Bài giảng Độc học môi trường - Chương 4: Độc chất trong môi trường nước - Nguyễn Thị Thu Hiền

CHƯƠNG 4: ĐỘC CHẤT TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 1 CHƯƠNG 4: ĐỘC CHẤT TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC 4.1. Tổng quan về chất độc trong môi trường nước 4.2. Quá trình trầm tích, phân tán và bay hơi ra khỏi môi trường nước của chất độc 4.3. Các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến độc tính 4.4. Độc chất trong môi trường nước sông (chủ yếu ở cửa sông) 4.5. Độc chất trong môi trường nước hồ (hiện tượng phú dưỡng hóa) 4.6. Độc chất trong môi trường nước biển (chủ yếu ven bờ, hiện tượng dư KLN, quá trình tích tụ sinh học, hoàn nguyên chu trình sinh địa hóa) 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 2 4.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘC CHẤT TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC „ Độc chất học trong môi trường nước là gì? Độc chất học trong môi trường nước (water ecotoxicology) là một môn khoa học nghiên cứu về số lượng và tính chất các tác động độc và có hại của hóa chất, các vật liệu nhân tạo và cả sinh cảnh lạ đối với các sinh vật thủy sinh cũng như người và động vật sử dụng nguồn nước đó. (GS.TSKH. Lê Huy Bá, Độc học môi trường cơ bản, NXB ĐHQG TPHCM) 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 3 4.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘC CHẤT TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC „ Tác động độc bao gồm:  Gây chết  Gây tổn thương Ví dụ: Tác động độc có thể tính dựa vào:  Làm rối loạn quá trình phát triển, sinh sản, các phản ứng vận động  Số lựơng cá thể bị chết, tỉ lệ trứng không nở, những thay đổi về chiều dài và trọng lượng, số lượng cá thể bị dị dạng 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 4 4.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘC CHẤT TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC Độc học môi trường nước còn liên quan đến nồng độ hay số lượng các hóa chất có thể tồn tại trong nước, trong bùn hay trong nguồn thức ăn.  Độc học môi trường nước bao gồm các nghiên cứu về sự di chuyển, phân bố, biến đổi và dạng tồn tại sau cùng của hoá chất trong môi trường nước.  là một lĩnh vực nghiên cứu đa ngành. 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 5 4.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘC CHẤT TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC  Cần phải hiểu rõ các tác nhân hóa học và lý học, sinh học có thể ảnh hưởng đến nồng độ hóa chất trong môi trường như thế nào nhằm hiểu rõ cơ chế hoạt động của một hợp chất có tính độc tiềm tàng trong môi trườngvà cơ chế phản ứng của môi trừơng, để đánh giá khả năng phản ứng của các thuỷ sinh vật. Trong đó: „ Tác nhân hóa học: sự thủy phân, sự quang phân, sự oxy hoá „ Tác nhân lý học: cấu trúc phân tử, tính tan, tính bay hơi, tính hấp thụ „ Tác nhân sinh học: sự biến đổi sinh học 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 6 4.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘC CHẤT TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC Môi trường nứơc rất đa dạng và phức tạp, bao gồm các hệ sinh thái khác nhau như sau: - sông, suối - ao, hồ - cửa sông - biển ven bờ và ngoài khơi đại dương. Trong mỗi hệ sinh thái này có rất nhiều thành phần vô sinh và hữu sinh. * Thành phần vô sinh: môi trường vật lý (nước, chất nền, vật liệu trầm tích) trong ranh giới của hệ sinh thái. * Thành phần hữu sinh: thực vật, động vật, vi sinh vật 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 7 4.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘC CHẤT TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC Các hệ sinh thái tham gia vào các mối tương tác phức tạp của các tác nhân lý, hóa và sinh học nên để hiểu và xác định một phản ứng cuả một hệ thống đối với một hóa chất nào đó là rất khó nếu như các mối liên hệ giữa các thành phần trong hệ thống đó không xác định được rõ ràng.  việc đánh giá lại càng phức tạp hơn do khả năng thích nghi của các thành phần hữu sinh và đa dạng loài trong hệ sinh thái đó và những khác biệt về các phản hồi cấu trúc và chức năng giữa các thành phần hữu sinh. 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 8 4.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘC CHẤT TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC Những khác biệt nhỏ trong môi trường vật lý và hóa học cũng như cấu tạo loài cũng gây ra những khác biệt lớn về độc tính của hoá chất và dẫn đến những tác động khác nhau trên hệ sinh thái.  các điều kiện cụ thể tại một vùng cụ thể phải được xác định trong việc đánh giá độ nguy hiểm tiềm tàng của độc chất. Cần lưu ý: hệ sinh thái dưới nước có thể trở thành nơi tiếp nhận của nhiều loại hóa chất khác nhau mà các loài sinh vật sống trong môi trường này chắc chắn sống ngập trong nước suốt cuộc đời chúng. 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 9 4.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘC CHẤT TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC Các loại độc chất trong môi trường nước?  Chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học hoặc các chất tiêu thụ oxygen:  Các tác nhân gây bệnh  Chất dinh dưỡng thực vật  Các chất hoá học hữu cơ tổng hợp ‟ bền vững  Các chất hóa học vô cơ và khoáng chất  Chất phóng xạ 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 10 Các loại độc chất trong môi trường nước  Chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học hoặc các chất tiêu thụ oxygen: từ các cống nước thải sinh hoạt, chất thải công nghiệp, trại chăn nuôi. Nước bị ô nhiễm hữu cơ đòi hỏi một lựơng oxy cao cung cấp cho vi khuẩn để tự làm sạch  làm suy kiệt hàm lượng oxy hòa tan trong nước  dẫn tới làm chết tôm, cá sống trong nước. Ngoài ra, các sản phẩm từ sự phân hủy các chất hữu cơ còn có thể là các chất độc đối với sinh vật thủy sinh. 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 11 Các loại độc chất trong môi trường nước  Các tác nhân gây bệnh: Gồm các loài sinh vật lây nhiễm đựơc đưa vào nguồn nước qua con đường nước thải. Ví dụ: Vi khuẩn gây bệnh đường ruột (E.coli, fecal srteptococci), vi khuẩn gây bệnh thương hàn, tả, vàng da do xoắn khuẩn, sốt lâm sàng Trứng giun sán: giun móc, giun đũa, sán 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 12 Các loại độc chất trong môi trường nước  Chất dinh dưỡng thực vật: Là những chất dinh dưỡng của các loài thủy thực vật, chủ yếu là carbon, nitrogen, phosphor. Hàm lượng các chất này có thể gia tăng mạnh tại vùng nhận nước thải sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp. Khi có quá nhiều chất dinh dưỡng sẽ làm phát triển các loài thực vật nước, khi chúng chết đi sẽ gây ô nhiễm hữu cơ cho nguồn nước. 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 13 Các loại độc chất trong môi trường nước  Các chất hóa học hữu cơ tổng hợp – bền vững: Nguồn gốc: từ các chất tẩy rửa, thuốc trừ sâu, thuốc kích thích sinh trưởng, thuốc diệt cỏ, chất hoá học công nghiệp, chất thải từ các khu sản xuất Các hóa chất này có độc tính cao đối với sinh vật, gây ra mùi vị khó chịu và làm cản trở quá trình xử lý nước thải. Một số chất có độc tính cao chỉ với nồng độ rất thấp Một số chất lại có độc tính thấp nhưng có khả năng tích tụ và gây độc qua mạng lưới thức ăn. 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 14 Các loại độc chất trong môi trường nước  Các chất hóa học vô cơ và khoáng chất: Bao gồm: các kim loại nặng, các ion vô cơ, các khí hoà tan, dầu mỏ, các chất rắn và nhiều hợp chất hóa học khác. Nguồn gốc: từ công nghiệp khai thác mỏ, quá trình sản xuất, hoạt động của các dàn khoan dầu, sản xuất nông nghiệp, công nghiệp, các hiện tượng tự nhiên như xói mòn, phong hóa, lũ lụt Các hoá chất này làm ảnh hưởng đến quá trình làm sạch của nguồn nước, hủy diệt đời sống các loài thủy sinh, ăn mòn các công trình dưới nước. 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 15 Các loại độc chất trong môi trường nước  Chất phóng xạ: Hiện tựơng ô nhiễm phóng xạ bắt nguồn từ việc đào và khai thác mỏ quặng phóng xạ, hoạt động của các lò phản ứng hạt nhân, chất thải phóng xạ không được quản lý chặt chẽ. Các chất phóng xạ làm chết hoặc thay đổi di truyền, hoạt động trao đổi chất, quá trình sinh sản và phát triển của sinh vật. 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 16 Các loại độc chất trong môi trường nước Tóm lại: Các loại độc chất trong môi trường nước sẽ có cơ chế hoạt động phức tạp hơn khi tham gia vào môi trường với các phản ứng, tương tác qua lại giữa chúng với nhau và với môi trường. 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 17 4.2. Quá trình trầm tích, bay hơi, phân tán của độc chất trong môi trường nước „ Trong môi trường nước: nồng độ, sự di chuyển, biến đổi và độc tính của hóa chất bị kiểm soát bởi: „ (1) Các đặc tính lý học, hóa học của hợp chất „ (2) Các đặc tính lý, hóa, sinh học của hệ sinh thái „ (3) Nguồn và tỉ lệ của hoá chất trong môi trường 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 18 4.2. Quá trình trầm tích, bay hơi, phân tán của độc chất trong môi trường nước „ (1) Các đặc tính lý học, hóa học của hợp chất „ - cấu trúc phân tử, tính tan trong nước, áp suất bay hơi; „ - tính ổn định của sự thủy phân, quang phân, phân hủy sinh học, bốc hơi, hấp thu, thông khí, „ - sự tự làm sạch bởi các VSV „ - sự tham gia của các cặp môi trường (không khí ‟ nước, trầm tích bùn - nước) 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 19 4.2. Quá trình trầm tích, bay hơi, phân tán của độc chất trong môi trường nước „ (2) Một số yếu tố của môi trường nước ảnh hưởng đến độc tính của hóa chất như:  Thể tích nguồn nước và diện tích bề mặt  Nhiệt độ  Độ mặn  pH  Dòng chảy  Độ sâu  Hàm lượng chất lơ lửng  Kích cỡ hạt trầm tích  Hàm lượng carbon trong trầm tích bùn 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 20 4.2. Quá trình trầm tích, bay hơi, phân tán của độc chất trong môi trường nước „ (3) Nguồn và tỉ lệ của hoá chất trong môi trường „ Các thông tin quan trọng trong việc dự đoán nồng độ hóa chất trong môi trường:  Tỉ lệ trung bình của hoá chất trong nguồn thải vào môi trường nước.  Tốc độ xả thải.  Nồng độ cơ bản của hoá chất và các sản phẩm trung gian. 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 21 4.2. Quá trình trầm tích, bay hơi, phân tán của độc chất trong môi trường nước „ Các thông tin trên còn được sử dụng để xác định:  Động học của hoá chất  Các loại hoá chất và các phản ứng sinh học có thể xảy ra trong quá trình di chuyển và sau khi lắng tụ.  Dạng sản phẩm sau cùng  Tính bền vững của hóa chất 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 22 4.2. Quá trình trầm tích, bay hơi, phân tán của độc chất trong môi trường nước „ Kiến thức về đặc tính lý, hoá học của hoá chất cho phép chúng ta dự đoán các biến đổi của hoá chất trong môi trường nước. „ Ví dụ: o Các chất có áp suất bay hơi cao, tính tan trong nước thấp  có khuynh hướng khuếch tán từ nước vào trong không khí. o Các chất có áp suất bay hơi thấp, tính tan trong nước thấp  thường có khuynh hướng lắng xuống đáy. o Các chất có tính tan cao  thường tồn tại trong môi trường nước, có độ phân tán rộng và đồng nhất hơn các hóa chất ít tan trong nước. 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 23 4.2. Quá trình trầm tích, bay hơi, phân tán của độc chất trong môi trường nước „ Trong môi trường nước, một hoá chất có thể tồn tại dưới 3 dạng khác nhau như sau:  Hoà tan  Bị hấp thụ bởi các thành phần vô sinh hoặc hữu sinh và lơ lửng trong nguồn nước hoặc lắng tụ xuống đáy.  Tích tụ trong cơ thể sinh vật. 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 24 4.2. Quá trình trầm tích, bay hơi, phân tán của độc chất trong môi trường nước  Các hoá chất hoà tan trong môi trường nước thường dễ bị các sinh vật hấp thụ.  Các chất có tính kỵ nước (tính tan kém) có thể lắng xuống bùn đáy hay tồn tại ở dạng keo  khó bị sinh vật hấp thu. Tuy nhiên, vẫn có 1 số sinh vật đáy có thể hấp thụ chúng thông qua con đường tiêu hóa hay hô hấp.  Các hoá chất trở thành trầm tích đáy có thể tái hoạt động khi lớp trầm tích bị xáo trộn.  Hoá chất có thể tích tụ trong cơ thể sinh vật ở các mô khác nhau, qua quá trình trao đổi chất và thải trở lại môi trường nước qua con đường bài tiết. 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 25 4.2. Quá trình trầm tích, bay hơi, phân tán của độc chất trong môi trường nước  Hoá chất tan trong nước có thể tồn tại bền vững và duy trì đựơc các đặc tính lý, hóa của chúng khi di chuyển và phân bố trong môi trường nước.  Hoá chất bền vững có thể tích tụ trong môi trường đến mức gây độc.  Đại lượng đánh giá tính bền vững của hóa chất? Đại lượng “thời gian bán hủy” của hoá chất  Hoá chất có thể biến đổi thành dạng khác do các phản ứng biến đổi vô cơ và hữu cơ. 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 26 4.2. Quá trình trầm tích, bay hơi, phân tán của độc chất trong môi trường nước  Các phản ứng biến đổi vô cơ chiếm ưu thế trong môi trường nước: thủy phân, oxy hoá, quang phân.  Sản phẩm của quá trình phản ứng vô cơ là một hoá chất mà hoá chất này có thể hoặc không tham gia vào quá trình biến đổi sinh học.  Các loại sinh vật như cá, nhuyễn thể, vi sinh vật và thực vật biến đổi hóa chất thông qua nhiều quá trình biến đổi sinh học khác nhau khi chúng bị hấp thụ vào cơ thể sinh vật  thường có khuynh hướng làm thoái hoá các hoá chất thành các dạng ít độc hơn, có cực hơn và tan nhiều trong nước. 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 27 4.3. Các yếu tố môi trường nước ảnh hưởng đến độc tính „ 4.3.1. Các yếu tố liên quan đến sự ngộ độc „ 4.3.2. Các tác nhân môi trường ngoài ảnh hưởng đến độc tính 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 28 4.3.1. Các yếu tố liên quan đến sự ngộ độc „ Ngộ độc là gì? „ “Sự tiếp xúc với chất độc gây nên phản ứng của sinh vật, làm tổn hại sinh vật hay gây tử vong thì gọi là sự ngộ độc” „ Một hoá chất khi chuyển đổi để tạo ra phản ứng có hại hay tác động độc lên thủy sinh vật thì hợp chất đó phải tiếp xúc, phản ứng với 1 vị trí tiếp nhận tương thích trên cơ thể sinh vật với một nồng độ đủ cao và thời gian đủ dài. 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 29 4.3.1. Các yếu tố liên quan đến sự ngộ độc „ Nồng độ và thời gian tiếp xúc cần thiết cho hoá chất thể hiện tính độc lại thay đổi phụ thuộc vào loại hoá chất, loài sinh vật và tính nguy hiểm của tác động. „ Trong việc đánh giá độc tính, nhân tố quan trọng liên quan đến sự ngộ độc : loại, độ dài và tần số ngộ độc cũng như nồng độ của hoá chất. 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 30 4.3.1. Các yếu tố liên quan đến sự ngộ độc „ Các sinh vật trong nước có thể bị tác động bởi hoá chất có trong nước, bùn trầm tích hay trong thức ăn. o Các hoá chất tan trong nước thì hoạt động hơn các hoá chất không tan trong nước (những hoá chất tạo kết nối với các vật thể lơ lửng, các chất hữu cơ ) o Các hoá chất tan trong nước có thể xâm nhập vào cơ thể sinh vật thông qua: diện tích bề mặt cơ thể, qua mang, qua miệng. o Các hoá chất có trong thức ăn có thể bị hấp thụ bằng con đường tiêu hoá. 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 31 4.3.1. Các yếu tố liên quan đến sự ngộ độc „ Các tác hại của tác động độc có thể diễn ra qua quá trình ngộ độc cấp tính hay ngộ độc mãn tính. „ - Sự ngộ độc mãn tính ban đầu cũng có thể tạo ra một số tác động cấp tính ngay tức thì như sự ngộ độc cấp tính ngoài những tác động kéo dài, mãn tính. „ - Sự ngộ độc cấp tính liên quan đến giai đoạn sinh trưởng, thậm chí đến vòng đời của một cá thể. „ - Sự ngộ độc mãn tính liên quan đến cả giai đoạn dài của cuộc sống cá thể và có thể kéo dài trên nhiều thế hệ của loài đó. 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 32 4.3.1. Các yếu tố liên quan đến sự ngộ độc „ Tần số của sự ngộ độc cũng ảnh hưởng tới độc tính. „ - Sự ngộ độc cấp tính của một hóa chất tác động đơn lẻ lên một sinh vật sẽ gây ra tác động có hại tức thì. „ - Hai sự ngộ độc liên tiếp mà tổng lượng chất độc tương đương một sự ngộ độc cấp tính có thể gây ra tác hại ít hơn hoặc không có tác hại (do quá trình trao đổi chất của hoá chất trong quá trình ngộ độc hay do sự thích nghi của sinh vật đối với hoá chất). „ - Nếu hoá chất không dễ dàng tham gia vào sự trao đổi chất và đựơc bài tiết ra ngoài thì chúng có thể bị tích tụ lại trong cơ thể và gây ra sự ngộ độc mãn tính. 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 33 4.3.2. Các tác nhân môi trường ngoài ảnh hưởng đến độc tính  Các tác nhân môi trường ngoài có thể ảnh hưởng đến độc tính của một hóa chất bao gồm các tác nhân liên quan đến khả năng hoạt động của hoá chất trong môi trường nước, ví dụ như : DO, pH, nhiệt độ, chất lơ lửng  Độc tính của hóa chất còn có thể bị ảnh hưởng bởi sự kết hợp của hoá chất.  Các yếu tố khác liên quan đến độc tính của hoá chất là các đặc tính lý, hoá học của hoá chất như: độ hoà tan, áp suất bay hơi, pH  ảnh hưởng đến khả năng hoạt động, độ bền vững, sự biến đổi và dạng gây độc sau cùng của hoá chất trong môi trường nước. 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 34 4.3.2. Các tác nhân môi trường ngoài ảnh hưởng đến độc tính  Nhiệt độ nước: - Nhiệt độ trong môi trường nước có thể làm tăng, giảm hay không ảnh hưởng đến độc tính của độc chất tùy vào loại độc tố, loài sinh vật và tùy điều kiện cụ thể của từng trường hợp. - Trong sự nhiễm độc cấp tính, khoảng thời gian đề kháng đối với một liều gây chết của độc tố sẽ thay đổi khi nhiệt độ thay đổi. Khoảng thời gian này dài hay ngắn phụ thuộc vào loài sinh vật hay loại độc tố. 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 35 4.3.2. Các tác nhân môi trường ngoài ảnh hưởng đến độc tính Ví dụ:  Kẽm, thủy ngân, phenol sẽ tăng độc tính khi nhiệt độ thấp.  Muối cyanide, H 2 S, một số thuốc trừ sâu (eldrin, DDT, permethrin) sẽ tăng độc tính khi nhiệt độ tăng. 21-Mar-12 ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền 36 4.3.2. Các tác nhân môi trường ngoài ảnh hưởng đến độc tính  Tại sao nhiệt độ lại ảnh hưởng đến độc tính của độc chất? Lý do: nhiệt độ làm tăng nhanh quá trình ion hóa, giải phóng độc tố dưới dạng không liên kết, dễ xâm nhập qua màng tế bào. VD: Trong cùng 1 đ