Phần 2 Tổng quan tài liệu
2.2. Các phương pháp và thiết bị để phát hiện độc tính cấp trong nguồn nước trên thế
CẤP TRONG NGUỒN NƯỚC TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM
2.2.1. Một số phương pháp phát hiện độc tính cấp sử dụng máy móc, thiết bị trong phịng thí nghiệm trong phịng thí nghiệm
Ơ nhiễm kim loại nặng và hóa chất bảo vệ thực vật trong nước có thể độc hại cho con người và động vật hoang dã và nhận được sự quan tâm đặc biệt trong nghiên cứu các hóa chất độc hại. Sự phát triển của các phương pháp phát hiện ơ nhiễm này có tầm quan trọng cao. Đa số các cơng trình nghiên cứu liên quan đến kiểm tra độc tính của kim loại nặng đều tập trung vào ảnh hưởng riêng lẻ của từng loại kim loại, so sánh chỉ số độ nhạy và tương quan kết quả từ các xét nghiệm sinh học khác nhau bằng các phương pháp truyền thống như sử dụng cá (McFetters, 1983; Coleman, 1985; Reteuna, 1989; Wang, 1991). Tuy nhiên, các sinh vật thủy sinh tồn tại trong các hệ thống nước tự nhiên thường tiếp xúc một hỗn hợp nhiều kim loại. Một số phương pháp đã được đề xuất trước đó có thể dự đốn độc tính của một hỗn hợp phức tạp các kim loại từ các kết quả xét nghiệm đơn lồi trong phịng thí nghiệm như: "phương pháp các yếu tố ứng dụng", "phương pháp phân phối chức năng" và "các mối quan hệ hoạt động cấu trúc-phương pháp QUASAR"... (OECD 1992, 1995; Aldenberg, 1993; EU, 1995; Pedersen, 1996). Tuy nhiên, phần lớn các phương pháp này, đặc biệt là phương pháp QSARs sử dụng rộng rãi cho các chất ô nhiễm hữu cơ.
Một số phương pháp phát triển trong những năm qua để phân tích nồng độ các kim loại nặng trong nước dựa trên các phương pháp quang phổ. Trong số này, phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS), plasma cảm ứng (ICP) quang phổ phát xạ nguyên tử và phương pháp khối phổ plasma cảm ứng (ICP-MS) đã có nhiều báo cáo rộng rãi về phân tích nhiều loại kim loại nặng khác nhau. Phương pháp AAS đánh giá nồng độ chất phân tích trong mẫu dựa trên sự hấp thụ bức xạ quang học của các nguyên tử. Thông lượng bức xạ của các mẫu được đo, sự hấp thụ ánh sáng tương ứng với nồng độ chất phân tích được tính qua cơng thức Beer- Lambert (Welz, 2007). Trong phép đo phổ phát xạ nguyên tử (AES) chất phân tích được tiếp xúc với một ngọn lửa và nhiệt năng kích thích các nguyên tử vào trạng thái điện tử phát ra ánh sáng khi chúng trở về trạng thái ban đầu. Bước sóng và cường độ lượng bức xạ giúp định tính và định lượng các nguyên tố trong một mẫu. Một trong những phương pháp tiên tiến, có độ nhạy cao, giới hạn phát hiện rất thấp (cỡ ppm đến ppt) và được sử dụng rất phổ biến trong phân tích mơi
trường để phát hiện và định lượng các ion kim loại là phương pháp khối phổ plasma cảm ứng (ICP-MS). Năm 2009, Cezara Voica và cộng sự đã phân tích các kim loại độc hại (Cr, As, Cd, Ni, Hg, Pb) có mặt trong rượu và một số đồ uống có cồn khác. Bên cạnh đó, cịn có thể sử dụng một cảm biến silicon để xác định ô nhiễm kim loại nặng trong nước như: cadimi, kẽm, chì, đồng và mangan (Mijares, 2013). Năm 2014, Lik Hang Yuen và Raphael M. Franzini đã nghiên cứu phương pháp phát hiện 8 loại ion kim loại: CdII, CrVI, CrIII, FeIII, HgII, MeHgII, MnII, và NiII, ở trong nước nhờ các DNA đa huỳnh quang.
Những phương pháp kể trên được ứng dụng khá phổ biến để phân tích các kim loại nặng với độ nhạy cao, giới hạn phát hiện thấp, tốn ít thời gian và có thể phân tích nhiều loại nguyên tố khác nhau. Tuy nhiên, đây là những phương pháp địi hỏi máy móc, trang thiết bị hiện đại cũng như khó có thể áp dụng ngay tại thực địa.
2.2.2. Phát hiện độc tính dựa trên cảm biến sinh học
Một số nhà khoa học trên thế giới đánh giá chất lượng nước ô nhiễm kim loại nặng dựa vào cảm biến sinh học. Các dạng cảm biến sinh học được sử dụng hiện nay để đánh giá chất lượng nước thuộc hai dạng: (i) cảm biến dựa trên hành vi của sinh vật, hoặc (ii) cảm biến sử dụng vi sinh vật (Andrew, 2005; Lei, 2006; Stein, 2012; Schalie, 2001).
2.2.2.1. Cảm biến sinh học dựa trên hành vi của sinh vật
Nghiên cứu hành vi của sinh vật cung cấp các hiểu biết liên quan đến sinh lý và sinh thái của sinh vật và mơi trường của chúng. Các đặc tính hành vi này gồm 8 chuỗi của hành động có thể xác định. Việc nghiên cứu các đặc tính này cần dựa trên những hiểu biết về hệ thống thần kinh ngoại vi, và sự tích lũy - biểu hiện của gen, các phản ứng sinh hóa, quá trình sinh lý cần thiết cho cơ thể sống, nhờ việc ăn, sinh sản, tránh xa động vật ăn thịt... Các đặc tính hành vi này cho phép các sinh vật có thể điều chỉnh các nhân tố bên trong và bên ngoài cơ thể nhằm giúp cho chúng có thể thích nghi với những biến đổi của mơi trường. Nhờ có các đặc tính hành vi này và sự ổn định của chúng mà sinh vật có thể sống sót, thích nghi, và sinh sản với môi trường sống. Năm 1985 Rand đã công bố về hành vi phản ứng với độc tố của sinh vật trong nước, và sau 20 năm đã có nhiều nghiên cứu quan tâm về số hành vi phản ứng của nhiều loài với độc tố, cũng như các cách thức chọn lựa xử lý số liệu và đánh giá chúng. Năm 1986 chính phủ
Hoa Kỳ đã chấp nhận hành vi tránh xa chất độc là bằng chứng hợp pháp của tổn thương sinh vật. Rất nhiều sinh vật được nghiên cứu về các đặc điểm biến đổi hành vi nhằm ứng dụng để đánh giá chất lượng nước như: cua, bọ nước, cá, sò… (Andrew, 2005).
Bảng 2.3. Theo dõi sự thay đổi hành vi của cá liên kết với điều kiện stress khác nhau
TT Loài Tác nhân stress Hành vi Tác giả
1 Cá hồi Đại Tây
Dương Cu và Zn Tránh xa
Sprague, 1964 2 Cá thái dương Cd, Cr, Zn Trạng thái kích động Ellgaard 1978 3 Cá vàng Cu Sự nhanh nhẹn, sự thay đổi góc bơi Kleerekoper, 1972 4 Cá hồi đốm đen
Hỗn hợp kim loại
nặng
Hành vi tránh xa Svecevicius, 2001
5 Cá hồi cầu vồng Al Hành vi tránh xa Exley, 2000
6 Cá hồi cầu vồng Cu, Ni
- Thu hút: 390 ppb (Cu), 6ppb (Ni) - Tránh xa: 4.4 ppb (Cu), 24ppb (Ni) Giattina, 1982 7 Cá vàng DDT Tăng vận tốc, số vòng Weis, 1974
2.2.2.2. Cảm biến sinh học sử dụng vi sinh vật
Một vài dạng cảm biến sinh học sử dụng vi sinh vật đã được nghiên cứu và phát triển như: các cảm biến dựa trên sự phát quang, sự phát huỳnh quang của vi sinh vật, hoặc cảm biến dựa trên sự điện hóa của vi sinh vật…(Lei, 2006). Hiện nay, trong công tác trinh sát, phát hiện các tác nhân hóa học, các nước trên thế giới đã và đang tập trung nghiên cứu thiết kế, chế tạo các phương tiện phát hiện nhanh nhưng có cấu tạo đơn giản, gọn, nhẹ, dễ bảo quản, sử dụng, cơ động thuận tiện, giá thành sản xuất thấp và có thể được trang bị đại trà. Tuy có cấu tạo đơn giản nhưng các phương tiện này phải đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật về độ chính xác của kết quả xác định, độ nhạy của phép phân tích, phát hiện. Trước đây, phương tiện phát hiện nhanh bao gồm 3 loại: ống dò độc, giấy chỉ thị và test, kít phát hiện nhanh. Gần đây, trên thế giới đã xuất hiện phương tiện phát hiện nhanh mới, có tên gọi ticket (hay cịn gọi là Pocket Sensor). Hiện quân đội khối NATO và Mỹ có 2 loại: ticket phát hiện chất độc thần kinh.
Hình 2.1. Thiết bị phát hiện chất độc Microtox
(cơ phốt pho) và ticket phát hiện chất độc loét da. Tuy nhiên, thông tin này là rất hạn chế, chỉ cho biết hình ảnh của sản phẩm và một số chỉ tiêu kỹ thuật chính nhưng khơng nêu ticket phát hiện chất độc dựa trên phản ứng nào. Nhằm phát hiện nhanh dấu hiệu ơ nhiễm qua độc tính cấp một phương pháp được sử dụng phổ biến hiện nay là phát hiện qua vi khuẩn phát quang Vibrio fischeri. Đây là phương pháp tiêu chuẩn trên tồn thế giới để phát hiện độc tính cấp cho các mẫu nước. H·ng ModernWater (Hoa Kỳ) đã sản xuất thành công bộ thuốc thử Microtox có khả năng phát hiện cả các chất độc cấp tính và các chất độc phản ứng với DNA (genotoxic). Microtox sử dụng một chủng vi khuẩn phát quang tự nhiên, Vibrio fischeri. Vibrio fischeri là một loại vi khuẩn biển, không gây bệnh và rất nhạy cảm với nhiều loại chất độc. Trong quá trình phát triển bình thường, vi khuẩn này phát ra ánh sáng do một sản phẩm phụ tạo ra bởi hơ hấp tế bào. Vì vậy, bất kỳ sự ức chế nào đối với hoạt động sống của tế bào, ảnh hưởng đến q trình hơ hấp sẽ dẫn đến sự giảm khả năng phát sáng của vi khuẩn.
Ưu điểm của phương pháp:
- Test nhạy với hơn 2,700 chất hóa học khác nhau từ đơn giản đến phức tạp. - Nhanh: có kết quả đo sau 15 phút phản ứng
- Chi phí hiệu quả một thử nghiệm độc tính ở giá trị thấp mà chỉ đòi hỏi một khối lượng nhỏ các mẫu và dễ dàng tiến hành các test, được chấp nhận trên toàn thế giới như là một phương pháp hiệu quả kiểm tra độc tính.
Ánh sáng vi khuẩn phát ra được đo bằng một thiết bị đọc ánh sáng Microtox Model 500 Analyzer khi sử dụng trong điều kiện phịng thí nghiệm.
Hình 2.2. Thiết bị phát hiện chất độc DeltaTox II
DeltaTox II là một dòng thiết bị khác của Hãng ModernWater (Hoa Kỳ) sử dụng để đo độ sáng vi khuẩn phát ra được khi sử dụng bộ thuốc thử Microtox khi sử dụng tại hiện trường như: tàu thuyền trên sông, trên biển....
Một số đặc tính của DeltaTox II:
- Có thể phát hiện được lên tới 2.700 hợp chất. - Thời gian test: 1-60 phút tiếp xúc.
- Nhiệt độ vận hành thiết bị: 0oC -40oC - Nhiệt độ sử dụng hóa chất: 10oC - 35oC
- Bảo quản thuốc thử độc tính: đơng khơ -15oC đến -25oC. Hấp thu nước 2 giờ (ở nhiệt độ môi trường)
Ngoài ra, Toxi-Screening KIT (Bỉ) cũng là một thiết bị sử dụng vi khuẩn phát quang Vibrio fischeri để phân tích chất độc trong mẫu nước (kim loại nặng, hóa chất, thuốc trừ sâu...) tại hiện trường trong thời gian dưới 1h. Bộ KIT chứa 10 ống vi sinh vật Vibrio fischeri ở dạng đơng khơ và 10 hộp chứa các ống có pha sẵn hóa chất. Mỗi ống Vibrio fischeri đủ dùng cho phân tích 2 mẫu nước. Điều kiện bảo quản vi khuẩn đông phải đảm bảo giữ ở -18oC trước sử dụng và thời gian sống của vi khuẩn từ 6 tháng đến 1 năm. Các thử nghiệm được thử nghiệm ở nhiệt độ môi trường từ 15oC đến 25oC. Kết quả nghiên cứu của Victor và tập thể 2001 cho thấy, khi được sử dụng trong điều kiện tiêu chuẩn, các xét nghiệm độc tính phát quang sinh học dựa trên những kết quả rất giống nhau. Các thiết bị trên đều sử dụng thuốc thử là Vi khuẩn huỳnh quang đông khô (Vibrio
fischeri NRRL B - 11177). Tuy nhiên, bộ thuốc thử cần bảo quản ở dạng đông khơ từ -15°C đến -25°C, đây là đặc điểm khó khăn khi sử dụng thiết bị phát hiện độc tính của nước trong điều kiện huấn luyện dã ngoại đặc biệt là dài ngày.
Hình 2.3. Toxi-Screening KIT
Pin nhiên liệu vi sinh vật (MFC) là dạng cảm biến sinh học đã được nghiên cứu như một cảm biến đo BOD trong một thời gian dài, từ khi Karube và cộng sự công bố cảm biến BOD kiểu MFC được sử dụng sản xuất khí hydro bởi Clostridium butyricum vào năm 1977 (Lei, 2006). Ngoài ra hệ thống MFC có thể sử dụng làm cảm biến phát hiện độc tố, nhờ dựa vào sự ức chế cơ chế di chuyển electron hoặc quá trình trao đổi chất của vi khuẩn bởi các thành phần độc tố có trong mơi trường. Theo Mia và cộng sự khi thử nghiệm MFC với các chất độc như: Pb, Hg, PCB, có thể dễ dàng nhận thấy sự sụt giảm dòng điện phát sinh trong MFC (Mia, 2007).