Tính độc của các hợp chất thơm halogen hóa

Tính độc của các hợp chất thơm halogen hóa 1 TÍNH ĐỘC CỦA CÁC HỢP CHẤT THƠM HALOGEN HÓA 1. GIỚI THIỆU: Các hợp chất thơm halogen hóa(PAC = polychlorinated aromatic compound), đặc biệt là PCB (polychlorinated biphenyl) và PCDD (polychlorinated dibenzo-p-dioxin) đã được giới khoa học, quản lý nhà nước, báo chí và công chúng chú ý đến rất nhiều trong hai thập niên vừa qua. Trong 40 năm đầu tiên trên 50 năm có mặt trên thị trường, polychlorinated biphenyl được đánh giá là những chất trơ về mặt sinh học và có ích trong sản xuất công nghiệp. Các chất trong nhóm hợp chất halogen hóa có: - PCB polychlorinated biphenyl - PCDF polychlorinated dibenzofuran - PCDD polychlorinated dibenzo-p-dioxin - PCN polychlorinated naphthalene - PBB polybrominated biphenyl - Bromobenzen - Hexachlorobenzen - DDT dichlorodiphenyl trichloroethane Biphenyl Dibenzofuran Dibenzodioxin Tính độc của các hợp chất thơm halogen hóa 2 Các chất kể trên có tác động đến cytochrome P450 và các men biến dưỡng hóa chất ngoại sinh (xenobiotic metabolizing enzymes). Chúng có thể gây ra các chứng như: - Rối loạn chuyển hóa porphyrin (porphyria) - Bệnh ban Clo ngoài da (chloracne) - Độc bào thai (embryo toxicity) - Gây biến dạng (teratogenesis) ĐCHMT nghiên cứu về những mối hiểm nguy do tiếp xúc với các hợp chất thơm halogen hóa gây ra. 2. SỰ HALOGEN HÓA: Clo vô cơ là một ion chính có hoạt tính sinh lý, tuy vậy các halogen trong đó có clo nối cộng hóa trị với carbon ít có mặt trong thiên nhiên. Người ta đã tìm thấy nhiều halogen lạ trong các sinh vật biển, nấm và sinh vật bậc cao. Các sinh vật biển phải sống trong môi trường có nồng độ halogen cao nhưng những sinh vật trên cạn và nước ngọt ít chứa các halogen nối cộng hóa trị (Thyroxin là một ngoại lệ). Halogen dễ sản xuất với giá rẻ, chúng nối kết dễ dàng vào nguyên tử carbon, đặc biệt là các carbon chưa bảo hòa. Halogen được dùng nhiều trong việc chế tạo dung môi, hóa chất công nghiệp, nông dược và dược phẩm. Thông thường người ta halogen hóa các chất để gia tăng trọng lượng phân tử của các hợp chất, tức là tăng trọng lượng riêng, điểm sôi, điểm nóng chảy và áp suất hơi. PCB cũng được chế tạo bằng cách chlorine hóa biphenyl cho tới khi đạt được những tính chất mong muốn. Các hợp chất halogen hóa có tính bền vững cao hơn. Nối C -X (X = halogen) bền vững hơn nối C-H. Tính bền vững này lại không tốt về mặt môi trường vì chúng tồn lưu quá lâu. Trong thiên nhiên DDT Ỉ DDE bền vững hơn. Bảng 1 và 2 trình bày một số các chất halogen và các đặc tính của nó, mức halogen hóa càng cao thì tính hòa tan trong nước càng giảm. Các chất halogen hóa có khả năng trộn lẫn với nhau và với các vật chất không phân cực khác như dầu và các chất béo nguồn gốc sinh học. Các chất halogen hóa có xu hướng tích lũy trong mô mỡ động vật do đó khó chuyển hóa sinh học hoặc bị bài tiết ra ngoài. Sự tích lũy sinh học của các hợp chất không phân cực là rất cao, đôi khi sinh vật tích lũy nồng độ cao hơn ở mức lũy thừa 3 đến 6 so với nồng độ trong nước mà chúng đang sống. Tính bền vững và thích chất béo là chỉ tiêu quan trọng để đánh giá khả năng tích lũy sinh Tính độc của các hợp chất thơm halogen hóa 3 học, trong khi đó tính hòa tan trong nước và bốc hơi là chỉ tiêu để đánh giá mức độ phát tán trong môi trường. Thông thường các hydrocarbon halogen hóa có nồng độ thấp trong nước và cao hơn trong đất, bùn đáy và sinh vật. Sự tích lũy sinh học trong nhiều loài sinh vật khác nhau gọi là sự phát tán sinh học (bio dispersion). Sự phát tán này đáng kể ở các loài côn trùng vìø các giai đoạn ấu trùng phát triển trong nước hoặc lớp đất mặt. Các chất có độ bốc hơi cao sẽ phân tán nhanh chóng vào không khí, các hợp chất có độ bốc hơi trung bình hoặc thấp bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi các điều kiện khí hậu và được đưa đi một quãng ngắn trong khí quyển hoặc bị giữ lại lâu dài trong các phức chất khác. Bảng 1. Một số đặc tính của các Benzene halogen hóa. Halogen Trọng lượng phân tử Tỷ trọng Nhiệt độ (o C ) Điểm tan Ở 1 atm (1) Độ hòa tan trong chất lỏng (mmol/l) Benzene 1- F 1- Cl 1- Br 1- I 1- Cl 1,3- Cl 1,4- Cl 1,2,3- Cl 1,3,5- Cl 1,2,3,4- Cl 1,2,4,5- Cl Penta- Cl Hexa- Cl Phenol Penta-Cl Phenol 78 96 113 157 204 113 147 147 181 181 216 216 250 285 94 266 0,878 1,022 1,107 1,495 1,831 1,107 1,288 1,288 1,454 1,454 1,858 1,834 2,044 1,071 1,978 5,5 -42 -45 -31 -28 -45 -24 -24 68 64 46 139 84 231 41 190 80 85 132 156 189 132 173 174 218 208 254 245 276 309 182 309 24,1 4,30 2,86 4,30 0,83 0,53 0,12 0,029 0,036 0,0059 0,0026 0,000017 708 30 (1) Độ nhiệt khí sinh ra ở 1 atm Tính độc của các hợp chất thơm halogen hóa 4 Bảng 2 . Đặc tính của một số Chlorobiphenyls. Số theo IUPAC Cách thế Trọng lượng phân tử Điểm tan Độ hòa tan trong nước (μmol/l) Thời gian lưu tương đối trong sắc ký (OCN= 1,0) 1 4 15 18 28 31 37 44 52 70 77 95 101 110 118 126 128 136 153 194 2 2,2/ 4,4/ 2,5,2/ 2,4,4/ 2,5,4/ 3,4,4/ 2,3,2/,5/ 2,5,2/, 5/ 2,5,3/, 4/ 3,4,3/, 4/ 2,3,6,2/, 5/ 2,4,5,2/, 5/ 2,3,6,3/, 4/ 2,4,5,3/, 4/ 3,4,5,3/, 4/ 2,3,4,2/, 3/, 4/ 2,3,6,2/, 3/, 6/ 2,4,5,2/, 4/, 5/ 2,3,4,5,2/, 3/, 5/, 5/ 189 223 223 258 258 258 258 292 292 292 292 326 326 326 326 326 361 361 361 430 34 60 148 45 57 67 87 48 88 104 178 99 77 oil 109 154 150 114 103 156 23,4 3,5 0,2 0,2 0,3 0,4 0,6 0,052 0,056 0,039 0,013 0,0012 0,017 0,0033 0,00029 0,1554 0,2245 0,3387 0,3378 0,4031 0,4024 0,4858 0,4832 0,4557 0,5407 0,6295 0,5464 0,5816 0,6314 0,6693 0,7512 0,7761 0,6257 0,7036 0,9620 3. CÁC HYDROCARBON HALOGEN HÓA: Các halides hữu cơ (hay các hydrocarbon halogen hóa) được sản xuất rất nhiều. Ví dụ: hằng năm ở Mỹ sản xuất hàng trăm triệu tấn các alkyl halides như: chloroform và hexa chloroethane. Năm 1978 Mỹ sản xuất 11 × 109 cân Anh chất dichloroethane. Các vinyl halides như dichloroethylene và vinyl chloride cũng được sản xuất rất nhiều. Một số alkyl halide như chloral hydrate, halothane và chloroform tác hại hệ thần kinh. Những chất biến dưỡng của alkyl halide và vinyl halide có tính độc cho gan và thận cũng như gây ung thư. Các alicyclic halogen hóa như lindane, toxaphene, mirex, aldrin và heptachlor cũng là những chất có độc tính sinh thái cao. 4. CÁC CHẤT THƠM HALOGEN HÓA: Các hợp chất phenol và phenoxy halogen hóa có tính phân cực cao hơn các hợp chất thơm halogen hóa, do vậy chúng có phản ứng khác nhau. Các chất này có thể được bào chế cho một mục tiêu sử dụng nào đó (pentachlorophenol, 2,4 - dichlorophenoxy acetic acid) hoặc chúng là Tính độc của các hợp chất thơm halogen hóa 5 các chất trung gian hay phó sản của quá trình sản xuất các hóa chất khác hoặc là sản phẩm phân hủy các hóa chất phức tạp. Đặc tính phân cực của các chất thơm halogen hóa làm chúng có thể đạt đến nồng độ cao trong môi trường lỏng và phân bố đồng đều trong các mô bào. Các benzene halogen hóa như bromobenzene, p-dichlorobenzene (PDB) và hexachlorobenzene (HCB) đều có tính ưa mỡ cao. Do vậy trước khi bị loại thải chúng đã đi vào các quá trình biến dưỡng. PDB và HCB có thể thăng hoa do vậy dễ tiếp xúc ở dạng aerosol. Các hợp chất này gây hại cho gan, thận và hệ thần kinh. Các chất biến dưỡng gồm những phenol halogen hóa có hoạt tính sinh học, gây ra biến dị và ung thư. Một số halobenzene như PDB có độc tính thấp, trong khi đó thì HCB là một chất có ảnh hưởng đến hệ men vi thể và các chất sinh porphyrin. Khi các vòng thơm nối kết với nhau để tạo ra naphthalene hoặc biphenyl thì các chất này sẽ tăng độ bền vững và gia tăng khả năng halogen hóa. PCN (polychlorinated naphthalene) có công dụng tương tự PCB được bán ra thị trường dưới nhãn hiệu Halowax. PCB (polychlorinated biphenyl) được dùng làm chất làm chậm (retardant). Trong hợp chất PCB nếu thay thế Cl bằng Br thì độc tính sẽ tăng lên. Bảng 3 và 4 trình bày các trường hợp ngộ độc nhóm chất thơm halogen hóa và những vùng bị nhiễm. Bảng 3. Một số trường hợp bị nhiễm độc do các hợp chất thơm halogen hóa Thời điểm Loại ngộ độc Loại chất gây độc Nguồn chất độc Năm 1916 Những năm 1940 và 1950 Năm 1950 Năm 1955 Năm 1968 Những năm 1960 Năm 1973 Năm 1976 Năm 1979 Bệnh ban Clo ngoài da Bệnh X trên gia súc Bệnh thủy thủng(edema) ở gà con Bệnh rối loạn chuyển hóa Porphyrin (Thổ Nhĩ Kỳ) Yusho (Nhật Bản) Chất độc màu da cam (Việt Nam) PBB (Michigan) Seveso (Italy) Yucheng (Taiwan) PCN PCN PCDD, PCN, PCB HCB PCB, PCDF TCDD PBB TCDD PCB, PCDF Do SX mặt nạ chống hơi độc Nhiều nguồn khác nhau Do đun nóng chất béo với Chlorophenol Hạt lúa mì bị xử lý đem xay làm bột Dầu gạo bị nhiễm dung dịch trao đổi nhiệt Phun thuốc diệt cỏ từ máy bay Trong chất giảm cháy và trong thức ăn gia súc. Nổ nhà máy hóa chất Dầu gạo bị nhiễm dung dịch trao đổi nhiệt Bảng 4. Các khu vực bị nhiễm nhiều PCA Tính độc của các hợp chất thơm halogen hóa 6 Khu vực PCA (1) Loại hữu sống bị hại (2) Biển Baltic và Bắc Hải Ngũ Đại Hồ (Mỹ) Sông Hudson (Mỹ) Seveso (Italy) Sông Sheboygan (Mỹ) Thủy đạo St.Lawrence (Mỹ) Bãi biển Time (Mỹ) PCB > DDT PCB > DDT > Cyclodien PCB PCDD PCB PCB > DDT TCDD Cá, động vật có vú ở biển, chim ăn cá Cá, chim ăn cá Cá Gia súc, thú hoang Cá, chim Cá, cá voi Thú hoang (1) Là loại độc tính cao nhất được biết đến rộng rãi nhất. Ngoài ra các chất độc khác như kim loại nặng và các hợp chất thơm đa nhân cũng có mặt với những hàm lượng thay đổi. (2) Bao gồm những giống loài bị hại chủ yếu (trừ con người) ở vùng bị nhiễm. 5. CÁC CHẤT PCB, PCDF VÀ PCDD 5.1 Việc sản xuất sử dụng và phát tán PCB được tổng hợp lần đầu vào thế kỷ 19 nhưng mãi đến năm 1930 mới được sản xuất và tiêu thụ mạnh. PCB có nhiều công dụng và toàn thế giới đã dùng đến 1,2 × 109 kg. Vào những năm 1970 không còn sản xuất PCB nữa. Các tên thương mại của PCB và hãng sản xuất được ghi ở Bảng 5. Bảng 5 Các sản phẩm thương mại của PCB và nhà sản xuất . Tên thương mại Nhà sản xuất / Nước Aroclor Aroclor, Santotherm Chlophen Delor Fenclor Kanechlor Phenoclor, Pyralene Soval Monsanto (Mỹ) Mitsubishi - Monsanto (Nhật) Bayer (Đức ) Chemko (Tiệp Khắc) Caffaro (Ý) Kanegafuchi (Nhật) Prodelec (Pháp) Sovol (Liên Xô) PCB có trong tăng phô đèn và tụ điện, chất lỏng thủy lực (hydraulic fluids), chất lỏng truyền nhiệt (heat transfer fluids) chất dẻo, chất dính, chất bôi trơn, dầu vật kính hiển vi, chất làm chậm cháy (flame retardant), làm chất độn (extender) hoặc dung môi cho các chất khác. Lớp hồ chứa PCB phủ bên trong các silo đựng ngũ cốc nhiễm vào sữa bò khi chúng ăn các ngũ cốc lấy từ silô, những người sống ở nơi này cũng bị nhiễm PCB trong các sản phẩm nhựa và chất dính trong các dụng cụ chăn nuôi cũ kỹ có thể lan sang chuỗi thực phẩm. Các sản phẩm như dầu thắng và giấy copy không carbon giúp PCB lan truyền rộng rãi. PCB có trong các tăng Tính độc của các hợp chất thơm halogen hóa 7 phô hiện có là nguồn lan nhiễm vào môi trường. Các đèn huỳnh quang chế tạo trước năm 1972 cũng như các dụng cụ điện cũ kỹ là nguồn lan nhiễm PCB trong không khí nhà bếp. PCB là chất ít độc cấp tính, nhưng nếu tiếp xúc nhiều trong sản xuất công nghiệp sẽ tạo ra các bệnh da và thận. Tuy nhiên, tác dụng độc kinh niên cũng như tác động lên sinh thái của PCB vẫn chưa được hiểu rõ hoàn toàn. Do việc sử dụng PCB rộng rãi mà chưa chú ý đến môi trường cũng như chưa chú ý đến tác động lên sức khỏe con người đã góp phần đưa các hóa chất này vào môi trường. Năm 1966 nhà nghiên cứu Soren Jensen công bố thông tin rằng PCB thường xuất hiện trong sắc ký đồ phân tích thuốc BVTV trong thiên nhiên Thụy Điển. Năm 1969 ngộ độc PCB đã xảy ra ở Nhật Bản, lúc đó khoảng 1/3 tổng lượng PCB đã đi vào môi trường. Không giống như PCB, các chất polychlorinated dibenzofuran (PCDF) và dibenzo dioxin (PCDD) không được sản xuất nhiều mà chỉ có ở lượng nhỏ dưới dạng chất chuẩn dùng trong phân tích hoặc trong nghiên cứu. PCDF và PCDD là tạp chất sinh ra trong quá trình sản xuất các chất thơm Clo hóa khác, đặc biệt khi sử dụng các hợp chất phenol trong quá trình tổng hợp. Các chất này sinh ra khi đốt các hợp chất Clo hóa. Đốt rác đô thịï cũng sinh ra PCDF và PCDD (do sự cháy các vật chất hữu cơ cùng lúc với các chloride vô cơ). PCB nếu bị đốt nóng lâu sẽ chuyển thành PCDF. Chất lỏng chứa bên trong bộ trao đổi nhiệt rò rỉ vào dầu gạo ở Nhật gây ra tai nạn ngộ độc PCB ở Yusho năm 1968. (PCB này lại chứa đựng một lượng PCDF đáng kể làm tăng thêm tính độc). Muội than tích tụ từ sự đốt các tăng phô chứa PCB trở nên độc hơn do tích lũy thêm PCDF và PCDD. Nhiệt độ hình thành của PCDF và PCDD vào # 250-350o C và chúng chỉ bị hủy đi ở nhiệt độ 800o C. Do vậy kiểm soát nhiệt độ cẩn thận trong quá trình đốt là biện pháp để giảm các chất PCA chẳng hạn như chất độc màu da cam. Đốt không kiểm soát ở nhiệt độ thấp các sản phẩm điện tạo ra các loại hơi cực độc. Thành phần các đồng phân có ảnh hưởng đến hoạt tính sinh học của các chất. Bảng 6 . Số lượng đồng gốc của một số hợp chất thơm tiêu biểu Số halogen Benzene Dioxin Furan Biphenyl 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Tổng số 1 3 4 3 1 1 _ _ _ _ 13 2 10 14 22 14 10 2 1 _ _ 75 4 16 28 38 28 16 4 1 _ _ 135 3 12 24 42 46 42 24 12 3 1 209 Tính độc của các hợp chất thơm halogen hóa 8 Bảng 7 . Thành phần phân tử (% xấp xỉ trọng lượng/ trọng lượng) của Aroclors Đồng phân Aroclor 1242 Aroclor 1254 Aroclor1260 Mono Cl Di Cl Tri Cl Tetra Cl Penta Cl Hexa Cl Hepta Cl Octa Cl Deca Cl 1,0 16,0 49,0 25,0 8,0 1,0 <0,1 ND ND <0,1 0,5 1,0 21,0 48,0 23,0 6,0 ND ND ND ND <0,5 1,5 12,0 38,0 41,0 8,0 <0,1 ï . 5.2 Các đặc tính lý hoá sinh: Sự oxid hóa ở nhiệt độ cao là một trong những yếu tố làm thay đổi thường xuyên thành phần của phức hợp dư lượng PCA. Trong thiên nhiên hiện nay có lẽ có đủ 400 đồng loại của PCA cùng với các chất thơm Clo hóa hoặc bromine hóa khác (ví dụ: phenol, benzene, naphthalene, azobenzen). Các đồng loại có chứa nhiều Cl nhất thì sẽ có trọng lượng phân tử, độ nóng chảy cao nhất và áp suất hơi thấp nhất. Tuy nhiên các tính chất trên cũng bị ảnh hưởng bởi vị trí của nguyên tử Cl. Thời gian lưu của một chất đồng loại trong máy sắc ký là trị số xấp xỉ của độ bốc hơi của nó. Khi Clo gắn vào vị trí para, chất đồng phân giảm độ bốc hơi và thời gian lưu trong máy sắc ký gia tăng. Clo ở vị trí ortho làm giảm thời gian lưu trong máy sắc ký so với các đồng loại khác. Tính bốc hơi có ảnh hưởng mạnh mẽ đến sự phát tán của các chất đồng loại với PCB và dư lượng của chúng trong môi trường. Tính hòa tan trong nước cũng có ảnh hưởng mạnh đến sự tích tụ của các chất đồng loại. Một số vi khuẩn trong đất hoặc bùn đáy (ở điều kiện hiếu khí hay yếm khí) có khả năng phân giải PCB. Khả năng phân giải các chất đồng loại của PCB của vi khuẩn tỉ lệ nghịch với hệ số phân ly của chúng. Tiến trình khử Clo có thể có bản chất men trong đó các vi khuẩn kỵ khí có thể hưởng lợi nhiều thường do khuynh độ năng lượng tự do lớn hơn do phản ứng khử Clo các hợp chất thơm. Sự khử Clo trong điều kiện yếm khí có ý nghĩa quan trọng vì PCB có nồng độ cao trong bùn đáy, khi các phân tử Clo bị khử đi, PCB sẽ dễ bị tác động bởi với các men 2,3- và 3,4- dyoxygenase của vi khuẩn hiếu khí cũng như monooxygenase P450 ở các sinh vật bậc cao. 5.3 Thành phần và phân tích: ĐCHMT tùy thuộc chặt chẽ vào hóa học phân tích. Trong hai thập niên vừa qua, hóa học phân tích đã phát triển rất mạnh do đó đã giúp cho việc phân tích ngày càng chính xác hơn và nồng Tính độc của các hợp chất thơm halogen hóa 9 độ phát hiện ngày càng nhỏ hơn. Hầu hết các phương pháp phân tích sử dụng kỹ thuật chiết trích bằng các dung môi không phân cực và dùng sắc ký khí hoặc lỏng với đầu dò cộng kết điện tử(ECD=electron capture detector). ECD cực kỳ nhạy với các hợp chất halogen hóa vì vậy các dung môi thuốc thử và dụng cụ thủy tinh có thể ảnh hưởng nếu không duy trì những tiêu chuẩn khắt khe trong phòng thí nghiệm. Các chất đồng loại(congener) của PCB có tính bốc hơi cao sẽ dễ hòa tan trong nước và dễ bị phân hủy sinh học. Chẳng hạn như Aroclor chứa 42% trọng lượng là chlorine do đó nó chứa tỉ lệ cao chất đồng loại ít chlorine hơn so với Aroclor 1254 và 1260. Trong môi trường, các chất đồng loại chứa ít Clo bị mất đi rất nhanh do sự hấp thu của phiêu sinh vật và cá nhỏ. Các Aroclor có lượng clo cao có xu hướng tích lũy vào đáy bùn. 6) ĐỘC TÍNH CỦA CÁC PCB Các biểu hiện thông thường khi các động vật khác nhau tiếp xúc với PCB gồm có: Ảnh hưởng gan: -Chứng gan to (hepatomegaly) phân cắt tế bào vô độ ở ống dẫn mật. -Hoại tử lan rộng (ở thỏ) hoặc cục bộ (chuột). -Tích lũy mỡ, thái hóa mô mỡ. -Sự cảm ứng của các men monooxygenase vi thể và các men khác. -Giảm hoạt tính của các men ATPase ở màng. -Suy kiệt các vitamin hòa tan trong chất béo, đặc biệt là vitamine A. -Rối loạn chuyển hóa porphyrine. Ảnh hường hệ tiêu hóa: -Phình to (hypertrophy) hoặc phân cắt tế bào vô độ (hyperplasia). -Loét và hoại thư bao tử. -Màng nhầy ruột bị phù (ở khỉ), phân cắt tế bào vô độ. -Xuất huyết, hoại tử (chuột túi, bò). Ảnh hưởng hệ hô hấp. -Viêm phổi kinh niên, ho kinh niên. Ảnh hưởng hệ thần kinh: -Làm biến đổi mức catechol