Giáo trình Độc học môi trường - Nguyễn Đức Huệ

303 trang hapham 1540

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Độc học môi trường - Nguyễn Đức Huệ", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_doc_hoc_moi_truong_nguyen_duc_hue.pdf

Nội dung text: Giáo trình Độc học môi trường - Nguyễn Đức Huệ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN ĐỨC HUỆ §éc häc m«i tr•êng (Gi¸o tr×nh chuyªn ®Ò) -Hµ Néi 2010
MỤC LỤC Trang Chương 1. Mở đầu độc học và độc học môi trường 1 1.1. Định nghĩa và phạm vi 1 1.2. Các quan hệ số lượng trong độc học 2 1.2.1. Các quan hệ liều lượng – đáp ứng 2 1.2.2. Sự đánh giá quan hệ liều lượng 12 1.3. Các đặc điểm của phơi nhiễm 16 1.3.1. Đường và vị trí phơi nhiễm 16 1.3.2. Độ dài thời gian và tần suất phơi nhiễm 17 1.4. Tính độc 18 1.4.1. Tính độc cấp 18 1.4.2. Tính độc mãn 19 1.5. Cơ chế vận chuyển chất độc 20 1.5.1. Sự khuếch tán thụ động 20 1.5.2. Độc học bậc nhất 21 1.5.3. Sự vận chuyển màng được điều chế bởi chất mang 23 1.6. Động học độc chất 24 1.6.1. Mô hình một ngăn 25 1.6.2. Mô hình hai ngăn 28 1.7. Cơ chế gây độc 32 1.7.1. Giai đoạn 1: phân phối 34 1.7.2. Giai đoạn 2: phản ứng của chất độc sau cùng với phân tử mục tiêu 36 1.7.3. Giai đoạn 3: sự mất chức năng tế bào và độc tính tạo ra 42 1.7.4. Sự sửa chữa và mất khả năng sửa chữa 43 1.8. Sự ô nhiễm môi trường 44 1.8.1. Sự ô nhiễm không khí 44 1.8.2. Sự ô nhiễm đất và nước 47 Chương 2. Phân loại chất độc và ảnh hưởng độc 50 2.1. Phân loại, nguồn gôc, sự tồn lưu của chất độc trong môi trường 50 2.1.1. Phân loại 50 2.1.2. Nguồn gốc 50 2.1.3. Sự tồn lưu chất độc trong môi trường 54 2.1.4. Sự sinh tích luỹ 52 2.2. Phân loại các ảnh hưởng có hại của hoá chất 55
2.2.1. Ảnh hưởng độc thông thường của hoá chất 55 2.2.2. Ảnh hưởng độc khác thường của hoá chất 57 2.2.3. Tính độc chọn lọc 60 Chương 3. Sinh chuyển hoá các chất độc 64 3.1. Các phản ứng giai đoạn 1 65 3.1.1. Oxi hoá 65 Monooxigenaza xitocrom P-450 phụ thuộc (CYP) 65 Monooxigenaza chứa flavon (FMO) 78 3.1.2. Những sự oxi hoá không vi thể 81 3.1.3. Các phản ứng khử 84 3.2. Các phản ứng giai đoạn 2 89 3.2.1. Sự liên hợp glucuronit 90 3.2.2. Sự liên hợp glucozit 91 3.2.3. Sự liên hợp sunfat 91 3.2.4. Metyltransferaza 92 3.2.5. Glutathion S-transferaza (GST) và sự hình thành axit mecapturic 94 3.2.6. Axyl hoá 97 3.2.7. Sự liên hợp axit amin 98 3.2.7. Sự liên hợp photphat 99 Chương 4. Độc học và sinh hoá các hợp chất vô cơ 100 4.1. Các khí độc, xianua, nitrat và nitrit, flo 100 4.1.1. Cacbon monoxit (CO) 100 4.1.2. Lưu huỳnh đioxit (SO2) 101 4.1.3. Các nitơ oxit (NOx) 102 4.1.4. Ozon (O3) 102 4.1.5. Xianua (CN ) 104 107 4.1.6. Nitrat và nitrit ( NO3 và NO2 ) 4.1.7. Flo 110 4.2. Kim loại nặng và hoá chất vô cơ khác 111 4.2.3. Catmi (Cd) 131 4.2.4. Crom (Cr) 136 4.2.5. Niken (Ni) 138 4.2.6. Đồng (Cu) 141 4.2.7. Selen (Se) 143 4.2.8. Asen (As) 146
4.3. Nguyên tố phóng xạ 151 4.3.1. Những khái niệm cơ bản 151 4.3.2. Sự nguy hại của chất độc phóng xạ 162 4.3.3. Các đồng vị phóng xạ quan trọng sinh học 165 Chương 5. Độc học và sinh hoá các hợp chất hữu cơ 168 5.1. Hiđrocacbon 168 5.1.1. Ankan và xicloankan 168 5.1.2. Hiđrocacbon thơm 169 5.1.3. Hiđrocacbon thơm đa vòng 179 5.2. Độc học và sinh hoá các hợp chất cơ clo 184 5.2.1. Giới thiệu hợp chất cơ clo được tổng hợp và sử dụng rộng rãi 184 5.2.2. Sự ô nhiễm môi trường và đường phơi nhiễm hợp chất cơ clo 187 5.2.3. Tính độc và cơ chế gây độc 187 5.2.4. Các dung môi cơ clo 189 5.2.5. Vinyl clorua 192 5.2.6. Các thuốc trừ sâu cơ clo 193 5.2.7. Policlobiphenyl (PCB) 199 5.2.8. Policlođibenzo-p-đioxin và policlođibenzofuran 207 5.3. Độc học và sinh hoá các hợp chất cơ photpho 214 5.3.1. Giới thiệu các hợp chất trừ sâu cơ photpho và chất độc chiến tranh cơ 214 photpho 5.3.2. Sự ô nhiễm và phơi nhiễm thuốc trừ sâu cơ photpho 216 5.3.3. Sự trao đổi chất của thuốc trừ sâu cơ photpho 216 5.3.4. Tính độc và cơ chế gây độc 218 5.4. Độc học và sinh hoá các thuốc trừ dịch hại khác 221 5.4.1. Thuốc trừ cỏ cacbamat 221 5.4.2. Thuốc trừ sâu piretroit 223 5.4.3. Thuốc trừ cỏ phenoxiaxit 224 5.4.4. Thuốc trừ cỏ triazin 225 5.4.5. Thuốc trừ cỏ bipiriđili 225 5.4.6. Thuốc trừ cỏ cloaxetanilit 227 5.4.7. Thuốc trừ cỏ axit photphonometyl amin 227 5.4.8. Thuốc trừ nấm phtalimit và đicacboximit 228 5.4.9. Thuốc trừ nấm đithiocacbamat 229 5.4.10. Hợp chất cơ kim 229 5.5. Các hoá chất hữu cơ như là các homon môi trường 230 5.5.1. Cơ chế giả thiết đối với sự tác động của các hợp chất estrogen 231 5.5.2. Giới thiệu về các estrogen môi trường 232 5.5.3. Các chất tăng sinh peroxisom 233 5.6. Một số độc tố tự nhiên thực phẩm 234
5.6.1. Aflatoxxin 234 5.6.2. Tetrođotoxin 237 5.6.3. Axit đomoic 237 5.6.4. Histamin 238 Chương 6. Độc học môi trường các quá trình 240 6.1. Khai thác mỏ và nấu luyện kim loại 240 6.1.1. Đặt vấn đề 240 6.1.2. Các quá trình bao gồm sự tách chiết và làm sạch kim loại 240 6.1.3. Các chất quan tâm được tạo ra và phát thải 241 6.1.4. Độc học môi trường của sự khai mỏ và nấu luyện 242 6.2. Sản xuất điện năng 243 6.2.1. Sản xuất điện từ nhiên liệu hoá thạch 243 6.2.2. Sản xuất điện từ năng lượng hạt nhân 243 6.2.3. Thuỷ điện 246 6.3. Nông nghiệp 246 6.3.1. Đặt vấn đề 246 6.3.2. Các chất quan tâm: phân bón, thuốc trừ dịch hại 247 6.4. Chiết tách, vận chuyển và gia công dầu mỏ 252 6.4.1. Đặt vấn đề 252 6.4.2. Độc học môi trường của dầu 253 6.4.3. Sử dụng các chất phân tán 254 Chương 7. Số phận và ảnh hưởng của chất độc trong môi trường 255 7.1. Sự vận chuyển và số phận của các chất độc trong môi trường 255 7.1.1. Mở đầu 255 7.1.2. Nguồn các chất độc đi vào môi trường 256 7.1.3. Các quá trình vận chuyển hoá chất trong môi trường 258 7.1.4. Tính cách và sự nhận diện sinh học hoá chất 265 7.1.5. Các quá trình chuyển hoá 268 7.1.6. Mô hình số phân môi trường của hoá chất 279 7.2. Sự đánh giá rủi ro môi trường 280 7.2.1. Mở đầu 280 7.2.2. Trình bày vấn đề 282 7.2.3. Phân tích 287 7.2.4. Đặc trưng rủi ro 291 Quản lí rủi ro 294 7.3. Độc học môi trường và sức khoẻ con người 294 Tài liệu tham khảo 298
Chương 1 MỞ ĐẦU ĐỘC HỌC VÀ ĐỘC HỌC MÔI TRƯỜNG 1.1. Định nghĩa và phạm vi Độc học có thể được định nghĩa như là một ngành khoa học liên quan với các chất độc, và chất độc có thể được định nghĩa là chất bất kì nào gây ra ảnh hưởng có hại cho cơ thể sống khi bị nhiễm. Theo quy ước thì độc học còn bao gồm cả sự nghiên cứu về những ảnh hưởng có hại gây ra bởi các hiện tương vật lý như sự bức xạ của các loại tiếng động. Phạm vi nghiên cứu của độc học rất rộng, song hai câu hỏi chính được đặt ra cho sự nghiên cứu độc học là bao nhiêu và vì sao một số chất gây ra những phiền toái cho các hệ thống sinh học dẫn đến những ảnh hưởng độc. Khái niệm độc (có hại) và không độc (lành, an toàn, có ích) đã hình thành từ cổ xưa. Dựa trên khái niệm này ngày nay người ta phân chia các chất thành hai loại: độc và không độc. Tuy nhiên sự phân loại này chỉ là tương đối, vì ngay cả cái ăn được, uống được, nếu dùng quá liều lượng thì trở thành độc; ngược lại chất được xem là độc, nhưng nếu được dùng lượng nhỏ hoặc rất nhỏ thì lại không độc và có những trường hợp lại trở thành có ích (thuốc chữa bệnh, các nguyên tố vi lượng, .) và đây chính là một cơ sở (một nguyên tắc) của môn độc học. Độc học phải nghiên cứu những ảnh hưởng định lượng đến mô sinh vật (liều lượng độc). Định nghĩa chất độc bao gồm khía cạnh sinh học. Vì sao chất độc gây hại cho mô sinh học hoặc một chất có thể là độc đối với chủng loại sinh vật này, nhưng lại không độc với chủng loại sinh vật kia. Ví dụ, cacbon tetraclorua (CCl4) là chất độc gan trong nhiều chủng loại sinh vật, nhưng lại tương đối không độc với gà; piretroit là chất có ở trong hoa cúc vàng diệt được nhiều loại sâu rau, nhưng lai rất ít độc với người, và đây cũng chính là một nguyên tắc của môn độc học. Độc học phải nghiên cứu cơ chế sinh học cũng như các điều kiện mà dưới đó gây ra tác dụng có hại. Độc học hiên đại là một lĩnh vực khoa học đa ngành, chiết trung có quan hệ với một phổ rộng các khoa học khác và các hoạt động của con người mà ở một đầu là những khoa học tạo dựng lên nó (hóa học, hóa sinh, bệnh học, sinh lý học, dịch tễ học, sinh thái học và toán sinh học, đặc biệt là sinh học phân tử trong vài ba chục năm gần đây đã có đóng góp vào sự tiến bộ đáng kể trong độc học) và ở một đầu kia của phổ là những khoa học mà độc học đóng góp (y học như y học pháp lý, độc học điều trị, dược khoa và dược học, sức khỏe cộng đồng, vệ sinh công nghiệp, sử dụng an toàn nông dược, nghiên cứu môi trường). 1
Độc học môi trường có liên quan trước hết tới những tác động có hại của các hóa chất mà con người tiếp nhận chúng một cách ngẫu nhiên từ môi trường sống đất, nước, không khí bị ô nhiễm hoặc do tiếp xúc trong quá trình hoạt động nghề nghiệp, hoặc do ăn uống thức ăn có chứa những chất độc tự nhiên hoăc những hóa chất tồn dư. Hiện nay có khoảng trên 100.000 hóa chất có nguồn gốc tự nhiên và tổng hợp đã đươc nghiên cứu về độc tính. Nhiều hóa chất trong số này (các khí độc, kim loại nặng độc, các hóa chất trừ dịch hại, dung môi và chất bay hơi, chất tẩy rửa, các phụ gia thực phẩm, thức ăn chăn nuôi, các độc tố (toxin) tồn tại trong môi trường sống, môi trường lao động, chuỗi thức ăn. Độc học môi trường vì vậy được xem như là một nhánh của độc học, liên quan với sự nhiễm độc ngẫu nhiên với mô sinh học bởi các hóa chất là những chất gây ô nhiễm chủ yếu của môi trường và thực phẩm. Nó nghiên cứu sự vận chuyển và số phận của chất đôc trong môi trường, sự tích lũy và sự biến đổi của chất độc trong cơ chế sinh học cũng như nghiên cứu các nguyên nhân, các điều kiện, các ảnh hưởng và các giới hạn an toàn của sự nhiễm độc các hóa chất và đánh giá sự rủi ro của môi trường. Các thí dụ về chuỗi thức ăn của môi trường bị ô nhiễm (hình 1.1) Động vật không xương sống Động vật không xương sống ăn thịt Động vật xương sống mặt Đất đất Chim hoặc thú ăn thịt (chứa các dư lượng) Cây cỏ mặt đất Động vật ăn cỏ Chim hoặc thú ăn thịt Hình 1.1. Sơ đồ các ví dụ chuỗi thức ăn môi trường ô nhiễm. 1.2. Các quan hệ số lượng trong độc học Quan niệm hiện nay cho rằng không có tác nhân hóa học nào hoàn toàn là không độc và cũng không có tác nhân hóa học nào hoàn toàn là độc. Quan niệm này dựa trên tiền đề cho rằng bất kỳ một hóa chất nào khi xâm nhập vào cơ thể sinh vật không gây ra ảnh hưởng có hại nếu liều lượng (nồng độ) của tác nhân hóa học đó thấp hơn mức tối thiểu gây độc. Nói cách khác, tác nhân hóa học chỉ gây ảnh hưởng có hại cho cơ thể sinh vật khi nó xâm nhập vào cơ thể với một liều đủ lớn. Như vậy, một yếu tố quan trọng nhất quyết định sự có hại hoăc sự an toàn của hợp chất là quan hệ giữa liều lượng của hóa chất và ảnh hưởng (đáp ứng) được tạo ra trên cơ thể sinh vật. 1.2.1. Các quan hệ liều lượng - đáp ứng Từ bức tranh phối cảnh thực tế, người ta thấy 2 loại quan hệ liều lương - đáp ứng: (1) quan hệ liều lượng - đáp ứng cá thể, nó miêu tả sự đáp ứng của cơ thể (hoặc tổ chức) 2
của cá thể đối với sự thay đổi liều lựơng hóa chất, hay còn gọi là đáp ứng được "độ hoá" vì ảnh hưởng được đo là liên tục trên một dãy các liều, (2) quan hệ liều lương - đáp ứng nhảy cách, nó đặc trưng cho sự phân bố các đáp ứng đối với những liều khác nhau trong quần thể các sinh vật cá thể. a) Các quan hệ liều lượng - đáp ứng cá thể hoặc “độ hóa”. Các quan hệ liều lượng - đáp ứng cá thể được đặc trưng bởi sự tăng liều liên quan trong sự làm tăng mạnh đáp ứng. Ví dụ, hình 1.2 chỉ ra quan hệ liều lượng - đáp ứng giữa các liếu ăn thường ngày khác nhau của thuốc trừ sâu cơ photpho clopyriphot và đáp ứng ức chế của hai enzim khác nhau trong não và trong gan: axetylcholinesteraza và cacboxy- lesteraza. Ở trong não, mức độ ức chế của cả hai enzim phụ thuộc rõ ràng vào liều liên quan trải ra một khoảng rộng, mặc dù lượng ức chế trên đơn vị liều là khác nhau đối với hai enzim. Từ hình dạng của hai đường biểu diễn liều lượng - đáp ứng này rõ ràng là ở trong não, cholinesteraza bị ức chế dễ dàng hơn so với cacboxylesteraza. Lưu ý rằng khi ta sử dụng thang log10 cuả liều (hình 1.2B) sẽ cho đường biểu diễn thẳng thích hợp hơn (tiện dùng). 100 - A 100 - B Õ Õ h h c 75 - c 75 - Cholinesteraza c c ø ø % 50 - % 50 - 25 - cacboxylesteraza 25 - . . . . 0 . . . . . . . . . . 0 2,5 5,0 7,5 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 LiÒu (mg/kg), thang th¼ng LiÒu (mg/kg), thang log Hình 1.2. Quan hệ liều lượng-đáp ứng giữa các liều khác nhau của clopyriphot và sự ức chế các enzim esteraza trong não b) Các quan hệ liều lượng - đáp ứng nhảy cách hoặc "tất cả hoặc không" Trái với quan hệ liều lượng - đáp ứng "độ hóa" hoặc thang liên tục xẩy ra trong các cá thể, quan hệ liều lượng - đáp ứng nhảy cách hoặc "tất cả hoặc không" xẩy ra trong quần thể. Trong thực tế người ta thấy rằng có những sự khác nhau tồn tại giữa các thành viên cá thể của một quần thể các tế bào, các mô hoặc các động vật. Bản chất của những sự khác nhau này hiếm khi thể hiện rõ và chỉ trở nên rõ ràng khi cơ thể được thử thách 3
như bởi sự phơi nhiễm hóa chất. Nếu như hóa chất có khả năng gây ra ảnh hưởng thấy được như sự chết sinh vật, hoặc ảnh hưởng mà từ đó các tế bào hoặc các động vật hồi phục trong chu kì thời gian, thì liều hóa chất có thể được chọn để nó có thể gây ra được ảnh hưởng đó và nếu ảnh hưởng đó có thể định lượng được thì thực nghiệm có thể chỉ ra rằng không phải tất cả các thành viên của nhóm đáp ứng với cùng một liều hóa chất một cách định lượng như nhau. Một số động vật chỉ ra sự đáp ứng mạnh, một số khác chỉ ra sự đáp ứng nhỏ (một số bị chết, một số khác còn sống) đối với cùng một liều hóa chất. Điều này có nghĩa là, ở một liều cho bất kì, một cá thể trong quần thể được phân loại hoặc là “cá thể đáp ứng” hoặc là “cá thể không đáp ứng” mặc dù sự phân biệt này của các quan hệ liều lượng - đáp ứng “cá thể độ hóa” và “quần thể nhảy cách” được dùng, hai loại đáp úng này là đồng nhất khái niệm.Trục tung trong cả hai trường hợp biểu thị sự đáp ứng và trục hoành biểu thị dãy các liều tiếp nhận. Sự đáp ứng nhảy cách được biểu hiện dưới hai dạng: Đáp ứng tần suất Thực nghiệm chỉ ra rằng sự khác biệt sinh học trong sự đáp ứng đối với các hóa chất giữa các thành viên của một loài nói chung là nhỏ hơn so với sự khác biệt sinh học giữa các loài. Vì một trong số các tiêu chuẩn thực nghiệm của chúng ta là sự đáp ứng có thể được định lượng mà không quan tâm đến ảnh hưởng được đo, sau đó bằng thực nghiệm khác mỗi động vật trong dãy các thành viên đồng nhất của một loại riêng được tiếp nhận một liều đủ hóa chất để tạo ra đáp ứng đồng nhất. Các dữ liệu nhận được từ thực nghiệm như thế có thể được vẽ thành đồ thị ở dạng đường cong phân bố hoặc tần suất - đáp ứng (hình 1.3). 50 - % , t 40 - A' Õ A h c t Ê 30 - u s n B Ç 20 - B' T 10 - Cùc tiÓu Cùc ®¹i LiÒu (mg/kg) Hình 1.3. Đồ thị tần xuất đáp ứng sau khi tiếp nhận tác nhân hoá học đối với quần thể đồng nhất của các chủng sinh vật 4
Đồ thị được chỉ ra ở hình 1.3 thường được tham vấn như là đường biểu diễn của đáp ứng nhảy cách vì nó biểu thị dãy các liều đòi hỏi để tạo ra đáp ứng đồng nhất một cách định lượng trong một quần thể lớn của các đối tượng thí nghiệm. Từ đường biểu diễn ta thấy rõ là chỉ một số ít động vật được đáp ứng đối với liều thấp nhất và liều cao nhất. Một số lớn các động vật được đáp ứng đối với các liều nằm giữa hai tột điểm này, và tần suất cực đại của đáp ứng xảy ra ở phần giữa của khoảng liều. Như vậy ta có đường biểu diễn hình chuông được biết như là sự phân bố tần suất chuẩn. Nguyên nhân của sự phân bố chuẩn này la do những sự khác nhau về tính nhạy cảm đối với hóa chất giữa các cá thể, cái mà được gọi là sự khác biệt sinh học đã đề cập đến ở trên. Những động vật đáp ứng ở phía đầu trái của đường biểu diễn được xem như là nhạy cảm cao và những động vật đáp ửng ở phía đầu phải của đường biểu diễn được xem như là nhạy cảm thấp. Đường biểu diễn có hai điểm uốn chính (A, A’, B, B’) ở mỗi bên của tần suất cực đại. Liều nhận được như liều X là liều trung bình, và tổng số tất cả những động vật đáp ứng đối với những liều cao hơn liều trung bình sẽ bằng tổng số tất cả các động vật đáp ứng đối với những liều nhỏ hơn liều trung bình. Theo định nghĩa diện tích dưới đường biểu diễn giới hạn bởi các trục tung và trục hoành từ điểm A đến điểm A’ bao gồm toàn bộ quần thể đáp ứng liều trung bình cộng hoặc trừ một độ lệch chuẩn từ liều trung bình và diện tích dưới đường biểu diễn giới hạn bởi các trục tung và trục hoành từ điểm B đến điểm B’ bao gồm toàn bộ quần thể đáp ứng liều trung bình cộng hoặc trừ 2 độ lệch chuẩn từ liều trung bình. Trong thực tế đường phân bố đáp ứng tần suất (phân bố Gaussian) ít gặp. Sự biến đổi gập ghềnh của đường biểu diễn thường nhận được là đường phù hợp nhất với các dữ kiện thực nghiệm. Đáp ứng tích lũy Trong độc học đồ thị đáp ứng tần suất ít được sử dụng. Thường người ta xây dựng đồ thị dữ kiện ở dạng đường biểu diễn biểu thị mối liên quan giữa liều lượng của hóa chất với phần trăm tích lũy của động vật để chỉ sự đáp ứng (như chết). Những đồ thị như vậy nói chung được biết như là các đồ thị liều lượng - đáp ứng. Các dữ kiện để xây dựng nó có thể nhận được bằng thực nghiệm như sau: các nhóm của những chủng đồng nhất, chẳng hạn chuột, cho nhiễm dung dịch hóa chất bằng một con đường riêng nào đó (tiêm, uống ) và bằng thực nghiệm chọn một liều như thế nào để cho động vật không chết tất cả và cũng không sống tất cả. Liều lượng khởi đầu có thể là liều lượng nhỏ để không có ảnh hưởng nào biểu hiện ở động vật. Những nhóm động vật tiếp theo, liều lượng có thể tăng lên bằng nhân với một hệ số chẳng hạn là 2 hoặc trên cơ sở logarit cho đến khi đạt được một liều đủ cao của hóa chất để tất cả động vật trong nhóm chết do nhiễm hóa chất. 5
Đường biểu diễn nhận được có dạng hình chữ S (hình 1.4). Đường biểu diễn dạng chữ S được phân bố chuẩn như một đầu ở gần đáp ứng 0% khi liều được giảm và ở đầu kia ở gần đáp ứng 100% khi liều được tăng (về lý thuyết đường biểu thị không khi nào đi qua 0% và 100%) các khúc đoạn của đường biểu diễn được biểu thị như sau: Liều (mg/kg), thang thẳng Hình 1.4. Đồ thị quan hệ liều lượng - đáp ứng Khúc đoạn I: Đây là phần biểu diễn không có độ dốc và nó được biểu thị bởi những liều chất độc không gây ra sự chết của quần thể sinh vật thí nghiệm. Liều ngưỡng (liều ảnh hưởng của cực tiểu của chất độc) nằm ở đây. Khúc đoạn II: Khúc đoạn này biểu thị các liều chất độc mà chỉ ảnh hưởng đến những thành viên nhạy cảm nhất của quần thể bị nhiễm. Theo đó, các ảnh hưởng này được gây ra ở các liều thấp và chỉ một số ít phần trăm sinh vật chịu ảnh hưởng. Khúc đoạn III: Phần này của đường biểu diễn bao gồm những liều mà ở đó hầu hết các nhóm sinh vật chịu sự đáp ứng tới mức nào đó đối với chất độc vì hầu hết các nhóm sinh vật bị nhiễm đáp ứng đối với chất độc trong khoảng này của liều, nên khúc đoạn III có độ dốc lớn và tương đối thẳng trong số các khúc đoạn. Khúc đoạn IV: Phần này của đường biểu diễn bao gồm những liều chất độc chỉ độc đối với sinh vật chịu đựng nhất trong quần thể. Theo đó, các liều cao của chất độc được đòi hỏi để ảnh hưởng đến những sinh vật này. Khúc đoạn V: Khúc đoạn V không có độ dốc và biểu thị những liều mà ở đó 100% các sinh vật bị nhiễm chất độc chịu ảnh hưởng. Đường biểu diễn dạng S có một phần tương đối thẳng giứa 16% và 84% . Các giá trị này biểu thị các giới hạn một độ lệch chuẩn (ĐLC) từ giá trị trung bình (50%) trong quần thể với sự phân bố chuẩn hoặc sự phân bố GAUSSIAN. Tuy nhiên, người ta không miêu tả đường biểu diễn liều lượng - đáp ứng từ kiểu đồ thị này do khó khăn thực tế. 6
Trong một quần thể được phân bố thông thường (chuẩn), giá trị trung bình 1 ĐLC biểu thị 68.3% quần thể, giá trị trung bình 2 ĐLC biểu thị 95,5% quần thể và giá trị trung bình 3 ĐLC bằng 99,7% quần thể. Vì hiện tượng liều lượng - đáp ứng nhảy cách thường được phân bố chuẩn, người ta có thể chuyển đổi đáp ứng phần trăm thành các đơn vị độ lệch từ giá trị trung bình hay là độ lệch tương đương chuẩn. Như vậy, độ lêch tương đương chuẩn đối với đáp ứng 50% là 0, độ lệch tương đương chuẩn +1 tương đương với 84% đáp ứng và độ lệch -1 tương đương với 16% đáp ứng. Để tránh các số âm người ta đề nghị các đơn vị của độ lệch tương đương chuẩn phải được chuyển đổi bằng thêm 5 vào giá trị và các đơn vị chuyển đổi này được gọi là các đơn vị con số. Trong sự chuyển đổi này, đáp ứng 50% trở thành con số 5, còn +1 độ lệch trở thành con số 6 và -1 độ lệch là con số 4, +2 độ lệch là con số 7 và -2 độ lệch là con số 3. Đường biểu diễn liều lượng - đáp ứng được xác định tốt có thể sử dụng để tính liều LD50 (LC50). LD50 là liều chất gây ra sự chết 50% động vật thí nghiệm, thường được biểu thị bằng miligam chất độc trên kilogam thể trọng của động vật thí nghiệm (mg/kg). LC50 là nồng độ chất gây ra sự chết 50% động vật thí nghiệm, thường được biểu thị bằng mg chất/lit nước. Để xác định liều LD50 (LC50) từ đồ thị người ta kẻ đường nằm ngang từ điểm chết 50% trên trục tung tới gặp đường biểu diễn và từ điểm cắt này kéo đường thẳng đứng tới trục hoành là liều LD50 (LC50). Bằng phương pháp tương tự như vậy ta cũng có thông tin với liều chết khác: 95% hoặc 5%, 90% hoặc 10%. Tuy nhiên, để có sự xác định chính xác liều LC50 thì đường biểu diễn phải được tuyến tính hóa hoặc qua sự chuyển đổi thích hợp các dữ kiện gồm chuyển các liều (các nồng độ) thành thang logarit và phần trăm đáp ứng thành các đơn vị con số (hình 1.5). 7,0 - . 98 . ) 95 è s . 90 Kho¶ng tin n 6,0 - . o cËy 95% 80 c % Þ . 70 v c . h n 60 Õ ¬ t ® 5,0 - . 50 ( t . Õ 40 h . C 30 4,0 - . 20 . 10 3,4 LD50 . 5 3,0 - . 2 LiÒu (mg/kg) thang log LD5 Hình 1.5. Quan hệ liều lượng-đáp ứng biểu thị trên thang log liều-con số 7
Zero phần trăm và 100% đáp ứng không thể chuyển thành các đơn vị con số, như vậy các sự kiện trong các khúc đoạn I và V không được sử dụng. Khoảng tin cậy 95% cũng được xác định đối với sự tuyến tính hóa quan hệ liều lượng-đáp ứng. Như được miêu tả trên hình 1.5, mức độ lớn nhất của độ tin cậy (nghĩa là khoảng tin cậy 95% nhỏ nhất) biểu hiện ở mức 50% đáp ứng, điều này nói lên vì sao các giá trị LD50 được ưu tiên so với một sự đo lường nào khác (chẳng hạn LD5). Mức độ tin cậy cao này ở LD50 biểu hiện khi các dữ kiện nhiều, phong phú hiển hiện giứa 51% và 99% đáp ứng cũng như giữa 1% và 49% đáp ứng. Thông tin bổ sung quan trọng có thể có được dẫn ra từ đường biểu diễn liều lượng - đáp ứng là độ dốc của đường biểu diễn thẳng nói lên kiểu tác dụng độc (hình 1.6). Trong trường hợp chỉ ra ở đây, các liều LD50 của hai hóa chất A và B là đồng nhất, mặc dầu sự đáp ứng đối với A biểu hiện độ độc lớn hơn so với B. Độ dốc có thể biểu thị cho tốc độ hấp thu cao của hóa chất A và chứng tỏ sự tăng nhanh đáp ứng trên một khoảng liều tương đối hẹp. Ngược lại, đường biểu diễn đáp ứng đối với B bằng hơn biểu thị cho tốc độ hấp thu chậm hơn hoặc có thế là sự đào thải nhanh hơn hoặc tốc độ khử độc nhanh hơn. Mặc dù thực tế các liều LD50 đối với A và B cả hai là như nhau (10 mg/ 1 kg), độ dốc của A thoạt nhìn ta nghĩ tới độ độc lớn hơn độ độc của B. Tuy nhiên, trong độc học chúng ta thường quan tâm nhiều đến các ảnh hưởng độc của những liều thấp của hóa chất (nghĩa là những liều nhỏ hơn liều LD50). Ở phần thấp phía bên trái của đồ thị, chúng ta nhận thấy ở liều một nửa của liều LD50 (5 mg/1 kg), hóa chất A gây chết ít hơn 1% số động vật thí nghiệm, trong khi đó hóa chất B gây chết trên 20%. Đường biểu diễn liều lượng-đáp ứng cũng còn được sử dụng để xác định liều ngưỡng. Liều ngưỡng được định nghĩa là liều nhỏ nhất của hóa chất mà thấp hơn liều đó không có những ảnh hưởng có hại xảy ra. 99 - A . 7 C 98 - h Õ t B t Õ ( h . ® c 70 - 6 ¬ n % v 50 - . Þ 5 c o 20 - n . 4 s è 10 - ) 1 - . 3 . . . . . 1 2 5 10 20 50 LiÒu (mg/kg) thang log Hình 1.6. Quan hệ liều lượng-đáp ứng của hai hoá chất A và B có LD50 như nhau nhưng độ dốc đường biểu diễn khác nhau. 8
Liều ngưỡng thường được xác định bằng thực nghiệm là liều nhỏ hơn liều thấp nhất mà ở đó ảnh hưởng đo được nhưng cao hơn liều lớn nhất mà ở đó ảnh hưởng không xác định được. Một cách khái quát liều ngưỡng được xác đình là điểm cắt của khúc đoạn I và II ( hình 1.4) hoặc liều LD5 (hình 1.5). c. Các quan hệ liều lượng-đáp ứng khác thường. Các chất dinh dưỡng thiết yếu. Mặc dù những mô tả đã nêu về quan hệ trực tiếp giữa liều hóa chất và sự đáp ứng bất kỳ xảy ra là đúng cho tất cả các chất thường gặp không có ở trong hệ thống sinh học, gọi là chất ngoại sinh. Khái niệm này không bao gồm các chất thường có mặt trong cơ thể sinh vật (chất nội sinh). Ngoài thức ăn, nước uống, muối khoáng, nhiều chất khác như các nguyên tố đa lượng cũng như vi lượng cần thiết như crom, coban, selen, , các vitamin được đòi hỏi cho các chức năng sinh lý thông thường và sự sống. Khi thiếu các chất này hoặc thừa các chất này con người sẽ phát triển những ảnh hưởng không mong muốn. Đường biểu diễn quan hệ liều lượng - đáp ứng được “độ hóa” của những chất nội sinh này có dạng chữ U trên toàn bộ khoảng liều (hình 1.7a). Từ đồ thị ta thấy ở các liều rất thấp có mức độ ảnh hưởng có hại cao, ảnh hưởng này giảm với liều tăng lên. Vùng này của quan hệ liều lượng - đáp ứng đối với các chất dinh dưỡng thiết yếu được xem là liên quan với sự thiếu. Khi liều được tăng lên tới điểm mà ở đây sự thiếu không còn tồn tại, đáp ứng có hại không còn xác định được và cơ thể ở trong trạng thái nội cân bằng (cân bằng tự nhiên, bình thường). Tuy nhiên, khi liều được tăng lên đến mức cao không bình thường, đáp ứng có hại (thường khác biệt về chất đối với những gì được quan sát thấy ở các liều thiếu) xuất hiện và tăng lên ở mức độ lớn với sự tăng lên của liều. a g ChÕt n b ø p ¸ g BÖnh thiÕu BÖnh thõa Ng•ìng ®¸p øng cã h¹i § n ø canxi canxi p ChÕt ¸ § Vïng néi c©n b»ng §éc B×nh th•êng . . . . . . . . . ThiÕu Thõa 6 8 10 12 14 LiÒu Canxi huyết thanh (mg/100ml) Liều Hình 1.7. Quan hệ liều lượng-đáp ứng được "độ hóa" đối với các chất dinh dưỡng thiết yếu: a. như vitamin hoặc nguyên tố vi lượng, b. của canxi 9
Vùng này của quan hệ liều lượng - đáp ứng liên quan với sự thừa. Chẳng hạn người ta thấy thừa vitamin A gây độc gan, liều cao của selen có thể ảnh hưởng đến não và sự thừa estrogen có thể làm tăng sự rủi ro ung thư vú. Một ví dụ kinh điển về sự thiếu thừa canxi cũng được nêu ra ở đây (hình 1.7b). Từ đồ thị ta thấy có vùng nồng độ canxi giữa 9 và 10,5 mg/100ml huyết thanh là cần thiết cho chức năng bình thường (vùng nội cân bằng). Trong trường hợp nồng độ canxi giảm (do cơ thể không được cung cấp đủ vitamin D hoặc canxi) cơ thể gặp phải chứng chuột rút (bó cơ), mắc bệnh thiếu canxi. Ngược lại khi nồng độ canxi tăng lên trên mức bình thường, cơ thể mắc chứng suy thận, bệnh thừa canxi. Sự chết có thể xảy ra khi nồng độ canxi quá thấp hoặc quá cao. Nói chung, sự thiếu hoặc thừa các chất nội sinh chủ yếu đều gây độc cho cơ thể. Nói cách khác, chất nội sinh chúng có mối quan hệ liều lượng - đáp ứng hai mặt. Hiện tượng lưỡng tác Có một số chất độc không dinh dưỡng có thể tác động ảnh hưởng có ích ở các liều thấp nhưng lại tạo ra những ảnh hưởng có hại ở liều cao (lưỡng tác). Như vậy, trong sự vẽ độ thì liều lượng - đáp ứng trên một khoảng đủ rộng các liều, những ảnh hưởng lưỡng tác cũng sẽ tạo ra đường biểu diễn liều lượng - đáp ứng dạng U (hình 1.8). Những ảnh hưởng lưỡng tác có ích của chất được giả thiết xảy ra ở những liều tương đối thấp (đường B), một ngưỡng được vượt qua khi liều tăng và các ảnh hưởng lưỡng tác có hại xảy ra tăng như sự tăng liều lượng - đáp ứng điển hình thông thường (đường A). Sự tổ hợp các ảnh hưởng toàn bộ (đường B và đường A) sẽ cho đường biểu diễn liều lượng - đáp ứng tương tự như quan hệ liều lượng -đáp ứng cá thể riêng (đường C) đối với các chất dinh dưỡng thiết yếu trong hình 1.7. Ta có thể lấy thí dụ về hiện tượng lưỡng tác này đối với rượu. Sự tiêu thụ rượu trường diễn như ta biết sẽ làm tăng rủi ro ung thư thực quản, ung thư gan và xơ gan ở các liều tương đối cao, và sự đáp ứng này là liên quan liều (đường A hình 1.8). Tuy nhiên, cũng có những bằng chứng về lâm sàng và dịch tễ học cho thấy sự tiêu thụ ít cho đến vừa phải rượu sẽ làm giảm tỉ lệ tác động ảnh hưởng chứng bệnh vành tim và sơ vữa mạch máu (đường B hình 1.8). Như vậy, khi tất cả các đáp ứng được đưa lên trục tung, đường biểu diễn liều lượng - đáp ứng dạng U sẽ nhận được (đường C hình 1.8). Trong thực tế ta còn gặp những quan hệ liều lượng -đáp ứng khác thường phức tạp hơn như chỉ ra ở hình 1.9. Ví dụ, sự ảnh hưởng của hóa chất đến sự tiết homon corticosteroit của vỏ thượng thận. Ở một liều ngưỡng thực (đúng) của hóa chất, cơ thể bắt đầu thể hiện sự tăng kích thích tiết corticosteroit. Tuy nhiên, ở những liều cao hơn một chút, đáp ứng bù trừ xảy ra nhờ đó sự tiết corticosteroit được giảm xuống để duy trì nội cân bằng trong cơ thể. Sự bù trừ quá mức có thể gây ra sự giảm tiết corticosteroit ở các 10
liều chất độc nào đó. Cuối cùng các khả năng bù trừ của cơ thể vượt qua bởi các liều cao của chất độc ở liều ngưỡng “giả” mà ở trên nó quan hệ liều lượng-đáp ứng chuẩn xảy ra B A A B g g n n ø ø p p ¸ ¸ § § é b C n µ o t g n ø p ¸ § LiÒu (mg/kg/ngµy) Hình 1.8. Quan hệ liều lượng-đáp ứng biểu thị các đặc trưng của lưỡng tác. ) 100 - % ( g n ø p ¸ § 50 - I II III 0 - LiÒu ng•ìng thùc LiÒu l•ìng t¸c LiÒu ng•ìng "gi¶" Hình 1.9. Quan hệ liều lượng-đáp ứng khác thường bao gồm đáp ứng tiếp theo là đáp ứng bù trừ. (I) Sự khởi đầu thực của các ảnh hưởng quay trở lại mức 0%. (II) Đáp ứng âm do sự bù trừ quá mức tiếp theo là sự phục hồi về mức ảnh hưởng 0%. (III) Quạn hệ liều lượng-đáp ứng dạng S chuẩn. 11
1.2.2. Sự đánh giá quan hệ liều lượng - đáp ứng So sánh các đáp ứng liều Hình 1.10 miêu tả đường biểu diễn liều lượng - đáp ứng nhảy cách giả thiết đối với ảnh hưởng mong muốn (có ích) của liều hiệu quả hóa chất (ED) như sự gây mất cảm giác (gây tê, gây mê trong phẫu thuật), liều độc (TD) như gây tổn thương gan, và liều chết (LD). Như được mô tả trên hình, sự song song thấy rõ giữa đường biểu diễn hiệu quả (ED) và đường biểu diễn sự chết (LD) nói lên có sự đồng nhất về cơ chế, có nghĩa là có thể kết luận rằng sự chết là sự tăng cường đơn giản ảnh hưởng trị bệnh. Kết luận này có thể chứng tỏ cơ bản là đúng trong bất kì trường hợp riêng, tuy nó không được đảm bảo chỉ trên cơ sở của hai đường song song. Sự cảnh báo tương tự cũng được áp dụng đối với cặp các đường biểu diễn hiệu quả song song hoặc bất kì cặp nào khác của sự độc hoặc sự chết. Đối với các hóa chất là thuốc chữa bệnh người ta luôn quan tâm đến ba liều này. ) è 7 - s 98 100 - - A n 90 o - ) c B § Þ 80 - % ¸ ( v 6 - ED p t n 70 - C Õ ø ¬ h n ® - 60 c g ( TD ( g 5 - LD - 50 g % n n 50 - ø ø ) - 40 p p ¸ - 30 ¸ § 4 - - 20 § - 10 3 - - 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - 2 20 100 200 800 0 - LiÒu (mg/kg) LiÒu (mg/kg), thang log Hình 1.10. So sánh liều hiệu quả (ED), Hình 1.11. Các đường biển diễn liều lượng- liều độc (TD) và liều chết )LD) -đáp ứng đối với 3 chất A, B, C Biên an toàn Hình 1.11 trình bày sự đa dạng khác nhau của các độ dốc có thể có khi các dữ kiện liều lượng - đáp ứng của những chất khác nhau (ở đây là các chất A, B, C) được vẽ đồ thị trên các hệ tọa độ.Độ dốc của đường biểu diễn liều lượng - đáp ứng là một chỉ số của “biên an toàn”. Biên an toàn là độ lớn của khoảng liều tính từ liều không ảnh hưởng đến liều chết (liều dưới ngưỡng đến liều ngưỡng). Từ đồ thị ta thấy đường biểu diễn của chất C có độ dốc nhỏ, độ lớn của khoảng liều này là lớn hơn chất B có độ dốc lớn hơn, còn đối với chất A có độ dốc lớn nhất khoảng liều này rất nhỏ (giữa liều không ảnh hưởng và liều chết không còn khác biệt mấy). Nói cách khác, hợp chất C có biên an toàn lớn hơn chất B và chất A. 12
Đối với các hóa chất là thuốc chữa bệnh người ta thường đặc biệt quan tâm đến mức độ an toàn và độc hại của chúng. Thuốc chữa bệnh thường là các hóa chất độc (thậm chí rất độc). Trong dược học biên an toàn là khoảng liều giữa liều gây chết và liều hiệu quả (hình 1.10). Biên an toàn này liên quan tới chỉ số trị bệnh (chỉ số điều trị) và nhận được bằng thực nghiệm như sau: Hai đường biểu diễn liều lượng - đáp ứng nhận được đối với một hệ sinh vật thích hợp như chuột. Một trong số hai đường biểu diễn này biểu thị các dữ liệu nhận được đối với ảnh hưởng trị bệnh của thuốc (đường ED hình 1.10) và đường biểu diễn thứ hai biểu thì các dữ liệu nhận được đối với ảnh hưởng chết của thuốc (đường LD hình 1.10). Biên an toàn hoặc chỉ số trị bệnh (TI) được biểu thị bằng tỉ số. TI = LD50 / ED50 Chỉ số trị bệnh của thuốc là sự biểu lộ gần đúng về sự an toàn tương đối của thuốc. Tỉ số càng lớn, độ an toàn tương đối của thuốc càng lớn. Như chỉ ra ở hình 1.10, ED50 là xấp xỉ 20, LD50 xấp xỉ 200 và TI = 10, biên an toàn lớn. Hình 1.10 chỉ ra nếu như đường chết LD được dịch về phía trái để tiền gần đến đường hiệu quả ED thì chỉ số trị bệnh trở thành tỉ số nhỏ hơn (dưới 10), biên an toàn sẽ giảm, chất như vậy được nói là tăng tính độc. Việc sử dụng các liều trung bình để tính chỉ số trị bệnh có thiếu sót vì các liều trung bình không nói được gì về độ dốc của các đường biểu diễn liều lượng - đáp ứng đối với các ảnh hưởng trị bệnh và độc (chết). Để khắc phục thiếu sót này người ta sử dụng ED99 đối với ảnh hưởng mong muốn và LD1 đối với ảnh hưởng không mong muốn và tỉ số LD1/ ED99 là sự đánh giá tiêu chuẩn nhất biên an toàn. Hiệu lực đối đầu hiệu quả Hiệu lực (ý nói là lượng hóa chất), hiệu quả (ý nói là đáp ứng gây ra). Để so sánh các ảnh hưởng độc của hai hoặc nhiều hơn hóa chất, liều lượng - đáp ứng đối với các ảnh hưởng của mỗi hóa chất phải được thiết lập. Sau đó người ta có thể so sánh hiệu lực và hiệu quả cực đại của hai hóa chất. Hình 1.12 biểu diễn các đường liều lượng - đáp ứng của bốn hóa chất khác nhau đối với sự thường xảy ra ảnh hưởng độc riêng (đặc thù) như sự tạo khối u. Chất A được nói là có hiệu lực hơn (có tác dụng mạnh hơn) so với chất B vì vị trí tương đối của chúng đọc theo trục liều. Cũng như vậy C có hiệu lực hơn D. Hiệu quả cực đại phản ảnh giới hạn của quan hệ liều lượng - đáp ứng trên trục đáp ứng. Chất A và B có hiệu quả cực đại bằng nhau, trong khi đó hiệu quả cực đại C nhỏ hơn so với hiệu quả cực đại của D. 13
) 7,0 - è s § n ¸ o A B D p c ø Þ n v g n ( ¬ % ® 5,0 - ( C ) g n ø p ¸ § 3,0 - LiÒu (mg/kg), thang log Hình 1.12. Sơ đồ biểu thị đường biểu diễn liều lượng-đáp ứng của bốn hoá chất (A-D) miêu tả sự khác nhau giữa hiệu lực và hiệu quả. Tiêu chuẩn được sử dụng để đánh giá hiệu lực (độc tính so sánh) của hai chất là quan hệ của liều cần thiết để xẩy ra ảnh hưởng bằng nhau. Thường người ta sử dụng giá trị của liều LD50 làm căn cứ để đánh giá so sánh (bảng 1.1) Bảng 1.1. Các liều LD50 gần đúng của một số tác nhân hóa học đại diện STT Tác nhân Động vật Đường xâm nhập LD50,mg/kg 1 Etanol Chuột nhắt Miệng 10.000 2 NaCl Chuột nhắt Màng bụng 4.000 3 FeSO4 Chuột Miệng 1.500 4 Morphin sunfat Chuột Miệng 900 5 Phenobarbital,muối natri Chuột Miệng 150 6 DDT Chuột Miệng 100 7 Picrotoxin Chuột Dưới da 5 8 Stricnin sunfat Chuột Màng bụng 2 9 Nicotin Chuột Tĩnh mạch 1 10 d- Tubocumarin Chuột Tĩnh mạch 0,5 11 Hemicholinium - 3 Chuột Tĩnh mạch 0,2 12 Tetrođotoxin Chuột Tĩnh mạch 0,1 13 Đioxin (2,3,7,8 - TCDD) Chuột lang Tĩnh mạch 0,001 14 Botulinum toxin Chuột Tĩnh mạch 0,00001 và để phân loại chất theo mức độ độc ta có: 14
STT Mức độ LD50, mg/kg 1 Độc đặc biệt 1 2 Độc cao 1 - 50 3 Độc vừa 50 - 500 4 Độc nhẹ 500 - 5000 5 Thực tế không độc 500 0 - 15000 6 Không độc > 15000 Hệ số độc tương đương Để đánh giá độ độc của hỗn hợp chất mà mỗi chất thành phần có độ độc khác nhau (chẳng hạn, đioxin/furan có tới 210 chất đồng phân, đồng loại và tương tự; PCB có 209 chất đồng phân và đồng loại) người ta phải thực hiện sự quy đổi nhờ sử dụng hệ số gọi là “hệ số độc tương đương” (bảng 1.2). Bảng 1.2. Hệ số độc tương đương của một số đồng phân, đồng loại và tương tự của đioxin/furan Hệ số độc tương TT Tên gọi Kí hiệu đương (đối với người, đ.v.có vú) 1 2,3,7,8- Tetraclo đibenzo-p-đioxin 2,3,7,8- TeCDD 1 2 1,2,3,7,8- Pentaclo - 1,2,3,7,8- PeCDD 1 3 1,4,2,3,7,8- Hexaclo - 1,4,2,3,7,8- HxCDD 0.1 4 1,6,2,3,7,8- Hexaclo - 1,6,2,3,7,8- HxCDD 0.1 5 1,9,2,3,7,8- Hexaclo - 1,9,2,3,7,8- HxCDD 0.1 6 1,4,6,2,3,7,8-Heptaclo - 1,4,6,2,3,7,8- HPCDD 0.01 7 1,4,6,9,2,3,7,8-Octaclo - 1,4,6,9,2,3,7,8-OCDD 0.0001 8 2,3,7,8- Tetraclo đibenzofuran 2,3,7,8- TeCDF 0.1 9 1,2,3,7,8- Pentaclo - 1,2,3,7,8- PeCDF 0.05 10 4,2,3,7,8- Pentaclo - 4,2,3,7,8- PeCDF 0.5 11 1,4,2,3,7,8- Hexaclo - 1,4,2,3,7,8- HxCDF 0.1 12 1,6,2,3,7,8- Hexaclo - 1,6,2,3,7,8- HxCDF 0.1 13 1,9,2,3,7,8- Hexaclo - 1,9,2,3,7,8- HxCDF 0.1 14 4,6,2,3,7,8- Hexaclo - 4,6,2,3,7,8- HxCDF 0.1 15 1,4,9,2,3,7,8- Heptaclo - 1,4,9,2,3,7,8-HpCDF 0.01 16 1,4,6,2,3,7,8- Heptaclo - 1,4,6,2,3,7,8- HpCDF 0.01 17 1,4,6,9,2,3,7,8- Octaclo - 1,4,6,9,2,3,7,8- OCDF 0.0001 15
Hệ số này được thiết lập bằng cách lựa chọn một chất trong số các chất thành phần làm chuẩn so sánh (thí dụ chọn chất độc nhất, trường hợp ở đây là 2, 3, 7, 8 – TCDD hoặc 1, 2, 3, 7, 8 – PeCDD) và gán cho giá trị 1 (hệ số độc tương đương là 1). Như vậy, hệ số độc tương đương của các chất còn lại sẽ là phân tử số của độc tính quy cho chất chuẩn. Độ độc của hỗn hợp được xem là tổng số độ độc của từng cấu tử thành phần và được gọi là tổng độ độc tương đương: n Tổng độ độc tương đương = Ci Fi i 1 Ci và Fi là nồng độ (mg/kg) và hệ số độc tương đương của cấu tử thành phần thứ i. 1.3. Các đặc điểm của phơi nhiễm Các ảnh hưởng độc trong hệ thống sinh học không xẩy ra bởi hóa chất trừ khi tác nhân hóa học hoặc các sản phẩm trao đổi chất của nó (sinh chuyển hóa) đạt tới các vị trí thích hợp ở trong cơ thể với một nồng độ và độ dài thời gian đủ để tạo ra sự biểu lộ độc. Nhiều hóa chất có tính độc tương đối thấp ở dạng ban đầu của nó, nhưng khi bị tác động bởi các enzim trong cơ thể được chuyển hóa thành dạng những chất trung gian cản trở các quá trình sinh lý và sinh hóa bình thường của tế bào. Như vậy, sự đáp ứng độc xẩy ra phụ thuộc vào các tính chất lí, hoá của tác nhân, vào tình trạng phơi nhiễm, vào sự tác nhân được trao đổi chất như thế nào ở trong cơ thể và hơn tất cả là tính nhạy cảm của hệ thống sinh học hoặc đối tượng. 1.3.1. Đường và vị trí phơi nhiễm Các đường chủ yếu để các tác nhân độc đạt tới các vị trí trong cơ thể là đường dạ dày - ruột (tiêu hóa), phổi (hô hấp), da (tầng trên da, biểu mô) và các con đường lây nhiễm cha mẹ khác. Các tác nhân độc nói chung ảnh hưởng lớn nhất và đáp ứng nhanh nhất là được đưa (tiêm) trực tiếp vào dòng máu (đường nội ven). Trật tự giảm dần gần đúng về tính hiệu quả đối với các đường khác nhau có thể là: thở, nội màng bụng, dưới da, nội cơ, nội bì, miệng và da. Các “tá dược lỏng” (vật liệu trong đó hóa chất được hòa tan) và các yếu tố diễn đạt khác có thể làm thay đổi đáng kể sự hấp thụ sau khi ăn, thở hoặc nhiễm qua da. Ngoài ra, đường tiếp nhận có thể ảnh hưởng đến độc tính của tác nhân. Ví dụ, một tác nhân được khử độc ở gan có thể hi vọng ít độc hơn (hoặc độc hơn) khi được đưa vào qua cổng phân phối (miệng) so với khi được đưa vào qua sự lan truyền toàn hệ thống (thở). Sự phơi nhiễm nghề nghiệp chất độc hầu hết là qua đường hô hấp và hoặc qua con đường tiếp xúc da, trong khi đó nhiễm độc tai nạn và tự sát hầu hết thường qua đường miệng. 16
Sự so sánh liều chết của chất độc theo các đường phơi nhiễm khác nhau thường cung cấp những thông tin có ích về qui mô và phạm vi của sự hấp thu. Trong những trường hợp khi liều chết theo đường miệng hoặc da tương tự liều chết theo đường nội ven thì có thể giả thiết là chất độc này được hấp thụ dễ dàng và nhanh. Ngược lại trong các trường hợp liều chết theo đường da cao hơn vài bậc độ lớn so với liều chết miệng, điều đó có lẽ chắc da cung cấp một rào cản hiệu quả đối với sự hấp thụ của chất độc. 1.3.2. Độ dài thời gian và tần suất phơi nhiễm. Các nhà độc học thường chia sự phơi nhiễm các động vật thí nghiệm đối với hóa chất thành bốn loại: nhiễm cấp, cận cấp, cận mãn và mãn (trường diễn). Sự phân loại này dựa vào độ dài thời gian và tần suất phơi nhiễm. Nhiễm cấp: Nhiễm cấp được định nghĩa là sự phơi nhiễm đối với hóa chất trong khoảng thời gian ít hơn 24 giờ (qua các đường nhiễm nội màng bụng, nội ven, tiêm dưới da; trực tiếp miệng, da). Nhiễm cấp thường là sự tiếp nhận liều đơn, sự phơi nhiễm lặp trong vòng 24 giờ cũng được chấp nhận đối với một số hóa chất độc nhẹ hoặc thực tế không độc. Sự nhiễm cấp theo đường hô hấp đối với sự phơi nhiễm liên tục trong vòng ít hơn 24 giờ, hầu hết thường 4 giờ. Sự phơi nhiễm lặp gồm ba loại nhiễm còn lại. Sự nhiễm cận cấp xem là sự nhiễm lập đối với hoá chất kéo dài trong vòng 1 tháng hoặc ít hơn, sự phơi nhiễm cận mãn là từ 1 đến 3 tháng và sự nhiễm mãn là trên 3 tháng. Sự phơi nhiễm mãn tính (nhiễm mãn) là sự nhiễm lặp kéo dài, nên còn gọi là sự nhiễm trường diễn. Đối với người thì độ dài thời gian và tần suất của sự nhiễm không được xác định rõ ràng như trong nghiên cứu đối với động vật. Các sự nhiễm ở nơi làm việc hoặc môi trường được mô tả như là nhiễm cấp (xẩy ra từ vụ việc hoặc tình tiết đơn lẻ), cận mãn (sự nhiễm lặp xẩy ra trong vài tuần hoặc 1 tháng), mãn (sự nhiễm lặp xẩy ra trong nhiều tháng hoặc nhiều năm). Một yếu tố liên quan đến thời gian quan trọng khác của sự phơi nhiễm lặp là tần suất phơi nhiễm. Quan hệ giữa tốc độ đào thải và tần suất phơi nhiễm được chỉ ra ở hình 1.13. Hóa chất A gây ra các ảnh hưởng nghiêm trọng với liều đơn có thể không có ảnh hưởng nếu liều tổng tương tự được chia nhỏ cho nhiễm cách quãng. Hóa chất B có thời gian bán thải (thời gian cần thiết để 50% hóa chất được đào thải khỏi máu) gần bằng tần suất liều, nồng độ độc lý thuyết 2 đơn vị không đạt được cho đến liều thứ tư, trong khi đó nồng độ này đạt được với chỉ hai liều đối với hóa chất A mà chất này có tốc độ đào thải chậm hơn so với khoảng cách thời gian áp liều (thời gian giữa mỗi liều lặp). Ngược lại 17
đối với hóa chất C tốc độ đào thải ngắn hơn nhiều so với khoảng cách thời gian áp liều, nồng độ độc ở vị trí ảnh hưởng độc không khi nào đạt được. LiÒu ®¬n LiÒu lÆp Kho¶ng nång ®é ®¸p øng ®éc u A A ª i t 4 - c ô m Ý r t Þ 3 - v ë é ® 2 - B B g n å N 1 - C C Thêi gian Thêi gian Hình 1.13. Hình ảnh biểu đồ quan hệ giữa liều và nồng độ ở vị trí mục tiêu dưới những điều kiện khác nhau của tần suất liều và tốc độ đào thải Đường A: hóa chất A có sự đào thải rất thấp (thời gian bán thải 1 năm). Đường B: hóa chất B có tốc độ đào thải bằng tần suất áp liều (ví dụ, 1 ngày). Đường C: tốc độ đào thải nhanh hơn với tần suất áp liều (ví dụ, 5 giờ). 1.4. Tính độc Tính độc về bản chất là ảnh hưởng không mong muốn gây ra cho loài sinh vật bởi hóa chất. Tính độc liên quan chặt chẽ với sự phơi nhiễm hóa chất của loài sinh vật và đặc tính của tác nhân hóa chất. 1.4.1. Tính độc cấp Tính độc cấp (hoặc độc cấp) có thể định nghĩa là tính độc được biểu hiện tức thời sau sự nhiễm thời gian ngắn hóa chất. Theo định nghĩa trên độc cấp bao gồm hai thành tố đi liền nhau: sự nhiễm cấp và ảnh hưởng cấp, nên tính độc cấp còn có thể định nghĩa là tính độc được biểu hiện như là kết quả của sự nhiễm thời gian ngắn đối với chất độc. Đặc điểm của độc cấp là ảnh hưởng tức thời, thời gian nhiễm ngắn, liều nhiễm đơn (cũng có thể là liều nhiễm lặp đối với một số trường hợp như là các hóa chất độc nhẹ hoặc thực tế không độc) và cao. Phạm vi tác động ảnh hưởng của độc cấp nói chung liên quan với tai nạn (như nổ nhà máy hóa chất, đổ tàu hỏa chở hóa chất ), sử dụng thiếu thận trọng thuốc nông dược, 18
ăn uống phải chất độc, vv Độ độc cấp của hóa chất được đánh giá định lượng bằng các liều LD50 (LC50), ví dụ được nêu trong bảng 1.3. Bảng 1.3. Sự đánh giá độ độc cấp của một số hóa chất đối với cá và động vật hoang dã Cá Chim/động vật có vú Hạng độc Chất ô nhiễm LC50 (mg/L) LD50 (mg/kg) >100 >5.000 Tương đối không độc Bari 10-100 500-5.000 Độc vừa Catmi 1-10 50-500 Rất độc 1,4-Điclobenzen < 1 <50 Cực độc Anđrin 1.4.2. Tính độc mãn Tính độc mãn (hoặc độc mãn, độc trường diễn) có thể định nghĩa là tính độc được biểu hiện chậm sau sự nhiễm thời gian dài hóa chất. Cũng có thể định nghĩa tính độc mãn là tính độc được biểu hiện như là kết quả của sự nhiễm thời gian dài đối với chất độc. Đặc điểm của độc mãn là ảnh hưởng chậm, thời gian nhiễm kéo dài, liều nhiễm lặp và đủ thấp (để ảnh hưởng cấp không thể hiện). các điểm nằm ở đầu dưới chết đường biểu diễn liều lượng -đáp ứng nói chung liên quan với độc mãn. Những điểm này liên quan đến sự sinh sản, miễn dịch, nội tiết và sự mất chức năng sinh trưởng. Tính độc mãn được đo bởi những điểm cuối (nói ở trên) như là mức cao nhất của hóa chất mà không làm biểu lộ tính độc trong quá trình phơi nhiễm kéo dài (mức ảnh hưởng không quan sát được), mức thấp nhất của hóa chất làm biểu lộ tính độc trong quá trình phơi nhiễm kéo dài (mức ảnh hưởng thấp nhất quan sát được) hoặc là “giá trị mãn” (hoặc còn gọi là mức độc cực đại chấp nhận được). “Giá trị mãn” được xác định như là trung bình theo hình của hai giá trị “mức ảnh hưởng không quan sát được” và “mức ảnh hưởng thấp nhất quan sát được”. Tính độc mãn của hoá chất thường được xem xét dựa vào “tỉ số cấp : mãn”, mà tỉ số này được tính bằng cách chia giá trị liều LD50 (LC50) mãn cho “giá trị mãn”: LD50 (LC50) Tỉ số cấp : mãn = Giá trị mãn Các hóa chất có “chỉ số cấp : mãn” nhỏ hơn 10 (thấp điển hình) không có tính độc mãn liên quan với chúng (bảng 1.4). 19
Bảng 1.4. Độc cấp và độc mãn của thuốc trừ sâu được đo từ sự nhiễm tại phòng thí nghiệm của loài cá. Thuốc trừ LD50 Độc cấp Giá trị mãn Chỉ số Độc mãn sâu (mg/L) (mg/L) cấp : mãn Enđosufan 166 Cực độc 4,3 39 Có Clođecon 10 Cực độc 0,3 33 Có Malathion 3.000 Rất độc 340 8,8 Không Carbaryl 15.000 Độc vừa 378 40 Có Theo một số tác giả "tỉ số cấp: mãn" thay đổi từ 1 đến trên 18000, mặc dù có tới 93 % hóa chất nghiên cứu có giá trị của tỉ số này khoảng 25. Tính độc cấp và mãn điển hình của hóa chất dễ dàng phân biệt. Ví dụ, sự chết xẩy ra trong vòng hai ngày của liều đơn hóa chất có thể là ví dụ rõ nhất của độc cấp. Tương tự, sự giảm thể trọng thấy rõ sau sự nhiễm liều liên tục (nghĩa là hàng ngày) của cơ thể cha mẹ có thể là sự biểu lộ độc mãn. Một ví dụ khác, sự biểu lộ độc cấp của benzen là làm suy giảm nhanh hệ thần kinh trung ương, còn sự nhiễm lặp lại kéo dài của benzen có thể gây độc tủy xương làm tăng sự rủi ro đối với ưng thư bạch cầu. Tuy nhiên, định nghĩa sự độc là cấp hoặc mãn đôi khi xung đột nhau: nhiễm độc là mãn, nhưng ảnh hưởng lại là cấp hoặc nhiễm độc là cấp, nhưng ảnh hưởng lại là mãn. Ví dụ, sự nhiễm độc mãn đối với hóa chất ưa mỡ bền vững (DDT, HCH, đioxin, PCB ) có thể xẩy ra sự tích tụ tạm thời ở một mức độ có ý nghĩa của hóa chất trong mô mỡ của cơ thể với sự không biểu lộ sự độc công khai. Khi vào thời kì sinh sản, cơ thể có thể huy động mỡ dự trữ, giải phóng hóa chất đi vào máu gây ra sự độc công khai bao gồm cả sự chết. Cuối cùng, sự độc cấp trong thời kì cửa mở nhạy cảm của sự nhiễm (nghĩa là sự phát triển bào thai) có thể gây ra sự sinh sản dị thường và sức sinh sản bị giảm ngay khi mà cơ thể có thể đạt được sự trưởng thành sinh sản. Như vậy, sự nhiễm cấp có thể gây ra sự độc mãn. 1.5. Cơ chế vận chuyển chất độc 1.5.1. Sự khuếch tán thụ động Hầu hết các chất độc đi qua màng nhờ sự khuếch tán đơn hạ građien nồng độ. Lực khởi động là građien qua màng. Quá trình khuếch tán có thể tiếp tục cho đến khi cân bằng, mặc dù trong thực tế luôn có sự chuyển động nhưng dòng thực là không. Kết quả là nồng độ của chất độc không ion hoá hoặc không liên kết (tự do) là như nhau ở mỗi bên cuả màng. Tính tan trong lớp kép lipit là quan trọng, và hệ số phân bố càng lớn thì nồng độ trong màng càng cao, và tốc độ khuếch 20
tán qua màng càng lớn. Đối với chất độc ion hoá nồng độ trạng thái ổn định (trạng thái cân bằng) phụ thuộc vào sự khác nhau về pH qua màng. Hầu hết các màng là thẩm thấu được tương đối với nước hoặc bằng sự khuếch tán hoặc bằng dòng chảy do sự khác nhau về thuỷ tĩnh hoặc thẩm thấu qua màng, và dòng thể tích của nước cũng có thể mang cùng với nó một ít các phân tử tan trong nước theo cơ chế này. Những chất này nói chung có phân tử khối nhỏ hơn 200. Mặc dù các ion vô cơ nhỏ và dễ dàng khuếch tán qua màng, bán kính ion hiđrat hoá của nó tương đối lớn. Trong những trường hợp này đòi hỏi sự vận chuyển tích cực (đòi hỏi cung cấp năng lượng). Các dòng ion đặc biệt cũng cần được kiểm soát bởi các kênh đặc biệt, điều này là quan trọng đối với thần kinh, cơ và sự chuyển tín hiệu. Phương trình định lượng tốc độ mà ở đó chất độc có thể được vận chuyển bằng sự khuếch tán thụ động có thể được miêu tả bằng định luật khuếch tán Frick dưới các dạng khác nhau sau: C / C  S S Tốc độ khuếch tán = o i a M1/ 2 d ở đây Co/Ci là građien nồng độ, M là phân tử khối của hoá chất khuếch tán, S là độ tan của hoá chất trong màng, Sa và d là diện tích bề mặt và chiều dày của màng, tương ứng, hoặc: D S P Tốc độ khuếch tán = a C (C – C ) d H L ở đây D là hệ số khuếh tán, Pc là hệ số phân bố, CH và CL là các nồng độ ở hai bên của màng (cao và thấp), tương ứng. 1.5.2. Động học bậc nhất Khi tốc độ của quá trình phụ thuộc vào hằng số tốc độ và građien nồng độ, quá trình động học tuyến tính hoặc bậc nhất sẽ được áp dụng: Tốc độ chuyển động của chất độc qua màng có thể được biểu thị như là sự biến đổi lượng của chất độc, A, (dA) hoặc nồng độ chất độc, C, (dC) trên đơn vị thời gian (dt), và nó bằng dA/dt. Phép tính có thể được sử dụng để biểu thị các tốc độ xảy ra tức thời trên một quãng thời gian rất nhỏ (dt), và tốc độ quá trình có thể được biểu thị chung là: dA = K An dt ở đây dA/dt là tốc độ chuyển động của hoá chất (X) (nghĩa là sự hấp thụ, phân bố, đào thải), K là hằng số tốc độ của quá trình, và n là bậc động học của quá trình vận chuyển (ví dụ, sự hấp thụ). Giá trị của n = 1 (bậc nhất), n = 0 (bậc không). Như vậy phương trình tốc độ bậc nhất được viết như sau: 21
dA = K A1 = K A dt và phương trình tốc độ bậc không là: o = K A = K Thay tốc độ khuếch tán (định luật Frick) là dA/dt vào ta có: D S P = a C (A – A ) d 1 2 Khi chất độc đi qua màng, nó nhanh chóng bị rời khỏi ngăn nhận (ngăn B, hình 1.14) hoặc bằng hấp thụ vào dòng máu hoặc bị thải khỏi cơ thể. o o o o o o A o o o B o o o o o o o o o o o o o o Hình 1.14. Miêu tả građien nồng độ được sinh ra bởi chất độc đi qua màng từ diện tích A sang diện tích B Như vậy ta có A1 là lực khởi động ban đầu và nếu thay nó bằng A trong tất cả các phương trình, thì D S P = a C A d Nếu ta đặt K = (D Sa Pc)/d, thì vì A có mặt trong phương trình, nên n phải bằng 1, nghiã là ta có quá trình tốc độ bậc nhất. Định luật Fick của sự khuếch tán là quan trọng dể định lượng tốc độ của sự hấp thụ, phân bố và đào thải. Khi động học bậc nhất được duy trì, một quan hệ đơn giản tồn tại giữa hằng số tốc độ thấm qua, K và thời gian bán thấm, t0,5 (thời gian cần thiết để một nửa liều áp dụng thấm qua): 0,693 K = t 0,5 ở đây đơn vị của K là phần trăm biến đổi/đơn vị thời gian. 22
Chúng ta cũng có thể nhận được nồng độ của chất độc nếu biết thể tích hoặc thể tích phân bố, Vd, của ngăn chất độc A (khối) Vd (thể tích) = (khối/thể tích) 1.5.3. Sự vận chuyển màng được điều dẫn bởi chất mang Cơ chế này quan trọng đối với những chất thiếu tính tan lipit để có thể chuyển động qua màng dễ dàng bằng sự khuếch tán đơn giản. Nói chung, có hai loại quá trình vận chuyển được điều dẫn bởi chất mang đặc trưng: Khuếch tán dễ thụ động bao gồm sự chuyển động hạ građient nồng độ không nhập năng lượng. Cơ chế này có thể là chọn lọc cao đối với cấu trúc cấu hình đặc biệt, cần thiết để vận chuyển các hợp chất nội sinh mà tốc độ vận chuyển của chúng bằng khuếch tán đơn giản rất chậm, thí dụ như vận chuyển glucozơ vào máu Vận chuyển tích cực đòi hỏi năng lượng, và sự vận chuyển là đối lập lại nồng độ. Sự duy trì đối lập građien này đòi hỏi nhập năng lượng. Nó thường được kết đôi với các enzim sản sinh năng lượng (ví dụ ATPaza) hoặc với sự vận chuyển các phân tử khác (ví dụ Na+, Cl–, H+) sinh năng lượng khi chúng đi qua màng. Các ví dụ vận chuyển chất theo cơ chế này bao gồm levođopa được sử dụng để điều trị bệnh Parkinson, nó được hấp thụ nhờ chất mang thường vận chuyển phenylalanin; sắt được hấp thụ bởi chất mang đặc thù trong các tế bào cơ hồng tràng; canxi bởi hệ chất mang phụ thuộc vitamin D. Đối với sự vận chuyển được điều dẫn bởi chất mang, tốc độ chuyển động qua màng là không đổi, vì dòng phụ thuộc vào khả năng vận chuyển của màng và không phụ thuộc vào khối lượng của hoá chất được vận chuyển. Các quá trình này được miêu tả bởi phương trình động học bậc không: dX o = K X = Ko dt Ko là hằng số tốc độ bậc không và được biểu thị theo khối/thời gian. Trong quá trình vận chuyển được điều hoà bởi chất mang tích cực, tốc độ vận chuyển chất thường bằng K một khi hệ bị quá tải hoặc bão hoà. Ở các mức cận bão hoà, tốc độ là bậc nhất khởi đầu vì chất mang bị quá tải bởi chất độc (tốc độ chuyển động của hoá chất tỉ lệ với lượng chất hoặc liều), nhưng ở nồng độ thường gặp trong dược động học, tốc độ trở thành không đổi. Như vậy, khi liều tăng, tốc độ vận chuyển không tăng theo tỉ lệ đối với liều mà tăng với hằng số tốc độ phần (biểu thị phần hoá chất được vận chuyển trên đơn vị thời gian) trong quá trình 23
bậc nhất. Bảng 1.5 ở đây được giả thiết hằng số tốc độ bậc nhất là 0,1 (10% trên phút) và tốc độ bậc không là 10 mg/phút. Bảng 1.5. Lượng chất độc (mg) được vận chuyển trong một phút Chất độc đầu Tốc độ bậc nhất Tốc độ bậc không Khối lượng (mg) 1000 100 10 100 10 10 10 1 10 Trong trường hợp bậc nhất, các lượng này giảm kế tiếp (10% của 900 là 1\90, v.v ). Trong trường hợp bậc không, lượng chất được vận chuyển không thay đổi với thời gian (tốc độ vận chuyển không đổi). g n g ß n D ¼ h T ng h¼ g t «n Kh Khèi hoÆc nång ®é Hình 1.15. Đường biểu diễn miêu tả quan hệ tuyến tính (bậc nhất) và quan hệ không tuyến tính (bậc không) giữa dòng hoá chất đi qua màng và khối lượng hoặc nồng độ đầu của hoá chất. Đường biểu diễn trong hình 1.15 miêu tả sự vận chuyển thụ động (thẳng) đối với sự vận chuyển được điều dẫn bởi chất mang (không thẳng). Ở các nồng độ tương đối thấp của hoá chất, các quá trình được điều dẫn bởi chất mang có thể xuất hiện là bậc nhất vì các chất mang protein còn chưa bị bão hoà. Tuy nhiên ở các nồng độ cao hơn, tính chất bậc không trở nên rõ ràng. 1.6. Động học độc chất Động học độc chất liên quan đến sự mô hình hoá và mô tả toán học tiến trình thời gian của sự bố trí (hấp thụ, phân bố, biển đổi sinh học và bài tiết hoặc đào thải) của các chất lạ trong toàn bộ cơ thể. 24
Cơ sở để xây dựng động học độc chất là dựa vào những thông tin về sự hấp thụ, phân bố, trao đổi chất và đào thải, thu thập được bằng lấy mẫu máu hoặc sinh chất suốt thời gian và giả thiết rằng nồng độ của chất trong máu hoặc sinh chất là trong cân bằng với nồng độ trong mô, khi đó sự thay đổi nồng độ hoá chất trong sinh chất phản ảnh sự thay đổi nồng độ hoá chất ở trong mô, và các mô hình động học tương đối đơn giản có thể đủ để miêu tả tính cách của hoá chất đó ở trong cơ thể. Đó là các mô hình ngăn, gồm ngăn trung tâm đại diện cho sinh chất và mô, sinh chất và mô này nhanh chóng cân bằng với hoá chất, và được nối với một hoặc nhiều hơn các ngăn ở phạm vi xung quanh biểu thị cho các mô mà sự cân bằng với hoá chất chậm hơn. 1.6.1. Mô hình một ngăn Sự phân tích động học độc chất cần thiết phải đo nồng độ chất lạ của sinh chất ở một số thời điểm sau khi tiến hành tiêm vào trong tĩnh mạch. ka k P e M Hình 1.16. P-sinh chất, M-môi trường bên ngoài, ka-hằng số tốc độ hấp thụ mạch ngoài bậc nhất vào sinh chất, ke-hằng số tốc độ đào thải bậc nhất từ sinh chất Nếu các dữ kiện thu được cho một đường thẳng khi xây dựng đồ thị logarit nồng độ - thời gian, thì động học của chất lạ được mô tả bằng mô hình một ngăn (hình 1.16). Sự tích luỹ của chất độc trong cơ thể có thể được mô tả bằng phương trình cân bằng khối và tốc độ thực của sự tích luỹ là hiệu số giữa tốc độ hấp thụ và tốc độ mất đi (đào thải): dC = k C – k C dt a M e P ở đây CP là nồng độ chất độc trong ngăn, CM là nồng độ trong môi trường xung quanh, ka, ke là hằng số tốc độ hấp thụ và đào thải tương ứng. Lấy tích phân phương trình trên ta có: k a k et CP = CM (1 – e ) k e ở đây CP là nồng độ chất độc trong ngăn ở thời điểm t Ở nồng độ thấp của chất độc, sự hấp thụ là quá trình bậc nhất và tốc độ tích luỹ tỉ lệ với nồng độ môi trường (hình 1.17). Khi nồng độ chất độc tăng, trạng thái bền (trạng thái cân 25
bằng) đạt được và tốc độ hấp thụ đạt tới tốc độ đào thải, nồng độ chất độc trong ngăn tiến tới đoạn bằng. Ở thời điểm này ka CM = ke CP dC và P = k C – k C = 0 dt a M e P Hệ lúc này ở trạng thái động học bậc không. c é ® t Ê ng h BËc kh« c ô h t BËc nh Êt vµ bËc p Ê kh«ng hçp hîp h é ® c è t T Ê h n c Ë B Nång ®é chÊt ®éc Hình 1.17. Tốc độ hấp thụ chất độc đối đầu nồng độ chất độc được miêu tả bằng động học bậc nhất và bậc không Sự kết thúc nhiễm chất độc xảy ra, tốc độ hấp thụ, ka CM, giảm tới không, và số hạng đào thải trở thành = – ke CP k et hoặc lấy tích phân, CP = Co e ở đây Co là nồng độ trong ngăn ở thời điểm bắt đầu của quá trình đào thải. Phương trình này có thể chuyển thành phương trình logarit có dạng chung y = ax + b: k log C = – e t + log C P 2,303 o đồ thị là đường thẳng (hình 1.18) có log Co biểu thị đoạn cắt trên trục y hoặc nồng độ ban k đầu, và – e biểu thị độ dốc của đường thẳng. Hằng số tốc độ đào thải bậc nhất (k ) 2,303 e có thể được xác định từ độ dốc của đường thẳng (nghĩa là ke = – 2,303 độ dốc) và có đơn vị là nghịch đảo thời gian (nghĩa là phút–1 hoặc giờ–1) và không phụ thuộc vào liều. 26
C0 p C g o l §é dèc = - ke /2,303 Thêi gian Hình 1.18. Động học đào thải chất độc từ mô hình một ngăn (sinh chất) Về toán học, phần còn lại của liều trong cơ thể qua thời gian, (C/Co) được tính dựa vào hằng số tốc độ đào thải bằng sắp xếp lại phương trình đối với hàm số mũ đơn và lấy đối log sẽ cho C k = đối log e t C o 2,303 Bảng 1.6. Sự đào thải của bốn liều khác nhau của hoá chất tại 1 giờ sau tiếp nhận như –1 được miêu tả bởi mô hình hở một ngăn và động học độc chất bậc nhất với ke0,3 giờ . Liều, mg Hoá chất còn lại, mg Hoá chất đã đào thải, mg Hoá chất đã đào thải, % liều 10 7,4 2,6 26 30 22 8 26 90 67 23 26 250 185 65 26 Như vậy, nếu hằng số tốc độ đào thải, ví dụ, 0,3 giờ–1, thì phần trăm liều còn lại trong cơ thể (C/Co 100) và phần trăm liều đã được đào thải từ cơ thể sau 1 giờ, nghĩa là 1 – (C/Co 100) là 74 và 26% tương ứng, bất kể liều được tiếp nhận như thế nào (bảng 1.6) Cách thuận lợi biểu thị thông tin động học độc chất bậc nhất là dạng thời gian bán thải sinh học (t0,5). Đó là thời gian để cơ thể đào thải một nửa lượng chất độc của cơ thể. Trong hệ ngăn đơn, nó là thời gian để Co giảm đi một nửa (nghĩa là, tại t0,5, C = Co/2), do đó C ln o = ln C – k t 2 o e 0,5 27
0,693 và t0,5 = k e Trong các cơ thể đa bào, mô hình một ngăn chỉ là trường hợp đặc biệt và chỉ là gần đúng trong những hoàn cảnh nào đó, ví dụ như khi chất độc còn lại không bị biến đổi trong dòng máu tuần hoàn và không (hoặc rất chậm) bị mô chiếm, hoặc khi mà chất độc được khuếch tán tự do khắp máu và mô không có rào cản khuếch tán giới hạn tốc độ nào. 1.6.2. Mô hình hai ngăn Khi hoá chất được đưa nhanh vào máu (chẳng hạn bằng tiêm ven), đường biểu diễn logarit nồng độ sinh chất - thời gian không phải là một đường thẳng mà là một đường cong, điều này nói lên có hơn một pha phân bố. Trong các trường hợp này hoá chất đòi hỏi một thời gian dài hơn để nồng độ của nó ở trong mô đạt cân bằng với nồng độ trong sinh chất, và sự phân tích đa ngăn các kết quả là cần thiết. Trường hợp đơn giản nhất là mô hình hai ngăn (hình 1.19). k12 P T k 21 ke Hình 1.19. Mô hình hai ngăn. P = sinh chất, T = mô, K12 = hằng số tốc độ bậc nhất phân bố hoá chất từ sinh chất vào mô, k21 = hằng số tốc độ bậc nhất phân bố hoá chất từ mô vào sinh chất, ke = hằng số tốc độ bậc nhất đào thải hoá chất từ sinh chất Phương trình vi phân của mô hình này là dC p = k C – k C – k C dt 21 T 12 p e p ở đây CP, CT là nồng độ hoá chất ở trong sinh chất và trong mô tương ứng; ke, k12, k21 tương ứng là hằng số tốc độ bậc nhất đối với sự đào thải, sự phân bố sinh chất vào mô và sự phân bố mô vào sinh chất. Tích phân cho – t –t CP = A e + B e k k  ở đây A, B là các hằng số tỉ lệ: A = C 12 , B = C 12 ; và  là các hằng số tổ o  o  hợp của k12, k21 và ke: +  = k12 + k21 + ke. 28
Đường biểu diễn logarit CP - thời gian cho một đường cong hai pha với hai phần đoạn thẳng, pha phân bố giảm nhanh với độ dốc và pha đào thải chậm với độ dốc  (nồng độ hoá chất trong sinh chất giảm nhanh hơn so với nồng độ hoá chất đào thải sau phân bố) (hình 1.20). Trong đường biểu diễn tích phân, phần đoạn đầu biểu thị cả hai phân bố và đào thải. Đường cong đào thải có thể được ngoại suy đến t = 0 và nó có thể được tách ra khỏi phần đoạn đầu để đặc trưng chỉ cho pha phân bố. A và B các đoạn cắt trục tung của các pha phân bố và đào thải tương ứng. Như vậy các giá trị , , A và B đều có thể nhận được bằng đồ thị và từ các giá trị này có thể xác định được k12, k21 và ke như sau: A B k = 21 A B k12 = +  – k21 (– ke)  ke = k 21 lnC0 ph©n bè vµ ®µo th¶i lnA C ph©n bè g o l ®µo th¶i lnB  Thêi gian Hình 1.20. Động học đào thải chất độc từ hệ hai ngăn. A, B = các đoạn cắt trục tung của các pha phân bố và đào thải; và  là các độ dốc của các pha phân bố và đào thải Đôi khi, sự định hình nồng độ sinh chất của nhiều hợp chất không thể miêu tả thoả mãn bằng mô hình hai ngăn, ví dụ hoá chất phân bố vào và ra rất chậm của các ngăn ngoại vi sâu hoặc mô, khi này đòi hỏi phải sử dụng các mô hình ba ngăn, bốn ngăn, ví dụ mô hình ba ngăn. C = A e– t + B e–t + C e–t Sự tính toán phức tạp hơn, không thể đề cập hết trong khuôn khổ của giáo trình này. 29
Thể tích phân bố Nếu liều chất độc tiêm vào máu của cơ thể được biết, ta có thể xác định được thể tích máu bị nhiễm chất độc bằng đo nồng độ chất độc sau khi cân bằng trong dòng máu nhưng trước khi phân bố đến các mô khác. Đối với mô hình một ngăn, thể tích phân bố Vd có thể được tính từ phương trình: LiÒu Vd = C0 ở đây Co là nồng độ chất độc ngoại suy ở thời gian không Đối với mô hình hai ngăn: Liều Vd =  AU C o ở đây  là hằng số tốc độ đào thải; AU C o là diện tích dưới đường cong biễu diễn nồng độ chất độc - thời gian (AUC) từ t = 0 tới vô hạn t = và được biểu thị bằng: A B AU = +  và tích  AU là nồng độ chất độc trong sinh chất. Bảng 1.7. Thể tích phân bố (Vd) đối với một số hoá chất được so sánh với các thể tích của các ngăn dịch thể. Hoá chất Vd (L/kg) Ngăn cơ thể Cloroquin 200 Đesmetylimipramin 40 Tetraxilin 1,3 0,6 Nước toàn thân Đigitoxin 0,5 0,27 Nước ngoại bào cơ thể Axit salixilic 0,15 0,045 Sinh chất Vd gọi chính xác là thể tích phân bố biểu kiến vì nó không có ý nghĩa sinh lí trực tiếp và lớn hơn thể tích thực của cơ thể. Độ lớn của Vd là đặc trưng hoá học và biểu thị phạm vi phân bố của hoá chất ra khỏi sinh chất đi vào các mô khác của cơ thể (bảng 1.7) Vd cao được thấy khi chất độc có ái lực cao đối với các mô (chất độc liên kết mạnh với protein và lipit trong mô). Ngược lại, các chất độc có các tính chất liên kết tồi (chủ yếu nằm lại ở sinh chất) sẽ có Vd thấp, tương đương thể tích của sinh chất. 30
Một khi Vd đối với chất độc được biết, nó có thể được sử dụng để xác định lượng chất độc còn lại ở trong cơ thể ở thời gian bất kì nếu nồng độ sinh chất của nó ở vào thời điểm đo được biết bởi quan hệ Xc = Vd Cp, ở đây Xc là lượng chất độc trong cơ thể và Cp là nồng độ chất độc của sinh chất. Dư lượng cơ thể tới hạn (mức tồn dư chết cơ thể) Mặc dù thông tin động học độc chất là quan trọng trong sự hiểu biết tính độc của hoá chất, nó chỉ được giới hạn xác đáng đối với độc học môi trường. Phần vấn đề được đặt ra là hầu hết các phép thử sinh học tính độc với sự áp dụng các điều kiện thực tế là dựa vào nồng độ hoá chất trong môi trường nhiễm hơn là liều. Các phép thử sinh học theo liều trong thực tế có thể không phản ánh con đường thực của sự ô nhiễm môi trường (ví dụ, chất độc được hấp thụ từ thực phẩm, bụi hoặc từ môi trường nước). Từ đây dẫn đến một khái niệm gọi là mức tồn dư chết cơ thể, được sử dụng để xác định tính độc môi trường nước. Mức tồn dư chết cơ thể được sử dụng trong sự kết hợp với mô hình động học độc chất bậc nhất để xác định các giá trị LC50 từ các thông tin nhiễm. Ví dụ, trong trường hợp mà ở đây sự hấp thụ hoá chất chủ yếu là từ thực phẩm, đối với thời gian nhiễm được cố định t và nồng độ hoá chất C, sự sống sót có thể được biểu thị là e t S (t, C) = b C 1 LC 50(t) ở đây S(t, C) là sự sống sót thời gian t (ngày) ở nồng độ bên ngoài C (g/g trọng lượng khô),  là tỉ lệ chết tự nhiên, LC50 (t) là LC50 như là hàm số của t (g/g trọng lượng thực phẩm khô), b là độ dốc của hàm sống sót. Sự hấp thụ chất độc có thể được miêu tả bằng phương trình hấp thụ - dào thải mô hình một ngăn. k1 D (t, C) = = (1 – e k2t ) k 2 ở đây D (t, C) là nồng độ hoá chất (g/g trọng lượng khô) trong cơ thể sau sự nhiễm t ngày đối với b nồng độ không đổi C trong thực phẩm (g/g trọng lượng thực phẩm khô), –1 –1 k1 là hằng số tốc độ hấp thụ (ngày ) và k2 là hằng số tốc độ đào thải (ngày ). Trong trường hợp này, sự tương quan giữa thời gian và tính độc (độ độc) có thể được biểu thị là 31
LC 50 LC50 (t) = 1 e k 2t và LC50 = (k2/k1) (LBB) ở đây LBB là mức tồn dư chết cơ thể (g/g trọng lượng khô), LC50 là giá trị LC50 giới hạn (g/g trọng lượng khô), và LC50 (t) là LC50 (g/g trọng lượng khô) sau t ngày nhiễm. Trong mô hình này, giá trị LC50 giảm với sự tăng thời gian nhiễm cho đến khi nồng độ hoá chất trong cơ thể dạt tới cân bằng với nồng độ trong thực phẩm và LC50 đạt tới giá trị giới hạn. LBB có thể xác định như là tích của LC50 ngưỡng với hệ số sinh tập trung (hệ số sinh tích luỹ). Hiện nay, LBB được áp dụng chủ yếu đối với các điểm cuối nhiễm cấp, hoặc chết hoặc mê và một ít nhiễm mãn (các thí dụ đối với cá). 1.7. Cơ chế gây độc Phụ thuộc chủ yếu vào mức độ và đường phơi nhiễm,các hoá chất có thể ảnh hưởng có hại đến chức năng và cấu trúc của các sinh vật sống. Sự đặc trưng định tính và định lượng các ảnh hưởng độc hoặc có hại này là quan trọng để đánh giá sự nguy hại tiềm tàng gây ra bởi một hoá chất riêng. Nó cũng có giá trị để hiểu được các cơ chế ràng buộc đối với sự biểu hiện tính độc; đó là, chất độc đi vào sinh vật như thế nào, nó tương tác với cá phân tử đích ra sao, sinh vật liên quan với thương tổn như thế nào; Cơ chế gây độc chung giới thiệu ở đây là cơ chế độc hoá chất và là cơ chế tế bào: Cơ chế tế bào bao gồm 4 giai đoạn (hình 1.21): – Giai đoạn 1: phân phối chất độc từ vị trí nhiễm đến đích (mục tiêu tác động) – Giai đoạn 2: phản ứng của chất độc cuối cùng với phân tử đích (mục tiêu) – Giai đoạn 3: sự mất chức năng, thương tổn tế bào và những độc tính tạo ra. – Giai đoạn 4: Sự sửa chữa hoặc sự mất khả năng sửa chữa (phân tử, tế bào, mô); khi mất khả năng sửa chữa độc tính tạo ra. Có nhất nhiều con đường khác nhau có thể dẫn tới tính độc. Con đường chung là khi chất độc được phân phối tới mục tiêu của nó, phản ứng với nó, và sự mất chức năng hoặc thương tổn cấu trúc tạo ra, tự nó biểu lộ tính độc. Ví dụ, sự nhiễm độc bởi cá nóc, do tetrođotoxin. Sau khi ăn, chất độc này đạt tới mục tiêu là kênh Na+ điều hoà thế điện của các đơn tế bào thần kinh (giai đoạn 1). Sự tương tác của tetrođotoxin với mục tiêu 32
này (giai đoạn 2a) dẫn đến khoá các kênh Na+, ức chế hoạt động của các đơn tế bào thần kinh và cuối cùng làm tê liệt cơ vân. Không có cơ chế sửa chữa để có thể ngăn ngừa sự tấn công độc này. Chất độc 1 Phân phối 2A 2B Tương tác với phân tử đích Biến đổi môi trường sinh học 3 Mất chức năng, tổn thương tế bào Tính độc 4 Mất khả năng sửa chữa Hình 1.21. Sơ đồ các giai đoạn trong sự hình thành tính độc sau khi nhiễm hoá chất Đôi khi một chất ngoại sinh không phản ứng với phân tử mục tiêu riêng biệt mà ảnh hưởng mạnh đến vi môi trường sinh học gây ra làm mất chức năng phân tử, cơ quan tử, tế bào hoặc các tổ chức dẫn đến những tác động có hại.Ví dụ, 2,4-đinitrophenol, một axit mạnh tương đối, sau khi đi vào không gian chất nền cơ thể (giai đoạn 1), làm sụp đổ građien proton được điều khiển bên ngoài thuộc phía bên kia màng bên trong bởi sự có mặt của nó (giai đoạn 2b), gây ra sự mất chức năng của ti lạp thể (hô hấp tế bào) (giai đoạn 3), các triệu chứng biểu hiện ảnh hưởng độc như là chứng thân nhiệt cao, sự lên cơn (choáng, ). Con đường đầy đủ nhất dẫn đến tính độc bao gồm nhiều giai đoạn hơn như sơ đồ nêu ở trên (hình 1.21): phân phối, tương tác, mất chức năng tế bào gây độc, sửa chữa và khi các nhiễu loạn gây ra bởi chất độc vượt quá khả năng sửa chữa thì sự độc xảy ra. Sự hoại tử mô, ung thư và sự xơ hoá là các ví dụ về độc tính gây ra bởi hoá chất. 33
1.7.1. Giai đoạn 1: phân phối Chất độc sau cùng: Chất độc sau cùng là chất thực sự phản ứng với các phân tử mục tiêu. Nó có thể là hoá chất đầu (chất mẹ), có thể là các sản phẩm trao đổi chất của chất mẹ hoặc có thể là oxi hoặc nitơ hoạt động sinh ra trong quá trình sinh chuyển hoá của chất độc, và có trường hợp chính là các phân tử nội sinh. Ví dụ: – Chất ngoại sinh mẹ là chất độc sau cùng: Các ion chì, tetrođotoxin, TCDD, metylisoxianat, HCN, CO – Sản phẩm trao đổi chất là chất độc sau cùng: Chất mẹ Sản phẩm trao đổi Amygđalin HCN Asenat Asenit Floaxetat Floxitrat Etilenglicol Axit oxalic Hexan 2,5-Hexanđion Axetaminophen N-axetyl-p-benzoquinonimin CCl4 CCl3OO Benzo[a]piren (BP) BP-7,8-điol-9,10-epoxit – Các phần tử oxi hoặc nitơ hoạt động là sản phẩm sau cùng: Hiđroperoxit  HO Paraquat  O2 + NO – Các chất nội sinh là chất độc sau cùng: Sunfonamit  anbumin liên kết bilirubin  Bilirubin CCl3OO  axit béo chưa no  Gốc peroxyl lipit và Gốc ankoxyl lipit HO  protein  Cacbonyl protein Quá trình phân phối chất độc: Quá trình phân phối chất độc (giai đoạn 1) có thể tóm tắt trong sơ đồ (hình 1.22) Sự tích luỹ chất độc sau cùng ở vị trí mục tiêu của nó được thúc dẩy bởi các quá trình ở bên trái: hấp thụ, phân bố vào mục tiêu, hấp thụ lại và gây độc (sự hoạt hoá trao đổi chất) và bị cản trở bởi các quá trình ở bên phải: loại bỏ, phân bố khỏi mục tiêu, bài tiết và khử độc. 34
VỊ TRÍ NHIỄM Da, đường tiêu hoá, đường hô hấp, vị trí tiêm, nhau CHẤT ĐỘC Hấp thụ Loại bỏ PHÂN PHỐI Phân bố vào mục tiêu Phân bố khỏi mục tiêu Hấp thụ lại Bài tiết Gây độc Khử độc CHẤT ĐỘC SAU CÙNG PHÂN TỬ MỤC TIÊU Protein, lipit, axit nucleic, phức cao phân tử Hình 1.22. Quá trình phân phối chất độc là giai đoạn thứ nhất trong sự gây độc Sự phân phối – đó là sự chuyển động của chất độc từ vị trí tác động của nó. Trong quá trình di chuyển này chất độc chịu nhiều tác động khác nhau. Sự hấp thụ là sự chuyển hoá chất từ vị trí nhiễm đi vào máu nhờ sự khuếch tán qua các tế bào, các chất tan trong lipit hấp thụ dễ dàng hơn các chất tan trong nước. Tuy nhiên, trong quá trình chuyển từ vị trí nhiễm vào máu, chất độc có thể bị loại bỏ; chẳng hạn hoá chất từ ống tiêu hoá dạ dày ruột, phổi trước khi đi vào chỗ dừng trong cơ thể bởi hệ thống tuần hoàn, đầu tiên phải đi qua các tế bào niêm mạc của các cơ quan này. Niêm mạc đường tiêu hoá, phổi, gan có thể loại bỏ một phần đáng kể chất độc, ví dụ etanol bị oxi hoá bởi ancol hiđrogenaza trong niêm mạc dạ dày, morphin được loại bỏ bởi sự glucuronit hoá trong niêm mạc ruột, mangan được tách khỏi máu vào gan và bài tiết theo mật. Sự phân bố vào và khỏi mục tiêu: chất độc có trong máu trong quá trình pha phân bố đi vào không gian ngoại bào và có thể thấm vào tế bào bởi sự khuếch tán. Các chất tan trong lipit đi vào trong tế bào dễ dàng. Ngược lại, các chất ngoại sinh ion hoá được hoặc ưa nước bị hạn chế đi vào không gian nội bào và phân bố khỏi (di chuyển đi nơi khác), trừ khi thụ thể màng đặc biệt có sẵn để vận chuyển chúng đi vào tế bào. Sự hấp thụ lại: các chất độc được phân phát vào các ống thận có thể khuếch tán ngược lại qua các tế bào 35
ống thận vào các mao quản ống bao quanh nhờ sự hấp thụ lại dịch ống; các chất độc được phân phát vào đường tiêu hoá bởi sự bài tiết mật và sự tiết bởi các tuyến nước bọt và tuyến tuỵ ngoại tiết có thể được hấp thụ lại bởi sự khuếch tán qua nội mạc ruột. Ngược lại, sự bài tiết là sự khử loại các chất ngoại sinh khỏi máu và sự quay lại của chúng vào môi trường. Các chất không bay hơi được bài tiết qua tuyến vú sau khi chất độc hoà tan mỡ sữa, qua mật, qua ruột; chất khí và lỏng bay hơi được bài tiết qua phổi. Sự bài tiết là cơ chế vật lí. Sự gây độc ngược với khử độc: phần lớn các chất ngoại sinh là chất độc trực tiếp, trong khi đó tính độc của những chất khác lại do những sản phẩm trao đổi chất của nó. Sự chuyển hoá sinh học thành các sản phẩm độc hại được gọi là sự gây độc. Trong quá trình phân phối hoá chất trải qua nhiều tác động, trong khi đó có sự sinh chuyển hoá. Các sản phẩm chuyển hoá độc có thể là các electrophin, gốc tự do, các nucleophin; một số ví dụ đã được nêu ở trên (chất độc sau cùng). Ngược lại, sự sinh chuyển hoá nhằm loại bỏ chất độc sau cùng hoặc cản trở sự hình thành của chúng được gọi là sự khử độc. Sự khử độc các chất độc không nhóm chức được tiến hành qua hai giai đoạn (đưa các nhóm chức phân cực vào phân tử và tạo sản phẩm liên hợp với các axit nội sinh). Sự khử độc các electrophin bằng sự liên hợp với glutathion nucleophin thiol. Sự khử độc các nucleophin bằng sự liên hợp với axit sunfuric, axit glucuronic. Sự khử độc các gốc tự do ( O 2 HOOH H2O nhờ các hệ enzim khác nhau; HO không có enzim nào khử độc được nó, vì vậy con đường tốt nhất để chống HO là ngăn cản sự tạo thành ra nó bằng cách khử chất tiền tạo của nó HOOH thành nước như ở trên). Sự khử độc các chất độc protein (nọc độc) nhờ các proteaza trong và ngoài tế bào, thioređoxin. Khi sự khử độc thất bại do nguyên nhân nào đó (chất độc vượt quá khả năng các quá trình khử độc, chất độc làm mất hoạt tính ngay các enzim khử độc, ), chất độc sau cùng được phân phối tới vị trí mục tiêu. 1.7.2. Giai đoạn 2: Phản ứng của chất độc sau cùng với phân tử mục tiêu. Tính độc điển hình được đánh giá nhờ phản ứng của chất độc sau cùng với phân tử mục tiêu, gây ra chuỗi các ảnh hưởng độc. Vì vậy cần xem xét kĩ lưỡng trên nhiều khía cạnh của phản ứng này (hình 1.23), bao gồm: các thuộc tính của phân tử mục tiêu, các kiểu phản ứng giữa các chất độc sau cùng và các phân tử mục tiêu. Sau cùng là xem xét đối với các tính độc không phải được khởi đầu bởi phản ứng của chất độc sau cùng với phân tử mục tiêu mà bởi sự làm thay đổi vi môi trường sinh học. 36
Thuéc tÝnh cña môc tiªu: TÝnh ph¶n øng TÝnh tiÕp cËn Chøc n¨ng tiªu chuÈn 1 HËu qu¶: Ph©n Lµm mÊt chøc n¨ng ChÊt ®éc tö 3 Ph¸ huû cÊu tróc sau cïng môc Sù h×nh thµnh tiªu antigen (kh¸ng nguyªn) míi 2 Kiểu phản ứng: Liên kết không cộng hoá trị Liên kết cộng hoá trị Bứt hiđro Chuyển e Phản ứng enzim Hình 1.23. Phản ứng của chất độc sau cùng với phân tử mục tiêu ở giai đoạn 2 trong sự hình thành tính độc. Các thuộc tính của phân tử mục tiêu Thực tế tất cả các chất nội sinh là các mục tiêu mạnh của chất độc, xong điển hình là những phân tử mục tiêu: các chất cao phân tử như các axit nucleic (đặc biệt là ADN) và các protein; các phân tử nhỏ như lipit màng, coenzim A, piriđoxal. Là mục tiêu, phân tử nội sinh phải có một khả năng phản ứng thích hợp và cấu hình không gian cho phép chất độc sau cùng đi vào các phản ứng cộng hoá trị hoặc không cộng hoá trị. Để các phản ứng xảy ra còn đòi hỏi phân tử mục tiêu phải có sự tiếp cận đủ để có một nồng độ cao của chất độc sau cùng, chẳng hạn các phân tử nội sinh ở vị trí kề gần nơi các chất hoá học hoạt động sinh ra. Mục tiêu đầu tiên của chất trao đổi trung gian hoạt động thường là các enzim hoặc các cấu trúc nội bào kề gần; chúng là các protein. Ví dụ thyroperoxiđaza, một enzim chịu trách nhiệm tổng hợp các homon tuyến giáp, chuyển hoá một số chất ngoại sinh nucleophin (như methimazon, amitron, resorxinol) thành các chất trao đổi gốc tự do hoạt động, mà chính các gốc tự do này làm mất hoạt tính của thyroperoxiđaza. Đó chính là cơ sở cho sự kháng giáp cũng như ảnh hưởng gây khối u tuyến giáp của các hoá chất này. Enzim cholinesteraza là phân tử mục tiêu của thuốc trừ 37
sâu cơ photpho cũng là một ví dụ. Trường hợp các chất trao đổi chất hoạt động không có khả năng tìm các phân tử nội sinh thích hợp ở gần vị trí tạo ra của chúng có thể khuếch tán đến khi chúng bắt gặp các phân tử nội sinh thích hợp. Ví dụ, các electrophin cứng như ion arylnitreni (sinh ra từ 2-axetyl aminofluoren), N, N-đimetyl-4-aminoazobenzen, phản ứng dễ dàng với nguyên tử nucleophin cứng trong axit nucleic, ADN. Các kiểu phản ứng Liên kết không cộng hoá trị: Kiểu liên kết này có thể tạo ra do các tương tác không cực hoặc tạo ra bởi các liên kết ion và hiđro, bao gồm sự tương tác của chất độc với mục tiêu như là các thụ thể màng, thụ thể bên trong tế bào, các kênh ion và một số enzim. Ví dụ, sự liên kết stricnin vào thụ thể glixin ở các nơron vận động trong dây thần kinh sống lưng, TCDD vào thụ thể aryl hiđrocacbon, saxitoxin vào các kênh Na+, phorbol este vào protein kinaza C và varfarin vào ređuctaza 2,3-epoxit vitamin K. Những lực như vậy cũng thể hiện đối với sự xen vào giữa của các hoá chất như vàng acriđin, đoxorubixin vào vòng xoắn kép của ADN. Các hoá chất này độc vì sự sắp xếp không gian các nguyên tử của chúng cho phép chúng kết hợp với các vị trí một cách hoàn chính trên phân tử nội sinh ít hoặc nhiều giống chìa khoá lồng vào ổ khoá. Liên kết cộng hoá trị Liên kết cộng hoá trị, thực tế là không thuận nghịch, đóng vai trò quan trọng lớn độc học vì nó làm biến đổi lâu dài phân tử nội sinh. Sự hình thành sản phẩm cộng hoá trị là phổ biến với các chất độc electrophin như các electrophin không ion và ion và các cation gốc. Các chất độc này phản ứng với các nguyên tử nucleophin có vô số trong các cao phân tử sinh học, như là các protein và các axit nucleic. Các nguyên tử electrophin biểu hiện tính chọn lọc nào đó đối với các nguyên tử nucleophin tuỳ thuộc vào tỉ số điện tích / bán kính. Nói chung, các electrophin mềm thích hợp phản ứng đối với nucleophin mềm (tỉ số điện tích / bán kính thấp trong cả hai), trong khi đó các electrophin cứng phản ứng dễ dàng hơn với nucleophin cứng (tỉ số điện tích / bán kính cao trong cả hai). Các ví dụ xem ở bảng 1.8. Các ion kim loại như Ag và Hg được phân loại là các electrophin mềm. Các ion Li, Ca, Ba là các electrophin cứng. Các ion Cr, Zn, Pb rơi vào giữa. Các gốc tự do trung tính HO , NO2, Cl3C có thể liên kết cộng hoá trị vào phân tử sinh học: sự cộng Cl3C vào nối đôi C=C trong lipit hoặc các gốc lipit tạo ra các lipit chứa axit béo clometyl hoá. Sự cộng HO vào ADN bazơ tạo ra sự hình thành rất nhiều sản phẩm, bao gồm 8-hiđroxipurin, 5-hiđroximetyl pirimiđin và thymin, xitosin glicol. 38
Bảng 1.8. Các ví dụ electrophin và nucleophin cứng và mềm. ELECTROPHIN NUCLEOPHIN Cacbon trong liên kết đôi phân cực Mềm Lưu huỳnh trong thiol (như mắt xích (như quinon, xeton chưa no , -) xistenyl trong protein và glutathion) Lưu huỳnh trong methionin Cacbon trong epoxit, lacton vòng có Nitơ trong nhóm amino bậc nhất, bậc sức căng, aryl halua hai của protein Aryl cacboni ion Nitơ trong các nhóm amino trong các bazơ purin trong axit nucleic Benzyl cacboni ion, nitreni ion Oxi của purin và pirimiđin trong axit nucleic Ankyl cacboni ion Cứng Photphat oxi trong axit nucleic Các chất độc nucleophin về nguyên tắc phản ứng với các hợp chất nội sinh electrophin. Các phản ứng như vậy xảy ra hiếm vì các phân tử sinh học hiếm khi là electrophin. Thí dụ, phản ứng cộng hoá trị của các amin và hiđrazit với anđehit – – piriđoxal, một đồng cơ chất đối với đecacboxilaza. CO, CN , HS , N 3 tạo liên kết cộng hoá trị phối trí với sắt trong các hemprotein. Các nucleophin khác phản ứng với hemoglobin theo phản ứng chuyển electron. Sự bứt hiđro Các gốc tự do có thể dễ dàng bứt các nguyên tử hiđro các chất nội sinh chuyển các hợp chất này thành gốc. Thí dụ sự bứt hiđro từ thiol (R-SH) tạo ra gốc thiyl (R- S ), gốc này là tiền chất của sự oxi hoá thiol khác cho các sản phẩm như axit sunfenic (R-SOH) và đisunfua (R-S-S-R). Các gốc có thể khử hiđro từ CH2 của axit amin tự do hoặc từ các mắt xích axit amin trong protein và chuyển hoá nó thành nhóm cacbonyl. Các cacbonyl này phản ứng với các amin tạo các liên kết ngang với ADN hoặc protein khác. Sự bứt hidro từ đeoxiribozơ trong ADN sinh ra gốc C-4 , là giai đoạn đầu của sự bẻ gẫy ADN. Sự bứt hiđro từ các axit béo tạo ra các gốc lipit và khởi đầu cho sự peroxi hoá lipit. Sự nitro hoá các mắt xích tyrosin trong các protein bao gồm sự bứt hiđro tiếp theo bằng liên kết cộng hoá trị giữa gốc tyrosyl tạo ra và NO2 (xem sơ đồ 1.24) 39
OH OH NO2 R R NO 2 HNO2 NO2 O OH R R Hình 1.24. Sự hình thành gốc 3-nitrotyrosin trong protein bởi phản ứng với nitơ – đioxit ( NO2). NO2 là tác nhân nitro hoá được sinh ra từ ONOO (NO + O 2 ). Ngoài ra nó có ở trong khói thuốc lá, khí xả động cơ, Sự chuyển electron Các hoá chất có thể oxi hoá Fe(II) trong hemoglobin thành Fe(III) tạo ra methemo- globin. Nitrit có thể oxi hoá hemoglobin, trong khi đó N-hiđroxyl arylamin (như đapson hiđroxilamin), các hợp chất phenol (như 5-hiđroxi primaquin), và hiđrazin (như phenylhiđrazin) bị đồng oxi hoá với oxihemoglobin, tạo ra methelmoglobin và hiđro peroxit. Phản ứng enzim Một số ít toxin phản ứng enzim với những protein mục tiêu riêng. Thí dụ, rixin gây ra sự phân mảnh thuỷ phân ribosom, khoá sự tổng hợp protein. Một số toxin vi khuẩn xúc tác cho sự chuyển đối với ADP-ribozơ từ NAD+ đến các protein riêng. Các ảnh hưởng của chất độc đến phân tử mục tiêu Mất chức năng của phân tử mục tiêu Hầu hết các hoá chất ức chế chức năng của các phân tử mục tiêu. Ví dụ: atropin, curare, stricnin ngăn trở các thụ thể truyền thần kinh bởi sự tấn công của chúng vào các vị trí liên kết - phối tử hoặc cản trở chức năng các kênh ion. Tetrođotoxin và saxitoxin ức chế sự mở các kênh natri hoạt hoá thế màng thần kinh, trong khi đó DDT và thuốc trừ sâu piretroit lại cản trở sự đóng các kênh natri. Một số chất độc ngăn trở các chất vận chuyển ion, một số khác ức chế vận chuyển electron ti thể và rất nhiều ức chế enzim. Chức năng protein bị tổn thương hư hại khi cấu hình hoặc cấu trúc bị thay đổi bởi tương tác với chất độc. Ví dụ, sự hoạt động của các enzim protein tyrosin photphataza, 40
glixeranđehit 3-photphat đehiđrogenaza, bị hư hại bởi các hoá chất hoạt động thiol dẫn đến sản sinh tín hiệu lầm lẫn hoặc làm hư hại năng lượng tế bào và nội cân bằng. Các chất độc có thể cản trở chức năng rập khuôn của ADN. Ví dụ liên kết cộng hoá trị của aflatoxin B1 8,9-epoxit vào N-7 của guanin gây ra sự cặp đôi của sản phẩm cộng mang guanin với ađenin hơn là với xitosin, dẫn đến tạo ra mã không đúng và sự đưa axit amin không đúng vào protein. Phá huỷ phân tử mục tiêu Một số phân tử mục tiêu dễ bị phá huỷ sau sự tấn công của hoá chất. Ví dụ, các gốc tự do như Cl3COO và HO có thể khơi mào cho sự phân huỷ peroxi hoá các lipit bởi sự bứt hiđro khỏi các axit béo, dẫn đến bẻ gãy mạch cacbon. Một số ADN bị phân mảnh bởi chất độc. Ví dụ, sự gẫy sợi đơn điển hình gây ra bởi các gốc OH qua sự bứt H khỏi đeoxiribozơ trong ADN tạo ra gốc C 4 , tiếp theo bởi sự công O 2 . Sự tấn công các bazơ của ADN với OH có thể tạo ra sự hình thành imiđazol vòng–purin mở hoặc pirimiđin được thu nhỏ–vòng; điều đó ngăn cản sự sao chép ADN. Ngoài sự hình thành sản phẩm cộng, các chất độc làm biến đổi cấu trúc bậc nhất của các phân tử nội sinh bằng sự tạo liên kết ngang. Ví dụ, các electrophin hai nhóm chức như 2,5-hexađion, CS2, acrolein, 4-hiđroxinonenal và mù tạc nitơ tạo liên kết ngang các protein khung bào, các ADN, hoặc các ADN với protein. Sự hình thành kháng nguyên mới Trong khi liên kết cộng hoá trị của các chất ngoại sinh hoặc các sản phẩm chuyển hoá của chúng thường không ăn nhập với chức năng của hệ miễn dịch, thì một số protein bị biến đổi bởi chất độc gợi nhớ sự đáp ứng miễn dịch. Một số hoá chất (như đinitroclobenzen, penixilin, niken) có thể đủ hoạt động để liên kết với protein trực tiếp, một số khác có thể nhận được hoạt tính bởi sự tự oxi hoá đến quinon (như urushiol, chất gây dị ứng của cây trường xuân độc) hoặc bởi sinh chuyển hoá (như sinh chuyển hoá halothan bởi xitocrom P-450 thành electrophin trifloaxetat, CF3COCl), chất này liên kết như một hapten vào protein bề mặt tế bào và vi thể khác nhau trong gan, tạo ra sản phẩm kháng thể. Các tác nhân hoá chất là các nucleophin như các amin thơm, hiđrazin và thiol có thể bị oxi hoá bởi myeloperoxiđaza thành chất trung gian hoạt động liên kết vào các protein bề mặt các tế bào này, biến chúng thành các kháng nguyên. Chúng có thể bị tấn công bởi các kháng thể dẫn tới phá huỷ tế bào. Độc tính gây ra không bởi phản ứng với phân tử mục tiêu 41
Một số chất ngoại sinh không tham gia phản ứng với các phân tử mục tiêu nội sinh để gây ra tính độc mà thay vào đó làm thay đổi vi môi trường sinh học. Đó là các trường hợp: (1) hoá chất làm thay đổi nồng độ ion H+ trong pha nước sinh học như các axit và các chất bị sinh chuyển hoá thành axit (như etanol axit axetic, etilenglicol axit oxalic), cũng như các chất như 2,4-đinitrophenol, pentalophenol, chúng phân li proton phenol trong khuôn ti thể, do vậy làm tiêu tan proton građien điều hoà sự tổng hợp ATP; (2) các dung môi và chất tẩy rửa làm thay đổi hoá lí pha lipit trong màng tế bào và phá huỷ građien dung dịch vận chuyển ở màng, một quá trình quan trọng của các chức năng màng; (3) các chất ngoại sinh khác gây hại do chiếm các vị trí và không gian. Ví dụ: etilenglicol tạo ra các kết tủa không tan trong nước trong các ống thận; sunfonamit bao chiếm các vị trí liên kết bilirubin trên anbumin, gây ra độc tính bilirubin trong neonat; CO2 thay thế vị trí O2 trong không gian khoang phổi và gây ra ngạt. 1.7.3. Giai đoạn 3: Sự mất chức năng tế bào và các độc tính tạo ra. Mỗi tế bào trong sinh vật đa bào tiến hành các chương trình nhất định. Một số chương trình xác định số phận của tế bào (phân bào và biệt hoá) hoặc là sự chết theo chương trình. Các chương trình khác kiểm soát sự hoạt động đang tiếp diễn (hiện thời) của các tế bào được biệt hoá, xác định xem chúng tiết nhiều hoặc ít chất, xem chúng hiệp đồng hay nơi lỏng, chúng vận chuyển và trao đổi chất dinh dưỡng ở tốc độ thấp hay cao. Để điều hoà các chương trình tế bào này, các tế bào sở hữu các mạng tín hiệu (phiên mã, tải nạp, truyền thần kinh), các mạng tín hiệu này có thể được hoạt động hoặc mất hoạt hoá bởi các phân tử phát tín hiệu bên ngoài. Để thực thi các chương trình, các tế bào được trang bị các hệ thống sản xinh năng lượng, vận chuyển, động học, trao đổi chất, cũng như các nguyên tố cấu trúc được tổ chức thành các phức cao phân tử, màng tế bào, cơ quan tử; nhờ đó mà chúng duy trì tính toàn vẹn riêng của chúng (các chức năng nội) và giúp duy trì các tế bào khác (các chức năng ngoại). Các quá trình hình thành tính độc của giai đoạn ba trong cơ chê gây độc rất phức tạp, không thể miêu tả chi tiết trong giáo trình này, dưới đây chỉ đưa ra một tóm tắt sơ lược (hình 1.25). Hình 1.25 trình bày bản chất sự mất chức năng tế bào gây ra bởi các chất độc, mà không nhất thiết là hậu quả cuối cùng, tuỳ thuộc vào vai trò của phân tử mục tiêu chịu tác động. Nếu phân tử mục tiêu tham gia vào sự điều hoà tế bào (phát tín hiệu), sự mất điều hoà biểu hiện gen hoặc sự mất điều hoà chức năng đang tiếp diễn xảy ra là chủ yếu. Nếu phân tử mục tiêu tham gia vào sự duy trì nội bào, thì kết quả của sự mất chức năng có thể làm hư hại sau cùng sự sống sót của tế bào. Phản ứng của chất độc với các mục tiêu phục 42
vụ các chức năng ngoại bào có thể ảnh hưởng đến sự vận hành của các tế bào khác và hệ thống cơ quan hợp thành từ chúng. ẢNH HƯỞNG PHÂN TỬ MỤC TIÊU như là chất xác định ảnh hưởng Không phù hợp Sự mất điều hoà Phân bào sinh trưởng mới, quái thai biểu hiện gen Chết theo chương trình xoắn mô, quái thai Điều hoà Tổng hợp protein tế bào ví dụ, tăng sinh peroxisom (phát tín hiệu) Hoạt động thần kinh không phù hợp Sự mất điều hoà Rung động, co giật, co cứng, loạn chức năng tế bào nhịp tim Vai trò đang tiến triển Mê, tê liệt của phân Sa sút trí tuệ tử mục tiêu Hư hại Tổng hợp ATP tổn Điều hoà Ca2+ Sự duy trì nội bị thương Tổng hợp protein hư hại /chết tế Chức năng mao mạch Duy Chức năng màng bào trì tế bào Sự duy trì ngoại Hư hại chức năng của các hệ thống bị hư hại cơ quan hợp nhất, nghĩa là sự cân bằng huyết tố xuất huyết Hình1.25. Giai đoạn 3 trong sự hình thành tính độc: sự thay đổi chức năng điều hoà hoặc duy trì. 1.7.4. Giai đoạn 4: Sự sửa chữa và mất khả năng sửa chữa Sự sửa chữa Một lẽ đương nhiên, một khi cơ thể sinh vật gặp rủi ro, hư hại cần phải sửa chữa để tồn tại và phát triển. Các cơ chế sửa chữa được trình bày trên hình 1.26, bao gồm sự sửa chữa phân tử (protein, lipit, ADN), sửa chữa tế bào và sửa chữa mô. Sự sửa chữa phân tử được tiến hành bằng nhiều con đường khác nhau, ví dụ, phân tử ADN bị hư hại có thể được sửa chữa bằng sửa chữa trực tiếp, cắt bỏ, tái kết hợp. Sự sửa chữa tế bào bằng tăng phân bào của những tế bào còn sống sót để thay thế các tế bào đã bị mất. Sự 43
sửa chữa mô hư hại được tiến hành bằng tháo xả hết các tế bào bị hư hại nhờ sự chết theo chương trình của các tế bào bị hư được thúc đẩy nhanh, ngăn chặn sự hoại tử nguy hiểm hơn, và tái tạo lại mô nhờ tăng sinh. Sự mất khả năng sửa chữa Mặc dầu các cơ chế sữa vận hành ở các cấp độ phân tử, tế bào và mô, do các nguyên nhân khác nhau chúng thường thất bại để bảo vệ chống lại sự tổn thương, dẫn đến sự mất khả năng sửa chữa, và tính độc tạo ra từ sự mất sửa chữa này. SỰ SỬA CHỮA Phân tử Tế bào Mô Chết theo Tăng sinh Protein Lipit ADN chương trình Tế bào Khuôn ngoại bào Hình 1.26. Các cơ chế sửa chữa. Sự mất chức năng của các cơ chế này gây ra sự mất khả năng sửa chữa Một số kiểu tính độc liên quan đến sự sửa chữa thất bại gây những tổn thương nghiêm trọng nhất như là hoại tử, xơ hoá và ung thư hoá học. Sự hoại tử mô liên quan sự chết theo chương trình và tăng sinh tế bào. Sự xơ hoá liên quan đến sự chết theo chương trình và sự tăng sinh tế bào và sản xuất chất nền (khuôn). Sự ungthư hoá học liên quan đến sự thất bại sửa chữa ADN, sự thất bại tế bào chết theo chương trình và sự thất bại kết thúc tăng sinh tế bào. 1.8. Sự ô nhiễm môi trường Một môi trường không ô nhiễm có lẽ chỉ tồn tại nếu như loài người và những hoạt động của họ không có ở trên trái đất này và nếu như môi trường không bị ô nhiễm bởi các nguồn điểm tự nhiên như núi lửa và cháy rừng. Điều này nói lên sự ô nhiễm môi trường (không khí, đất, nước, thực phẩm) là do con người và thiên nhiên gây ra. 1.8.1. Sự ô nhiễm không khí Sự ô nhiễm không khí gây ra bởi các chất ô nhiễm khí và các chất ô nhiễm hạt 44
Chất ô nhiễm khí Các chất này là các khí ở điều kiện nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn cũng như các hơi được bốc hơi từ các chất lỏng hoặc rắn. Trong số các chất ô nhiễm khí được quan tâm nhiều nhất là cacbon monoxit (CO), hiđrocacbon, hiđrosunfua (H2S), nitơ oxit (NxOy ), ozon (O3), các chất oxi hóa khác và lưu huỳnh oxit (SxOy) và CO2 (Bảng 1.9) Bảng 1.9. Các chất ô nhiễm không khí chủ yếu, Nguồn và các ảnh hưởng Chất ô nhiễm Nguồn ảnh hưởng Ảnh hưởng Các lưu Các nhà máy năng lượng dùng Thành phần chủ yếu của sự lắng đọng huỳnh oxit, than, dầu, tinh luyện dầu, lò axit. Làm hư hại thực vật, vật liệu. Gây các hạt luyện kim, bếp dầu. kích ứng phổi, viêm phế quản mãn. Các nitơ oxit Sự phát thải của ô tô , xe máy. Phù nề phổi, làm suy yếu sự bảo vệ Các nhà máy năng lượng nhiên phổi; thành phần quan trọng của khói liệu hóa thạch mù quang hóa và sự lắng đọng axit. Cacbon Sự phát thải của xe động cơ. Liên kết với hemoglobin tạo monoxit Đốt nhiên liệu hóa thạch. Sự cacboxihemoglobin, độc, ngạt và chết. cháy không hoàn toàn. Cacbon đioxit Sản phẩm cháy hoàn toàn của Gây hiệu ứng nhà kính than, củi, nhiên liệu hóa thach. Ozon Sự phát thải của ô tô, khói mù Gây hư hại thực vật, kích thích phổi quang hóa Hidrocacbon, Khói mù, khói xăng, khói thuốc Đóng góp vào khói mù quang hóa. CxHy lá, các nguồn công nghiệp và tự Hidrocacbon thơm đa vòng gây ung thư nhiên. phổi Rađon Tự nhiên Gây ung thư Amiăng Mỏ amiăng Bệnh bụi phổi amiăng, ung thư phổi Các chất gây Phấn hoa, bụi nhà, bụi lông Hen, viêm mũi dị ứng động vật Asen Lò luyện đồng Ung thư phổi 45
Chất ô nhiễm hạt Các chất rắn hoặc lỏng mịn có thể tồn tại lơ lửng trong không khí gồm: Bụi : hạt tương đối lớn khoảng 100µm đường kính, tạo ra trực tiếp từ các chất sử dụng (như bụi than, bụi cát, bụi xi măng, tro, ). Khói bụi: các hạt rắn lơ lửng nhỏ hơn 1 µm đường kính, thường được giải phóng từ các quá trình luyện kim hoặc hóa học ( như bụi kẽm và chì oxit). Sương mù: các hạt nhỏ lỏng lơ lửng trong không khí có đường kính nhỏ hơn 2µm (như mù axit sunfuric). Khói mù: các hạt rắn với đường kính 0,05  1µm tạo ra từ sự cháy không hoàn toàn nhiên liệu hóa thạch. Son khí: hạt lỏng hoặc rắn kích thước < 1,0µm lơ lửng trong không khí hoặc trong khí khác. Các chất ô nhiễm hạt này thường hấp phụ hoặc hòa tan các chất vô cơ, hữu cơ khác Các nguồn sinh các chất ô nhiễm không khí. Các chất ô nhiễm tự nhiên (nguồn tự nhiên) Nhiều chất ô nhiễm được hình thành và được phát ra từ các quá trình tự nhiên. Núi lửa phun trào phát ra các vật chất hạt cũng như các khí như lưu huỳnh đioxit, hidrosunfua và metan, những đám mây như thế có thể tồn tại ở trên không một thời gian dài và phát tán ra xung quanh. Cháy rừng và đồng cỏ tạo ra những lượng lớn các chất ô nhiễm ở dạng khói, CO2 , CO, các nitơ oxit, các hiđrocacbon và tro bụi. Các trận bão bụi là nguồn chung của chất ô nhiễm hạt, và các đại dương tạo ra các son khí ở các dạng hạt của muối biển. Thực vật là nguồn chủ yếu sinh hiđrocacbon, phấn hoa, bảo tử, gây ra những vấn đề về hô hấp và các phản ửng dị ứng. Các chất ô nhiễm do con người Các chất ô nhiễm này chủ yếu được tạo ra từ ba nguồn chính.: đốt cháy, các quá trình công nghiệp, khai thác và khoan mỏ. Các chất ô nhiễm chính tạo ra từ sự đốt cháy nhiên liệu hóa thạch (than, xăng, dầu), rác thải,vv là tro bay, khói, các lưu huỳnh oxit, nitơ oxit cũng như CO và CO2 và nhiều chất độc hại khác. 46
Các lĩnh vực công nghiệp có thể phát ra nhiều chất ô nhiễm khác nhau liên quan đến các quá trình sản xuất của chúng như sản xuất axit (sunfuaric, nitric, axetic, photphoric), sản xuất các hóa chất, dung môi, chất dẻo, các khí (clo, amoniac) và các kim loại (đồng, chì và kẽm) 1.8.2. Sự ô nhiễm nước và đất Như ta biết nước bao phủ ba phần tư bề mặt trái đất (chưa kể nước ngầm) phần còn lại bao phủ bởi đất. Điều đó không có gì ngạc nhiên nước và đất được xem như là những bể chứa chủ yếu cho hơn 100.000 hóa chất do con người sản xuất ra, sử dụng và thải bỏ trên toàn cầu. Sự ô nhiễm nước và đất bởi hóa chất và những chất độc khác là những nguồn gây bệnh ngay cả đối với những nước đã phát triển. Các nguồn sinh các chất ô nhiễm nước và đất Nước mặt và đất có thể bị ô nhiễm bởi các nguồn điểm (như các cửa cống thải chất thải công nghiệp hoặc thành phố ra sông, sự tràn hóa chất hoặc tràn dầu, ) hoặc các nguồn không điểm (như cánh đồng từ đó các thuốc trừ dịch hại và phân bón được rửa trôi chảy ra sông). Các chất thải công nghiệp có khả năng tạo nên sự ô nhiễm lớn nhất của đất và nước. Các chất ô nhiễm công nghiệp bao gồm các chất thải hữu cơ như các dung môi, các chất hữu cơ tổng hợp, các chất thải vô cơ như các kim loại nặng và nhiều các chất khác. Bảng 1.10 nêu ví dụ về các kim loại nặng và một số nguyên tố độc hại có trong nước tự nhiên và nước thải. Các chất thải hộ gia đình và đô thị cả từ nước cống và chất thải hóa học không được xử lý trực tiếp thải ra sông, biển hoặc xử lý không triệt để là một nguồn chủ yếu khác của các chất ô nhiễm hóa học. Các chất hữu cơ, thuốc trừ dịch hại, phân bón, chất tẩy rửa và kim loại là những chất ô nhiễm có ý nghĩa được thải từ các vùng đô thị. Sự ô nhiễm đất và nước cũng có thể gây ra từ việc sử dụng các thuốc trừ dịch hại (trừ sâu, trừ cỏ, trừ nấm, trừ chuột ) và phân bón (đặc biệt là nitrat và photpho). Các thuốc trừ dịch hại bền vững (các hợp chất cơ clo như DDT, anđrin, đienđrin, clođan, ) rơi vào đất có khả năng di chuyển từ đất vào nước và nhờ vậy đi vào chuỗi thức ăn. Cũng bằng con đường tương tự thuốc trừ sâu, phân bón lọc qua đất hoặc dòng nước tưới tiêu hoặc nước mưa chảy vào hệ thống nước tự nhiên. Sự ô nhiễm từ các hợp chất dầu mỏ và các hóa chất phù trợ trong việc thăm dò, khai thác, chế biến dầu mỏ được quan tâm đặc biệt trong môi trường hiện nay. Có ít nhất hàng chục nghìn sự cố tràn dầu nghiêm trọng xảy ra trên khắp thế giới gây chết chim biển và ảnh hưởng đến đời sống các động vật gần bờ biển ( tôm, cua, nhuyễn thể hai vỏ, ). 47
Bảng 1.10. Một số kim loại nặng độc và một số nguyên tố độc trong nước tự nhiên và nước thải, nguồn và các ảnh hưởng. Nguyên tố Nguồn Ảnh hưởng Chì (Pb) Công nghiệp mỏ, xăng chì, than đá, Bệnh thiếu máu, bệnh thận, rối luyện kim, ống dẫn, ắc quy chì, đúc loạn thần kinh, bệnh gut, ảnh chì, que hàn, sơn, sản xuất hợp chất hưởng sinh sản, ung thư hóa học chứa chì. Thủy ngân Sự loại khí của vỏ trái đất, luyện Hg Gây độc thần kinh; viêm phổi, dạ (Hg) từ quặng, đốt than đá và dầu, chế tạo dày ruột non, thận, toàn trạng hư ắc quy, rơ le điện, đèn, điện cực, hỗn biến hống trám răng, tách vàng, sản xuất hóa chất chứa Hg. Catmi (Cd) Nấu luyện kim loại và chế tạo hợp Gây kích thích đường hô hấp, tiêu kim, đốt nhiên liệu hóa thạch, chế tạo hóa, gây hỏng thận, phá hủy các ắc quy, que hàn, bột màu sơn. mô và hồng cầu, gây ung thư. Crom (Cr) Nấu luyện kim loại, mạ kim loại, đốt Gây viêm da, đường hô hấp, gây nhiên liệu hóa thạch, rác thải thành kết tủa protein và ức chế hệ thống phố, sản xuất hóa chất chứa crom. men, gây ung thư phổi. Niken (Ni) Công nghiệp khai thác thác mỏ, sản Gây hen xuyễn, phá hủy mô, gây xuất hóa chất chứa niken, nấu luyện ung thư phổi, ung thư mũi. kim loại, đốt nhiên liệu hóa thạch, mạ kim loại. Bo (B) Đốt than đá, sản xuất thủy tinh, chất Ỉa chảy, gây phù nề phổi, làm tẩy rửa, phụ gia, chất thải công nghiệp. tăng tính thẩm mao mạch phổi. Flo (F) Đốt than, công nghiệp luyện thép, Gây sự canxi hóa khác thường luyện nhôm, sản xuất phân bón (phân xương và răng. Ở nồng độ cao phá lân), công nghiệp thủy tinh, gốm sứ, hủy tủy xương, phá hủy nhiễm săc xi măng. thể, gây đột biến (ung thư) Sự ô nhiễm nước ngầm Sự ô nhiễm nước ngầm chủ yếu bởi các hợp chất hữu cơ bay hơi (các dung môi chứa halogen và các sản phẩm dầu mỏ), amoni và các kim loại. Các hợp chất hữu cơ bay hơi được sử dụng một lượng lớn trong công nghiệp như tẩy dầu mỡ, giặt khô, sơn và 48
trong quân sự. Các sản phẩm dầu mỏ thường được chứa trong các bồn chôn dưới đất. Các bồn này bị ăn mòn làm chảy dầu hoặc tràn dầu ngấm xuống đất và đi vào nước ngầm. Các chất hữu cơ bay hơi nói chung có tính linh động cao, di chuyển nhanh vào nước ngầm. Amoni từ nguồn phân bón, các kim loại từ các mỏ hoặc từ các điểm ô nhiễm nhờ những dòng nhỏ nước trong đất được đưa tới tầng nước ngầm. Các hiđrocacbon chứa clo phân tử khối thấp cũng được tìm thấy trong nước thành phố (nước sinh hoạt) do việc sử dụng clo để khử trùng nước. Clo phản ứng với các chất hữu cơ trong nước tạo ra các trihalometan như clorofom và các hợp chất chứa halogen khác (tetraclo cacbon ,1.2- đicloetan, bromđiclo metan, đibromclometan, bromofom). Sự nhiễm độc axit các nguồn nước do các axit có mặt trong mưa hoặc nước tháo từ các mỏ cũng rất đáng quan tâm. Vì khả năng của chùng làm hạ thấp pH của nước tới các mức có hại, cũng như giải phóng các kim loại độc thành dung dịch nhờ hòa tan. 49
Chương 2 PHÂN LOẠI CHẤT ĐỘC VÀ CÁC ẢNH HƯỞNG ĐỘC 2.1. Phân loại, nguồn gốc, sự tồn lưu của chất độc trong môi trường 2.1.1. Phân loại chất độc Chất độc được phân loại theo nhiều cách khác nhau tuỳ thuộc vào sự quan tâm và đòi hỏi của nhà phân loại. Chẳng hạn theo cơ quan mục tiêu chịu tác động (chất độc gan, chất độc thận, chất độc thần kinh, ), theo ảnh hưởng độc (chất độc ung thư, chất độc đột biến, chất độc tổn thương gan), theo mục đích sử dụng (thuốc trừ dịch hại, dung môi, phụ gia thực phẩm, ), theo chất hoá học (chất độc vô cơ, chất độc hữu cơ),v.v Các cách phân loại đơn như trên không áp dụng được cho toàn bộ phổ các tác nhân độc. Trong giáo trình này chất độc được phân loại theo cách kết hợp cả tính chất hoá học và sinh học, và nguồn gốc. Chất độc vô cơ: – – Các khí độc và anion độc (CO, SO2, NOx, O3, CN , NO2 , NO3 , F ) Các kim loại nặng độc và asen (Pb, Hg, Cd, Cr, , As) Các nguyên tố phóng xạ (3H, 224Ra, 226Ra, 228Ra, 222Rn, 90Sr, 131I) Chất độc hữu cơ: Theo lớp chất: Hiđrocacbon, hợp chất cơ clo, hợp chất cơ photpho, Theo nguồn gốc: chất độc vi sinh (aflatoxin, tetrođotoxin, ) Theo tác động ảnh hưởng: homon môi trường (bisphenol-A, n-nonylphenol, ) Ngoài ra, các tác nhân độc khác không phải hoá chất (bụi, âm thanh, ) được xem là các tác nhân độc độc lập, không xếp loại. 2.1.2. Nguồn gốc chất độc Rất nhiều chất ô nhiễm được hình thành và được phát ra qua các quá trình tự nhiên: núi lửa phun trào, cháy rừng và đồng cỏ, bão bụi, mưa gió sấm sét, từ thực vật và cây cối, từ hoạt động của thế giới vi sinh vật. Nguồn chủ yếu của các chất ô nhiễm môi trường là nguồn con người và được tạo ra từ ba nguồn chính sau: (1) các nguồn đốt cháy: đốt nhiên liệu hoá thạch (than, dầu); đốt rác thải; (2) các nguồn công nghiệp: sản xuất hoá chất (thuốc trừ dịch hại, dung môi, 50