Chương XII Chuyển hóa xenobiotic trong xử lý nước thải

Chuyển hóa sinh học hợp chất xenobiotic Tác hại và chuyển hóa xenobiotic trong cơ thể Cơ sở sinh hóa của chuyển hóa xenobiotic Tác động của vi sinh vật đến quá trình chuyển hóa xenobiotic Khái niệm xenobiotic Xenbiotic là một chất hóa học lạ được tìm thấy trong cơ thể sinh vật nhưng không phải do cơ thể sinh vật tạo ra. Xenobiotic có thể là Thuốc như kháng sinh Một số chất tự nhiên như hormone ở người được cá hấp thụ qua nước thải, các chất hóa học được sinh vật tiết ra chống lại kẻ thù Các chất gây ô nhiễm như dioxin và polychlorinated biphenyl và ảnh hưởng của chúng trên quần thể sinh vật Hấp thu Xenobiotic xâm nhập cơ thể qua đường tiêu hóa, hô hấp, da-niêm mạc, tiêm truyền, trong đó đường tiêu hóa là chủ yếu. Quá trình hấp thu phụ thuộc vào cấu trúc của tổ chức, pH môi trường nơi xenobiotic xâm nhập, cấu tạo của xenobiotic,… Cơ chế hấp thu chủ yếu theo qui luật vật lý, vận chuyển theo gradient (bậc thang) nồng độ, từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp. Phân bố Phân bố ở các tổ chức khác nhau, tùy thuộc vào tính chất hóa học và tính tan của mỗi chất. Các chất ít tan trong nước, ưa lipid như chloroform, hexobarbital sẽ phân bố nhiều vào mô mỡ Trong huyết tương, Chất nào càng ít tan trong nước thì gắn với protein huyết tương càng nhiều. Có sự cân bằng động giữa phần tự do và phần gắn với protein Xenobiotic + Protein HT  Xenobiotic-protein Có sự cạnh tranh giữa các xenobiotic khi gắn với protein:  ví dụ Tolbutamid – Phenylbutazon Khả năng gắn có giới hạn và phụ thuộc hàm lượng protein huyết tương Chuyển hóa Cơ quan chuyển hóa xenobiotic là gan. Con đường đào thải là qua nước tiểu Quá trình chuyển hóa gồm 2 giai đoạn: Giai đoạn 1 Gồm các phản ứng khử, oxy hóa, thủy phân nhằm tạo các nhóm chức hoạt động như –OH; =O; -SH; -NH2 Trong giai đoạn này có vai trò của quan trọng của cytochrome P450 Giai đoạn 2 Gồm các phản ứng liên hợp với glucuronic, sulfuric, acetic, glutathion  sản phẩm mất độc tính dễ đào thải Thải trừ Con đường thải trừ chủ yếu là qua nước tiểu, còn lại một phần qua phân, mồ hôi, hơi thở Mức độ thải trừ phụ thuộc vào nhiều chức năng của thận nên khi thận suy  thải trừ giảm, tăng độc tính Xenobiotic chứa rất nhiều nhóm chức năng và những nhóm ít gặp trong tự nhiên Quá trình chuyển hóa xenobiotic được thực hiện qua 4 giai đoạn Thủy phân Khử nhóm halogen Quá trình oxy hóa Quá trình khử Các enzyme hydrolase thủy phân các liên kết amide và ester của các hợp chất như aniline, phenyl – urea, carbamic và các acid khác. Các hydrolase cũng chịu trách nhiệm cắt các liên kết của thuốc trừ sâu Là một enzyme ngoại bào được kích thích tạo thành khi nồng độ cơ chất cao. Nhiều xenobiotic chứa các hợp chất của halogen  khử halogen là một bước quan trọng trong quá trình chuyển hóa xenobiotic Mặc dù cơ chế chưa rõ ràng nhưng quá trình khử halogen nhưng gồm có 3 giai đoạn: thủy phân, khử, oxy hóa Và quá trình này được thực hiện bởi một số enzyme: Haloacetate – halidohydrolase: cắt halogen từ halide acetate thành glycolic acid Hydrolase: cắt các liên kết trong dichloroacetate 2-haloacid halidohydrolase Đây là một giai đoạn quan trọng nhất vì giai đoạn này oxy hóa các sản phẩm của quá trình thủy phân và halogen hóa Các phản ứng oxy hóa bao gồm: cắt đứt vòng thơm, loại bỏ các nhóm alkyl và các nhóm epoxi Giai đoạn này xảy ra trong điều kiện kỵ khí Trong quá trình này có sự loại bỏ các nhóm nitro bởi enzyme nitroreductase Sự chuyển hóa xenobiotic có sự tham gia của vi khuẩn hiếu khí lẫn vi khuẩn kỵ khí Vi khuẩn hiếu khí: Pseudomonas, Escherichia, Sphingobium, Pandoraea, Rhodococcus, Gordonia, Bacillus, Moraxella, Micrococcus Vi khuẩn kỵ khí: Pelatomaculum, Desulfotomaculum, Syntrophobacter, Syntrophus, Desulphovibrio, Methanospirillum, Methanosaeta Quá trình phân hủy xenobiotic của vi sinh vật gồm có 3 bước cơ bản: Sự làm giảm sinh học (bioattenuation): Kiểm tra các quá trình xảy ra trong tự nhiên  làm giảm thời gian phân hủy mẫu Sự kích thích sinh học (biostimulation): kích thích chủ động vào các vi khuẩn phân hủy xenobiotic bằng các chất nhận điện tử, nước, chất dinh dưỡng … Sự tăng cường sinh học (bioaugmentation): bổ sung các vi khuẩn trong phòng thí nghiệm  tăng khả năng phân hủy Dựa vào điều kiện hiếu khí và kỵ khí Vi khuẩn hiếu khí: phân giải PCB Vi khuẩn kỵ khí: phân giải các methanogen, các hợp chất nhân tạo