Tiểu luận Nguyên lý khoa học và công nghệ môi trường Nguyên lý bảo toàn độc chất trong chuỗi thức ăn

Giá trị phân tích và giá trị tính toán của hệ số tích lũy sinh học trong cá của một số hóa chất có khả năng chuyển hóa sinh học khác nhau……… 10Bảng 5.. NGUYÊN LÝ BẢO TOÀN ĐỘC CHẤT

Khoa Môi Trường

- -Tiểu Luận môn:

NGUYÊN LÝ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG PHẦN: NGUYÊN LÝ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

Vấn đề:

NGUYÊN LÝ BẢO TOÀN ĐỘC CHẤT TRONG CHUỖI THỨC ĂN

GVHD: PGS TS Lưu Đức HảiNhóm: 13 – Lớp K22 Cao học Môi trường

1 Nguyễn Thị Thúy

2 Lường Thị Thúy

3 Nguyễn Thị Thu

4 Vũ Thị Ngọc Thu

5 Phan Thị Thanh Hảo

6 Nguyễn Văn Hiếu

MỤC LỤC

1 KHÁI NIỆM CHUỖI THỨC ĂN VÀ HIỆU SUẤT SINH THÁI 3

1.1 Chuỗi và lưới thức ăn 1

1.2 Hiệu suất sinh thái 2

2 NGUYÊN LÝ BẢO TOÀN ĐỘC CHẤT TRONG CHUỖI THỨC ĂN 3

2.1 Cơ chế độc chất xâm nhập vào cơ thể 4

2.2 Hành trình của các độc chất trong cơ thể 5

2.2.1 Hấp thụ 5

2.2.2 Phân bố 6

2.2.3 Tích lũy sinh học của chất độc trong cơ thể 6

2.2.4 Sự khuếch đại sinh học của độc chất qua chuỗi dinh dưỡng 6

2.2.5.Thải loại chất độc 7

2.3 Nguyên lý bảo toàn độc chất trong chuỗi thức ăn 7

2.3.1 Tích lũy sinh học 7

2.3.2 Quan hệ của tích lũy sinh học và sự phát triển của sinh vật – nguyên lý 2.26 10 2.3.3 Khuếch đại sinh học 14

3 BIỆN PHÁP PHÒNG NGỪA TÍCH LŨY ĐỘC CHẤT 16

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2 sự tích lũy DDT trong một số loài sinh vật ……… ……….8Bảng 3 Sự tích lũy sinh học một số độc chất trong cá ……… …8Bảng 4 Giá trị phân tích và giá trị tính toán của hệ số tích lũy sinh học trong cá của một

số hóa chất có khả năng chuyển hóa sinh học khác nhau……… 10Bảng 5 Kim loại nặng Pb, Cd (µg/g : tính theo khối lượng tươi) tích lũy ở loài Sò lông(Anadara subcrenata L.) và Ngao dầu (Meretrix meretrix L.) ……….12Bảng 6 Hàm lượng DDT trong chuỗi thức ăn vùng ven biển Mỹ ……… 15

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 Một số ví dụ về chuỗi, lưới thức ăn……… 1Hình 2 Hiệu suất sinh thái ……….2Hình 3 Sự tích lũy sinh học Cd (ppm)và chì (Pb) trong loài Hến ……… 9Hình 4 Tương quan giữa KLN Pb và Cd tích lũy với kích thước và khối lượng của loàiNgao dầu (Meretrix meretrix L.)……… 13Hình 5 Độc chất (DDT) tăng dần theo chuỗi thức ăn ……….15Hình 6 Sự gia tăng nồng độ độc chất trong chuỗi thức ăn sinh thái……… 17

1 KHÁI NIỆM CHUỖI THỨC ĂN VÀ HIỆU SUẤT SINH THÁI

1.1 Chuỗi và lưới thức ăn

Chuỗi thức ăn là một dãy gồm nhiều loài sinh vật có quan hệ dinh dưỡng với nhau,loài đứng trước là thức ăn của loài đứng sau Mỗi loài được coi là một mắt xích trongchuỗi, vừa là sinh vật tiêu thụ mắt xích phía trước nhưng cũng bị sinh vật mắt xích phíasau tiêu thụ Các chuỗi thức ăn có mắt xích chung tạo nên lưới thức ăn

Các ví dụ về chuỗi thức ăn và lưới thức ăn:

Hình 1 Một số ví dụ về chuỗi, lưới thức ăn

Trong chuỗi thức ăn gồm có 4 thành phần sinh học: Các nhân tố vô sinh (chất vô

cơ, chất hữu cơ, chế độ khí hậu), Sinh vật sản xuất (các sinh vật tự dưỡng), Sinh vật tiêuthụ (các sinh vật dị dưỡng) và sinh vật phân giải (vi sinh vật, nấm,…)

Trong hệ sinh thái có hai loại chuỗi thức ăn:

- Chuỗi thức ăn bắt đầu bằng sinh vật sản xuất: Các sinh vật sản xuất → Các sinhvật tiêu thụ → Các sinh vật phân giải

Ví dụ: Cỏ → Thỏ → Cáo → Vi sinh vật phân giải

- Chuỗi thức ăn bắt đầu bằng sản phẩm phân giải hữu cơ: Các sản phẩm hữu cơ →Các sinh vật tiêu thụ → Các sinh vật phân giải

Ví dụ: Mùn → giun đất → gà → Vi sinh vật phân giải

1.2 Hiệu suất sinh thái

Hiệu suất sinh thái là tỉ lệ phần trăm chuyển hóa năng lượng giữa các bậc dinhdưỡng trong hệ sinh thái

Cứ qua mỗi bậc thì đa số năng lượng mất đi, chỉ một phần nhỏ được sử dụng đểlàm sinh khối cuả cá thể Qua mỗi bậc dinh dưỡng, phần lớn năng lượng bị mất đi dochuyển thành nhiệt trong sự hô hấp Cho nên hiệu suất sinh thái là rất thấp Chuỗi thức ăncàng dài (có nhiều bậc dinh dưỡng) thì năng lượng nhận ở cuối chuỗi càng ít Nói mộtcách khác, hiệu suất sử dụng bậc thức ăn trước trong quá trình chuyển hóa thành sinhkhối của sinh vật bậc tiếp theo là rất thấp, nên chúng phải sử dụng một số lượng rất hơnsinh vật đứng trước nó trong chuỗi làm thức ăn trong quá trình sinh trưởng

Hiệu suất sinh thái luôn nhỏ hơn 100% (chỉ khoảng 10% )

Ví dụ minh họa về hiệu suất sinh thái:

Hình 2 Hiệu suất sinh thái

Gọi H (%) là hiệu suất sinh thái Qn là năng lượng ở bậc dinh dưỡng cấp n; Qn+ 1 làbậc dinh dưỡng cấp n + 1 Vậy H(%) = Qn+ 1/Qn x 100%

Hiệu suất sinh thái có thể được thể hiện qua:

- Hiệu suất đồng hóa (trong một bậc dinh dưỡng) = Đồng hóa (A)/Tiêu thụ (L)

- Hiệu suất tăng trưởng = Năng suất (P)/Tiêu thụ (L)

- Hiệu suất năng suất = Năng suất (P)/ Đồng hóa (A)

- Hiệu suất tiêu thụ = Tiêu thụ ở bậc dd n (Ln)/Năng suất ở bậc dd n-1 (Pn-1)

Bảng 1 Năng suất và hiệu suất tiêu thụ của một số loại đồng cỏ điển hình

Do thất thoát năng lượng qua các bậc thức ăn nên chuỗi thức ăn thường không dài,thường chỉ quan 5, 6 bậc dinh dưỡng và chuỗi thức ăn trên cạn thường dài hơn chuỗi thức

ăn trong HST nước

2 NGUYÊN LÝ BẢO TOÀN ĐỘC CHẤT TRONG CHUỖI THỨC ĂN

Ngoại trừ các tác dụng độc cục bộ tại vùng tiếp xúc, một chất độc chỉ có thể gây rathương tổn cho sinh vật khi nó được hấp thụ qua da, đường tiêu hóa, hô hấp,…và cuốicùng được tích tụ tại tế bào sinh vật Tại nơi này, các chất độc gây ra các phản ứng sinhhóa hay làm thay đổi các phản ứng sinh hóa trong tế bào, làm cho một số hoạt động sinh

lý tế nào thay đổi, dẫn đến sự ảnh hưởng lên toàn bộ cơ thể sinh vật

Nồng độ của chất độc trong cơ thể sinh vật phụ thuộc vào liều lượng tác động,nồng độ trong các cơ quan đích, thời gian tiếp xúc, phương thức xâm nhập, cũng như khảnăng hấp thụ, phân bố, chuyển hóa và bài tiết trong cơ thể Sự ảnh hưởng dài lâu của mộtchất độc với các mức độ khác nhau có thể dẫn đến sự thay đổi của cả một quần thể sinhvật, cộng đồng sinh vật và nhiều hơn nữa là của cả hệ sinh thái

Để tìm hiểu quá trình phức tạp này, người ta đã dung những khái niệm về sự dichuyển chất độc qua chuỗi dinh dưỡng ( food chain ), sự tích tụ các chất độc trong cơ thểsinh vật ( bioavailability),…

Các chất độc trong môi trường rất đa dạng, các phản ứng với tế bào cũng rất phứctạp, trong trường hợp này, các nhà nghiên cứu đã phải đưa ra những chỉ số tính toán đặctrưng như hệ số cô đọng sinh học BCF (Bio-concentration factor), hệ số tích tụ sinh họcBAF (Bio-accmultion factor0, hệ số khuyêch đại sinh học BMF (Bio-magnificationfactor),… Những gía trị này của các chất độc khác nhau thì khác nhau nhưng nó giảithích được chất độc tham gia vào quá trình tích tụ sinh học như thế nào

2.1 Cơ chế độc chất xâm nhập vào cơ thể

Thông thường, một độc chất đi qua màng tế bào theo bốn cách sau:

* Khuếch tán thụ động

- Xu hướng thiết lập nên sự cân bằng động về nồng độ tồn tại hai bên màng tế bào

- Xảy ra đối với phần lớn các độc chất

- Tỷ lệ hấp thụ phụ thuộc sự chênh lệch gradient nồng độ ở hai bên màng và tính

ưa béo của độc chất

- Các dạng độc chất không bị ion hóa có thể được hấp thụ cao hơn so với các dạngion hóa, do khả năng hòa tan tốt hơn trong chất béo

* Thấm lọc qua lỗ trên màng tế bào

- Nhờ lực thủy tĩnh hoặc lực thẩm thấu, khi nước đi qua các lỗ trên màng sẽ gópphần vận chuyển các độc chất

- Quá trình thấm lọc phụ thuộc kích thước của lỗ trên màng và của các phân tử độcchất

* Vận chuyển tích cực

- Không phụ thuộc vào gradient nồng độ hay gradient điện hóa, sử dụng năng

lượng của quá trình trao đổi chất trong tế bào

- Dựa trên cơ chế tạo phức giữa phân tử độc chất và chất tải cao phân tử tại mộtphía của màng, sau đó phức có thể khuếch tán qua phía bên kia của màng và tại đây, phân

tử sẽ được giải phóng, còn chất tải quay trở lại vị trí ban đầu và quá trình lại được tiếp tụccho đến khi chất tải bị bão hòa

- Sự tạo phức được quyết định bởi cấu trúc, hình thể, kích thước, điện tích củaphân tử độc và chất tải Hiện tượng kìm hãm và cạnh tranh cũng có thể xảy ra giữa nhữngphân tử có đặc tính tương tự nhau.

* Nội thấm bào

Thực chất là sự hấp thụ các phân tử độc bởi thực bào hoặc uống bào, đây là cơ chếquan trọng của quá trình bài tiết các độc chất có trong máu

2.2 Hành trình của các độc chất trong cơ thể

Các độc chất, thông qua quá trình hấp thụ (qua da, hô hấp, tiêu hóa) đi vào cơ thể,tại đây chúng được phân bố theo máu đến các cơ quan khác nhau Khi độc chất tiếp xúcvới các cơ quan trong cơ thể, ngoài việc tồn lưu, chúng còn có thể chịu sự tác động của

ba quá trình sau:

- Chuyển hóa sinh học (biotransformation): Là quá trình thực hiện bởi các cơ quangiàu enzyme, chuyển hóa phân tử độc chất thành các hợp chất khác, các sản phẩm phânhủy này thường (không phải trong mọi trường hợp) có độc tính kém hơn độc tính củachất ban đầu Tuy nhiên nó không hiệu quả với các độc chất ít bị biển đổi sinh học

- Đào thải: Là quá trình loại bỏ khỏi cơ thể các độc chất không được tồn lưu haychuyển hóa trong cơ thể và chỉ dễ dàng với các chất có chỉ số tích lũy thấp

- Tạo các phức chất giữa độc chất và nơi nhận độc chất (receptor), khi độc chấttiếp xúc với cơ quan tiêu điểm

2.2.1 Hấp thụ

Ngoại trừ các chất độc phá hoại cấu trúc tế bào (như acid, kiềm mạnh), hầu hết cáchóa chất độc không thể hiện độc tính ngay tại điểm tiếp xúc với cơ thể mà phải trải quaquá trình hập thụ

Là quá trình chất độc thấm qua màng tế bào và xâm nhập vào máu Việc hấp thụ

có thể xảy ra qua đường tiêu hóa, hô hấp, da Khi trong cơ thể, chất độc được phân bố và

cư trú ở một số cơ quan, biến đổi thành các chất chuyển hóa rồi tích lũy lại hoặc bị đàothải ra bên ngoài theo nhiều con đường khác nhau

Màng tế bào gồm hai lớp phân tử dày: Lớp bên trong chủ yếu chứa thành phần mỡ

và lớp bên ngoài chứa protein Chỉ các chất độc có cấu trúc hóa học và tính chất vật lýphù hợp mới có thể xuyên qua lớp màng tế bào Sau khi xuyên qua màng bảo vệ này, chấtđộc khuyêch tán vào các tổ chức bên trong cơ thể

Quá trình hấp thụ qua đường tiêu hóa có thể xảy ra trong suốt độ dài của dạ dày,ruột Tuy nhiên, khả năng hấp thụ phụ thuộc vào pH, thành phần thức ăn Nhiễm độc quađường tiêu hóa xảy ra khi ăn, uống,… không hợp vệ sinh Các chất độc có trong thức ăn,nước uống vào đường tiêu hóa qua miệng, dạ dày, ruột non, gan, qua đường tuần hoàn,đến các phủ tạng và gây nhiễm độc.

Trong trường hợp chất độc có thể xâm nhập vào cơ thể qua nhiều đường thì khảnăng hấp thụ sẽ khác nhau theo mỗi đường Con đường xâm nhập chất độc vào cơ thểcũng đóng vai trò quan trọng trong sự quyết định độc tính của một số chất ô nhiễm

2.2.2 Phân bố

Phân bố là quá trình vận chuyển chất độc sau khi đã xâm nhập vào máu đến các cơquan trong cơ thể Sau đó một số hóa chất có thể bị chuyển hóa, một số chất lại có thểtích lũy trong một số cơ quan

Việc phân bố chất độc trong cơ thể phụ thuộc vào nhiều yếu tố: hấp phụ, khuyêch tán,khả năng tiếp nhận của tổ chức cơ thể, do vậy sự phân bố chất độc không đồng đều ở các

tổ chức cơ quan Hấp phụ là yếu tố quan trọng trong quá trình phân bố chất độc

2.2.3 Tích lũy sinh học của chất độc trong cơ thể

Tích lũy sinh học (bio-accumulation) là quá trình tích tụ các nguyên tố vi lượng,các chất ô nhiễm vào trong cơ thể sinh vật thông qua sự hấp thụ bởi các sinh vật từ môitrường xung quanh mà chúng đang sống

Việc tích lũy chất độc thường không xảy ra ngay tại các cơ quan đối tượng tấncông của chất độc mà tại các cơ quan có sự phù hợp về cấu trúc và tính chất lý hóa Quátrình tích lũy chất độc là một trong các cơ chế bảo vệ của cơ thể Tuy nhiên, khi sự tíchlũy trở nên quá mức hoặc khi cơ thể phải chịu tác động của một số yếu tố (stress, giảmmỡ,…) chất độc từ nơi tích lũy sẽ được phóng thích và gây tác hại đến cơ thể Tác hạinày có thể xảy ra tại nơi tích lũy chất độc (ví dụ các kim loại nặng gây suy giảm chứcnăng của thận) hoặc ở các cơ quan tiêu điểm

Các yếu tố chủ yếu ảnh hưởng lên sự tích lũy sinh học:

- Chất độc càng bền (khả năng phân hủy kém) thì chỉ số tích lũy sinh học càng lớn

- Chất độc có khả năng hòa tan trong mỡ cao sẽ có chỉ số tích lũy sinh học cao

- Các cơ thể sinh vật khác nhau có chỉ số tích lũy sinh học khác nhau với cùng mộtloại độc chất Các sinh vật có hàm lượng mỡ ít hơn thì khả năng tích tụ sinh học các chấtđộc ít hơn

2.2.4 Sự khuyêch đại sinh học của độc chất qua chuỗi dinh dưỡng

Mọi cơ thể sinh vật đều chịu ảnh hưởng của độc chất Trong quá trình phát triển,chúng có thể chịu ảnh hưởng trực tiếp của độc chất hoặc gián tiếp qua chuỗi dinh dưỡng.Phần lớn các chất độc được sinh vật đào thải ra ngoài, một phần chất độc có khả năng tồnlưu trong cơ thể sinh vật Theo chuỗi dinh dưỡng và quy luật vật chủ - con mồi, các chấtđộc tồn lưu đó có thể được chuyển từ sinh vật này sang sinh vật khác và được tích lũybằng những hàm lượng độc tố cao hơn theo bậc dinh dưỡng và thời gian sinh sống Quátrình này được gọi là khuyêch đại sinh học của độc chất qua chuỗi dinh dưỡng

Chuỗi dinh dưỡng (food chain) là con đường truyền năng lượng (chất dinh dưỡng)

từ cơ thể sinh vật này đến cơ thể sinh vật khác Nếu tồn tại cơ thể sinh vật của một mắtxích trong chuỗi dinh dưỡng nào đó có chất độc, chất này sẽ được truyền sang cho sinhvật khác có bậc cao hơn, kế sau nó trong chuỗi dinh dưỡng

Người ta gọi sự khuyêch đại sinh học là hiện tượng một chất hiện diện trong hệsinh thái đạt đến một nồng độ luôn luôn lớn hơn nồng độ mà nó phải có trong mắt xíchcủa chuỗi dinh dưỡng

Hiện tượng khuyêch đại sinh học được tạo ra khi độc chất tích tụ sinh học hiệndiện tồn dư rất nhiều mà lại phân hủy chậm Mỗi khi đi qua một mức trong chuỗi dinhdưỡng, lượng tổng tồn dư của chất ô nhiễm lại được chuyển vào loài ăn mồi ở mức dinhdưỡng trên đó và như thế chất ô nhiễm thông thường có thể được tích tụ trong các mô

mỡ Do đó, nồng độ chất ô nhiễm này trong sinh vật ở mức trên cùng của chuỗi dinhdưỡng có thể rất cao so với nồng độ gặp trong môi trường

2.3 Nguyên lý bảo toàn độc chất trong chuỗi thức ăn

2.3.1 Tích lũy sinh học – nguyên lý 2.24, 2.25

Chỉ có tính chất bền vững trong môi trường, thì các chất sẽ không gây nên vấn đề

gì cho môi trường Nếu một chất không thể xâm nhập vào bên trong cơ thể của sinh vật,thì nó sẽ không đem đến mối đe dọa nào Một khi đã được hấp thu, mọi chất độc bất kỳtrong hệ sinh thái thường không mất đi qua hô hấp và bài tiết của sinh vật vì nó ít bị biếnchất sinh học hơn các hợp phần bình thường trong thức ăn mà được tích lũy trong cơ thểđến giới hạn có thể gây độc Điều này có nghĩa là hệ số tinh của chất độc thường cao hơncác hợp phần bình thường trong thức ăn

VD: DDT, DDE, kim loại nặng,…

Bảng 2 sự tích lũy DDT trong một số loài sinh vật

Các mức dinh dưỡng Nồng độ DDT mg/kg chất khô Hệ số tích lũy

Vị trí đầu tiên cho việc hấp thu bao gồm màng phổi, mang, đường ruột Da và cáccấu trúc khác (vảy, lông mao, long vũ) có tác dụng bảo vệ cơ thể Tuy nhiên, việc hấp thumột số hóa chất qua da có thể xảy ra Các hóa chất phải xuyên qua lớp đôi lipid của màng

để đi vào trong cơ thể

Tiềm năng tích lũy sinh học các hóa chất có liên quan với sự hòa tan trong lipidcủa các chất Môi trường nước là nơi mà tại đó các chất có ái lực với lipid xuyên qua tấmchắn giữa môi trường vô sinh và sinh vật Bởi vì sông, hồ và đại dương như là các bểlắng các chất và sinh vật thủy sinh chuyển một lượng lớn nước xuyên qua màng hô hấpcủa chúng (mang) cho phép tách một lượng vừa đủ các hóa chất từ nước.Thủy sinh vật cóthế tích lũy sinh học các hóa chất có ái lực với lipid và đạt đến nồng độ cao hơn nồng độchất đó có trong môi trường

Bảng 3 Sự tích lũy sinh học một số độc chất trong cá