CHƯƠNG 1. Khái niệm và độc tính của các kim loại nặng Theo từ điển Hóa học, kim loại nặng (KLN) là những kim loại có khối lượng riêng lớn hơn 5g/cm3. Trong tự nhiên có hơn 70 nguyên tố KLN. H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La * Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac ** Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg * Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu ** Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Kim loại nhẹ < 5 g/cm³ Kim loại nặng < 10 g/cm³ Kim loại nặng > 10 g/cm³ Hình 1.
Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học Theo quan điểm độc tố học thì những KLN có nguy cơ gây nên các vấn đề môi trường gồm: Cu, Pb, Zn, Cd, Hg, Cr, As,. Tuy nhiên, có một số kim loại là cần thiết đối với sinh vật, đó là các nguyên tố vi lượng: Fe, Zn, Cu, Mn, Mo, B,. chúng thường là thành phần thiết yếu của các enzyme, protein hô hấp và trong các cấu trúc của cơ thể sinh vật. Hàm lượng quá cao (thừa) hay quá thấp (thiếu) của các nguyên tố cần thiết này đều là điều bất lợi đối với cơ thể sinh vật.
Về phần các KLN khác thì chúng không cần thiết cho sinh vật và có thể gây độc ở một liều lượng nhất định [4]. 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com KLN phân bố rộng rãi trên lớp vỏ trái đất. Chúng được phong hóa từ các dạng đất đá tự nhiên, tồn tại trong môi trường dưới dạng bụi hay hòa tan trong sông hồ, nước biển, sa lắng trong trầm tích [51]. Trong vòng hai thế kỉ qua, các hoạt động sản xuất của con người đã đưa vào môi trường tự nhiên một lượng lớn các KLN.
Các quá trình sản xuất như khai thác mỏ, giao thông vận tải, sản xuất, tinh chế đều thải KLN vào môi trường, chủ yếu dưới dạng bụi, khói hay nước thải. Chì được cho vào xăng để tăng hiệu suất của động cơ, kim loại có độc tính cao này sẽ đi cùng khí thải vào môi trường. [36] Các KLN còn là một thành phần trong thuốc bảo vệ thực vật được con người sử dụng trong nông nghiệp. Lượng dư thuốc bảo vệ thực vật sẽ đưa các KLN vào các nguồn nước, đất gây ô nhiễm môi trường [59].
Một số KLN rất cần thiết cho cơ thể sống và con người. Chúng là các nguyên tố vi lượng không thể thiếu, sự mất cân bằng các nguyên tố vi lượng này có ảnh hưởng trực tiếp tới sức khỏe của con người. Sắt giúp ngăn ngừa bệnh thiếu máu, kẽm là tác nhân quan trọng trong hơn 100 phản ứng enzyme. Trên nhãn của các lọ thuốc vitamin, thuốc bổ xung khoáng chất thường có Cr, Cu, Fe, Mn, Mg, K, Zn, chúng có hàm lượng thấp và được biết đến như lượng vết.
Lượng nhỏ các kim loại này có trong khẩu phần ăn của con người vì chúng là thành phần quan trọng trong các phân tử sinh học như hemoglobin, các hợp chất sinh hóa cần thiết khác. Nhưng nếu cơ thể hấp thu một lượng lớn các kim loại này, chúng có thể gây rối loạn quá trình sinh lý, trở nên độc hại cho cơ thể [76]. KLN có độc tính là các kim loại có tỷ trọng lớn gấp 5 lần tỷ trọng của nước. Chúng là các kim loại bền (không tham gia vào các quá trình sinh hoá trong cơ thể) và có tính tích tụ sinh học (chuyển tiếp trong chuỗi thức ăn và đi vào cơ thể con người).
Chúng bao gồm Hg, As, Pb, Cd, Mn, Cu, Cr…Các KLN khi xâm nhập vào cơ thể sinh vật sẽ gây độc tính cao [48]. KLN xâm nhập vào cơ thể người qua đường hô hấp, thức ăn hay hấp thụ qua da được tích tụ trong các mô và theo thời gian sẽ đạt tới hàm lượng gây độc. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng KLN gây độc cho các cơ quan trong cơ thể như máu, gan, 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com thận, cơ quan sản xuất hoocmôn, cơ quan sinh sản, hệ thần kinh gây rối loạn chức năng sinh hóa trong cơ thể do đó làm tăng khả năng bị dị ứng, gây biến đổi gen. Độc tính của KLN chủ yếu do chúng có khả năng sản sinh ra các gốc tự do, là các phân tử mất cân bằng năng lượng, chứa những điện tử không cặp đôi.
Chúng chiếm điện tử của các phân tử khác để lập lại sự cân bằng của chúng. Các gốc tự do tự nhiên tồn tại trong cơ thể sinh ra do các phân tử của tế bào phản ứng với oxy (bị oxy hóa), nhưng khi có mặt các KLN – tác nhân cản trở quá trình oxy hóa sẽ sinh ra các gốc tự do vô tổ chức, không kiểm soát được. Các gốc tự do này phá hủy các mô trong cơ thể gây nhiều bệnh tật [65]. Đến nay, độc tính của nhiều KLN đối với môi trường và con người được biết khá chi tiết.
Các tác động và cơ chế gây độc của nhiều KLN đối với cơ thể người và động vật cũng đã được tìm ra. Tuy nhiên, nhân loại đã phải trả giá khá đắt để có được nhận thức này. Bệnh Minamata ở Nhật Bản, câu chuyện về loài chim Scopa ở Thụy Điển, vụ ô nhiễm Cadimi ở Cộng hoà Liên Bang Đức những năm 70 của thế kỷ trước. là những bài học đắt giá cho sự thiếu hiểu biết đối với việc sử dụng và quản lý các hợp chất chứa các KLN độc hại [50,54].
Hiện tượng nhiễm độc KLN gây bệnh tật và chết người do sử dụng nguồn nước và thực phẩm nhiễm KLN ở nồng độ cao đã xảy ra ở nhiều nơi trên thế giới như các vùng Hinamata và Jintsu Nhật Bản. Theo số liệu của liên hợp quốc, do hoạt động nhân sinh, các sông đổ ra biển thêm 320 triệu tấn Fe; 2,3 triệu tấn Pb; 1,6 triệu tấn Mn [76]. Sau đây là độc tính chính của một số KLN: - Mangan (Mn) là kim loại có trong tự nhiên, mọi người đều có thể bị nhiễm hàm lượng nhỏ Mn có trong không khí, thức ăn, nước uống. Mn là kim loại vết cần thiết cho sức khỏe người.
Mn có thể tìm thấy trong một số loại thức ăn, ngũ cốc, trong một số loài thực vật như cây chè. Người bị nhiễm Mn trong một thời gian dài thường mắc các bệnh thần kinh, rối loạn vận động, nhiễm độc mức độ cao kim loại này gây các bệnh về hô hấp và suy giảm chức năng tình dục [74]. - Đồng (Cu) được dùng nhiều trong sơn chống thấm nước trên tàu thuyền, các thiết bị điện tử, ống nước. Nước thải sinh hoạt cũng là nguồn chính đưa đồng vào 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com nước tự nhiên.
Đồng tồn tại ở hai dạng là: dạng hòa tan và các hạt nhỏ. Đồng cần thiết cho chức năng hô hấp của nhiều sinh vật sống và các chức năng enzym khác. Đồng được lưu giữ trong gan, tủy sống của người. Nhiễm độc đồng với hàm lượng quá cao sẽ gây hư hại gan, thận, hạ huyết áp, hôn mê, đau dạ dày, thậm chí tử vong [44, 58].
- Kẽm (Zn) là nguyên tố cần thiết cho tất cả các cơ thể sống, với con người hàng ngày cần 9mg Zn cho các chức năng thông thường của cơ thể. Nếu thiếu Zn sẽ dẫn đến suy giảm khứu giác, vị giác và suy giảm chức năng miễn dịch của cơ thể. Nguồn ô nhiễm chính là công nghiệp luyện kim, công nghiệp pin, các nhà máy rác, các sản phẩm chống ăn mòn, sơn, nhựa, cao su. Cơ thể con người có thể tích tụ Zn và nếu tích tụ Zn với hàm lượng quá cao chỉ trong thời gian ngắn sẽ gây nôn mửa, bệnh đau dạ dày.
Nước chứa hàm lượng Zn cao rất độc đối sinh vật [83]. Sự tích tụ cũng như tác động của As đến cơ thể sống phụ thuộc vào dạng tồn tại của nó. Trong khi các hợp chất As vô cơ rất độc cho hầu hết các cơ thể sống thì các hợp chất hữu cơ của nó chỉ gây độc nhẹ. Asen có thể gây nôn mửa, phá hủy các phân tử AND và gây ung thư [39].
FAO/ WHO đã đưa ra giới hạn chấp nhận được của hàm lượng As vô cơ hấp thu hàng tuần là 15µg/kg trọng lượng cơ thể. Độ độc của As phụ thuộc rất nhiều vào trạng thái oxi hoá và dạng tồn tại vô cơ hay hữu cơ của nó. Các nghiên cứu cho thấy As (III) độc hơn As (V) nhiều lần và As vô cơ độc hơn As hữu cơ. Sự chuyển hóa As trong cơ thể vô cùng phức tạp, nó bao gồm các quá trình: hấp thụ, phân bố, chuyển hoá, tích luỹ và đào thải các hợp chất của As [68].
Các quá trình này đã được nghiên cứu và thử nghiệm trên chuột và một số loài động vật khác để đưa ra cơ chế biến đổi và đào thải chất độc ra môi trường. Dạng xâm nhập chính của Asen vào cơ thể là As vô cơ mà trong đó As (III) dễ dàng hấp thụ vào con người qua đường ăn uống và trao đổi chất vì dễ hoà tan vào nước hơn so với As (V). Trong cơ thể xảy ra quá trình metyl hoá chậm Asen do đó sản phẩm của sự bài tiết chủ yếu là: axit monometylarsonic (MMA) và 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Asenic vô cơ được xếp vào loại chất gây ung thư cho người như ung thư da, ung thư phổi.
Các biểu hiện đầu tiên của việc nhiễm độc As là chứng sạm da, dày biểu bì từ đó dẫn đến hoại tử hoặc gây ung thư da. Hiện nay chưa có phương pháp hữu hiệu để điều trị nhiễm độc As [64, 73]. - Nguồn ô nhiễm Cadimi (Cd) xuất phát từ ô nhiễm không khí, khai thác mỏ, pin Ni - Cd, nhà máy luyện kim, thủy tinh, hải sản [61]. Nguồn chính thải Cd vào nước là các điện cực dùng trên tàu thuyền và nước thải.
Cd tồn tại chủ yếu dưới dạng hòa tan trong nước. Nhiễm độc cấp tính Cd có các triệu chứng giống như cúm, sốt, đau đầu, đau khắp mình mẩy. Nhiễm độc mãn tính Cd gây ung thư (phổi, tuyến tiền liệt) [80]. - Thủy ngân (Hg) là chất độc tích lũy sinh học rất dễ dàng hấp thụ qua da, các cơ quan hô hấp và tiêu hóa.
Các hợp chất vô cơ ít độc hơn so với hợp chất hữu cơ của thủy ngân.