Giáo trình Độc học môi trường cơ bản

Nội dung text: Giáo trình Độc học môi trường cơ bản

1. hóa. Hậu quả của việc nhiễm độc độc chất, độc tố trong vùng nước bị ô nhiễm đã, đang và sẽ còn phải giải quyết lâu dài. Nước ô nhiễm là con đường dễ dàng nhất đưa độc chất vào các cơ thể sống và con người thông qua các mắt xích trong chuỗi thức ăn, nước uống. Vì thế, vấn đề ô nhiễm nước và ảnh hưởng của các tác nhân độc trong nước đến quần xã thủy sinh và con người cần được quan tâm nghiên cứu. 1.3.1.2. Ô nhiễm, gây độc môi trường không khí Không khí là hỗn hợp các chất có dạng khí, có thành phần thể tích hầu như không đổi. Thành phần của không khí khô là 78% N2, 20,95% O2, 0,93% Ar, 0,03% CO2, 0,002% Ne, 0,005% He. Ngoài ra, không khí còn chứa một lượng hơi nước nhất định. Nồng độä bão hòa hơi nước trong không khí phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ. Ô nhiễm không khí là sự phóng thích vào khí quyển các loại khí, bụi, hơi hay các hạt không phải là thành phần không khí khô, làm cho thành phần không khí thay đổi, gây ảnh hưởng bất lợi cho con người, sinh vật và các công trình. Không khí ô nhiễm chứa rất nhiều loại chất độc nguy hại cho sức khỏe con người và hệ sinh thái. Các chất này càng nguy hiểm hơn khi dễ dàng xâm nhập vào cơ thể qua đường hô hấp và da, hấp thụ vào máu hoặc tác động ngay lên hệ thần kinh. 1.3.1.3. Ô nhiễm, gây độc môi trường đất Ô nhiễm nước, ô nhiễm không khí có liên quan mật thiết đến ô nhiễm gây độc đất đai. Ô nhiễm đất phản ánh những phương thức canh tác phản vệ sinh và những chính sách sai lầm về quản lý, sử dụng đất đai. Ô nhiễm đất phản ánh sự liên thông giữa ô nhiễm nước, không khí dẫn đến ô nhiễm và gây độc cho đất. Ở các nước phát triển cũng như các nước đang phát triển, ô nhiễm gây độc đất còn là do: + Sử dụng quá mức trong nông nghiệp những sản phẩm hóa học như phân bón, chất điều hòa sinh trưởng, thuốc bảo vệ thực vật + Thải vào đất một lượng lớn chất thải công nghiệp, chất thải độc hại. + Do tràn dầu + Do các nguồn phóng xạ tự nhiên và nhân tạo. 14
2. 1.3.2. Nhiễm bẩn (contamination) là trường hợp các chất lạ làm thay đổi thành phần vi lượng, hóa học, sinh học của môi trường nhưng chưa làm thay đổi tính chất và chất lượng của các môi trường thành phần. Như vậy, môi trường nước khi bị ô nhiễm đã trải qua giai đoạn nhiễm bẩn, nhưng một môi trường nhiễm bẩn chưa chắc đã bị ô nhiễm. Ngoài ra cũng cần biết thêm rằng thuật ngữ Contamination chỉ thường dùng cho ô nhiễm gây độc môi trường đất và bùn đáy, không hoặc ít dùng cho môi trường không khí, nước 1.3.3. Chất độc (toxicant, poison, toxic element) Chất độc là những chất gây nên hiện tượng ngộ độc cho con người, thực vật, động vật. Các tác nhân gây ô nhiễm có mặt trong môi trường đến một nồng độä nào đó thì trở nên độc. Như vậy, từ tác nhân ô nhiễm, các tác chất này trở thành tác nhân độc, chất độc và gây độc cho sinh vật và con người. Trong môi trường thường có ba loại chất độc: Chất độc bản chất (chất độc tự nhiên): gồm các chất mà dù ở liều lượng rất nhỏ cũng gây độc cho cơ thể sinh vật. Ví dụ như H2S, Pb , Hg, Be, St, CO Chất độc không bản chất: tự thân không là chất độc nhưng có lúc nó cũng có thể gây nên các hiệu ứng độc khi vào môi trường. Chất độc theo liều lượng: là những chất ở mức độ bình thường (hay mức độ nền) chưa biểu hiện tính độc; nó chỉ có tính độc khi hàm lượng tăng cao trong môi trường tự nhiên. Thậm chí một số chất khi ở hàm lượng thấp là chất dinh dưỡng cần thiết cho sinh vật và con người (Microelement hay Microfertilize), nhưng khi nồng độä tăng cao, vượt quá một ngưỡng an toàn nhất định đối với một sinh vật nhất định thì + chúng trở nên độc. Ví dụ, trong môi trường đất, NH 4 trong dung dịch đất là chất dinh dưỡng của thực vật và sinh vật khi ở nồng độä thấp; nhưng khi vượt quá tỷ lệ 1/500 về trọng lượng nó sẽ gây độc. Tương tự, Zn là nguyên tố vi lượng cần thiết để nâng cao chất lượng sản phẩm nông nghiệp nhưng khi vượt quá 0,78% đã gây độc; hay Fe2+ vượt quá nồng độä 500ppm là gây chết lúa, vượt quá 0,3 ppm trong nước là ảnh đến sức khỏe của con người. 15
3. 1.4. CÁC NGUYÊN LÝ VỀ ĐỘC HỌC MÔI TRƯỜNG 1.4.1. Tính độc Tính độc của một chất độc phụ thuộc vào các yếu tố sau: ♦ Đặc tính của chất đó đối với sinh vật nhất định Ví dụ : Pb, Hg, CuSO4, gây độc với sinh vật. Hg vô cơ ít độc hơn so với Hg hữu cơ. Chất hữu cơ chứa Cl có độc tính càng cao khi số nguyên tử Cl trong phân tử chất đó càng nhiều: CH3Cl < CH2Cl2 < CHCl3 < CCl4. Hợp chất amine, nitro của benzene càng độc khi gốc NH2 và NO2 càng nhiều trong phân tử. ♦ Các chất dễ tan trong nước thường dễ gây độc hơn ♦ Nồng độä (hay liều lượng) của chất độc: Nồng độ và liều lượng càng tăng tính độc càng tăng. ♦ Tác động tổng hợp của nhiều chất: nếu nhiều chất độc cùng tác dụng đồng thời thì mức độ nguy hiểm càng tăng. Trong trường hợp này, nồng độä các chất phải nhỏ hơn nồng độä cho phép của từng chất. Cách tính nồng độä cho phép: C C C 1 + 2 + 3 + < 1 T1 T2 T3 trong đó: C1, C2, C3 là nồng độä từng chất trong môi trường T1, T2, T3 là nồng độä tối đa tương ứng khi tác động riêng rẽ. ♦ Thời gian tiếp xúc với chất độc càng lâu càng nguy hiểm. ♦ Nhiệt độ môi trường: thông thường nhiệt độ càng cao, khả năng gây độc càng lớn nhưng có một vài trường hợp thì ngược lại. Cũng có những chất độc, khi nhiệt độ quá cao sẽ dễ bị biến tính hoặc phân huỷ; do đó, tính độc giảm. 1.4.2. Ngưỡng độc Ngưỡng độc là liều lượng chất độc thấp nhất gây ra ngộ độc, thường tính theo đơn vị: mg/kg trọng lượng cơ thể. Ngưỡng độc khác nhau ở các loài sinh vật khác nhau; và ở những môi trường khác nhau, ngưỡng độc cũng khác nhau. Cùng một chất độc nhưng ngưỡng độc của người khác của thực vật, động vật và vi sinh vật. 16
4. Trị số ngưỡng thứ hạng (threshold limit value - TLV): đối với một hóa chất, TLV là nồng độä của hóa chất (tính theo ppm) không tạo ra những ảnh hưởng xấu cho sinh vật trong một khoảng thời gian nào đó. TLV thông dụng nhất - thường áp dụng cho nông dân - là nồng độä của hóa chất mà nông dân phải chịu đựng trong 8 giờ mỗi ngày và trong 5 ngày liên tiếp. Đôi khi phải áp dụng những trị số TLV ngắn hạn cho nông dân vì công việc phải đi vào vùng xử lý thuốc. 1.4.3. Tính bền vững của độc chất trong môi trường Nhiều chất hóa học có thời gian bán phân hủy (half life) rất dài hay rất khó bị oxy hóa hoặc khó bị phân hủy sinh học; do đó, chúng rất bền trong tự nhiên. Ví dụ, dioxin có thời gian bán hủy từ 10 -12 năm. Chúng được thải ra môi trường trở thành chất thải độc hại có đời sống rất lâu dài và gây nguy hiểm cho hệ sinh thái. Chúng có thể được hấp thụ vào các cơ quan của thực vật, động vật rất lâu mà không bị phân rã hay đào thải. Theo thời gian, chúng có thể được tích lũy ngày càng nhiều qua mỗi bậc dinh dưỡng trong tháp dinh dưỡng, trước khi xâm nhập vào cơ thể con người. Nồng độä tích lũy này khi vượt quá ngưỡng độc giới hạn sẽ gây những bệnh nguy hiểm hoặc làm thay đổi cấu trúc tế bào, đột biến gen gây ung thư làm suy thoái các thế hệ sau. Ví dụ, sự kiện nhiễm độc methyl thủy ngân ở vịnh Minamata, Nhật Bản (1932 - 1971) không chỉ đối với cá mà cả hệ sinh thái trong nước và trầm tích đáy vịnh, là một điển hình cho sự tồn tại bền vững của độc chất trong tự nhiên. Hậu quả là ngư dân trong vùng sau nhiều năm ăn cá bị nhiễm độc, đã phát sinh những căn bệnh lạ mà chỉ có ở Minamata. Ngày nay, sau nhiều cố gắng nạo vét trầm tích methyl thủy ngân và cải tạo môi trường, người ta ước tính dư lượng còn lại của thủy ngân trong bùn đáy vịnh phải đến năm 2011 mới phân hủy hết. 1.5. MỘT VÀI LOẠI ĐỘC CHẤT ĐIỂN HÌNH (Sẽ trình bày kỹ hơn ở các chương sau) 1.5.1. Chất thải từ công nghiệp dược phẩm Công nghiệp dược phẩm tạo ra một khối lượng lớn các chất thải hóa học. Thành phần của các chất này liên quan đến bí mật của sản phẩm hay độc quyền sáng chế, do đó khó công khai hoàn toàn. Các chất 17
5. hóa học này có thể là chất ức chế sinh học hay chất độc đối với qui trình xử lý và sẽ gây nhiều vấn đề cho môi trường sống khi thải ra ngoài. 1.5.2. Thuốc trừ sâu hữu cơ Trên thị trường một số loại thuốc bảo vệ thực vật đã được sử dụng như DDT, lindane, chlordane, dieldrin, aldrin và heptachlor. Về mặt công dụng, chúng được xem là có tác dụng diệt tuyệt đối nhiều loại côn trùng khác nhau. Nhưng khi các loại trên được dùng dưới dạng dung dịch, chúng có khả năng dính chặt vào các hạt keo đất, khó bị rửa trôi theo dòng nước và khó bị phân hủy sinh học hay hóa học trong môi trường tự nhiên. Thời gian bán hủy của chúng tương đối dài (1-10 năm). Do không tan trong nước nên chúng có thể được tích lũy trong các mô mỡ và chuyển từ động vật sang con người qua thức ăn hoặc qua nước uống không khí ô nhiễm. Hiện nay một số hóa chất bảo vệ thực vật đã bị cấm như DDT nhưng một số nơi vẫn còn dùng và tồn dư trong đất vẫn còn cao (Lê Huy Bá, 2004). 1.5.3. Hợp chất phenol Hợp chất phenol xuất phát từ gốc benzene gồm: polyphenol, chlorophenol, phenoxy acid. Phenol không màu, tinh thể trắng có thể chuyển sang đỏ khi bị phơi ra ánh nắng, tan tương đối nhiều trong nước. Phenol là phụ phẩm của công nghiệp hóa dầu, từ mỏ than, luyện cốc hoặc có thể phân tích từ nhựa đường, điều chế từ tổng hợp hữu cơ Phenol là nguyên liệu thô của nhiều ngành công nghiệp. Một ví dụ điển hình gần đây là việc 21 công nhân đã bị bỏng da, phải đi cấp cứu, nhập viện và để lại thương tật do tiếp xúc với phenol trong khi nạo vét kênh có nước đã bị nhiễm phenol từ phế thải vỏ hạt điều ở Bình Chánh, Thành phố Hồ Chí Minh (1999). 1.5.4. Các hợp chất PCB (polychloro biphenyl) Giống như thuốc trừ sâu hữu cơ, PCB là hợp chất rất bền vững trong tự nhiên. Một phương pháp thường dùng để phá hủy cấu trúc của PCB là nung ở 1200oC trong 2 phút. Con đường thông thường nhất để PCB xâm nhập vào cơ thể người là qua thực vật, thủy sản, khí quyển (hạt bay hơi). Chúng có thể tồn lưu trong mô mỡ của các sinh vật sống. 1.5.5. Chất thải có gốc halogen Xuất phát từ quá trình giặt tẩy, làm sạch kim loại, dệt nhuộm hay thuộc da. Gốc halogen có thể kết hợp với các chất thải trong nước thải để 18
6. tạo thành các hợp chất rất nguy hiểm, độc hại, linh động trong nước và tồn tại lâu bền trong tự nhiên. 1.5.6. Chất độc cyanur Từ hóa chất đãi vàng, tuyển quặng, xử lý hơi nóng trong luyện thép và một số chất thải công nghiệp. 1.5.7. Chất độc phóng xạ Có hai nguồn chất thải phóng xạ mà phổ biến nhất là từ nhà máy năng lượng hạt nhân: mỏ quặng uranium; chất thải bệnh viện. Có ba loại tia phóng xạ ảnh hưởng lên con người là alpha, beta, và gamma. Mức độ gây hại tùy thuộc loại tia. Chất phóng xạ sẽ gây ra tình trạng thiếu máu, suy nhược cơ thể, mệt mỏi, rụng tóc, đục thủy tinh thể, nổi ban đỏ ở da, ung thư hoặc gây những đột biến trong quá trình hình thành tế bào, biến đổi gen, làm ảnh hưởng đến cả một thế hệ tương lai. 1.5.8. Các chất độc kim loại nặng Kim loại nặng có trong bùn cống rãnh, kênh rạch đô thị, nước thải công nghiệp nhất là luyện kim, xi mạ qua con đường thực phẩm, tích luỹ trong cơ thể sinh vật, gây ảnh hưởng lâu dài lên cơ thể sinh vật và con người, gây ung thư. 1.6. CÁC YẾU TỐ LÀM ẢNH HƯỞNG ĐẾN TÍNH ĐỘC CỦA ĐỘC CHẤT, ĐỘC TỐ Tiên liệu những ảnh hưởng có hại của chất độc đối với con người và các quần thể sinh vật trong hệ sinh thái là một việc không dễ. Tuổi tác, giới tính, sức khỏe và nhiều yếu tố môi trường khác góp phần vào kết quả cuối cùng. 1.6.1. Liều lượng và thời gian tiếp xúc với hóa chất độc: nói chung, khi liều lượng tiếp xúc càng cao và thời gian tiếp xúc càng lâu thì tính độc có tác hại càng lớn. Sự hiện diện cùng một lúc nhiều loại hóa chất trong cơ thể sống hoặc trong môi trường tại cùng một thời điểm tiếp xúc cũng là một yếu tố tác động đến tính độc của các chất. Để chứng tỏ tác động này, các nhà độc chất học thường tiến hành các thử nghiệm để xác định LD50 (liều gây chết 50% con vật thí nghiệm) 19
7. của mỗi loại độc chất, LD50 đánh giá tính độc tương đối của một chất. Ví dụ, một chất có LD50 là 200mg/kg b.w (body weight) sẽ có tính độc bằng một nửa của hóa chất có LD50 là 100mg/kg b.w. 1.6.2. Các yếu tố sinh học Tuổi tác: Những cơ thể trẻ con, đang phát triển qua thời kỳ non yếu sẽ bị tác động của chất độc mạnh hơn những cơ thể người lớn. Ví dụ, trẻ em bị nhiễm độc chì và thủy ngân dễ dàng và nghiêm trọng hơn người lớn vì hệ thần kinh của chúng chưa hoàn chỉnh rất nhạy cảm với chất độc; con vật thí nghiệm nhỏ bị ngộ độc của SOx và NOx trong không khí ô nhiễm nặng hơn con vật lớn. Tình trạng sức khỏe: dinh dưỡng kém, căng thẳng thần kinh, ăn uống không điều độ, bệnh tim, phổi và hút thuốc lá góp phần làm suy yếu sức khỏe và làm con người dễ bị nhiễm độc hơn. Yếu tố di truyền cũng có thể quyết định sự phản ứng của cơ thể đối với một số chất độc. Yếu tố gen di truyền: cũng có tác dụng nhất định đến mức độ tác hại và khả năng ảnh hưởng lâu dài qua vài thế hệ của độc chất. Một số gen nhất định sẽ dễ bị tác động của một số độc chất nhất định. 1.6.3. Các nhân tố môi trường ảnh hưởng đến hoạt tính của độc chất Các nhân tố ô nhiễm lan truyền trong các môi trường thành phần (môi trường nước, không khí, đất) có thể gia tăng tính độc và cũng có thể kết tủa, giảm tính độc. Các tác nhân ô nhiễm chịu ảnh hưởng mạnh của các yếu tố của môi trường thành phần mà các đối tượng sinh vật và hệ sinh thái nằm trong môi trường đó. Có thể kể một số tác nhân ảnh hưởng như sau : pH môi trường: tính kiềm, acid hay trung tính của môi trường là yếu tố đầu tiên ảnh hưởng đến tính tan, độ pha loãng và hoạt tính của tác chất gây độc. Một tác nhân ô nhiễm tồn tại ở trạng thái hòa tan thường có độc tính cao hơn đối với thủy sinh. Ví dụ: ở pH acid, kẽm (Zn) có độc tính cao hơn vì tồn tại ở hình thái 2+ + Zn và ZnHCO3 (hòa tan); trong khi đó ở pH kiềm, kẽm có độc tính thấp do tồn tại ở trạng thái Zn(OH)2 (kết tủa). EC (độ dẫn điện): có ảnh hưởng nhất là với các chất độc có tính điện giải. 20
8. Các chất cặn trong môi trường nước, không khí, đất, gây kết dính hay sa lắng độc chất. Ví dụ, trong vùng đất chua phèn, nếu có các hạt keo sét lơ lửng, độc chất Al3+ là độc chất điển hình trong hệ sinh thái đất phèn, sẽ liên kết với các hạt mang điện âm này và sẽ trầm lắng xuống, làm giảm độc tính của Al3+ trong dung dịch. Nhiệt độ: ảnh hưởng đến khả năng hòa tan, làm gia tăng tốc độ phản ứng, tăng hoạt tính của các chất ô nhiễm. Ví dụ, khi nhiệt độ cao, HgCl2 sẽ tác dụng nhanh gấp 2 -3 lần so với nhiệt độ thấp. Thuốc trừ sâu DDT và một số loại thuốc diệt rầy thường tăng độc tính khi nhiệt độ từ 100C lên 300C. Diện tích mặt thoáng: ảnh hưởng trực tiếp đến sự phân bố nồng độä và liều lượng, phân hủy chất ô nhiễm, đặc biệt là chất hữu cơ không bền vững. Dòng nước có bề mặt lớn, dòng chảy mạnh, lưu lượng lớn có khả năng tự làm sạch cao, giảm độc tính. Các chất đối kháng hoặc chất xúc tác: nếu trong môi trường tồn tại chất xúc tác thì hoạt tính của chất ô nhiễm sẽ tăng cao nhiều lần. Ngược lại, khi có chất đối kháng thì độc tính sẽ giảm hoặc triệt tiêu. Các yếu tố về khí tượng, thuỷ văn như độ ẩm, tốc độ gió, ánh sáng, sự lan truyền sóng, dòng chảy, độ mặn cũng gây tác động khá lớn đến hoạt tính của độc chất, nhất là tác động đến khả năng lan truyền độc chất trong môi trường. Khả năng tự làm sạch của môi trường: Mỗi một hệ môi trường sinh thái đều có khả năng tự làm sạch của nó. Khả năng này càng lớn thì tính chịu độc và giải độc (detoxification) càng cao. 1.7. DIỄN BIẾN VÀ CON ĐƯỜNG ĐI CỦA ĐỘC CHẤT Chất độc phát sinh từ nhiều nguồn (tự nhiên và nhân tạo) và xâm nhập vào cơ thể bằng nhiều cách, sau một thời gian tích lũy sẽ tăng tính hoạt động hoặc phân hủy, làm giảm độc tính và đào thải khỏi cơ thể. Sau đây là trình tự các bước trên đường đi của độc chất khi tác dụng lên con người. 1.7.1. Nguồn phát sinh A. Nguồn thiên nhiên a) Từ hoạt động của núi lửa: núi lửa phun nham thạch nóng, giàu sulfur, methane và các chất khí khác cùng với tro và khói bụi gây ô 21
9. nhiễm không khí, sau đó là gây độc trên một khu vực rộng lớn, không chỉ của một quốc gia mà ảnh hưởng đến nhiều quốc gia lân cận. b) Cháy rừng (cũng có thể do nhân tạo): lan truyền nhanh và rộng; thải nhiều tàn tro, khói, bụi gây độc tàn phá nghiêm trọng hệ sinh thái khu vực. Cháy rừng tràm U Minh là một ví dụ. c) Phân giải yếm khí các hợp chất phân tích hữu cơ tự nhiên ở vùng đầm lầy, sông rạch, ao, hồ: sinh ra nhiều chất ô nhiễm, chất độc (như CH4, H2S, vi trùng, vi khuẩn yếm khí ) cho môi trường nước, đất, không khí trong và sau quá trình phân giải. B. Nguồn nhân tạo Rất đa dạng, do quá trình phát triển sản xuất, do nhu cầu xã hội tăng nhanh để thỏa mãn nhu cầu của con người. Các hoạt động có thải ra các chất độc cho môi trường sinh thái bao gồm: a) Công nghiệp Ngành nhiệt điện: thải ra bụi, khói và hơi nóng, các khí độc hại, sản phẩm của hoạt động đốt nhiên liệu hóa thạch (như SOx, CO, CO2, N2O, NO2). Ngành vật liệu xây dựng: bụi, khí SO2, CO, CO2, N2O, NO2) Ngành hóa chất, phân bón: khói thải lẫn bụi hóa chất, có tính ăn mòn, nước thải acid (hoặc kiềm), trong nước thải lẫn nhiều chất lơ lửng và dư lượng nhiều loại hóa chất gây hại cho hệ sinh thái như toluene, các dẫn xuất gây ung thư Khai thác và chế biến dầu mỏ: sinh ra dầu rò rỉ, cặn dầu, chất thải rắn của sản xuất Ta biết rằng, dầu mỏ và sản phẩm chưng cất dầu đều gây độc cho sinh vật và hệ sinh thái. Ngành dệt nhuộm, giấy, nhựa, chất tẩy rửa: thải ra nhiều khói bụi, khí độc, nước thải độc hại, chất thải rắn độc hại. Ngành luyện kim, cơ khí: bụi, các khí giàu SOx, NOx, CO, CO2, các kim loại nặng. Ngành chế biến thực phẩm: chủ yếu nước thải ra có hàm lượng chất hữu cơ cao, tạo nên các độc tố trong môi trường. Ngành giao thông vận tải: chất thải do khói xăng, dầu mỡ, bụi chì, bụi đất, tai nạn, nhất là tai nạn tràn dầu 22