá trình chuyển hóa độc chất trong cơ thể. Sản phẩm ở giai đoạn 2 thường phân cực, dễ tan, dễ đòa thải và ít độc. Nhưng trong một số trường hợp, các phức chất tạo thành lạ có tinsnh độc mạnh hơn. VD Các dẫn xuất Nhydroxyl, khi liên hợp với axit sulfuric và axit acetic, tạo phức chất không bền, có tác dụng gây đột biến gen và ung thư. Trong trường hợp các chất tạo thành ở giai đoạn 1 có nồng độ quá lớn, vượt quá khả năng khử độc của cơ thể, các dẫn xuất này sẽ tác động tự do với các chất có trong tế bào, gây độc cho tế bào của cơ thể sống. 21 Một số chất hoàn toàn không bị chuyển hoá, đó là những hợp chất có cực cao (như axit, base mạnh), không thấm qua được lớp mỡ của microsom. Phần lớn được thải trừ nhanh như hexamethonium, methotrexat. Một số hoạt chất không có cực cũng có thể không bị chuyển hoá; barbital, ether, halothan, dieldrin. 3.4 • Quá trính tích tụ hoặc đào thải. Quá trình tích tụ: Các thực vật bậc thấp, thực vật bậc cao, động vật bậc thấp, động vật bậc cao kể cả con người khi tiếp xúc với chất thải nguy hại đều có thể bị nhiễm độc. Phần lớn các chất độc được sinh vật đào thải ra ngoài, một phần chất độc có khả năng tồn lưu trong cơ thể sinh vật. Theo mạng lưới thức ăn các chất độc có thể được chuyển từ sinh vật này sang sinh vật khác và được tích lũy bằng những hàm lượng độc tố cao hơn theo bậc dinh dưỡng và thời gian sống, đây gọi là quá trình tích lũy sinh học. Con người là sinh vật bậc cao nhất trong các bậc dinh dưỡng,đồng nghĩa với việc con người có khả năng tích lũy nhiều độc chất và nhiễm độc cao nhất trong thế giới sinh vật thông qua chuỗi thức ăn. - Tóm lại tích lũy sinh học là quá trình tích tụ các nguyên tố vi lượng, các chất ô nhiễm trong cơ thể sinh vật thông qua sự hấp thụ bỏi các sinh vật từ môi trường xung quanh. - Quá trình tích tụ: là quá trình mà các sản phẩm chuyển hóa chất độc được giữ lại ở các bộ phận trong cơ thể. - Chỉ số nồng độ sinh học ( hệ số cô đọng sinh học): bioconcentration factor BCF được tính toán như là tỉ lệ giữa nồng độc chất độc trong cơ thể và nồng độ của chất đó trong môi trường nước. BCF = CB / CW = Ka / Kd Với CB : nồng độ chất độc trong cơ thể sinh vật (mg/kg) CW : nồng độ chất độc trong thức ăn hoặc nước uống (mg/l) Ka : hằng số tốc độ đồng hóa Kd : hằng số tốc độ đào thải - Một số chất tích tụ sinh học chính như: các ion thủy ngân tích tích trong huyết tương máu, Pd, radi, Fl tích lũy trong xương, Cd tích lũy trong thận, một số thuốc bảo vệ thực vật dễ tích lũy trong mô mỡ… - Yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tích lũy sinh học: + Tính bền vững trong môi trường của độc chất. Mức độ tích lũy của một chất trong môi trường được xác định bằng nồng độ của chất đó trong môi trường, chất độc càng bền thì chỉ số tích lũy sinh học càng lớn. + Tính tan trong lipit: chất độc càng dễ hòa tan trong mỡ thì chỉ số tích lũy sinh học càng cao. 22 • Quá trình đào thải: Các chất hóa học và và các sản phẩm chuyển hóa có thể được bài tiết ra khỏi cơ thể bằng nhiều hoạt động khác nhau. Một vài tác nhân độc hại, đặc biệt là các hợp chất phân cực có thể đi ra khỏi cơ thể qua đường nước tiểu, mật, phân, mồ hôi. Các hợp chất không phân cực và không bay hơi thường khó bài tiết ra khỏi cơ thể, chúng chỉ được đưa ra khỏi cơ thể sau khi đã chuyển hóa sinh học. Cách thức đào thải: - Qua đường hô hấp: hắt hơi; đào thải các hợp chất CO,cloroform, hydrocacbon, benzen, ete…một số chất được thải qua việc thở dưới dạng khí và hơi. - Qua hệ tiêu hóa: ống tiêu hóa, dạ dày và ruột - Qua tuyến nước bọt: chủ yếu đào thải các chất hữu cơ và các kim loại - Qua thận : là cơ quan chính chịu trách nhiệm đào thải các chất độc qua nước tiểu - Qua tuyến sữa, nhau thai - Qua da, tóc, móng, lông… Nhìn chung sự phân bố và đảo thải các chất độc phụ thuộc vào hàm lượng mỡ, hàm lượng nước, sự kết hợp của các phân tử, quá trình di chuyển trong não, đào thải qua phổi, đào thải qua thận, quá trình trao đổi chất, sản xuất sữa, nước bọt, mồ hôi, nước mắt.Về nguyên tắc quá trình đào thải giống với quá trình hấp thụ, vận chuyển các chất qua màng sinh học dựa vào sự chênh lệch nồng độ hóa chất. 23 24 [...]... đến quá trình tích lũy sinh học: + Tính bền vững trong môi trường của độc chất Mức độ tích lũy của một chất trong môi trường được xác định bằng nồng độ của chất đó trong môi trường, chất độc càng bền thì chỉ số tích lũy sinh học càng lớn + Tính tan trong lipit: chất độc càng dễ hòa tan trong mỡ thì chỉ số tích lũy sinh học càng cao 22 • Quá trình đào thải: Các chất hóa học và và các sản phẩm chuyển... hóa độc chất tập trung chủ yếu ở ty thể và tiểu thể của tế bào Thông thường quá trình chuyển hóa độc chất biến đổi độc chất từ chất không phân cực khó đào thải thành chất phân cực tan tốt trong nước và dễ đào thải gọi là quá trình “khử hoạt hóa sinh học Quá trình “hoạt hóa sinh học là quá trính cơ thể chuyển chất ô nhiễm từ môi trường thành chất độc Mục đích: giảm đọc tính của chất độc và biết đổi độc. .. vào máu  pH ảnh hưởng đến khả năng ion hóa của độc chất, nên cũng ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ độc chất qua thành ruột Thông thường môi trường ruột non là môi trường bazơ yếu, nên các bazơ yếu khó bị ion hóa, trong môi trường ruột non dễ hấp thụ hơn so với các axit yếu 2) Hấp thụ độc chất qua dạ dày: dạ dày là vùng hấp thụ đặc biệt đối với các axit yếu Độc chất là các axit hữu cơ yếu khó bị ion hóa... lũy nhiều độc chất và nhiễm độc cao nhất trong thế giới sinh vật thông qua chuỗi thức ăn - Tóm lại tích lũy sinh học là quá trình tích tụ các nguyên tố vi lượng, các chất ô nhiễm trong cơ thể sinh vật thông qua sự hấp thụ bỏi các sinh vật từ môi trường xung quanh - Quá trình tích tụ: là quá trình mà các sản phẩm chuyển hóa chất độc được giữ lại ở các bộ phận trong cơ thể - Chỉ số nồng độ sinh học ( hệ... hệ số cô đọng sinh học) : bioconcentration factor BCF được tính toán như là tỉ lệ giữa nồng độc chất độc trong cơ thể và nồng độ của chất đó trong môi trường nước BCF = CB / CW = Ka / Kd Với CB : nồng độ chất độc trong cơ thể sinh vật (mg/kg) CW : nồng độ chất độc trong thức ăn hoặc nước uống (mg/l) Ka : hằng số tốc độ đồng hóa Kd : hằng số tốc độ đào thải - Một số chất tích tụ sinh học chính như: các... dưỡng, yếu tố môi trường ngoài, và các độc chất môi trường khác Phản ứng giai đoạn 1: Chuyển hóa các chất thành dẫn xuất, với các nhóm chức năng thích hợp cho phản ứng ở giai đoạn hai Gồm 3 loại phản ứng: Oxy hóa, khử và thủy phân Phản ứng oxy hóa Đây là loại phản ứng thường nhất trong các phản ứng chuyển hóa độc chất Có vai trò sát nhập oxy của không khí và các dẫn xuất của độc chất Rất nhiều độc chất... lớp lipip đi qua hàng rào máu nhau 3.3 Quá trình chuyển hóa độc chất tại các cơ quan trong cơ thể Sau khi độc chất phân bố đến các cơ quan của cơ thể, ở đây độc chất chịu tác động của những chuyển hóa sinh học khác nhau Mục đích quá trình chuyển hóa nhằm giảm độc chất và biến đổi độc chất thành chất dễ đào thải để đưa ra ngoài cơ thể Chuyển hóa độc chất được thực hiện ở hầu hết các mô, các cơ quan trong... biết đổi độc chất thành chất dễ đào thải Độc chất (A) Dẫn xuất phân cực 13 Giai đoạn 1 enzyme Đào thải Dẫn xuất độc chất (B) Dẫn xuất độc Giai đoạn 2 Phức chất dễ đòa thải Đào thải Gây thương tổn các phân tử sinh học (AND, protein, lipid, ) Tổn thương, chất tế bào Sinh dị ứng, đột biến, ung thư, quái thai, tổn thương cơ quan, tử vong Sơ đồ chuyển hóa sinh học độc chất trong cơ thể Quá trình chuyển hóa... là 2 cơ quan lưu giữ chất độc trong cơ thể con người Độc chất đi vào trong gan và thận chủ yếu theo cơ chế hấp thụ chủ động bởi các protein có khả năng cố định độc chất đặc biệt Ví dụ như metalothionein là protein cố định cadimi ở gan cũng như ở thận Ở gan thường lưu trữ các độc chất có tính ưa mỡ ngược lại ở thận thường lưu trữ các độc chất có tính ưa nước • Phân bố các độc chất trong xương Các chất... thải nguy hại đều có thể bị nhiễm độc Phần lớn các chất độc được sinh vật đào thải ra ngoài, một phần chất độc có khả năng tồn lưu trong cơ thể sinh vật Theo mạng lưới thức ăn các chất độc có thể được chuyển từ sinh vật này sang sinh vật khác và được tích lũy bằng những hàm lượng độc tố cao hơn theo bậc dinh dưỡng và thời gian sống, đây gọi là quá trình tích lũy sinh học Con người là sinh vật bậc cao ... tích lũy sinh học: + Tính bền vững môi trường độc chất Mức độ tích lũy chất môi trường xác định nồng độ chất môi trường, chất độc bền số tích lũy sinh học lớn + Tính tan lipit: chất độc dễ hòa tan... nồng độ độc chất môi trường đối lưu tốc độ dòng chảy môi trường N=G*C Với N : tốc độ vận chuyển đối lưu đồng (g/h) C: nồng độ độc chất môi trường đối lưu (g/m³) G: tốc độ dòng chảy môi trường. .. sức đề kháng thể sống môi trường • 1.2 Sự tương tác độc chất • Độc học môi trường không nghiên cứu tác dụng độc chất cách độc lập mà nghiên cứu đặt mối quan hệ tương tác độc chất - Tương tác hợp