Bài giảng 2: Độc học môi trường

Nội dung: • Liều lƣợng – đáp ứng; • Đƣờng cong Liều lƣợng – Đáp ứng; • LC50, EC50 • NOEC, LOEC, MATC, AF • Thời gian – nồng độ • Ngƣỡng LC50 BÀI GIẢNG 2: ĐỘC HỌC MÔI TRƢỜNG ThS. Phan Thị Mỹ Hạnh THÍ NGHIỆM ĐỘC HỌC (TOXICITY TEST)  Đƣợc dùng để đánh giá nồng độ hóa chất và thời gian phơi nhiễm đủ để gây ra ảnh hƣởng/phản hồi.  Kết quả thí nghiệm là đồ thị biểu diễn tƣơng quan liều lƣợng/nồng độ – đáp ứng.  Mục tiêu: ƣớc lƣợng chính xác đến mức có thể khoảng nồng độ gây ra những phản hồi có tính định lƣợng, quan sát đƣợc của 1 nhóm sinh vật thí nghiệm trong điều kiện phòng thí nghiệm. LIỀU LƢỢNG/NỒNG ĐỘ - ĐÁP ỨNG DOSE/CONCENTRATION - RESPONSE  Liều lƣợng/nồng độ: là đại lƣợng biểu diễn độ lớn sự xuất hiện các tác nhân hóa lý hay sinh học. Khối lƣợng/thể tích Trọng lƣợng cơ thể hay diện tích bề mặt cơ thể Đơn vị: • mg/kg/d, ml/kg (trọng lƣợng cơ thể); • mg/L (dung dịch), mg/kg (thức ăn), mg/m3 (không khí); • ppm, ppb  Đáp ứng/phản hồi (Response): là những phản ứng của SV đối với các tác nhân kích thích. Khi tác nhân kích thích là hóa chất (tác nhân gây độc), đáp ứng có tƣơng quan với liều lƣợng/nồng độ.  Phản hồi có thể là bất kì ảnh hƣởng nào đƣợc ghi nhận (kích thích) có thể là bị bất động hay tử vong. LIỀU LƢỢNG/NỒNG ĐỘ - ĐÁP ỨNG ĐỒ THỊ LIỀU LƢỢNG – ĐÁP ỨNG ĐỘ DỐC & NGƢỠNG ĐỘC  Độ dốc (slope): là 1 chỉ số biểu thị độ nhạy của SV thí nghiệm. Độ dốc càng lớn thì độ nhạy càng cao.  Ngƣỡng độc (threshold): liều lƣợng chất độc thấp nhất gây ra ngộ độc.  Ngƣỡng độc khác nhau ở các loài SV khác nhau và ở những môi trƣờng khác nhau. Ví dụ: cùng 1 chất độc nhƣng ngƣỡng độc của ngƣời khác động vật, thực vật, và vi sinh vật. THÍ NGHIỆM ĐỘC HỌC – THỦY SINH VẬT  Cho SV thí nghiệm tiếp xúc không trực tiếp với hóa chất bằng cách pha hóa chất đó vào môi trƣờng nƣớc nơi SV sinh sống. Nồng độ thí nghiệm (mg/L, g/L)  SV đƣợc cho tiếp xúc với các giá trị nồng độ khác nhau  pha loãng. Thí nghiệm độc cấp tính (acute toxicity test) Thí nghiệm độc mãn tính (chronic toxicity test) TIÊU CHUẨN CHỌN LỰA ĐÁP ỨNG/PHẢN HỒI  Rõ ràng  Dễ quan sát  Ý nghĩa sinh học  Đo đếm đƣợc Theo truyền thống, đáp ứng/phản hồi đƣợc lựa chọn cho các bƣớc đo đạc đầu tiên trong các thí nghiệm độc học là số lƣợng “tử vong”. Bất động; sinh sản; tăng trƣởng; khối lƣợng; số lƣợng loài; … SV THÍ NGHIỆM (SV THỦY SINH) Daphnia magna Tảo Desmodesmus subspicatus cá giác đầu to Pimephales promelas SV THÍ NGHIỆM THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM LC50 LC50 = 100 mg/L  LC50 (median lethal concentration): nồng độ trung bình gây chết 50% động vật thí nghiệm trong 1 khoảng thời gian xác định. Đơn vị thƣờng là mg/l thể tích dung dịch hóa chất.  Khi phản hồi # tử vong  EC50 (median effective concentration): nồng độ trung bình gây ảnh hƣởng (hành vi, chức năng sinh lý) 50% động vật thí nghiệm trong 1 khoảng thời gian xác định. ĐỘC CẤP TÍNH (SHORT-TERM TOXICITY TEST)  Thí nghiệm độc cấp tính nhằm đánh giá độ độc của hóa chất lên sinh vật thí nghiệm (SV thủy sinh) trong khoảng thời gian phơi nhiễm ngắn đối với nhiều giá trị nồng độ khác nhau.  Thời gian:  24h hoặc 96h LC50;  48h hoặc 96h EC50.  Phản hồi:  Cá: tử vong;  ĐV không xƣơng sống: bất động;  Tảo: tăng trƣởng. ĐỘC MÃN TÍNH (LONG-TERM TOXICITY TEST)  1 chất không gây độc cấp tính không có nghĩa là không có khả năng gây độc.  Thí nghiệm độc mãn tính nhằm đánh giá tác động có hại của 1 hóa chất trong khoảng thời gian phơi nhiễm dài với nhiều giá trị nồng độ khác nhau.  Thời gian: toàn bộ vòng đời, khác nhau tùy theo từng loài SV thí nghiệm.  Trứng/hợp tử phôi thai nở phát triển trƣởng thành sinh sản  Cá: trứng đƣợc thụ tinh trƣởng thành sinh sản trứng trứng chín  đẻ thành công trứng nở thành công ấu trùng/cá con  trƣởng thành các giai đoạn khác của cuộc đời.  21 ngày: bọ nƣớc Daphnia magna; 275 - 300 ngày: cá giác đầu to Pimephales promelas.  Phản hồi:  Tử vong (ít dùng);  Tăng trƣởng;  Sinh sản;  Dị dạng; …  Đại lƣợng đặc trƣng:  NOEC (No Observed Effect Concentration): nồng độ không quan sát thấy hiệu ứng, là nồng độ hóa chất cao nhất mà ở đó không quan sát đƣợc 1 tác động có hại nào đối với SV thí nghiệm.  LOEC (Lowest Observed Effect Concentration): nồng độ thấp nhất gây ra hiệu ứng quan sát được, là nồng độ hóa chất thấp nhất gây ra tác động có hại đối với SV thí nghiệm. ĐỘC MÃN TÍNH NOEC: nồng độ cao nhất không quan sát thấy hiệu ứng LOEC: nồng độ thấp nhất gây hiệu ứng quan sát đƣợc ĐỘC MÃN TÍNH MỐI LIÊN HỆ ĐỘC CẤP TÍNH & ĐỘC MÃN TÍNH  MATC (Maximum Acceptable Toxicant Concentration - Nồng độ cao nhất chấp nhận đƣợc): là nồng độ ngƣỡng độc của 1 hóa chất đƣợc ƣớc tính trong khoảng NOEC và LOEC.  NOEC < MATC < LOEC  MATC có thể đƣợc tính bằng trung bình cộng của NOEC và LOEC.  AF (Application Factor – Yếu tố áp dụng): là 1 yếu tố dùng dự đoán nồng độ độc mãn tính (hay nồng độ an toàn) của 1 hóa chất từ thí nghiệm độc cấp tính.  Ví dụ: 0.5 < MATC < 1.0 (mg/L); LC50 = 10 mg/L  AF (APPLICATION FACTOR)  AF đƣợc dùng để ƣớc lƣợng MATC của 1 loài SV thủy sinh mà các thí nghiệm độc mãn tính khó thực hiện đƣợc.  Giả thuyết: AF của 1 loại hóa chất khá ổn định với 1 số loài SV thí nghiệm. Giả sử yêu cầu ƣớc lƣợng MATC của 1 hóa chất đối với loài 2 khi biết AF của hóa chất đó trên loài 1 và LC50 loài 2. MATC2 = AF1 x LC502 ĐỘC CẤP TÍNH & ĐỘC MÃN TÍNH Độc cấp tính Độc mãn tính Tiêu chuẩn thí nghiệm Phần lớn là “tử vong” Tác động # “tử vong”: tăng trưởng, sinh sản, … Thời gian Thường hơn 4 ngày (2 – 7 ngày) Hơn 7 ngày (~ vòng đời) Đại lượng đặc trưng LC50 hoặc EC50 ECx NOEC và LOEC Tiêu chuẩn hóa Cao; có nhiều nghi thức Ít; chỉ có vài nghi thức Nghi thức OECD, US EPA, ASTM và ISO OECD, US EPA, ASTM và ISO Log(C) • Độ dốc • Độ tin cậy So sánh tƣơng quan phần trăm tử vong & nồng độ hóa chất của 2 hóa chất X và Z. • có độ dốc khác nhau. • có cùng giá trị LC50. HÓA CHẤT NÀO ĐỘC HƠN? THỜI GIAN PHƠI NHIỄM  Thí nghiệm độc học: Đƣợc dùng để đánh giá nồng độ hóa chất và thời gian phơi nhiễm đủ để gây ra ảnh hƣởng/phản hồi.  Trong thí nghiệm độc cấp tính, SV thí nghiệm đƣợc cho phơi nhiễm trong các khoảng thời gian khác nhau cho từng nồng độ phơi nhiễm.  Ví dụ: trong thí nghiệm độc cấp tính: 24h, 48h,72h, 96h hoặc ít hơn.  Đại lƣợng đặc trƣng:  LT50 (Median Lethal Time): thời gian trung bình gây chết 50% động vật thí nghiệm với 1 nồng độ phơi nhiễm xác định.  ET50 (Median Effective Time): thời gian trung bình gây ảnh hƣởng 50% động vật thí nghiệm với 1 nồng độ phơi nhiễm xác định. Ngƣỡng LC50 hay LC50 tiệm cận (threshold/incipient LC50) (ngƣỡng độc không phụ thuộc thời gian phơi nhiễm) NGƢỠNG LC50 (THRESHOLD LC50)  Là nồng độ mà tại đó 50% sinh vật thí nghiệm có thể tồn tại trong 1 khoảng thời gian không xác định (vô cùng). Hoặc:  Là nồng độ gây chết 50% sinh vật thí nghiệm với thời gian phơi nhiễm dài.  Là đại lƣợng quan trọng để so sánh độc tính của 2 hóa chất khác nhau. HÓA CHẤT NÀO ĐỘC HƠN? So sánh 2 hóa chất A và B • Tại thời điểm X; • Tại ngƣỡng LC50. THÍ NGHIỆM ĐỘC SINH THÁI (ECOTOXICOLOGY TEST)  Đánh giá nồng độ hóa chất và thời gian phơi nhiễm đủ để gây ra ảnh hƣởng/phản hồi lên cá, thực vật, và các SV hoang dã.  Phƣơng pháp:  TN Đơn loài (phòng TN):  TN Đa loài (phòng TN/thực địa)  Ngoài tự nhiên Các bậc dinh dƣỡng khác nhau Cấp tính Mãn tính Daphnia magna Tảo Desmodesmus subspicatus cá giác đầu to Pimephales promelas  Phƣơng pháp:  SV Thí nghiệm:  Sử dụng đa dạng loài vì độ nhạy của từng loài là khác nhau;  SV phải có sẵn và dồi dào;  SV phải đại diện cho mục đích nghiên cứu;  SV phải quan trọng về giải trí, thƣơng mại và sinh thái;  SV có thể tuân theo lịch trình bảo trì trong phòng TN;  Những thông tin về SV nên đƣợc biết đến. THÍ NGHIỆM ĐỘC SINH THÁI (ECOTOXICOLOGY TEST) Đơn giản; TN cấp tính Đơn loài Phức tạp; TN mãn tính Đơn loài & Đa loài THÍ NGHIỆM ĐA LOÀI TÓM TẮT  Để đánh giá tính độc của 1 hóa chất, cần xem xét yếu tố LC50 và LT50 (nồng độ và thời gian phơi nhiễm).  Ví dụ:  24h-LC50: nồng độ chất độc gây chết 50% SV thí nghiệm phơi nhiễm trong 24 giờ.  24h-LCx: nồng độ chất độc gây chết x% SV thí nghiệm phơi nhiễm trong 24 giờ.  24h-EC50: nồng độ chất độc gây ảnh hƣởng 50% SV thí nghiệm phơi nhiễm trong 24 giờ.  Ví dụ: thí nghiệm độc sinh thái  72h-EC50 thí nghiệm với tảo  48h-LC50 thí nghiệm với Daphnia  96h-LC50 thí nghiệm với cá TÍNH ĐỘC  Nồng độ hóa chất;  Thời gian tiếp xúc, phơi nhiễm;  Đặc tính sinh học của SV (loài, cá thể: độ tuổi, sức khỏe, …);  Đặc tính của chất độc. Ví dụ: Hg vô cơ ít độc hơn Hg hữu cơ. CÁC ĐỊNH NGHĨA  LC50 (median lethal concentration): nồng độ trung bình gây chết 50% động vật thí nghiệm trong 1 khoảng thời gian xác định. Đơn vị thƣờng là mg/l thể tích dung dịch hóa chất.  LD50 (median lethal dose): liều lƣợng trung bình gây chết 50% động vật thí nghiệm. Đơn vị thƣờng là mg/kg động vật thí nghiệm.  EC50 (median effective concentration): nồng độ trung bình gây ảnh hƣởng (hành vi, chức năng sinh lý) 50% động vật thí nghiệm trong 1 khoảng thời gian xác định.  ED50 (median effective dose): liều lƣợng trung bình gây ảnh hƣởng (hành vi, chức năng sinh lý) 50% động vật thí nghiệm.  LT50 (Median Lethal Time): thời gian trung bình gây chết 50% động vật thí nghiệm với nồng độ phơi nhiễm xác định.  ET50 (Median Effective Time): thời gian trung bình gây ảnh hƣởng 50% động vật thí nghiệm với nồng độ phơi nhiễm xác định.  NOEC (No Observed Effect Concentration): nồng độ không quan sát thấy hiệu ứng, là nồng độ hóa chất cao nhất mà ở đó không quan sát đƣợc 1 tác động có hại nào đối với SV thí nghiệm.  LOEC (Lowest Observed Effect Concentration): nồng độ thấp nhất gây ra hiệu ứng quan sát đƣợc, là nồng độ hóa chất thấp nhất gây ra tác động có hại đối với SV thí nghiệm. CÁC ĐỊNH NGHĨA  LT50 (Median Lethal Time): thời gian trung bình gây chết 50% động vật thí nghiệm với 1 nồng độ phơi nhiễm xác định.  ET50 (Median Effective Time): thời gian trung bình gây ảnh hƣởng 50% động vật thí nghiệm với 1 nồng độ phơi nhiễm xác định.  MATC (Maximum Acceptable Toxicant Concentration - Nồng độ cao nhất chấp nhận đƣợc): là nồng độ ngƣỡng độc của 1 hóa chất đƣợc ƣớc tính trong khoảng NOEC và LOEC.  Ngƣỡng LC50.  AF (Application Factor). CÁC ĐỊNH NGHĨA BÀI GIẢNG 3: ĐỘC HỌC MÔI TRƢỜNG ThS. Phan Thị Mỹ Hạnh Nội dung: • Phân hủy sinh học • Chuyển hóa sinh học • Tích lũy sinh học • Phóng đại sinh học Nguồn thải Vận chuyển Chuyển hóa / Tích lũy CÁC QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA  Các chất độc hại khi thải vào môi trƣờng sẽ trải qua các quá trình chuyển hóa thay đổi cấu trúc hóa học của nó.  Chuyển hóa hay phân hủy 1 hóa chất là sự biến mất của các chất ban đầu khỏi môi trƣờng bởi sự thay đổi cấu trúc hóa học của chất đó.  Quá trình chuyển hóa gồm:  Quá trình sinh học (biotic process):  Quá trình phi sinh học (abiotic process)  Thủy phân: phản ứng trực tiếp với nƣớc;  Oxy hóa: quá trình vận chuyển electron từ hóa chất sang chất oxi hóa (chất nhận e);  Khử: ngƣợc lại của quá trình oxi hóa, electron đƣợc vận chuyển từ chất khử sang chất bị khử;  Quang hóa: do tƣơng tác với ánh sáng mặt trời. Vi sinh vật Chuyển hóa SH (Biotransformation) Phân hủy SH (Bio-degradation) hay Khoáng hóa (Mineralization) T H Ủ Y P H Â N Q U Á T R ÌN H P H I S IN H H Ọ C  Quá trình oxi hóa?  Ví dụ: 1 số chất oxi hóa tồn tại trong môi trƣờng có khả năng phản ứng tức thì với chất hữu cơ:  Gốc alkoxy (ROo);  Gốc peroxy (RO2o);  Gốc hydroxyl (HOo);  Ozone (O3).  Hầu hết các chất oxi hóa này là sản phẩm từ tƣơng tác giữa hóa chất và bức xạ mặt trời trở thành phân tử năng động.  Thời gian bán hủy của sự oxi hóa các chất ở tầng đối lƣu:  Alkane: 1 – 10 ngày;  Rƣợu: 1 – 3 ngày;  Vòng thơm: 1 – 10 ngày;  Halometan: 100 – 47.000 ngày. QUÁ TRÌNH PHI SINH HỌC OXI HÓA QUÁ TRÌNH PHI SINH HỌC KHỬ  Các hợp chất có thể bị phân hủy khi tƣơng tác với ánh sáng măt trời.  Quá trình quang hóa: QUÁ TRÌNH PHI SINH HỌC QUANG HÓA Bức xạ măt trời (ánh sáng, bao gồm tia UV) xuyên qua môi trƣờng nƣớc và không khí Hóa chất hấp thụ hạt photon Năng lƣợng đƣợc chuyển đến vị trí hoạt động Phản ứng hóa học QUÁ TRÌNH PHI SINH HỌC QUANG HÓA  Nhờ vào chức năng của vi sinh vật.  Phân hủy nhờ vi sinh đóng vai trò quan trọng.  Hợp chất hữu cơ có đặc tính: bền vững với môi trƣờng mỹ quan, hệ sinh thái, sức khỏe con ngƣời.  Bền vững khả năng tích lũy sinh học. QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY SINH HỌC Phân hủy hiếu khí: Phân hủy tối ưu hay Khoáng hóa Chất hữu cơ VSV CO2, H2O Phân hủy yếm khí O2  Tại sao chất hữu cơ bền vững với môi trƣờng?  Cấu trúc hóa học:  Hợp chất béo  Hợp chất vòng thơm  Điều kiện môi trƣờng xung quanh:  Nhiệt độ  Nguồn dinh dƣỡng  pH  Khả năng xảy ra phân hủy sinh học. QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY SINH HỌC QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY SINH HỌC  Hai con đƣờng loại bỏ hóa chất khỏi cơ thể SV:  Dạng nguyên thủy;  Dạng chuyển hóa: Chuyển hóa sinh học  Chất mới đƣợc hình thành  Định nghĩa: chuyển hóa sinh học là 1 quá trình với sự tham gia của enzyme nhƣ 1 chất xúc tác nhằm chuyển đổi 1 xenobiotic thành 1 chất khác.  Chuyển hóa sinh học làm thay đổi độc tính của chất gốc:  Độc hơn  hoạt tính sinh học (bioactivation/toxification)  Ít độc hơn  khử độc (detoxification)  Chuyển hóa sinh học thƣờng xảy ra trong gan. Tổng lỷ lệ chuyển hóa sinh học xảy ra trong cơ có thể cao hơn. QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA SINH HỌC TÍCH LŨY SINH HỌC (BIOACCUMULATION)TẬP TRUNG SIN HỌC (BIO ONCENTRATION)PHÓNG ĐẠI SINH C (BI MAGNIFICATION) Là quá trình dẫn đến nồng độ hóa chất trong SV cao hơn trong môi trƣờng xung quanh (bao gồm phơi nhiễm qua thức ăn). Đối với SV thủy sinh, tập trung sinh học là quá trình dẫn đến nồng độ hóa chất trong SV cao hơn trong môi trƣờng xung quanh (chỉ tính đến phơi nhiễm qua MT nƣớc). Là quá trình tích lũy sinh học trong đó thức ăn là nguồn phơi nhiễm chính.  Môi trƣờng phơi nhiễm:  Không khí;  Đất;  Nƣớc;  Trầm tích.  Quá trình xâm nhập của hóa chất vào cơ thể phụ thuộc nhiều yếu tố: môi trƣờng và vật lý.  Các sinh vật khác nhau có cơ chế xâm nhập và tích tụ khác nhau. TÍCH LŨY SINH HỌC (BIOACCUMULATION)  Sinh vật thủy sinh.  Quá trình tích lũy SH: tiếp nhận & đào thải.  Tập trung sinh học là kết quả của tiếp nhận và đào thải. TẬP TRUNG SINH HỌC (BIOCONCENTRATION) Quá trình tiếp nhận: chuyển hóa chất thông qua màng sinh học bởi chất trung gian là chất mang hay 1 chất tan. Bao gồm: • Khuếch tán bị động: chênh lệch nồng độ • Lọc • Chất mang trung gian • Thực bào & ẩm bào Quá trình đào thải: giống các quá trình tiếp nhận và thêm các qt sau: • Tăng trƣởng • Sinh sản • Chuyển hóa sinh học T ÍC H L Ũ Y S IN H H Ọ C C Ơ C H Ế T IẾ P N H Ậ N & Đ À O T H Ả I CƠ CHẾ VẬN CHUYỂN QUA THÀNH TẾ BÀO & MAO DẪN  Khuếch tán bị động: dựa trên sự chênh lệch nồng độ  Thông qua cấu trúc phospholipid;  Thông qua lỗ mang nƣớc để vận chuyển protein;  Lọc: thông qua dòng chảy thủy tĩnh hoặc thẩm thấu.  Thông qua chất mang trung gian (protein):  Vận chuyển có trợ lực: không cần năng lƣợng  Vận chuyển tích cực: cần năng lƣợng  Thực bào & ẩm bào: màng tế bào bao quanh xenobiotic (cần năng lƣợng).  Thông qua kẽ hở giữa các tế bào: ví dụ mạch máu, ngoại trừ tế bào thần kinh. Hợp chất SV thủy sinh Hằng số tiếp nhận (L/kg.d) Kim loại Cr Cá hồi 0.12 – 0.5 Cd Cá hồi 0.003 – 0.12 Cd + 1mM citrate Cá hồi 3 Chất hữu cơ Phenol Cá hồi 20 – 50 Halogenated phenols Cá hồi 200 – 450 Polychlorinated biphenyls Cá hồi 200 – 450 Kim loại hữu cơ Tributyltin Cá hồi 4 – 30 Tributyltin Hào 75 – 1000 Tributyltin Con trai 70 – 17290 Tributyltin Sò 250 Tributyltin Giáp xác 70 – 1230 Tributyltin Ốc 1.8 – 9.5 Tributyltin Cua 0.11 – 1000 Hằng số tiếp nhận xenobiotic của 1 số SV thủy sinh CÁC QUÁ TRÌNH LÀM GIẢM NỒNG ĐỘ XENOBIOTIC TRONG SINH VẬT Hợp chất SV thủy sinh Hằng số đào thải (L/kg.d) Kim loại Cr Cá hồi 0.03 – 0.7 Cd Cá hồi 0.003 Ni Cá hồi 0.01 Chất hữu cơ DDT Cá hồi 0.01 Lindane Cá hồi 0.06 Phenol Cá hồi > 0.06 Chlorophenols Cá hồi > 0.7 Polychlorinated biphenyls Cá hồi < 0.0001 – 0.3 Kim loại hữu cơ Methyl thủy ngân Cá hồi 0 Triphenyltin Cá bảy màu 75 – 1000 Hằng số đào thải xenobiotic của 1 số SV thủy sinh PHÓNG ĐẠI SINH HỌC (BIOMAGNIFICATION)  SV tiêu thụ bậc cao hơn có nguy cơ chịu ảnh hƣởng của DDT cao hơn do tích lũy SH & phóng đại SH qua lƣới thức ăn. PHÓNG ĐẠI SINH HỌC PHÓNG ĐẠI SINH HỌC