BÀI GIẢNG 2: ĐỘC HỌC MÔI TRƯỜNG - ThS. Phan Thị Mỹ Hạnh

BÀI GIẢNG 2: ĐỘC HỌC MÔI TRƢỜNG

ThS. Phan Thị Mỹ Hạnh

Nội dung:

• Liều lƣợng – đáp ứng;

• Đƣờng cong Liều lƣợng – Đáp ứng;

• LC50, EC50

• NOEC, LOEC, MATC, AF

• Thời gian – nồng độ

• Ngƣỡng LC50

THÍ NGHIỆM ĐỘC HỌC (TOXICITY TEST)

 Đƣợc dùng để đánh giá nồng độ hóa chất và thời

gian phơi nhiễm đủ để gây ra ảnh hƣởng/phản hồi.

 Kết quả thí nghiệm là đồ thị biểu diễn tƣơng quan

liều lƣợng/nồng độ – đáp ứng.

 Mục tiêu: ƣớc lƣợng chính xác đến mức có thể

khoảng nồng độ gây ra những phản hồi có tính

định lƣợng, quan sát đƣợc của 1 nhóm sinh vật thí

nghiệm trong điều kiện phòng thí nghiệm.

LIỀU LƢỢNG/NỒNG ĐỘ - ĐÁP ỨNG DOSE/CONCENTRATION - RESPONSE

 Liều lƣợng/nồng độ: là đại lƣợng biểu diễn độ lớn sự

xuất hiện các tác nhân hóa lý hay sinh học.

Khối lƣợng/thể tích

Trọng lƣợng cơ thể hay diện tích bề mặt cơ thể

Đơn vị: • mg/kg/d, ml/kg (trọng lƣợng cơ thể); • mg/L (dung dịch), mg/kg (thức ăn), mg/m3 (không khí); • ppm, ppb

LIỀU LƢỢNG/NỒNG ĐỘ - ĐÁP ỨNG

 Đáp ứng/phản hồi (Response): là những phản ứng của

SV đối với các tác nhân kích thích. Khi tác nhân kích

thích là hóa chất (tác nhân gây độc), đáp ứng có tƣơng

quan với liều lƣợng/nồng độ.

 Phản hồi có thể là bất kì ảnh hƣởng nào đƣợc ghi nhận

(kích thích) có thể là bị bất động hay tử vong.

ĐỒ THỊ LIỀU LƢỢNG – ĐÁP ỨNG

ĐỘ DỐC & NGƢỠNG ĐỘC

 Độ dốc (slope): là 1 chỉ số biểu thị độ nhạy của SV thí

nghiệm. Độ dốc càng lớn thì độ nhạy càng cao.

 Ngƣỡng độc (threshold): liều lƣợng chất độc thấp nhất

gây ra ngộ độc.

 Ngƣỡng độc khác nhau ở các loài SV khác nhau và ở

những môi trƣờng khác nhau. Ví dụ: cùng 1 chất độc

nhƣng ngƣỡng độc của ngƣời khác động vật, thực vật,

và vi sinh vật.

THÍ NGHIỆM ĐỘC HỌC – THỦY SINH VẬT

 Cho SV thí nghiệm tiếp xúc không trực tiếp với hóa chất

bằng cách pha hóa chất đó vào môi trƣờng nƣớc nơi SV

sinh sống.

 Nồng độ thí nghiệm (mg/L, g/L)

 SV đƣợc cho tiếp xúc với các giá trị nồng độ khác nhau

 pha loãng.

Thí nghiệm độc cấp tính (acute toxicity test)

Thí nghiệm độc mãn tính (chronic toxicity test)

TIÊU CHUẨN CHỌN LỰA ĐÁP ỨNG/PHẢN HỒI

 Rõ ràng

 Dễ quan sát

 Ý nghĩa sinh học

 Đo đếm đƣợc

Theo truyền thống, đáp ứng/phản hồi đƣợc lựa chọn cho

các bƣớc đo đạc đầu tiên trong các thí nghiệm độc học

là số lƣợng “tử vong”.

Bất động; sinh sản; tăng trƣởng; khối lƣợng; số lƣợng loài; …

SV THÍ NGHIỆM (SV THỦY SINH)

cá giác đầu to Pimephales promelas

Tảo Desmodesmus subspicatus

Daphnia magna

SV THÍ NGHIỆM

THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM

LC50 = 100 mg/L

LC50

 LC50 (median lethal concentration): nồng độ

trung bình gây chết 50% động vật thí nghiệm trong

1 khoảng thời gian xác định. Đơn vị thƣờng là mg/l

thể tích dung dịch hóa chất.

 Khi phản hồi # tử vong

 EC50 (median effective concentration): nồng

độ trung bình gây ảnh hƣởng (hành vi, chức năng

sinh lý) 50% động vật thí nghiệm trong 1 khoảng

thời gian xác định.

ĐỘC CẤP TÍNH (SHORT-TERM TOXICITY TEST)

 Thí nghiệm độc cấp tính nhằm đánh giá độ độc của hóa chất lên

sinh vật thí nghiệm (SV thủy sinh) trong khoảng thời gian phơi

nhiễm ngắn đối với nhiều giá trị nồng độ khác nhau.

 Thời gian:

 24h hoặc 96h LC50;

 48h hoặc 96h EC50.

 Phản hồi:

 Cá: tử vong;

 ĐV không xƣơng sống: bất động;

 Tảo: tăng trƣởng.

ĐỘC MÃN TÍNH (LONG-TERM TOXICITY TEST)

 1 chất không gây độc cấp tính không có nghĩa là không có khả năng

gây độc.

 Thí nghiệm độc mãn tính nhằm đánh giá tác động có hại của 1 hóa

chất trong khoảng thời gian phơi nhiễm dài với nhiều giá trị nồng độ

khác nhau.

 Thời gian: toàn bộ vòng đời, khác nhau tùy theo từng loài SV thí

nghiệm.

 Trứng/hợp tử  phôi thai  nở  phát triển  trƣởng thành  sinh sản

 Cá: trứng đƣợc thụ tinh  trƣởng thành  sinh sản  trứng  trứng chín

 đẻ thành công  trứng nở thành công  ấu trùng/cá con  trƣởng

 21 ngày: bọ nƣớc Daphnia magna; 275 - 300 ngày: cá giác đầu to

thành  các giai đoạn khác của cuộc đời.

Pimephales promelas.

ĐỘC MÃN TÍNH

 Phản hồi:

 Tử vong (ít dùng);

 Tăng trƣởng;

 Sinh sản;

 Dị dạng; …

 Đại lƣợng đặc trƣng:

 NOEC (No Observed Effect Concentration): nồng độ không quan

sát thấy hiệu ứng, là nồng độ hóa chất cao nhất mà ở đó không quan

sát đƣợc 1 tác động có hại nào đối với SV thí nghiệm.

 LOEC (Lowest Observed Effect Concentration): nồng độ thấp nhất

gây ra hiệu ứng quan sát được, là nồng độ hóa chất thấp nhất gây ra

tác động có hại đối với SV thí nghiệm.

ĐỘC MÃN TÍNH

NOEC: nồng độ cao nhất không quan sát thấy hiệu ứng

LOEC: nồng độ thấp nhất gây hiệu ứng quan sát đƣợc

MỐI LIÊN HỆ ĐỘC CẤP TÍNH & ĐỘC MÃN TÍNH

 MATC (Maximum Acceptable Toxicant Concentration - Nồng độ cao

nhất chấp nhận đƣợc): là nồng độ ngƣỡng độc của 1 hóa chất đƣợc

ƣớc tính trong khoảng NOEC và LOEC.

 NOEC < MATC < LOEC

 MATC có thể đƣợc tính bằng trung bình cộng của NOEC và LOEC.

 AF (Application Factor – Yếu tố áp dụng): là 1 yếu tố dùng dự đoán

nồng độ độc mãn tính (hay nồng độ an toàn) của 1 hóa chất từ thí

nghiệm độc cấp tính.

 Ví dụ: 0.5 < MATC < 1.0 (mg/L); LC50 = 10 mg/L



AF (APPLICATION FACTOR)

 AF đƣợc dùng để ƣớc lƣợng MATC của 1 loài SV thủy sinh

mà các thí nghiệm độc mãn tính khó thực hiện đƣợc.

 Giả thuyết: AF của 1 loại hóa chất khá ổn định với 1 số loài

SV thí nghiệm.

 Giả sử yêu cầu ƣớc lƣợng MATC của 1 hóa chất đối với loài 2

khi biết AF của hóa chất đó trên loài 1 và LC50 loài 2.

 MATC2 = AF1 x LC502

ĐỘC CẤP TÍNH & ĐỘC MÃN TÍNH

Độc cấp tính

Độc mãn tính

Phần lớn là “tử vong”

Tiêu chuẩn thí nghiệm

Tác động # “tử vong”: tăng trưởng, sinh sản, …

Thời gian

Hơn 7 ngày (~ vòng đời)

Thường hơn 4 ngày (2 – 7 ngày)

ECx

LC50 hoặc EC50

Đại lượng đặc trưng

NOEC và LOEC

Tiêu chuẩn hóa

Cao; có nhiều nghi thức Ít; chỉ có vài nghi thức

Nghi thức

OECD, US EPA, ASTM và ISO

• Độ dốc

Log(C)

• Độ tin cậy

So sánh tƣơng quan phần

trăm tử vong & nồng độ hóa

chất của 2 hóa chất X và Z.

• có độ dốc khác nhau.

• có cùng giá trị LC50.

HÓA CHẤT NÀO ĐỘC HƠN?

THỜI GIAN PHƠI NHIỄM

 Thí nghiệm độc học: Đƣợc dùng để đánh giá nồng độ hóa chất và

thời gian phơi nhiễm đủ để gây ra ảnh hƣởng/phản hồi.

 Trong thí nghiệm độc cấp tính, SV thí nghiệm đƣợc cho phơi nhiễm

trong các khoảng thời gian khác nhau cho từng nồng độ phơi nhiễm.

 Ví dụ: trong thí nghiệm độc cấp tính: 24h, 48h,72h, 96h hoặc ít hơn.

 Đại lƣợng đặc trƣng:

 LT50 (Median Lethal Time): thời gian trung bình gây chết 50% động

vật thí nghiệm với 1 nồng độ phơi nhiễm xác định.

 ET50 (Median Effective Time): thời gian trung bình gây ảnh hƣởng

50% động vật thí nghiệm với 1 nồng độ phơi nhiễm xác định.

Ngƣỡng LC50 hay LC50 tiệm cận (threshold/incipient LC50) (ngƣỡng độc không phụ thuộc thời gian phơi nhiễm)

NGƢỠNG LC50 (THRESHOLD LC50)

 Là nồng độ mà tại đó 50% sinh vật thí nghiệm có thể

tồn tại trong 1 khoảng thời gian không xác định (vô

cùng). Hoặc:

 Là nồng độ gây chết 50% sinh vật thí nghiệm với thời

gian phơi nhiễm dài.

 Là đại lƣợng quan trọng để so sánh độc tính của 2 hóa

chất khác nhau.

So sánh 2 hóa chất A và B

• Tại thời điểm X;

• Tại ngƣỡng LC50.

HÓA CHẤT NÀO ĐỘC HƠN?

THÍ NGHIỆM ĐỘC SINH THÁI (ECOTOXICOLOGY TEST)  Đánh giá nồng độ hóa chất và thời gian phơi nhiễm đủ để gây ra

ảnh hƣởng/phản hồi lên cá, thực vật, và các SV hoang dã.

 Phƣơng pháp:

 TN Đơn loài (phòng TN):

 TN Đa loài (phòng TN/thực địa)  Ngoài tự nhiên

Daphnia magna

Tảo Desmodesmus subspicatus

cá giác đầu to Pimephales promelas

Các bậc dinh dƣỡng khác nhau Cấp tính Mãn tính

THÍ NGHIỆM ĐỘC SINH THÁI (ECOTOXICOLOGY TEST)

 Phƣơng pháp:

Đơn giản; TN cấp tính Đơn loài

Phức tạp; TN mãn tính Đơn loài & Đa loài

 SV Thí nghiệm:

 Sử dụng đa dạng loài vì độ nhạy của từng loài là khác nhau;

 SV phải có sẵn và dồi dào;

 SV phải đại diện cho mục đích nghiên cứu;

 SV phải quan trọng về giải trí, thƣơng mại và sinh thái;

 SV có thể tuân theo lịch trình bảo trì trong phòng TN;

 Những thông tin về SV nên đƣợc biết đến.

THÍ NGHIỆM ĐA LOÀI

TÓM TẮT

 Để đánh giá tính độc của 1 hóa chất, cần xem xét yếu tố LC50 và

LT50 (nồng độ và thời gian phơi nhiễm).

 Ví dụ:

 24h-LC50: nồng độ chất độc gây chết 50% SV thí nghiệm phơi nhiễm

trong 24 giờ.

 24h-LCx: nồng độ chất độc gây chết x% SV thí nghiệm phơi nhiễm

trong 24 giờ.

 24h-EC50: nồng độ chất độc gây ảnh hƣởng 50% SV thí nghiệm phơi

 Ví dụ: thí nghiệm độc sinh thái

 72h-EC50 thí nghiệm với tảo

 48h-LC50 thí nghiệm với Daphnia

 96h-LC50 thí nghiệm với cá

nhiễm trong 24 giờ.

TÍNH ĐỘC

 Nồng độ hóa chất;

 Thời gian tiếp xúc, phơi nhiễm;

 Đặc tính sinh học của SV (loài, cá thể: độ tuổi, sức khỏe, …);

 Đặc tính của chất độc. Ví dụ: Hg vô cơ ít độc hơn Hg hữu cơ.

CÁC ĐỊNH NGHĨA

 LC50 (median lethal concentration): nồng độ trung bình gây chết

50% động vật thí nghiệm trong 1 khoảng thời gian xác định. Đơn vị

thƣờng là mg/l thể tích dung dịch hóa chất.

 LD50 (median lethal dose): liều lƣợng trung bình gây chết 50%

động vật thí nghiệm. Đơn vị thƣờng là mg/kg động vật thí nghiệm.

 EC50 (median effective concentration): nồng độ trung bình gây

ảnh hƣởng (hành vi, chức năng sinh lý) 50% động vật thí nghiệm

trong 1 khoảng thời gian xác định.

 ED50 (median effective dose): liều lƣợng trung bình gây ảnh hƣởng

(hành vi, chức năng sinh lý) 50% động vật thí nghiệm.

CÁC ĐỊNH NGHĨA

 LT50 (Median Lethal Time): thời gian trung bình gây chết 50% động

vật thí nghiệm với nồng độ phơi nhiễm xác định.

 ET50 (Median Effective Time): thời gian trung bình gây ảnh hƣởng

50% động vật thí nghiệm với nồng độ phơi nhiễm xác định.

 NOEC (No Observed Effect Concentration): nồng độ không quan

sát thấy hiệu ứng, là nồng độ hóa chất cao nhất mà ở đó không

quan sát đƣợc 1 tác động có hại nào đối với SV thí nghiệm.

 LOEC (Lowest Observed Effect Concentration): nồng độ thấp

nhất gây ra hiệu ứng quan sát đƣợc, là nồng độ hóa chất thấp nhất

gây ra tác động có hại đối với SV thí nghiệm.

CÁC ĐỊNH NGHĨA

 LT50 (Median Lethal Time): thời gian trung bình gây chết 50%

động vật thí nghiệm với 1 nồng độ phơi nhiễm xác định.

 ET50 (Median Effective Time): thời gian trung bình gây ảnh hƣởng

50% động vật thí nghiệm với 1 nồng độ phơi nhiễm xác định.

 MATC (Maximum Acceptable Toxicant Concentration - Nồng độ

cao nhất chấp nhận đƣợc): là nồng độ ngƣỡng độc của 1 hóa chất

đƣợc ƣớc tính trong khoảng NOEC và LOEC.

 Ngƣỡng LC50.

 AF (Application Factor).

BÀI GIẢNG 3: ĐỘC HỌC MÔI TRƢỜNG

ThS. Phan Thị Mỹ Hạnh

Nội dung:

• Phân hủy sinh học

• Chuyển hóa sinh học

• Tích lũy sinh học

• Phóng đại sinh học

Nguồn thải

Vận chuyển

Chuyển hóa / Tích lũy

CÁC QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA

 Các chất độc hại khi thải vào môi trƣờng sẽ trải qua các quá trình chuyển hóa

thay đổi cấu trúc hóa học của nó.

 Chuyển hóa hay phân hủy 1 hóa chất là sự biến mất của các chất ban đầu

khỏi môi trƣờng bởi sự thay đổi cấu trúc hóa học của chất đó.

 Quá trình chuyển hóa gồm:

 Quá trình sinh học (biotic process):

Chuyển hóa SH (Biotransformation) Phân hủy SH (Bio-degradation) hay Khoáng hóa (Mineralization)

Vi sinh vật

 Quá trình phi sinh học (abiotic process)

 Thủy phân: phản ứng trực tiếp với nƣớc;

 Oxy hóa: quá trình vận chuyển electron từ hóa chất sang chất oxi hóa (chất

nhận e);

 Khử: ngƣợc lại của quá trình oxi hóa, electron đƣợc vận chuyển từ chất khử

sang chất bị khử;

 Quang hóa: do tƣơng tác với ánh sáng mặt trời.

C Ọ H H N S

N Â H P Y Ủ H T

H P H N R T Á U Q

QUÁ TRÌNH PHI SINH HỌC

OXI HÓA

 Quá trình oxi hóa?  Ví dụ: 1 số chất oxi hóa tồn tại trong môi trƣờng có khả năng

phản ứng tức thì với chất hữu cơ:  Gốc alkoxy (ROo);  Gốc peroxy (RO2 o);  Gốc hydroxyl (HOo);  Ozone (O3).

 Hầu hết các chất oxi hóa này là sản phẩm từ tƣơng tác giữa hóa

chất và bức xạ mặt trời trở thành phân tử năng động.  Thời gian bán hủy của sự oxi hóa các chất ở tầng đối lƣu:

 Alkane: 1 – 10 ngày;  Rƣợu: 1 – 3 ngày;  Vòng thơm: 1 – 10 ngày;  Halometan: 100 – 47.000 ngày.

QUÁ TRÌNH PHI SINH HỌC

KHỬ

QUÁ TRÌNH PHI SINH HỌC

QUANG HÓA

 Các hợp chất có thể bị phân hủy khi tƣơng tác với ánh sáng măt trời.  Quá trình quang hóa:

Bức xạ măt trời (ánh sáng, bao gồm tia UV) xuyên qua môi trƣờng nƣớc và không khí

Hóa chất hấp thụ hạt photon

Phản ứng hóa học

Năng lƣợng đƣợc chuyển đến vị trí hoạt động

QUÁ TRÌNH PHI SINH HỌC

QUANG HÓA

QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY SINH HỌC

 Nhờ vào chức năng của vi sinh vật.

 Phân hủy nhờ vi sinh đóng vai trò quan trọng.

 Hợp chất hữu cơ có đặc tính: bền vững với môi trƣờng  mỹ quan,

hệ sinh thái, sức khỏe con ngƣời.

 Bền vững  khả năng tích lũy sinh học.

Phân hủy hiếu khí: Phân hủy tối ưu hay Khoáng hóa

VSV

Chất hữu cơ

CO2, H2O

Phân hủy yếm khí

QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY SINH HỌC

 Tại sao chất hữu cơ bền vững với môi trƣờng?

 Cấu trúc hóa học:

 Hợp chất béo

 Hợp chất vòng thơm

 Điều kiện môi trƣờng xung quanh:

 Nhiệt độ

 Nguồn dinh dƣỡng

 pH

 Khả năng xảy ra phân hủy sinh học.

QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY SINH HỌC

QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA SINH HỌC

 Hai con đƣờng loại bỏ hóa chất khỏi cơ thể SV:

 Dạng nguyên thủy;

 Dạng chuyển hóa: Chuyển hóa sinh học  Chất mới đƣợc hình thành

 Định nghĩa: chuyển hóa sinh học là 1 quá trình với sự tham gia

của enzyme nhƣ 1 chất xúc tác nhằm chuyển đổi 1 xenobiotic

thành 1 chất khác.

 Chuyển hóa sinh học làm thay đổi độc tính của chất gốc:

 Độc hơn  hoạt tính sinh học (bioactivation/toxification)

 Ít độc hơn  khử độc (detoxification)

 Chuyển hóa sinh học thƣờng xảy ra trong gan. Tổng lỷ lệ chuyển

hóa sinh học xảy ra trong cơ có thể cao hơn.

TÍCH LŨY SINH HỌC (BIOACCUMULATION) TẬP TRUNG SINH HỌC (BIOCONCENTRATION) PHÓNG ĐẠI SINH HỌC (BIOMAGNIFICATION)

Là quá trình dẫn đến nồng độ hóa chất trong SV cao hơn trong môi trƣờng xung quanh (bao gồm phơi nhiễm qua thức ăn).

Đối với SV thủy sinh, tập trung sinh học là quá trình dẫn đến nồng độ hóa chất trong SV cao hơn trong môi trƣờng xung quanh (chỉ tính đến phơi nhiễm qua MT nƣớc).

Là quá trình tích lũy sinh học trong đó thức ăn là nguồn phơi nhiễm chính.

TÍCH LŨY SINH HỌC (BIOACCUMULATION)

 Môi trƣờng phơi nhiễm:

 Không khí;

 Đất;

 Nƣớc;

 Trầm tích.

 Quá trình xâm nhập của hóa chất vào cơ thể phụ thuộc

nhiều yếu tố: môi trƣờng và vật lý.

 Các sinh vật khác nhau có cơ chế xâm nhập và tích tụ

khác nhau.

TẬP TRUNG SINH HỌC (BIOCONCENTRATION)

 Sinh vật thủy sinh.

 Quá trình tích lũy SH: tiếp nhận & đào thải.

 Tập trung sinh học là kết quả của tiếp nhận và đào thải.

Quá trình tiếp nhận: chuyển hóa chất thông qua màng sinh học bởi chất trung gian là chất mang hay 1 chất tan. Bao gồm: • Khuếch tán bị động: chênh lệch nồng độ • Lọc • Chất mang trung gian • Thực bào & ẩm bào

Quá trình đào thải: giống các quá trình tiếp nhận và thêm các qt sau: • Tăng trƣởng • Sinh sản • Chuyển hóa sinh học

I

Í

Ả H T O À Đ & N Ậ H N P Ế T Ế H C Ơ C

C Ọ H H N S Y Ũ L H C T

CƠ CHẾ VẬN CHUYỂN QUA THÀNH TẾ BÀO & MAO DẪN

 Khuếch tán bị động: dựa trên sự chênh lệch nồng độ

 Thông qua cấu trúc phospholipid;

 Thông qua lỗ mang nƣớc để vận chuyển protein;

 Lọc: thông qua dòng chảy thủy tĩnh hoặc thẩm thấu.

 Thông qua chất mang trung gian (protein):

 Vận chuyển có trợ lực: không cần năng lƣợng

 Vận chuyển tích cực: cần năng lƣợng

 Thực bào & ẩm bào: màng tế bào bao quanh xenobiotic (cần

năng lƣợng).

 Thông qua kẽ hở giữa các tế bào: ví dụ mạch máu, ngoại trừ tế

bào thần kinh.

Hằng số tiếp nhận xenobiotic của 1 số SV thủy sinh

Cá hồi Cá hồi Cá hồi

0.12 – 0.5 0.003 – 0.12 3

SV thủy sinh Hằng số tiếp nhận (L/kg.d)

Cá hồi Cá hồi Cá hồi 20 – 50 200 – 450 200 – 450

Hợp chất Kim loại Cr Cd Cd + 1mM citrate Chất hữu cơ Phenol Halogenated phenols Polychlorinated biphenyls Kim loại hữu cơ Tributyltin Tributyltin Tributyltin Tributyltin Tributyltin Tributyltin Tributyltin Cá hồi Hào Con trai Sò Giáp xác Ốc Cua 4 – 30 75 – 1000 70 – 17290 250 70 – 1230 1.8 – 9.5 0.11 – 1000