Phân loại
Dựa vào bản chất của các nhóm chức trong công thức hóa học, chất diệt nấm có thể được phân loại theo bảng sau:
Bảng 3. 1 Phân loại chất diệt nấm [ CITATION LêN06 \l 1033 ]
Loại Các hợp chất
Chất diệt nấm vô cơ - Các muối của đồng - Các chất có lưu huỳnh - Các hợp chất của arsen - Các dầu khoáng
Chất diệt nấm hữu cơ tự nhiên và tổng hợp
- Các carbamate và các dithiocarbamate (benomyl, carbaten, ferbam, manebe, zinebe, nabam, thiram)
- Các dẫn xuất của benzene (hexaclorobenzen, quintozen)
- Các dẫn xuất của các quinon (cloranil, dichlon, simazin, atrazin, prometryn, desmetryn, bromacil, terbacil, pyrazon, dalayon)
- Các amid (alachlon, propanil, monalid)
- Benzonitril (toxinil, propyzamid, dicrolobenil) - Các toluidine (trifluralin, butralin)
- Các chất cơ – phosphor (glyphosat) Các chất diệt nấm hữu cơ khác Carboxin, cloropicrin, doquaanid, formol
Dựa vào cách tách dụng, người ta chia chất diệt nấm thành 2 nhóm lớn [ CITATION LêN06 \l 1033 ], [ CITATION DrR10 \l 1033 ]:
- Chất diệt nấm tiếp xúc: chất diệt nấm chỉ hoạt động trên bề mặt thực vật. Chúng không bị hấp thụ bởi lá, cành hoặc rễ và không thể ức chế sự phát triển nấm trong cây. Ví dụ: dithiocarbamates, nitriles, hydrocarbon thơm, peroxit, phenylpyrolles, cyanoimidazoles.
- Chất diệt nấm hệ thống: chất diệt nấm chỉ được hấp thu vào xylem và phloem1 và di chuyển lên xuống trong cây. Các chất diệt nấm này ức chế nấm trên và trong các bề mặt cây trồng đã được xử lý và bên trong các bộ phận của cây trồng nằm trên hoặc dưới các bề mặt được xử lý. Ví dụ: phosphonates
Công thức cấu tạo [ CITATION Placeholder1 \l 1033 ]
Cấu tạo của một số chất diệt nấm tiếp xúc:
Hình 3. 2 Dithiocarbamates
Hình 3. 3 Hợp chất có nhân benzen
Methylmercury Ethylmercury Chloro(phenyl)mercury
Hình 3. 4 Hợp chất có chứa S
Hình 3. 5 Hợp chất triclo
Cấu tạo của một số chất diệt nấm hệ thống
Hình 3. 6 Benomyl
Hình 3. 7 Thiabendazol
Hình 3. 8 Carbendazim hoặc MBC
Hình 3. 10 Oxyquinolein
3.1.3 Khả năng tích lũy độc [ CITATION Thu08 \l 1033 ]
Hầu hết thuốc bảo vệ thực vật đều độc với con người và động vật máu nóng ở các mức độ khác nhau. Theo đặc tính, thuốc bảo vệ thực vật được chia làm hai loại: chất độc có nồng độ và chất độc tích luỹ.
- Chất độc nồng độ: mức độ gây độc phụ thuộc vào lượng thuốc xâm nhập vào cơ thể. Ở dưới liều gây chết, chúng không đủ khả năng gây tử vong, dần dần bị phân giải và bài tiết ra ngoài. Loại này bao gồm các hợp chất pyrethroid, phospho hữu cơ, carbamate, thuốc có nguồn gốc sinh vật.
- Chất độc tích lũy: Có khả năng tích luỹ lâu dài trong cơ thể vì chúng rất bền, khó bị phân giải và bài tiết ra ngoài. Thuốc loại này gồm nhiều hợp chất chứa clo hữu cơ, chứa thạch tín (asen), chì, thuỷ ngân; đây là những loại rất nguy hiểm cho sức khoẻ.
3.1.4 Khả năng tác dụng độc
Chất diệt nấm thay đổi rất nhiều trong khả năng gây ra tác dụng phụ ở người. Về mặt lịch sử, một số bệnh dịch tồi tệ nhất về ngộ độc thuốc trừ sâu đã xảy ra do tiêu thụ nhầm hạt ngũ cốc được xử lý bằng thủy ngân hữu cơ hoặc hexachlorobenzene. Tuy nhiên, hầu hết chất diệt nấm đang được sử dụng và đăng ký để được sử dụng tại Hoa Kỳ sẽ không gây ra độc cấp tính nghiêm trọng và thường xuyên vì một số lý do: (1) nhiều loại có độc tính thấp ở động vật có vú và không được hấp thụ hiệu quả; (2) nhiều loại được pha chế ở dạng bột hoặc hạt ở thể huyền phù, từ đó sự hấp thụ nhanh và hiệu quả là không chắc. Chất diệt nấm có thể gây ra các thương tổn kích ứng da và niêm mạc [ CITATION Rec \l 1033 ]
Nói chung, chất diệt nấm gây ra độc tính ở động vật có vú từ mức thấp đến mức trung bình, mặc dù chúng được cho là có tỷ lệ nhiễm cao hơn các loại thuốc trừ sâu khác trong việc gây độc và phát triển ung thư. Ví dụ, ước tính rằng hơn 80 phần trăm của tất cả các nguy cơ gây ung thư do sử dụng thuốc trừ sâu xuất phát từ một số chất diệt nấm. Tuy nhiên, chất diệt nấm chỉ góp một tỷ lệ nhỏ các ca tử vong do thuốc trừ sâu và chỉ chiếm khoảng 5 phần trăm hoặc ít hơn đối với các chất độc gây hại cho con người theo báo cáo của Trung tâm Kiểm soát Chất độc (Poison Control Centres). [ CITATION Tim04 \l 1033 ]
3.2 Tiến trình độc tính thuốc bảo vệ thực vật xâm nhập, phân phối, trao đổi và đào thải trong cơ thể [ CITATION Vik15 \l 1033 ]
Mỗi loại chất diệt nấm sẽ có tiến trình xâm nhập, phân phối, trao đổi và đào thải trong cơ thể khác nhau. Ở đây ta xem xét phân tích loại chất diệt nấm có chứa đồng. Đồng được hấp thu, vận chuyển, phân phối, lưu trữ và bài tiết trong cơ thể theo các quy trình homeostatic phức tạp để đảm bảo nguồn cung cấp vi lượng ổn định và liên tục, tránh sự vượt mức.
3.2.1 Quá trình hấp thu
Đồng chủ yếu được hấp thu qua đường tiêu hóa của động vật. Từ 20 đến 60% lượng đồng ăn vào được hấp thu, phần còn lại được bài tiết qua phân. Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ đồng. Ví dụ, ăn thịt động vật, citrat, và phosphate sẽ giúp tăng khả năng hấp thu đồng. Các ion đồng ở dạng muối, bao gồm đồng gluconat, đồng acetat, hoặc đồng sulfat, dễ hấp thụ hơn so với oxit. Mức tăng kẽm và cadmium trong khẩu phần, cũng như lượng phytate và đường đơn (fructose, sucrose) cao sẽ cản trở sự hấp thu của đồng.
3.2.2 Phân phối, trao đổi và đào thải
Sau khi đồng đi qua màng đáy bên, nó được vận chuyển đến gan nơi bị bao phủ bởi albumin huyết thanh. Việc vận chuyển đồng đến các mô ngoại vi được thực hiện thông qua plasma gắn với anbumin huyết thanh, ceruloplasmin, hoặc phức hợp phân tử thấp. Trong máu, đồng được phân bố vào một vùng hồng cầu không trao đổi, một vùng plasma liên kết với các protein, và một vùng hỗn hợp các phức hợp phân tử thấp. Ở người, khoảng 80-90% đồng plasma liên kết chặt chẽ với ceruloplasmin trong khi phần còn lại liên kết với albumin và axit amin.
Bury et al. (2003) cho thấy ở mang cá, Cu2+ bị khử thành Cu+ và xâm nhập vào cơ thể thông qua kênh natri sinh học (ENaC) hoặc qua transporter đồng 1 (CTR1). Metallochaperones (MC) kết hợp Cu+ và vận chuyển nó tới lưới Golgi (GN), nơi mà đồng đi vào ống Golgi thông qua một Menkes Cu+-ATPase (MNK). Cu+ được hợp thành dạng protein gắn kết kim loại (MBP) trong GN. Các túi khí của GN sau đó chuyển đồng đến màng đáy bên để xuất bào (exocytosis). Các ATPase khác xuất khẩu đồng (tức là Ag+/Cu+-ATPase) cũng có thể hiện diện trong các màng đáy bên. Việc thải đồng qua ruột có thể được thực hiện thông qua một đồng vận chuyển (symporter) Cu-/Cl-, hoặc qua con đường MNK. Đồng dư thừa sẽ kết hợp với các protein phân tử thấp, chẳng hạn như metallothioneins (MT).
Hình 3. 11 Sự biểu hiện giả thuyết của các con đường hấp thu đồng trong cá, kết hợp dữ kiện từ mang và ruột
Gan là cơ quan chính liên quan đến cân bằng nội môi của đồng. Nó tích lũy một tỷ lệ lớn đồng được hấp thụ từ chế độ ăn uống hoặc nước, và là nơi tổng hợp protein chứa đồng nhiều nhất trong cơ thể, ceruloplasmin. Ceruloplasmin được tiết ra trong máu và hoạt động như là một nguồn cung cấp đồng đến các cơ quan ngoài cơ thể. Đồng cũng có thể lưu thông trong cơ thể ở dạng phức hợp với albumin và các protein phân tử thấp khác. Mật là vị trí chính để bài tiết đồng dư thừa trong cá. Ở động vật có vú, có ba đường dẫn bài tiết: (1) Cu ATPase, được xác định trong các bệnh nhân bị bệnh Wilson (được gọi là protein Wilson hoặc ATP7B); (2) vận chuyển cation đa cực (cMoat) và (3) bài tiết qua lysosome. Khi đi vào tế bào thông qua CTR1, đồng được chuyển tới ATP7B trong bộ máy Golgi bởi đồng chaperone ATOX1. Trong bộ máy Golgi, đồng được kết hợp trong các cuproenzyme khác nhau bao gồm ceruloplasmin. Khi mức độ đồng trong tế bào tăng lên, ATP7B sẽ phân phối lại một khoang đặc. Khi tái định cư ATP7B, đồng được bài tiết từ tế bào gan qua mật thông qua một cơ chế không rõ ràng có thể liên quan đến COMMD1
Hình 3. 12 Con đường bài tiết đồng qua trung gian ATP7B trong tế bào hepatocytes
3.3 Tác dụng độc
3.3.1 Tổng quát về chất diệt nấm tiếp xúc và chất diệt nấm hệ thống [ CITATION LêN06 \l 1033 ]
Cơ chế tác dụng của chất diệt nấm tiếp xúc
- Chất diệt nấm trên cơ sở kim loại: Các chất này thường được dùng dưới dạng muối hoặc dưới dạng tổ hợp với một phân tử hữu cơ. Phần hoạt động luôn là ion kim loại. Cơ chế tác dụng của các chất loại này thường giống nhau: đều là những tác nhân có khả năng kết hợp với nhóm -SH của các enzym tham gia vào quá trình oxy hoá – khử cung cấp năng lượng.
- Chất diệt nấm lưu huỳnh và trên cơ sở lưu huỳnh:
+ Cơ chế tác dụng của S hiện nay chưa được sáng tỏ. S có thể tạo ra cầu disulfua giữa và trong phân tử, phản ứng với các vùng nucleophyl hoặc tạo ra các gốc tự do.
+ Các chất diệt nấm thio- và dithiocarbamat tác dụng bằng cách làm giải phóng ra các isothiocyanat, thiram, cacbon sulfua, hydro sulfua và etylen thioure. Các chất trao đổi có độc tính này thường bao vây các nhóm -SH của enzym. Trong một số trường hợp các ion kim loại sẽ can thiệp vào cơ chế tác dụng (hiệu ứng phức càng cua).
+ Tính độc của các dicacboxymid là do chuỗi bên R-S-CCl3 và thường biểu hiện ra ít nhất ở ba mức độ: ức chế sự oxy hoá glucose, ức chế sự tổng hợp axit nucleic, và ức chế sự phân giải của các axit béo
Cơ chế tác dụng của chất diệt nấm hệ thống
- Các chất diệt nấm loại này như các dẫn xuất của carbamat (benomyl), của thiocarbamat (thiophanat), của pyrimidin (ethyrimol), của thiadiazin và thiadiazol (thiabendazol), của carboxin và oxycarboxin,... Các chất này đều là những chất trung gian của carbendazim và thường có cấu trúc giống với các base purin.
- Chất carbendazim sẽ thay thế các base purin này trong axit nucleic do đó sẽ gây ra những dạng dị thường khi truyền thông tin di truyền.
- Các chất diệt nấm hệ thống này thường gây tác dụng chủ yếu đến pha phân bào nguyên nhiễm. Chúng ngăn cản sự phân chia tế bào. Ethyrimol tác dụng như một chất kìm hãm của các enzym tham gia vào sự chuyển hoá các purin và chuyển hoá timiđin.
3.3.2 Chất diệt nấm chứa đồng
Hầu hết các hóa chất nông nghiệp, đặc biệt là các công thức dựa trên đồng, gây ra một số tác động bất lợi đối với sức khoẻ con người. Những vấn đề này bao gồm các loại ung thư khác nhau, các bệnh thoái hoá, rối loạn miễn dịch, huyết học, thần kinh và sinh sản.
Phản ứng gây độc ở người đã được quan sát thấy ở nồng độ 11 mg/kg đồng. Nuốt đồng sulfat thường không độc vì quá trình nôn mửa sẽ tự động được kích hoạt bởi tác dụng kích ứng trên đường tiêu hóa. Tuy nhiên, độc tính cấp tính của chất diệt nấm có chứa đồng không phải là do tính độc hệ thống, mà là do nỗ lực của cơ thể để cân bằng nồng độ đồng. Tiếp xúc với da có thể dẫn đến ngứa hoặc chàm. Đồng là chất nhạy cảm với da và có thể gây phản ứng dị ứng ở một số người. Đồng tiếp xúc với mắt có thể gây ra viêm kết mạc, viêm lớp mí, suy nhược mô giác mạc, và đóng băng giác mạc. Việc tiêu hóa đồng sulfat làm kích thích hệ tiêu hoá và có thể gây ra mụn trứng cá và hạn chế được độc tính. Đồng hydroxit ít độc hại hơn so với đồng sulfat, với LD50 ở chuột là 833 mg/kg. Nó cũng không dễ bị hấp thụ qua da, với LD50 trên bề mặt da là 5000 mg/kg ở chuột nhắt. Sự ăn mòn mô, sốc và tử vong có thể xảy ra sau khi tiếp xúc với liều lượng lớn đồng. Gây hại cho tế bào máu, gan và thận cũng đã được báo cáo.
Hình 3. 13 Các triệu chứng chính của ngộ độc đồng
Tác động gây kích ứng từ việc tiếp xúc nghề nghiệp với chất diệt nấm có chứa đồng xảy ra khá thường xuyên, bao gồm phản ứng dị ứng, ngứa, và eczema. Các dấu hiệu và triệu chứng sớm của ngộ độc đồng bao gồm cảm giác vị kim loại, buồn nôn, nôn mửa, và đau bụng. Tác động mãn tính đã được báo cáo với những người lao động trong vườn nho có bệnh gan sau 3 đến 15 năm tiếp xúc với hỗn hợp Bordeaux. EPA không yêu cầu dữ liệu về tác động gây quái thai, gây biến đổi gen, gây ung thư và sinh sản ở động vật có vú đối với nhiều loại thuốc trừ sâu đồng.
Sự mất cân bằng đồng ở người dẫn đến các bệnh nghiêm trọng như hội chứng Menkes hoặc bệnh Wilson, đặc trưng bởi sự không có khả năng phân phối đồng một cách hợp lý tới tất cả các tế bào và các mô. Ngoài ra, đồng có liên quan chặt chẽ đến các bệnh thoái hoá cơ tim như chứng xơ cứng amyotropic bên trong.
Đồng hoàn toàn cần thiết cho sự sống và là yếu tố quan trọng xúc tác ở động vật có vú ở vị trí hoạt động của protein, như cytochrome c oxidase, tyrosinase, lysyloxidase, p-hydroxyphenyl pyruvate hydrolase, dopamine beta hydroxylase và Cu, Zn-superoxidase dismutase (Cu, Zn-SOD). Tuy nhiên, quá nhiều Cu có thể oxy hóa các phân tử sinh học quan trọng, như chất béo, protein, và DNA, chủ yếu qua phản ứng Fenton.
Nhiều nhà nghiên cứu đã phát hiện thấy những ảnh hưởng bất lợi của đồng ở cả in vivo và in vitro. Đồng đã chứng minh sự thay đổi hoạt động của các enzyme chống oxy hóa. Nồng độ đồng cao hơn trong sinh vật sống làm tăng hoạt tính của Cu, Zn- SOD và glutathione-S-transferase và làm giảm các hoạt tính của catalase và selenium – phụ thuộc vào glutathione peroxidase.
Các ion Cu tự do có thể tham gia vào quá trình tạo ra ROS. Cả Cu2+ và Cu+ đều có thể tham gia vào các phản ứng oxy hóa và khử để tạo thành các gốc hydroxyl thông qua phản ứng Haber-Weiss:
Sự xâm nhập của các gốc tự do hydroxyl đã được xác nhận bằng cách phân tích các sản phẩm DNA bị tổn thương. Đồng kết hợp với DNA để tạo thành adducts (sản phẩm cộng). Đồng kết hợp DNA nội sinh có thể thúc đẩy sản xuất cục bộ các gốc hydroxyl và do đó gây tổn thương oxy hóa DNA. Thực tế đồng tích tụ trong hạt nhân cho đến khi đồng quá tải thì phản ứng xảy ra. Trong trường hợp này, phức hợp Cu – DNA tạo thành đẩy mạnh hình thành gốc hydroxyl – điều này phụ thuộc vào sự phân đoạn DNA.
Kích thích peroxy hóa lipid là một trong những hậu quả chính của việc tạo ra đồng từ ROS. Điều này đã được thể hiện ở việc tăng sản xuất pentane và malondialdehyde của gan khi gan đồng nhất hoặc tế bào gan được tiếp xúc với đồng ion. Hơn nữa, lượng đồng quá liều ở chuột đã dẫn đến sự peroxy hóa lipit màng ti thể, điều này được thể hiện ở sự gia tăng nồng độ các dienes liên hợp và các chất phản ứng thiobarbituric acid (TBARS). Sự peroxid hóa lipid với xúc tác đồng dường như cũng là cơ sở cho những thay đổi trong lysosome tế bào gan ở chuột bị nhiễm đồng quá liều. Nồng độ TBARS trong màng lysosome được phân lập của những con chuột này đã tăng gấp đôi, cùng với đó là gia tăng sự yếu ớt và giảm tính lưu động của chúng. Cũng có sự thay đổi trong màng tế bào của các axit béo đã chọn, với sự gia tăng các axit béo không bão hòa đa. PH lysosomal cũng tăng lên và sự thay đổi của màng tế bào có thể ảnh hưởng đến chức năng của bơm proton ATPase.
Chuột nhiễm đồng quá liều có biểu hiện tổn thương oxy hoá bao gồm giảm mức