TS. Lê Quốc Tuấn

Khoa Môi Trường và Tài Nguyên, ĐH Nông Lâm TP.HCM

Chương 1

GIỚI THIỆU VỀ ĐỘC CHẤT HỌC

1.1. Một số nguyên lý và khái niệm về độc chất

1.1.1. Định nghĩa về độc chất

Độc chất học có để được định nghĩa như là một ngành khoa học nghiên cứu

về độc chất. Một chất độc có thể được định nghĩa như là chất gây nên ảnh hưởng có

hại khi được đưa vào trong cơ thể sống. Từ lâu, độc chất học là ngành nghiên cứu

các ảnh hưởng có hại bởi các tác nhân vật lý như phóng xạ và tiếng ồn. Tuy nhiên,

trong thực tế, sự tồn tại của độc chất phức tạp hơn nhiều so với định nghĩa trên,

những định nghĩa này liên quan đến ảnh hưởng của độc chất và sự đo lường ảnh

hưởng của độc chất. Những định nghĩa rộng hơn về độc chất, như là "ngành nghiên

cứu liên quan đến sự phát hiện, biểu hiện, thuộc tính, ảnh hưởng và điều tiết các chất

độc".

Độc chất học không đơn giản là nghiên cứu một phân tử đơn lẻ mà là một

loạt các phản ứng bắt đầu từ phơi nhiễm, tiếp theo là phân bố và đồng hóa, cuối

cùng là phản ứng với các hợp chất cao phân tử trong tế bào (thường là DNA hoặc

protein) và biểu hiện độc tính. Kết

quả là, độc chất có thể bị đào thải

qua bài tiết hoặc các biến tính bởi

độc chất được sửa chữa.

Các nhà khoa học nghiên

cứu về độc chất đang cố gắng giải

thích tại sao và bằng cách nào các

chất có thể phá hủy hệ thống sinh

học dẫn đến những ảnh hưởng

mang tính độc hại. Do đó, họ đã

làm việc cùng nhau để đưa ra

những giải pháp nhằm khoanh vùng

ngành khoa học nghiên cứu về độc

chất.

Ngành độc chất học phục

vụ xã hội bằng nhiều cách, không

chỉ bảo vệ con người và môi trường

Ñi vaøo cô theå

Tieâu hoùa Qua da Hít thôû

Phôi nhieãm

Haáp thu qua maùu vaø phaân phoái ñeán

caùc cô vaø cô quan

Gaây ñoäc Tích luõy Baøi tieát

Ñoàng hoùa

Ñöôøng ñi vaø aûnh höôûng cuûa ñoäc chaát

trong cô theå

TS. Lê Quốc Tuấn

Khoa Môi Trường và Tài Nguyên, ĐH Nông Lâm TP.HCM

khỏi các ảnh hưởng nguy hại của độc chất mà còn tạo điều kiện thuận lợi cho sự

phát triển các chất độc có tính chọn lọc cao như chất chống ung thư, thuốc chữa

bệnh và chất diệt cỏ trong nông nghiệp.

Độc tính là một khái niệm về liều lượng, hầu như các chất đều độc ở một vài

nồng độ nhất định, ở nồng độ thấp thì nó không độc, nồng độ cao thì trở nên độc.

Khoảng biến động giữa hai giới hạn ngưỡng độc đó vẫn có những ảnh hưởng nhất

định. Tuy nhiên, nếu thời gian tiếp xúc lâu dài thì một chất cũng có thể trở nên rất

độc. Vinyl chlroride là một ví dụ. Là một chất có khả năng gây ung thư gan ở nồng

độ cao hoặc nồng độ thấp hơn nhưng tác động trong một thời gian dài và hầu như

không độc ở nồng độ rất thấp.

Sự đo lường độc tính rất phức tạp. Độc tính có thể cấp thời, có thể lâu dài và

biến động từ cơ quan này đến cơ quan khác, biến động theo lứa tuổi, di truyền, giới

tính, tình trạng sức khỏe của sinh vật. Cách đo độc tính đơn giản nhất của một chất

được biểu diễn qua giá trị LD50 (nồng độ cần thiết để giết chết 50% một quần thể

sinh vật trong điều kiện nhất định. Giá trị LD50 phụ thuộc rất nhiều vào các thông

số khác nhau của môi trường ví dụ như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, độ pH...

1.1.2. Các nguyên lý và khái niệm về độc chất

Có nhiều thuật ngữ được sử dụng trong ngành độc chất học. Tuy nhiên, một

vài thuật ngữ đặc biệt quan trọng đến độc chất học sẽ được đề cập đến trong bài

phần này

A. Các dạng hoạt độc. Bao gồm sự xem xét chức năng cơ bản của cơ quan, tế bào

và phân tử dẫn đến sự nhiễm độc: hấp thu, phân phối, đồng hóa, dạng hoạt động và

bài tiết. Cơ chế hoạt độc ngày nay được sử dụng rộng rãi hơn nhằm mô tả hàng loạt

các quá trình bắt đầu từ sự phơi nhiễm cho đến việc gây chết sinh vật.

1. Độc học hóa sinh và phân tử (biochemical and molecular toxicology)

xem xét các quá trình ở mức hóa sinh và phân tử, bao gồm: các enzyme tổng hợp

các ngoại độc tố sinh học, sự sinh ra các hoạt chất trung gian, phản ứng của ngoại

độc tố sinh học hoặc sản phẩm của chúng với các hợp chất cao phân tử.

2. Độc học hành vi (Behavioral toxicology) liên quan đến ảnh hưởng của

các chất độc đối với hành vi của động vật và con người. Là một quá trình biểu hiện

chức năng của thần kinh. Nó liên quan đến cả hệ thống thần kinh ngoại biên và thần

kinh trung ương, cũng như tác động đến các cơ quan khác như các tuyến tiết.

3. Độc học dinh dưỡng (Nutritional toxicology) đề cập đến ảnh hưởng của

khẩu phần ăn đến sự biển hiện độc và đến các cơ chế của các ảnh hưởng này.

4. Quá trình ung thư (Carcinogenesis) bao gồm các hoạt động hóa học, sinh

hóa và phân tử dẫn đến sự tăng sinh tế bào một cách bất thường có nguy cơ dẫn đến

bệnh ung thư.

TS. Lê Quốc Tuấn

Khoa Môi Trường và Tài Nguyên, ĐH Nông Lâm TP.HCM

6. Đột biến (Mutagenesis) liên quan đến ảnh hưởng của độc chất lên vật

liệu di truyền và sự di truyền những ảnh hưởng này.

7. Độc tính cơ quan (Organ toxicity) xem xét các ảnh hưởng ở mức độ chức

năng của cơ quan (độc tính thần kinh, độc tính gan, độc tính thận ...)

B. Đo lường độc chất và độc tính. Các công cụ quan trọng được sử dụng như hóa

phân tích, hoạt chất sinh học và toán ứng dụng được sử dụng để cung cấp phương

pháp luận nhằm trả lời các câu hỏi quan trọng trong quá trình nghiên cứu độc chất.

Chất này có độc hay không? Nó thuộc loại hóa chất nào? Nồng độ bao nhiêu? Làm

thế nào chúng ta có thể đánh giá ảnh hưởng độc tính và nồng độ tối thiểu là bao

nhiêu để gây độc và có thể phát hiện được. Sau dây là một số ngành có liên quan

1. Độc chất học phân tích là một ngành của hóa phân tích liên quan đến

việc định dạng và đánh giá các hóa chất độc và hợp chất của chúng trong các vật

liệu sinh học và trong môi trường.

2. Kiểm nghiệm độc tính liên quan đến việc sử dụng các cơ thể sống để

đánh giá ảnh hưởng của độc tố. Nó vào gồm các kiểm nghiệm nhanh về độc tính gen

như kỹ thuật nuôi cấy tế bào để sử dụng các mô cho nhiều kiểm nghiệm khác nhau

từ độc tính cấp đến độc tính lâu dài. Nó thường được sử dụng để mô tả các kiểm

nghiệm độc tính trong cơ thể sống.

3. Bệnh học nhiễm độc là một ngành của bệnh học liên quan đến ảnh hưởng

của các tác nhân gây độc như sự thay đổi hình thái của bào quan, tế bào, mô hoặc cơ

quan.

4. Toán sinh học và thống kê liên quan đến nhiều lĩnh vực của độc chất học.

Chúng bao gồm phân tích số liệu, xác định độ tin cậy, mô hình hóa đánh giá nguy cơ

và mô phỏng.

5. Phát nhiễm quan trọng trong mối liên quan giữa sự phơi nhiễm hóa chất

và nhiễm bệnh trong cộng đồng dân cư.

C. Độc chất học ứng dụng. Nó bao gồm nhiều khía cạnh của độc chất học như áp

dụng để phát triển các phương pháp mới hoặc các độc chất chọn lọc mới nhằm áp

dụng sớm cho các lãnh vực khác nhau.

1. Độc chất học lâm sàng nhằm phát hiện và chữa trị người bị nhiễm độc

2. Độc chất học thú y nhằm phát hiện và điều trị cho động vật bị nhiễm độc,

đặc biệt là gia súc. Một khía cạnh khác của độc chất học thú y là nghiên cứu sự

truyền nhiễm các độc tố đến cộng đồng dân cư qua thức ăn như sữa, cá các loại thịt

khác.

TS. Lê Quốc Tuấn

Khoa Môi Trường và Tài Nguyên, ĐH Nông Lâm TP.HCM

3. Độc chất học môi trường nghiên cứu sự di chuyển các độc tố và hợp chất

của chúng, các sản phẩn của sự phân hủy trong môi trường và trong chuỗi thức ăn.

Đánh giá ảnh hưởng của các chất lây nhiễm lên các cá thể, đặc biệt là các cộng đồng

dân cư.

4. Độc chất học công nghiệp là một lĩnh vực đặc biệt của độc chất học môi

trường liên quan đến môi trường làm việc và tạo nên một phần quan trọng của vệ

sinh công nghiệp.

D. Phân loại hóa chất được sử dụng. Nó bao gồm các khía cạnh của độc chất trong

phát triển các hóa chất mới cho mục đích thương mại. Một vài hóa chất được sử

dụng là điều tất yếu, nhưng một số khác thì có những ảnh hưởng không mong muốn

đối với người sử dụng. Các loại hóa chất được sử dụng không phải tất cả đều là chất

tổng hợp, mà có rất nhiều chất có nguồn gốc từ thiên nhiên. Các sản phẩm tự nhiên

được chiết xuất và sử dụng cho mục đích thương mại và các mục đích khác đều phải

qua kiểm nghiệm độc tính như giống như các hóa chất tổng hợp.

1. Các hóa chất nông nghiệp bao gồm nhiều hợp chất như chất diệt côn

trung, chất diệt cỏ, diệt nấm...tất cả đều độc đối với sinh vật

2. Thuốc là một phần của hóa dược và dược học. Tuy nhiên, ảnh hưởng độc

tính và kiểm nghiệm độc tính đối với chúng đều nằm trong ngành khoa học độc

chất.

3. Chất gây nghiện là các hóa chất được sử dụng cho việc điều trị các bệnh

liên quan đến thần kinh và có thể gây nên sự lệ thuộc và gây độc. Nhiều chất bị cấm

sử dụng, nhưng một số khác lại có tác dụng chữa trị nếu được sử dụng đúng liều.

4. Các chất phụ gia thực phẩm là mối quan tâm của các nhà độc chất học

khi chúng có độc tính hoặc được kiểm kiểm nghiệm để xác định độc tính tiềm ẩn.

5. Hóa chất công nghiệp có số lượng lớn, được kiểm nghiệm độc tính hoặc

phơi nhiễm có kiểm soát. Tất cả đều độc.

6. Các hợp chất tự nhiên bao gồm nhiều độc chất từ thực vật, độc chất từ

nấm và khoáng chất có mặt trong môi trường. Việc sử dụng một lượng lớn thảo

dược và các chất bổ sung trong khẩu phần ăn đã trở thành mối quan ngại cho các

nhà độc chất học và hoạch định chính sách. Hiệu quả của các chất này thì không

chắc chắn, nhưng độc tính của nó thì hầu như ít được biết đến.

7. Các sản phẩm của sự đốt cháy thường ít khi được sử dụng nhưng chiếm

thành phần lớn và có độc tính, sinh ra từ việc đốt nhiên liệu và các hóa chất công

nghiệp khác.

E. Những quy định về độc chất học. Các khía cạnh này liên quan đến đến việc ban

hành luật và các quy định có thẩm quyền theo pháp luật được đưa ra nhằm giảm

TS. Lê Quốc Tuấn

Khoa Môi Trường và Tài Nguyên, ĐH Nông Lâm TP.HCM

thiểu các ảnh hưởng độc hại của hóa chất đến sức khỏe con người và môi trường.

1. Khía cạnh pháp lý là việc ban hành luật, các quy định và thực thi pháp

luật. Ở Mỹ, việc thực thi pháp luật được thực hiện bởi các cơ quan thuộc chính phủ

như các Cục bảo vệ môi trường (EPA, Environmental Protection Agency), Cơ quan

Thực phẩm và Dược phẩm (FDA, Food and Drug Administration), Cơ quan sức

khỏa và an toàn lao động (OSHA, Occupational Safety and Health Administration).

Tương tự các cơ quan trực thuộc chính phủ tồn tại trong nhiều các quốc gia khác

trên thế giới.

2. Đánh giá rủi ro là việc xác định về rủi ro, rủi ro tiềm ẩn và cân bằng rủi

ro và lợi nhuận. Nó cần thiết cho việc điều tiết các hợp chất độc hại. Đánh giá rủi ro

về cơ bản được hình thành trước khi việc thông báo rủi ro và quản lý rủi ro được tiến

hành.

1.1.3. Mối tương quan giữa độc chất học với các ngành khoa học khác.

Độc chất học là một ngành khoa học có tính biến động cao, nghiên cứu độc

tính của các sản phẩm tự nhiên hay hoạt động của con người tạo ra. Ngành này giúp

mở rộng các ngành khoa học khác. Các ngành khoa học khác đóng góp nhiều

phương pháp và nhiều khái niệm khoa học để phục vụ cho nhu cầu của các nhà độc

chất học trong nghiên cứu cũng như trong ứng dụng độc chất học cho phục vụ con

người. Và độc chất học cũng đóng góp rất nhiều cho các ngành khoa học khác.

Đầu tiên phải kể đến là hóa học, hóa sinh, bệnh học, lý sinh, y tế dự phòng,

miễn dịch học, sinh thái học và toán sinh học từ lâu đã rất quan trọng, trong khi sinh

học phân tử mới phát triển trong hai hoặc ba thập niên gần đây đã đóng góp một

phần quan trọng cho độc chất học.

Độc chất học đóng góp đáng kể cho các ngành khoa học như y học, độc học

lâm sàng, dược và dược học, sức khỏe cộng đồng và vệ sinh công nghiệp. Độc chất

học cũng góp một hướng quan trọng cho thú y, cho các khía cạnh khác nông nghiệp

như phát triển và sử dụng an toàn các hóa chất nông nghiệp. Các đóng góp của độc

chất học trong nghiên cứu môi trường trở nên quan trọng hơn trong những năm gần

đây.

Từ đó cho thấy độc chất học là một ngành khoa học ứng dụng nhằm tăng

cường chất lượng cuộc sống, bảo vệ môi trường và hơn thế nữa. Sự xáo trộn thường

xuyên của các quá trình sống bởi hóa chất độc hại làm cho chúng ta có thể học được

nhiều điều về các quá trình sống. Lĩnh vực độc chất học mở rộng nhanh chóng trong

các thập niên gần đây cả về số lượng các nhà độc chất học và kiến thức được tích

lũy. Việc mở rộng này mang đến sự thay đổi từ một ngành khoa học mô tả lúc ban

TS. Lê Quốc Tuấn

Khoa Môi Trường và Tài Nguyên, ĐH Nông Lâm TP.HCM

đầu đến việc con người sử dụng rộng rãi các phương pháp để nghiên cứu các cơ chế

liên quan đến độc chất.

1.2. Ảnh hưởng của độc chất đến con người và môi trường sinh thái

1.2.1. Ảnh hưởng của độc chất đến con người

Độc chất tác động lên con người theo nhiều phương thức khác nhau và gây

ra nhiều hậu quả nghiêm trọng như bệnh tật, thiểu năng trí tuệ, đặc biệt là sự biến

đổi về cấu trúc của một số gen trong cơ thể và sự thay đổi này trở nên nghiêm trọng

hơn khi được di truyền cho các thế hệ sau. Ảnh hưởng chi tiết của từng loại độc chất

sẽ được đề cập đến trong các chương sau.

1.2.2. Vai trò của hệ thống sinh thái

Nhiều chức năng của hệ thống sinh thái rất cần thiết cho chất lượng cuộc

sống của con người bao gồm: sự cung cấp thức ăn, sự phân hủy chất thải, cung cấp

nước uống và làm sạch môi trường không khí. Cho dù đóng góp của các hệ sinh thái

trực tiếp cho con người là rất lớn, nhưng nguy cơ của các độc tố do con người hoặc

thiên nhiên tạo ra ngày càng lớn hơn và đây là một điều đáng lo ngại. Độc chất

không những gây ảnh hưởng đến môi trường địa phương mà còn đến hệ thống sinh

thái toàn cầu. Trong phần này mô tả ảnh hưởng của các độc chất đến các chức năng

cần thiết của hệ sinh thái.

Dưới đây là một vài chức năng cơ bản của hệ sinh thái:

- Hấp thu năng lượng mặt trời, tạo sinh khối, cung cấp thức ăn, kiến tạo vật

chất, cung cấp năng lượng từ sinh khối

- Phân hủy chất thải

- Tái sinh chất dinh dưỡng (Vd. Cố định nitrogen)

- Tích lũy, làm sạch và phân phối nước

- Tạo ra và bảo dưỡng đất nông nghiệp

- Kiểm soát côn trùng

- Một thư viện gen cho phát triển các sản phẩm mới (thức ăn, dược phẩm và

các hóa chất có lợi) bằng nhân giống và kỹ thuật sinh học.

- Duy trì không khí để thở

- Kiểm soát khí hậu

- Có khả năng thay đổi vùng đệm và phục hồi từ các thiên tai như lũ lụt,

cháy rừng và thiên dịch

- Thụ phấn cây nông nghiệp

TS. Lê Quốc Tuấn

Khoa Môi Trường và Tài Nguyên, ĐH Nông Lâm TP.HCM

- Tạo ra sự hài hòa trong vẽ đẹp thiên nhiên

1.2.3. Các kiểm nghiệm độc tính và hệ sinh thái

Các kiểm nghiệm độc tính phải được thực hiện trước tiên để đánh giá vai trò

của hệ thống sinh thái. Các phương pháp phát triển nhất để kiểm nghiệm độc tính

của hệ sinh thái được thực hiện ở quy mô vùng và đánh giá các ảnh hưởng này lên

sự sản xuất sinh khối liên quan đến nông nghiệp, lâm nghiệp và thủy sản.

Các kiểm nghiệm độc tính được sử dụng để xác định mối tương quan giữa

các điều kiện sinh thái và nồng độ của các độc chất. Nhiều hệ thống tự nhiên được

quan sát và mối tương quan giữa các điều kiện sinh thái và hóa học được xác định.

Sự tích hợp các thông tin về ảnh hưởng của các độc tố lên hệ thống sinh thái

cung cấp cơ sở dữ liệu cho việc đưa ra các quyết định về môi trường. Sự đóng góp

của hệ sinh thái đối với con người không chỉ dừng lại ở việc bảo vệ mà còn là công

cụ hiệu quả trong việc thông tin các rủi ro đến công chúng. Trong khi các kiểm

nghiệm độc chất với hệ thống sinh thái liên quan đến nông nghiệp, lâm nghiệp và

thủy sản là phổ biến, thì việc kiểm nghiệm này vẫn phát triển phát triển yếu.

Một vài nghiên cứu ảnh hưởng độc hại lên hệ thống sinh thái ở các quy mô khác nhau

Độc chất Quy mô của Tóm tắt nghiên cứu

Gây

độc

Quan

sát

Dự

đoán

Sản xuất sinh khối

Kim loại nặng 1 1 1 Giảm năng xuất lúa mạch

CO2 1 1 - Năng xuất lúa tăng khi CO2 tăng từ 330 đến 660 ppm

CO2, Tia cực tím 5 1 5 Một mô hình để dự đoán năng xuất lúa dựa vào dữ liệu

liều lượng-phản ứng, lập bản đồ và mô hình hóa cho sự

phơi nhiễm

Mưa acid 4 2 4 Thông tin địa lý về tốc độ phân hủy, điều kiện mùa màng

và khả năng đệm tự nhiên để xác định các vùng bị ảnh

hưởng bởi mưa acid

Ô nhiễm khí O3 2 2 - Sư phá hủy rừng bởi việc thủng tầng ozone được kiểm

tra bằng các cảm biến từ xa, kiểm nghiệm độc tính trong

phòng thí nghiệm, các khảo sát sự phá hủy lá, các đánh

giá nội vùng bằng cảm biến từ xa.

Phân hủy các loại chất thải

Chất thải công

nghiệp

1 1 1 Quá trình phân hủy các hợp chất carbon bởi quần thể vi

sinh vật sẽ bị dừng lại nếu có sự bổ sung các độc chất

Tái sinh chất dinh dưỡng

Ô nhiễm NOx 3 3 - Rừng tăng sinh khối sơ cấp sau 3 năm bổ sung nitrogen.

Các hợp chất hữu cơ trong đất hoạt động như một bể thu

nitrogen. Nhưng sau khi bảo hòa nó làm tăng sự rò rỉ vào

trong hệ thống thủy sinh.

TS. Lê Quốc Tuấn

Khoa Môi Trường và Tài Nguyên, ĐH Nông Lâm TP.HCM

Tích lũy làm sạch và phân phối nước.

Phân bón NO3 3 2 3 Có khả năng gây nên ô nhiễm nước ngầm nếu việc bón

phân không được kiểm soát chặt chẽ.

Phát sinh và duy trì đất nông nghiệp

Chất diệt cỏ 1 1 1 Các chất diệt cỏ thông dụng ngăng cản sự phân hủy phân

bón do đó làm tăng sự hao hụt chất dinh dưỡng.

Kiểm soát côn trùng

Chất diệt côn

trùng

2 2 - Làm giảm sự sinh sản thiên địch

Thư viện gen

Mưa acid 3 1 3 Hóa chất và các ảnh hưởng sinh học có khả năng làm

giảm sự đa dạng sinh học

Duy trì không khí để thở và kiểm soát khí

hậu

Ô nhiễm NOx 2 2 - Sự bổ sung nitrogen làm giảm sự tiêu thụ methane của

vùng đất

Khả năng thay đổi

vùng đệm và phục

hồi sau thiên tai

2 2 - Rừng bị ô nhiễm chất thải luyện kim cần thời gian lâu

hơn để phục hồi so với việc cháy rừng

Quy mô: từ 1 đến 5; 1=địa phương, 2=tiểu vùng, 3=vùng, 4=lục địa, 5=địa cầu

.