MỞ ĐẦU Đảm bảo chất lượng nước ăn và nước sinh hoạt cho cộng đồng dân cư tại khu vực nông thôn là một trong những vấn đề trọng tâm của chương trình chăm sóc sức khoẻ ban đầu hiện nay tại Việt Nam. Đồng bằng sông Hồng và đồng bằng sông Mê kông là hai khu vực tập trung đông dân nhất nước ta với dân số tương ứng 17,7 triệu và 16,9 triệu, chiếm gần 42,7% trong tổng số khoảng 80,9 triệu dân của cả nước (theo số liệu điều tra dân số năm 2003 của Tổng cục Thống kê). Ngoại trừ tại các thành phố, thị trấn có hệ thống cấp nước sạch tập trung từ các nhà máy nước, còn lại hầu hết dân cư sống xa đô thị đều phải tự khai thác và sử dụng các nguồn nước khác như nước mặt (nước sông, hồ), nước ngầm (nước giếng khơi, giếng khoan), nước mưa. Để tránh một số bệnh như tiêu chảy, đau mắt, giun sán, v.v…do sử dụng nước sông, nước hồ gây ra, ngày nay hầu hết các hộ dân tại hai khu vực trên đã tự khoan giếng để lấy nước ngầm sử dụng cho các sinh hoạt hàng ngày như ăn uống, tắm giặt [5].
Nhưng người dân lại có nguy cơ đối mặt với một ô nhiễm mang tính tự nhiên, đó là sự có mặt của nguyên tố asen (thạch tín) trong nước ngầm [78]. Asen khi thâm nhập hàng ngày vào cơ thể kể cả ở hàm lượng thấp cũng gây ra những tác hại cho sức khoẻ như: gây hoại tử các vết loét ở tay, chân, làm rối loạn sắc tố da, sừng hoá gan bàn tay, gan bàn chân, thậm chí liên quan tới bệnh tiểu đường, tim mạch, ung thư bàng quang, ung thư gan, v. Do những tác hại lâu dài của asen lên sức khoẻ con người, ngày nay Tổ chức Y tế thế giới đã đề nghị mức giới hạn asen trong nước uống là 10g/l, Bộ Y tế Việt Nam cũng đã ban hành tiêu chuẩn về asen trong nước uống là 10g/l thay cho tiêu chuẩn Việt Nam năm 1995 là 50g/l [1, 2]. 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Từ những năm cuối của thế kỷ 20, thảm hoạ nhiễm độc asen do dùng nước giếng khoan đã được phát hiện tại các nước nam Á như Ấn Độ (vùng Tây Bengan), Bănglađet và Trung Quốc (vùng cao nguyên Nội Mông) [22, 78, 98].
Ở Việt Nam đã có một số nghiên cứu về tình trạng ô nhiễm asen trong nước ngầm, nước cấp tại khu vực Hà Nội và một số tỉnh lân cận [6, 13]. Mức độ ô nhiễm asen tại một số tỉnh như Hà Nam, Hà Tây, phía nam Hà Nội được coi là nghiêm trọng ngang với các quốc gia bị ô nhiễm nặng nhất. Đó là các kết quả ban đầu dựa trên việc phân tích hàm lượng asen của khoảng 14 nghìn trên tổng số 620 nghìn giếng, chiếm tỷ lệ 2,2%. Như vậy, số giếng đã được điều tra vẫn rất ít so với số giếng còn lại cần được biết có ô nhiễm asen hay không.
Đây là bài toán cần giải quyết sớm không những chỉ ở Việt Nam mà còn ở cả các nước khác đang chịu ô nhiễm asen [22]. Các thiết bị có khả năng phân tích chính xác hàm lượng asen lại tập trung hầu hết ở các phòng thí nghiệm hiện đại, các viện nghiên cứu, các trường đại học. Các phương pháp phân tích asen hiện trường theo nguyên tắc hoá học hiện đang được sử dụng khá phổ biến nhưng độ tin cậy lại chưa cao. Chính vì vậy, việc nghiên cứu, chế tạo các công cụ phân tích asen nhanh, hiệu quả, chính xác theo nguyên tắc sinh học là hướng đi mới của các nhà khoa học trên thế giới.
Để phát triển phép đo asen nhanh, một số biosensor dựa trên vi khuẩn chỉ thị asen đã được thiết kế trong phòng thí nghiệm nhờ việc lắp ghép gen cảm ứng đặc hiệu asen với gen chỉ thị tạo ra tín hiệu đo được [15, 74, 82, 85]. Tuy nhiên độ tin cậy, khả năng ứng dụng thực tiễn để phân tích asen trong nước giếng khoan vẫn chưa được thử nghiệm, nhất là khi khả năng sử dụng sinh học asen (bioavailability) đối với vi khuẩn chỉ thị bị giảm đi bởi các thành phần hoá học khác trong nước. Để đánh giá mức độ thâm nhiễm asen ở người, các biomarker như hàm lượng asen trong tóc, hàm lượng các dạng asen hữu cơ bài tiết trong nước tiểu được sử dụng khá phổ biến. Vấn đề ô nhiễm asen trong nước ngầm đã 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com được phát hiện tại Việt Nam nhưng số lượng công trình công bố về sự thâm nhiễm asen trong quần thể có phơi nhiễm asen do dùng nước giếng khoan vẫn còn rất hạn chế.
Để góp phần vào việc triển khai ứng dụng công cụ phân tích asen bằng biosensor sử dụng vi khuẩn chỉ thị asen biến đổi gen, đánh giá mức độ thâm nhiễm asen ở người và đề xuất giải pháp giảm thiểu nhiễm độc asen, luận án đã được thực hiện với chủ đề: “NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CÁC CHỈ THỊ HÓA SINH ĐỂ ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ Ô NHIỄM ASEN TRONG NƢỚC GIẾNG KHOAN VÀ MỐI TƢƠNG QUAN VỚI THÂM NHIỄM ASEN TRÊN NGƢỜI”, gồm hai mục tiêu sau: 1. Chọn lựa và tối ƣu phƣơng pháp phân tích hàm lƣợng asen trong nƣớc giếng khoan bằng biosensor sử dụng vi khuẩn chỉ thị 2. Đánh giá mối tƣơng quan giữa ô nhiễm asen trong nƣớc giếng khoan với mức độ thâm nhiễm asen trên ngƣời Kết quả thu được của luận án góp phần vào việc ứng dụng thành quả của công nghệ sinh học vào nhiệm vụ bảo vệ môi trường thông qua việc nghiên cứu xây dựng quy trình phân tích asen trong nước bằng vi khuẩn chỉ thị biến đổi gen. Luận án cũng đưa ra các bằng chứng về ô nhiễm asen trong nước sinh hoạt lấy từ giếng khoan, mức độ thâm nhiễm asen trên người do sử dụng các nguồn nước này.
Với các kết quả đó, bản luận án đóng góp một phần nhỏ bé vào việc thực hiện các nhiệm vụ của chương trình Quốc gia về Asen trong nước ngầm. 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chƣơng 1. Vấn đề ô nhiễm asen trong nƣớc ngầm và nhu cầu phát triển công cụ phân tích nhanh 1. Nguyên tố asen trong tự nhiên và đời sống Asen là nguyên tố hoá học thuộc nhóm V của bảng tuần hoàn Mendeleep, cùng nhóm với các nguyên tố N, P, Sb và Bi.
Asen có thể tồn tại trong các hợp chất vô cơ và hữu cơ với bốn mức hoá trị là -3, 0, +3 và +5. Nguyên tố asen không tan trong nước, các muối của asen có độ tan khác nhau phụ thuộc vào pH, lực ion và thế ôxy hoá khử của môi trường. Ví dụ trong môi trường trường mang tính khử và pH thấp As(III) sẽ chiếm ưu thế, ngược lại trong môi trường mang tính ôxy hoá và pH cao As(V) sẽ là dạng bền hơn [78, 97]. Asen có mặt trong hơn 200 loại khoáng khác nhau với nồng độ trung bình khoảng 2mg/kg.
Phổ biến nhất là các asenopyrit như orpiment As2S3, realgar AsS, mispikel FeAsS, loellingite FeAs2, nicolite NiAs, cobalite CoAsS, tennantite Cu12As4S13, v.v… Từ các quặng này, quá trình phun trào núi lửa đã chuyển asen từ đất vào không khí. Việc khai thác mỏ cũng rửa trôi các muối asen trong quặng và gây ô nhiễm asen trong nước mặt tại các khu vực xung quanh mỏ. Trong tầng nước ngầm, quá trình hoà tan asen xảy ra theo cơ chế khử, tạm thời được giải thích như sau: các phản ứng sinh học, hoá học diễn ra trong lòng đất đã tiêu hao ôxy và tạo nên môi trường mang tính khử. Sắt (III) - dạng kết tủa trong quặng sẽ chuyển thành sắt (II) - dạng dễ tan trong nước.
Quá trình này đồng thời làm cho asen rời khỏi quặng sắt và tan trong nước ngầm. Một số khu vực đồng bằng thấp trũng, thường xảy ra lụt lội là nơi nước ngầm thiếu ôxy và có thế khử thấp (Eh < 100mV), ví dụ như Bănglađet, đồng bằng sông Gange, Ấn Độ, đồng bằng sông Hồng, Việt Nam. Và cũng chính tại đây, ô nhiễm asen trong nước ngầm đã được phát hiện trong thập kỷ vừa qua [13, 60, 78]. Trong công nghiệp, asen được tạo ra nhờ quá trình khử ôxyt asen (As2O3) với than, ôxyt asen là sản phẩm phụ của quá trình luyện kim và thường có trong bụi 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com khói của quá trình nung quặng, nhất là luyện đồng.
Khoảng 70% sản lượng asen tạo ra trên thế giới được dùng trong ngành xử lý gỗ, đó là các hợp chất asenat crom đồng (CCA), 22% dùng trong nông nghiệp, còn lại trong công nghiệp thuỷ tinh và dược phẩm. Từ vài trăm năm trước đây asen đã được dùng phổ biến trong ngành thuộc da, là thành phần quan trọng của nhiều chất tạo màu, thuốc trừ côn trùng như các muối asenate của chì, natri, canxi, kẽm. Thuốc trừ cỏ cho công nghiệp trồng bông là mononatri methylasonate, axit dimethylasinic. Trong dược phẩm, dung dịch 1% kaliasenate (thuốc Fowler) đã được dùng để chữa bệnh bạch cầu, bệnh vảy nến, thấp khớp, hen, giang mai, v.
Tuy nhiên các sản phẩm trên đã bị hạn chế sử dụng từ những năm 1974 trên toàn thế giới, khi các hoá chất nông nghiệp chứa clo ra đời và trong y học người ta đã thay thế bằng nhiều thuốc kháng sinh mới. Với độc tính rất cao nên asen đã được dùng khá phổ biến làm thuốc độc giết người từ thời Trung cổ cho tới giữa thế kỷ 19 mới bị hạn chế do con người lúc đó đã có cách để phát hiện asen. Hiện nay, các hợp chất asen vẫn được dùng trong các ngành công nghiệp gỗ (chất bảo quản gỗ), công nghiệp thuỷ tinh (tạo độ trong suốt của thuỷ tinh), chế tạo vật liệu bán dẫn (galiasenit), nông nghiệp (chất làm rụng lá) [41, 97]. Do sự tồn tại vốn có trong môi trường tự nhiên nên asen có mặt ở tất cả các bộ phận của sinh quyển, tuy nhiên với các dạng hoá học và nồng độ khác nhau.
Trong mẫu nước, mẫu đất asen thường ở trạng thái vô cơ, ví dụ các muối asenite, asenate. Ngược lại trong mẫu thực vật, động vật thì asen ở trạng thái hữu cơ, ví dụ asenocholine, asenobetain. Nồng độ asen trung bình trong không khí tại các vùng nông thôn, xa khu công nghiệp nằm trong khoảng 0,02- 4 ng/m3, tại đô thị khoảng 3-200 ng/m3, còn ở các khu công nghiệp và vùng lân cận có thể lên tới 1000 ng/m3, đặc biệt ở các khu công nghiệp luyện kim màu [97]. Trong phần trên của nước biển, asen có mặt với nồng độ khoảng 1-2 µg/l.
Hàm lượng asen cũng thấp khoảng 10 µg/l ở vùng nước bề mặt như sông, hồ. Tuy nhiên, khi ở gần nguồn phát thải ô nhiễm như các vùng mỏ, nhà máy luyện kim thì lượng asen trong nước bề mặt có thể cao tới 5 mg/l.