1.5.1.1 Mô hình FIAM (Free Ion Activity Model)
Mô hình tính toán độc cấp tính của kim đối với các loài thủy sinh đầu tiên được ra đời từ năm 1970 dựa trên giả thiết rằng tính độc của kim loại được gây ra chủ yếu bởi hoạt động của các ion kim loại tự do trong nước mà không phải do nồng độ tổng của kim loại có trong môi trường nước [76]. Các ion kim loại tự do có thể tạo ra các bề mặt ưa nước và do đó có thể vận chuyển qua màng thông qua kênh vận chuyển trên màng. Một số kim loại khác có thể tạo phức với lưu huỳnh (S) và (N) có thể đi qua màng. Đây là cơ chế vận chuyển cần năng lượng, và thông thường các kim loại vận chuyển theo cơ chế này sẽ không liên kết với protein màng và vận chuyển ngược dòng gradient nồng độ. Nguyên lí tính toán của mô hình FIAM dựa trên cân bằng hóa học giữa trao đổi về mặt tế bào và các dạng ion tự do trong dung dịch và có tính đến những tương tác của kim loại khi đã đi vào cơ thể sinh vật. Tuy nhiên mô hình dừng lại ở việc chỉ tính toán đến hàm lượng ion tự do được hấp thu vào cơ thể sinh vật nhưng chưa tính ra hàm lượng độc tố cụ thể của kim loại đối với cơ thể sinh vật. Gần đây mô hình tương tác ion tự do (FIAM) được mở rộng và phát triển nhằm tính chính xác tương tác các kim loại trên bề mặt sinh học dựa vào các tính toán đường cong nồng độ - đáp ứng.
Mô hình Subcellular Partitioning Model (SPM)
Mô hình FIAM phần lớn tập trung vào về đánh giá lượng kim loại liên kết với màng tế bào sinh vật, đây là lượng ion có thể gây ra độc tính tới sinh vật. Tuy nhiên không phải toàn bộ lượng ion liên kết với bề mặt phối tử sinh học sẽ gây ra độc tính đối với cơ thể sinh vật do sinh vật có cơ chế thích nghi và đào thải khi chúng thâm nhập vào cơ thể. Kim loại khi đi vào cơ thể có thể được vận chuyển đến các cơ quan khác nhau trong cơ thể và tác động độc của kim loại sẽ phát sinh tùy từng tương tác của kim loại đối với cơ quan đích. Để tính toán cụ thể những tác động của kim loại lên từng cơ quan và mô trong cơ thể, các nhà khoa học đã phát triển mô hình SPM [77]. Mô hình SPM đầu tiên được phát triển trên cá, là mô hình tính toán chi tiết hàm lượng kim loại gây độc trên 5 bộ phận chính của cơ thể sinh vật là mô mỡ, các bào quan, các hạt protein tích tụ kim loại, protein biến tính nhiệt
25
và protein ổn định nhiệt bằng việc sử dụng các phương pháp đo và sử dụng các biến đổi hóa học và vật lí. Các protein biến tính nhiệt và các bào quan thường rất nhạy cảm với độc tính của kim loại và được coi là cơ quan đích của quá trình xâm nhập kim loại vào cơ thể. Trong khi đó, các mô hình sử dụng đối với các protein làm nhiệm vụ tích tụ kim loại và các protein ổn định nhiệt lại là các cơ quan có thể thải độc kim loại và làm giảm độc tố của kim loại. Trong mô hình SPM thì lượng kim loại tồn tại ở giữa các bào quan này đều không gây ra độc tính cho cơ thể. Điều này cho thấy SPM chưa dự báo được chính xác lượng kim loại gây độc cho sinh vật và cần phát triển và nâng cao tính chính xác dự báo của mô hình.
Mô hình liên kết phối tử sinh học (Biotic Ligand Model- BLM)
Mô hình liên kết phối tử sinh học, tiếng anh gọi là Biotic Ligand Model (BLM) được xây dựng để ra sửa chữa một phần các khuyết điểm của mô hình Free Ion Activity Model (FIAM). Về cơ bản, hai mô hình này đều dựa trên nguyên lí đánh giá ngưỡng độc của kim loại dựa trên tương tác của ion tự do với môi trường và trên bề mặt tiếp xúc của cơ thể sinh vật. Tuy nhiên BLM có tính toán đến các dạng tồn tại khác của kim loại và các mối liên kết của các dạng đó với các bề mặt phối tử liên quan tới độc tính. Để xây dựng được mô hình BLM, mô hình yêu cầu số liệu về các hằng số liên kết và biết trước ngưỡng độc của kim loại trên bề mặt phối tử sinh học để tính toán ra nồng độ ion kim loại tự do gây độc trong môi trường và ngưỡng độc của các kim loại trong bối cảnh có tính đến những ảnh hưởng cạnh tranh các chất khác trong môi trường. Khi mô hình đã được xây dựng xong thì số liệu đầu vào để chạy mô hình rất đơn giản không cần quá nhiều số liệu được đo bởi các thiết bị đo yêu cầu độ chính xác. Hiện tại mô hình này mới chỉ phát triển cho một vài loài sinh vật và cho một vài kim loại như Cu2+, Ag+, Zn+ và Ni+. BML đầu tiên được được thiết kế cho tính toán độc cấp tính của kim loại đối với loài cá (48-h LC50) và sau đó được hiệu chỉnh cho loài Daphnia và tảo [78].
Trong giai đoạn đầu phát triển, mô hình BLM được dùng để tính toán độc tính của kim loại trong phòng thí nghiệm, gần đây nó được nghiên cứu, ứng dụng cho các điều kiện ngoài thực tế. Các mô hình liên kết phối tử sinh học nâng cao tính toán cho ngưỡng độc cấp tính của các kim loại như Cu và Ni đã được USEPA đưa
26
ra hướng dẫn sử dụng [79]. Các nước phát triển trong khối cộng đồng chung Châu Âu đang sử dụng BLM trong việc đánh giá rủi ro của Zn, Cu, Ni. Cục bảo vệ môi trường Canada cũng đã sử dụng mô BLM trong nghiên cứu sự tích lũy của kim loại trong cơ thể sinh vật [80].
Mô hình BLM đã xây dựng một hướng mới tính toán độc tính kim loại dựa trên sự tương tác giữa kim loại với môi trường và với phối tử kết hợp với các dữ liệu độc học cấp tính. Hiện nay đây là mô hình có tiềm năng phát triển trong việc tính toán chính xác ngưỡng độc cấp tính của kim loại đối với sinh vật. Mô hình BLM đã được phát triển ở Mĩ và các nước Châu Âu, ở Việt Nam mô hình này vẫn còn là hướng nghiên cứu mới mẻ. Với những tiềm năng ứng dụng của mô hình, hiện tại một số mô hình đã được phát triển nhằm tăng cường tính chính xác của mô hình trong việc tính toán ngưỡng độc cấp tính của kim loại. Hai mô hình phát triển của BML là Concentration Addition Model và Independent Action Model
Mô hình Windermere Humic Aqueous Model-Toxicity Function (WHAM-FTOX)
Windermere Humic Aqueous Model-Toxicity Function (WHAM-FTOX) là mô hình sử dụng hàm hồi quy độc học để tính ngưỡng độc của kim loại đối với loài thủy sinh [81]. Mô hình này vừa có thể tính toán các dạng tồn tại của các kim loại và vừa có thể ước tính được sự tính lũy kim loại của proton và kim loại trong cơ thể sinh vật. Mô hình WHAM-FTOX tuy có cách tiếp cận khác mô hình phối tử BLM nhưng mô hình WHAM-FTOX cũng tính đến sự ảnh hưởng, tạo phức của ion kim loại trong môi trường khi có mặt các chất khác. Điểm khác biệt lớn nhất đó là trong khi WHAM-FTOX phần kim loại độc tính tác động trực tiếp lên cơ thể sinh vật là phần quan trọng thì BLM coi sự tác động của môi trường tới dạng hoạt động của ion là quan trọng cần phải tính đến. Mô hình WHAM-FTOX được ứng dụng ngoài môi trường thực địa để dự đoán thay đổi trong những loài động vật không xương sống tích lũy kim loại như Ephemeroptera, Plecoptera và Trichoptera [82]. Nhìn chung thì kết quả thí nghiệm thường nhỏ hơn kết quả dự đoán của mô hình và ít khi lớn hơn số liệu dự đoán. Vì thế có thể khẳng định rằng còn có các tác động khác tới sinh vật trong môi trường thực tế để giảm độc tính tác động của kim loại đối với sinh vật. Thực tế trong môi trường tổ hợp nhiều kim loại thì mỗi kim loại cũng sẽ bị
27
ngăn cản hoặc được ưu tiên trong quá trình cạnh tranh với môi trường khác. Trong khi đó tỉ lệ chính xác mà các kim loại này được ưu tiên hay bị chặn lại trên về mặt tiếp xúc thực sự chưa biết rõ nên đó có thể là nguyên nhân dẫn đến việc dự báo chưa chính xác với những số liệu đo đạc. Vì vậy BLM hiện nay được sử dụng nhiều hơn cho một vài kim loại ngoại trừ các quốc gia như Úc và New Zeland đang sử dụng tổng các đơn vị trên ngưỡng.