Mục lục: Chương 0: Tổng quát về độc học môi trường Chương 1: Độc học môi trường dioxin Chương 2: Độc học thuốc bảo vệ thực vật Chương 3: Khả năng hấp thụ, phóng thích của keo sét-mùn đối với kim loại nặng trong bùn đáy kênh rạch TPHCM Chương 4: Ảnh hưởng của kim loại nặng đến quá trình sinh trưởng của thực vật Chương 5: Độc học môi trường cadmium Chương 6: Độc học môi trường của chì Chương 7: Độc học môi trường Arsen Chương 8: Độc học thuỷ ngân Chương 9: Độc học môi trường của lưu huỳnh và hợp chất của nó Chương 10: Độc học môi trường amiăng Chương 11: Độc học môi trường về bụi Chương 12: Độc học môi trường về thuốc lá Chương 13: Nhiễm độc qua thực phẩm Chương 14: Độc tố cá nóc Chương 15: Độc học môi trường polyclobiphenyl Chương 16: Độc học môi trường thuỷ triều đỏ Chương 17: Độc học môi trường sương mù quang hóa Chương 18: Chất thải nguy hại Chương 19: Độc học môi trường trong nhà, văn phòng Chương 20: Giới thiệu, thử nghiệm các mô hình trong tính toán lan truyền ô nhiễm Chương 21: Mô hình hoá lan truyền độc chất trong môi trường sinh thái đất phèn Chương 22: Quản lý sự cố độc hại môi trường Chương 23: Độc học môi trường bệnh cúm gia cầm H5N1
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC XÃ HỘI VÀ NHÂN VĂN _____ _ _____ LÊ HUY BÁ (Chủ biên) ĐỘC HỌC MƠI TRƯỜNG TẬP 2 (Phần chun đề) Cộng tác viên: THÁI VĂN NAM, NGUYỄN NGỌC QUỲNH, TÔ VĂN TRƯƠNG, LƯU QUỐC DŨNG, ĐỖ THỊ KIM CHI, PHAN THỊ MỸ HẠNH, NGUYỄN THỊ HỒNG THỤY, NGUYỄN THỊ PHƯƠNG UYÊN, CUNG THẾ TÀI, LÊ UYÊN MINH, PHẠM VIỆT ANH, ĐẶNG THỊ KIM THOA, ĐÀO THỊ TRÂM ANH, LÊ THỊ ÁI NƯƠNG, NGUYỄN HOÀNG LAN THANH, NGUYỄN TRẦN THIÊN ÂN, TRẦN NGỌC LỆ, NGUYỄN NHẬT TRƯỜNG, LÊ ĐÀO AN XUÂN, TRẦN THỊ NGỌC OANH. NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2006 5 CHƯƠNG 0 TỔNG QUÁT VỀ ĐỘC HỌC MÔI TRƯỜNG (Ecotoxicology – An overview) 0.1. ĐỊNH NGHĨA Trong quyển "Độc học môi trường" (NXB ĐHQGTPHCM 2000, tái bản 2002) chúng tôi đã nêu một số đònh nghóa và khái niệm về độc học môi trường. Ở đây chúng tôi chỉ xin nhắc lại một vài nguyên lý cơ bản cho bạn đọc tiện theo dõi. Độc học môi trường (Environmental Toxicology) (ĐHMT) hay còn gọi là "Độc học sinh thái" (Ecotoxicology). ĐHMT là ngành học cơ bản của môi trường học, chuyên nghiên cứu về chất và lượng của các hiệu ứng xấu do các tác nhân lý học, hóa học, sinh học gây ra cho cá thể, quần thể hay quần xã sinh vật và hệ sinh thái. ĐHMT gồm hai phần: 1– khoa học lý thuyết cơ bản về các chất độc và 2– khoa học ứng dụng. 0.2. CHẤT ĐỘC 0.2.1. Đònh nghóa Chất độc là bất kỳ chất nào có thể gây ra các hiệu ứng xấu, thậm chí gây tử vong cho người, sinh vật và hệ sinh thái (HST). 0.2.2. Phân loại a– Phân theo đặc tính sinh học: Chất độc có thể là độc chất và có thể là độc tố. 6 Độc chất (toxicant) để chỉ vai trò tác nhân hóa học gây độc của nó. Độc tố (toxin) để chỉ vai trò và bản chất sinh học của chất độc đó b– Phân theo bản chất – Độc bản chất (Natural Toxicity): Có những chất độc với một liều lượng rất nhỏ cũng gây độc. – Độc liều lượng (Dose Toxicity): Có những chất ở một liều lượng nhỏ không gây độc thậm chí còn là dinh dưỡng. Nhưng khi vượt quá một liều lượng nhất đònh đối với một sinh vật trong một thời kỳ nhất đònh sẽ gây hiệu ứng độc. Suy cho cùng, tất các các chất đều là những chất độc tiềm tàng. c– Phân loại theo tiềm năng hoạt tính – Loại các tác nhân gây độc tiềm tàng (Potential Toxicity): gồm tác nhân hóa học (tự nhiên, nhân tạo, hữu cơ, vô cơ), tác nhân vật lý (tác nhân đặc thù, bức xạ, vi sóng), tác nhân sinh học (các độc tố của nấm, vi khuẩn, thực vật, động vật) có khả năng gây ngộ độc cho sinh vật nhưng hiện tại chưa thể hiện. Nó chỉ biểu hiện độc tính khi có điều kiện môi trường thích hợp. – Loại các tác nhân gây độc hoạt tính (Actual Toxicity): cũng gồm tất cả những tác nhân gây độc như trên nhưng đang ở dạng hoạt động thể hiện độc tính, hiện tại gây hại sinh vật. d– Phân laại theo dạng, thể tồn tại: Các dạng thể hiện của tác nhân độc có thể là không khí, nước, thực phẩm, dược phẩm, mỹ phẩm và sản phẩm tiêu thụ, qua tiếp xúc ở da. e– Phân loại theo tính năng: – Dạng cấp tính: Nguy cấp, có thể gây chết túc thời, ngắn hạn, thường đối với liều cao hoặc nồng độ cao và số ít người bò ảnh hưởng như khi làm đổ hóa chất, thoát chất thải độc hại ra không khí. – Dạng mãn tính: Âm ỉ tồn tại trong cơ thể sinh vật và quần thể, dài hạn, thường đối với liều lượng và nồng đôï thấp, xảy ra cho số người đông hơn, hoặc rất lâu (thường đối với liều lượng và nồng độ rất nhỏ, nhiều người mắc phải như trường hợp nhiễm độc thực phẩm, ô nhiễm kim loại nặng hoặc ô nhiễm nước). 7 Còn có thể phân theo nhiều cách khác nhau nữa, tùy theo mục đích nghiên cứu . Sự nhiễm độc có thể xảy ra trong nhà, nơi làm việc hoặc bất kỳ nơi nào. 0.3. LIỀU LƯNG ĐỘC CHẤT, ĐỘC TỐ Là một đơn vò của sự xuất hiện các tác nhân hóa học, lý học hay sinh học. Liều lượng có thể biểu thò qua đơn vò khối lượng hoặc thể tích trên đơn vò trọng lượng cơ thể (mg, g, ml/ kg trọng lượng cơ thể) hoặc theo đơn vò khối lượng hay thể tích trên đơn vò bề mặt cơ thể (mg, g, mg/ m 2 diện tích bề mặt cơ thể). 0.4. NỒNG ĐÔÏ ĐỘC CHẤT, ĐỘC TỐ Là biểu hiện tỷ lệ lượng độc chất độc tố trong môi trường bò nhiễm độc, có đơn vò trọng lượng trên một đơn vò dung tích. Ví dụ, với nồng độ không khí bò nhiễm độc có thể được thể hiện qua đơn vò khối lượng hay thể tích trên phần triệu thể tích không khí (ppm) hay mg, g/ m 3 không khí. Nồng đôï trong nước có thể diễn tả qua đơn vò khối lượng/ lít nước (mg/l hay ppm, g/l, hay 1 phần tỷ ppb). 0.5 QUÁ TRÌNH VẬN CHUYỂN CỦA ĐỘC CHẤT, ĐỘC TỐ Đường đi của độc chất xảy ra ở bên ngoài và bên trong cơ thể. Chuyển động bên ngoài cơ thể liên quan đến các yếu tố môi trường, như điều kiện khí hậu, đặc tính hóa lý của hóa chất, tính tan nếu hóa chất được phát hiện trong nước. Khuyếch đại sinh học có thể xảy ra. Đường xâm nhập của hóa chất đối với động vật và con người gồm dạ dày, ruột (do ăn uống), đường hô hấp (do hít thở), đường da (do tiếp xúc). Sự dòch chuyển của độc chất bên trong cơ thể phụ thuộc các yếu tố ảnh hưởng cấu trúc sinh học của hóa chất trong cơ thể. Nó bao gồm những thuộc tính về hóa học và vật lý như kích cỡ phân tử, điều kiện nhiễm độc, trạng thái sức khoẻ của sinh vật. Độc chất phải di chuyển từ điểm tiếp xúc với cơ thể, điểm bò nhiễm, vào đường máu theo tuần hoàn máu. Trong máu, độc chất có thể thoát ra thành dạng tự do, không liên kết, hoặc nó liên kết protein (thường đối với albumin). Hóa chất có thể thoát khỏi đường máu và xâm nhập vào các mô khác nhau nơi đó nó có thể được 8 chuyển hóa sinh học (ví dụ, gan); lưu giữ (mô mỡ), đào thải (thận) hoặc tạo ra một phản ứng (trong não bộ). Việc kéo dài phản ứng phụ thuộc vào nồng độ của hóa chất ở điểm trên bộ phận tiếp nhận, ái lực của nó và hoạt tính riêng. Hóa chất phải xuyên qua màng tế bào, là phospho lipid hai lớp, bằng quá trình tiêu tốn năng lượng, như quá trình vận chuyển tích cực hoặc quá trình không tiêu tốn năng lượng như quá trình vận chuyển thụ động. Chuyển động xuyên qua màng tế bào có thể liên quan đến phương tiện đặc biệt. Có những quá trình đặc biệt mà hóa chất có thể xâm nhập tế bào. Một trong những quá trình đó là nhập nội bào. Cấu trúc sinh học của hóa chất trong cơ thể được xem xét theo hình thái của nó trong cơ thể gồm có: hấp thụ, phân phối, chuyển hóa sinh học, đào thải và sự vận động của các quá trình này. Các quá trình này xác đònh giá trò của hóa chất sẵn sàng tương tác với bộ phận tiếp nhận. Giá trò này của hóa chất được gọi là "khả năng tiếp nhận sinh học". Những yếu tố ảnh hưởng ngưỡng tới hạn gồm liều lượng và cấu trúc hóa học, tính nhạy cảm và tình trạng sức khoẻ của sinh vật đáp ứng, bản chất của các phản ứng nhận biết. Tính nhạy cảm của các phương pháp dùng trong đo đạc phản ứng sẽ ảnh hưởng đến ngưỡng phát hiện. Các quan hệ liều phản ứng cho thấy sự liên hệ giữa liều lượng và phản ứng nhận thấy ở một quần thể. Chúng thường được biểu diễn bằng một đường cong với tung độ là mức độ phản ứng, liều lượng được biểu diễn theo số học hoặc logarit. Có một số kiểu đường biểu diễn liều đáp ứng, đường biểu diễn liều đáp ứng cải tiến và liều đáp ứng số lượng. Ở giản đồ liều đáp ứng cải tiến, các ảnh hưởng được xác đònh trong một cơ quan riêng biệt và nồng độ được cải tiến như một liều lượng hóa chất. Những cá thể trong một quần thể có thể có đường biểu diễn liều đáp ứng cải tiến khác nhau vì sự đa dạng sinh học. Đường biểu diễn liều đáp ứng đònh lượng hoặc đường biểu diễn tất cả hoặc không liên hệ với liều lượng hóa chất đối với tần số đáp ứng của quần thể. Phản ứng thường là một hiện tượng tất cả hoặc không hoặc có thể là một chỉ dấu trước về một hiệu ứng tai hại. Ở giản đồ liều 9 đáp ứng đònh lượng, tần số thay thế cho độ lớn của khoảng liều đáp ứng cải tiến. Đáp ứng lại của sinh vật đối với một tác nhân gây độc có thể được dùng để nhận biết hiện tượng nhiễm độc. Khi xảy ra điều này, phản ứng được gọi là chỉ thò sinh học của bò nhiễm độc. Chỉ thò sinh học cần đặc hiệu đối với tác nhân, xảy ra ở động vật và con người và cần có độ tin cậy nhất đònh. Hình 0.1 là giản đồ tương quan giữa liều lượng độc chất và khả năng đáp ứng điển hình Hình 0.1: Đường cong đáp ứng liều lượng điển hình (Nguồn: Borzelleca, medical college of virginia, richmond,virginia, USA, 1997) Hình 0.2. Giản đồ liều lượng – Phản hồi cải tiến (Nguồn: Borzelleca, medical college of virginia, richmond,virginia, USA, 1997) Cực đại Liều lượng Ngưỡng tới hạn Đáp ứng cực đại Ngưỡng giới hạn Không đáp ứng Phản hồi điển hình 100% Log liều lượng (mg/kg) Hoạt tính bên trong 50% ED 50 Phản hồ i 10 Có một số phương pháp dùng giản đồ liều lượng đáp ứng để so sánh độ độc của các độc chất. Nếu phản ứng được xác đònh theo giản đồ liều lượng log: Độ dốc lớn hơn, độc chất mạnh hơn. Nghóa là khi liều lượng tăng ít sẽ dẫn đến sự thay đổi phản ứng lớn. Sử dụng log liều lượng, ảnh hưởng của LD 50 hoặc ED 50 có thể được xác đònh. Đây là liều gây ra 50% phản ứng cực đại cho một cá thể (giản đồ liều lượng – đáp ứng cải tiến) hoặc là liều gây ra phản ứng của 50% cá thể trong quần thể (giản đồ liều lượng – đáp ứng đònh lượng). Một ví dụ của ED 50 là LD 50 hoặc liều gây chết trung bình của một hóa chất ở một liều đơn. LD 50 là liều gây chết 50% quần thể sinh vật trong những điều kiện thí nghiệm xác đònh rõ ràng. LD 50 có thể được dùng làm cơ sở phân loại tính độc. Ví dụ, Ottoboni (1991) đề nghò một bảng sau: Liều gây chết qua đường miệng: botulinum toxin, 0,0001mtg/kg trọng lượng cơ thể; nicotine 0,5mg/kg trọng lượng cơ thể, DDT 100mg/kg trọng lượng cơ thể, aspirin 1500mg/kg trọng lượng cơ thể; muối 3000mg/kg trọng lượng cơ thể, ethyl alcohol 10.000mg/kg trọng lượng cơ thể, đường 30.000mg/kg trọng lượng cơ thể (giá trò gần đúng). So sánh ED 50 không mang ý nghóa đầy đủ như khi so sánh độ dốc vì ED 50 chỉ là một điểm trên đường biểu diễn và nó không cung cấp thông tin về quan hệï thật sự giữa liều lượng và phản ứng cũng như không xác đònh được ngưỡng giới hạn. Nồng độ hóa chất ở điểm tiếp nhận tuỳ thuộc vào mức độ trong máu. Nồng độ trong máu phụ thuộc vào liều lượng của hóa chất mà sinh vật bò nhiễm và các điều kiện bò nhiễm. Sự hợp lý ở các mức liều lượng là cần thiết khi so sánh phản ứng đối với cùng một hóa chất, cùng một liều lượng được dùng khi có sự khác nhau về sinh vật nhiễm độc, về đơn vò đo lường. Ví dụ: 200g chuột nhận liều lượng 100mg/kg trọng lượng cơ thể, hóa chất sẽ nhận tương đương 0,061mg/cm 2 diện tích bề mặt cơ thể; 70kg người nhận cùng loại hóa chất ở cùng liều lượng là 100mg/kg trọng lượng cơ thể sẽ nhận tương đương là 0,388mg/cm 2 diện tích bề mặt cơ thể. Không có số liệu thuyết phục về các phương pháp khác ưu việt hơn. Thông thường, liều lượng được biểu diễn qua mg/kg trọng lượng cơ thể. 0.6. HẤP THỤ, NHIỄM ĐỘC, PHÂN PHỐI VÀ ĐÀO THẢI ĐỘC CHẤT CỦA SINH VẬT 0.6.1. Hấp thụ, nhiễm độc Phần trên ta đã đề cập về liều lượng, nồng độ, và nói kỹ về phản ứng sinh học đối với một chất độc trực tiếp tuỳ thuộc vào bản 11 chất, liều lượng của hóa chất tác dụng lên cơ quan tiếp nhận. Có sự khác nhau quan trọng giữa nhiễm độc và liều lượng. Sự nhiễm độc là sự hiện diện của chất lạ xâm nhập vào cơ thể của các cá thể. Đơn vò của nhiễm độc hóa chất lạ thường dùng là ppm hoặc đơn vò khối lượng/ m 3 không khí, lít nước, kg thực phẩm. Ví dụ, nhiễm độc da thường biểu diễn qua nồng độ của dung dòch tiếp xúc với diện tích bềø mặt. Khi nhiễm độc, trước tiên chất độc phải thông qua môi trường đi vào cơ thể, di chuyển vào tế bào qua bề mặt tiếp xúc của cơ thể (như đường da, phổi, dạ dày, ruột) gọi là sự hấp thụ, trường hợp đặc biệt hơn, sự hấp thụ từ môi trường vào máu hoặc hệ bạch huyết. Từ những hệ thống lưu hành này, độc chất xuyên qua một vài, một số hoặc tất cả các mô trong cơ thể, quá trình này được gọi là sự phân phối. Vận chuyển độc chất từ hệ thống lưu hành vào các mô còn được gọi là sự hấp thụ, nó tương tự như quá trình vận chuyển một hóa chất từ bề mặt cơ thể vào hệ thống tuần hoàn. Vì vậy, luôn phải xem xét cả hai phương diện của sự hấp thụ chất độc: • Sự di chuyển từ bề mặt cơ thể vào trong máu (hoặc lympho). • Sự di chuyển từ máu vào trong các mô. Để hiểu quá trình hấp thụ các chất hóa học từ bề mặt cơ thể vào máu và từ máu vào các mô, cần khảo sát cấu trúc và bản chất hóa học của màng tế bào. Vì trong hầu hết trường hợp, chất độc qua màng tế bào này phải xuyên qua và đạt đến điểm đích để tạo phản ứng sinh học. Hình 0.3 giới thiệu một tế bào động vật có vú tiêu biểu cho thấy một ít trong số nhiều cấu trúc dưới tế bào; một phần nhỏ của màng tế bào trong hình 0.4 cho thấy hình ảnh của các phospholipid và các protein tạo nên màng tế bào. Hình 0.3. Sơ đồ minh họa một tế bào động vật có vú 12 Hình 0.4. Sơ đồ minh họa của một phần tế bào động vật có vú (Nguồn: R.C.Shank, University Of California, Irvine, USA, 1997) Trong hình 0.4, phân tử phospholipid cho thấy dạng oval với hai đuôi và màng protein có dạng xoắn mang cực dương và âm. Hình 0.5 thể hiện một phân tử phospholipid là phần cấu tạo chính của màng tế bào. Trong hình này, phosphatidylcholine được dùng như một thí dụ (có một số phân tử dạng tương tự khác trong màng tế bào), loại có cực như ở đầu phân tử nước hòa tan và không cực như dạng đuôi lipid hòa tan của phân tử được thể hiện. Hình 0.5. Một phân tử phospholipid (Nguồn: R. C. Shank, University of California, irvine, USA, 1997) . ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC XÃ HỘI VÀ NHÂN VĂN _____ _ _____ LÊ HUY BÁ (Chủ biên) ĐỘC HỌC MƠI TRƯỜNG TẬP 2 (Phần chun đề). Trong quyển " ;Độc học môi trường& quot; (NXB ĐHQGTPHCM 20 00, tái bản 20 02) chúng tôi đã nêu một số đònh nghóa và khái niệm về độc học môi trường. Ở đây