Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu sự phân bố dược phẩm và sản phẩm chăm sóc cá nhân tại sông Cầu

Luận án tiến sĩ nghiên cứu sự phân bố dược phẩm và sản phẩm chăm sóc cá nhân trong nước và trầm tích sông Cầu, cung cấp thông tin quan trọng về môi trường.

• Trường học: Trường Đại Học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Môi Trường
• Đề tài: Nghiên Cứu Phân Bố Dược Phẩm Và Sản Phẩm Chăm Sóc Cá Nhân Tại Sông Cầu
• Loại tài liệu: Luận Án
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• MỤC LỤC
• DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. TỔNG QUAN VỀ PPCPS
• 1.1.1. Định nghĩa và phân loại
• 1.1.2. Đặc tính của PPCPs
• 1.1.3. Sản xuất và sử dụng PPCPs
• 1.1.4. Nguồn thải PPCPs vào nguồn nước và các tác động của chúng
• 1.1.5. Hiện trạng ô nhiễm PPCPs trên thế giới và ở Việt Nam
• 1.1.6. Các phương pháp phân tích PPCPs
• 1.2. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LƯU VỰC SÔNG CẦU
• 1.2.1. Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội
• 1.2.2. Điều kiện khí hậu và thủy văn
• 1.2.3. Nhu cầu dùng nước
• 1.2.4. Sông Cầu đoạn chảy qua Thái Nguyên
• 1.3. KẾT LUẬN TỔNG QUAN
• 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU VÀ PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN
• 2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.2.1. Xác lập quy trình phân tích PPCPs
• 2.2.2. Đánh giá ô nhiễm PPCPs trong nước và trầm tích sông Cầu
• 2.2.3. Xác định các chất điển hình
• 2.2.4. Phương trình cân bằng vật chất
• 2.2.5. Đánh giá mức độ ảnh hưởng của PPCPs đến các sinh vật thủy sinh
• 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. HIỆN TRẠNG Ô NHIỄM PPCPS TRÊN SÔNG CẦU
• 3.1.1. PPCPs trong nước và trầm tích sông Cầu
• 3.1.2. Xác định các PPCPs điển hình trên lưu vực sông Cầu
• 3.2. CÁC ĐIỀU KIỆN TỐI ƯU PHÂN TÍCH 04 PPCPS ĐIỂN HÌNH
• 3.2.1. Tối ưu hóa điều kiện định lượng PPCPs bằng LC-MS/MS
• 3.2.2. Đánh giá độ tin cậy kết quả phân tích đồng thời 4 chất PPCPs điển hình
• 3.3. ĐÁNH GIÁ SỰ CÓ MẶT CỦA CÁC PPCPS ĐIỂN HÌNH TRÊN SÔNG CẦU ĐOẠN CHẢY QUA THÀNH PHỐ THÁI NGUYÊN
• 3.3.1. Phân bố ô nhiễm PPCPs điển hình
• 3.3.2. Sự tích lũy PPCPs điển hình trong mẫu cột trầm tích khu vực sông Cầu
• 3.3.3. Ước tính tải lượng ô nhiễm PPCPs điển hình
• 3.3.4. Đánh giá ảnh hưởng của PPCPs đến một số sinh vật thủy sinh
• 3.3.4.1. Môi trường nước
• 3.3.4.2. Môi trường trầm tích
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

Tóm tắt

I. Giới thiệu đề tài

Trong những năm gần đây, truyền thông dưới nước đã trở thành một lĩnh vực quan trọng trong nhiều ứng dụng như thám hiểm đại dương và an ninh quốc phòng. Việt Nam với bờ biển dài và vùng hải phận rộng lớn, việc nghiên cứu và phát triển công nghệ truyền thông dưới nước là rất cần thiết. Tín hiệu sóng âm được ưu tiên sử dụng do ít bị suy hao hơn so với sóng điện từ. Tuy nhiên, môi trường dưới nước cũng gặp nhiều thách thức như dịch tần Doppler và nhiễu môi trường. Luận án này tập trung vào việc sử dụng công nghệ OFDM để cải thiện chất lượng tín hiệu trong truyền thông dưới nước.

1.1. Tình hình nghiên cứu

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng kỹ thuật OFDM có khả năng chống giao thoa đa đường tốt và hiệu quả sử dụng phổ cao. Tuy nhiên, tín hiệu OFDM rất nhạy cảm với sai lệch thời gian và tần số, đặc biệt trong môi trường dưới nước. Việc xác định chính xác điểm bắt đầu của tín hiệu và bù dịch tần Doppler là những vấn đề quan trọng cần giải quyết. Các phương pháp hiện tại thường không đáp ứng được yêu cầu tiết kiệm băng thông và hiệu quả trong môi trường nhiễu cao.

II. Kỹ thuật đồng bộ tín hiệu

Đồng bộ tín hiệu là một yếu tố quan trọng trong hệ thống OFDM. Các phương pháp đồng bộ hiện tại như Schmidl và Minn thường sử dụng chuỗi tín hiệu đặc biệt, điều này không phù hợp với yêu cầu tiết kiệm băng thông trong truyền thông dưới nước. Luận án đề xuất sử dụng khoảng bảo vệ GI để phát hiện điểm đồng bộ, giúp cải thiện hiệu quả sử dụng băng thông và chất lượng tín hiệu thu được. Việc áp dụng các thuật toán đồng bộ mới sẽ giúp giảm thiểu sai số và nâng cao độ chính xác trong việc nhận diện tín hiệu.

2.1. Các phương pháp đồng bộ

Các phương pháp đồng bộ hiện tại chủ yếu dựa vào việc sử dụng chuỗi tín hiệu đặc biệt, điều này có thể gây lãng phí băng thông. Luận án sẽ nghiên cứu và phát triển các thuật toán đồng bộ mới, sử dụng khoảng bảo vệ GI để phát hiện điểm đồng bộ cho khung dữ liệu. Điều này không chỉ giúp tiết kiệm băng thông mà còn nâng cao chất lượng tín hiệu thu được trong môi trường dưới nước.

III. Bù dịch tần Doppler

Bù dịch tần Doppler là một thách thức lớn trong truyền thông dưới nước. Hiện tại, nhiều phương pháp bù dịch tần Doppler thường thực hiện sau khi đồng bộ, điều này có thể dẫn đến sai lệch lớn trong tín hiệu thu được. Luận án đề xuất một phương pháp bù dịch tần Doppler mới, sử dụng chuỗi tín hiệu hình sin để tính toán độ dịch tần trước khi đồng bộ. Phương pháp này không chỉ tiết kiệm băng thông mà còn cải thiện độ chính xác trong việc xác định tần số Doppler.

3.1. Đặc điểm của hiện tượng Doppler

Hiện tượng Doppler gây ra sự thay đổi tần số của tín hiệu khi có sự chuyển động giữa bên phát và bên thu. Điều này ảnh hưởng lớn đến chất lượng tín hiệu thu được. Việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp bù dịch tần Doppler hiệu quả là rất cần thiết để cải thiện chất lượng tín hiệu trong truyền thông dưới nước. Luận án sẽ trình bày các phương pháp bù dịch tần Doppler mới, giúp nâng cao hiệu quả truyền thông.

IV. Ứng dụng và kết quả thực nghiệm

Luận án không chỉ dừng lại ở lý thuyết mà còn thực hiện các thí nghiệm thực tế để kiểm chứng các phương pháp đã đề xuất. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng việc sử dụng các phương pháp đồng bộ và bù dịch tần Doppler mới đã cải thiện đáng kể chất lượng tín hiệu thu được. Các mô hình hệ thống được đề xuất cho thấy khả năng hoạt động hiệu quả trong môi trường dưới nước, mở ra hướng đi mới cho nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực này.

4.1. Kết quả thực nghiệm

Các thí nghiệm thực tế đã được thực hiện để kiểm chứng tính khả thi của các phương pháp đồng bộ và bù dịch tần Doppler. Kết quả cho thấy rằng các phương pháp này không chỉ cải thiện chất lượng tín hiệu mà còn tiết kiệm băng thông, đáp ứng tốt yêu cầu của truyền thông dưới nước. Những kết quả này khẳng định giá trị thực tiễn của nghiên cứu và mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan về luận án

Sự gia tăng theo cấp số nhân của các chất ô nhiễm mới nổi (Emerging Contaminants/Emerging Pollutants - EPs), đặc biệt là nhóm dược phẩm và các sản phẩm chăm sóc cá nhân (Pharmaceuticals and Personal Care Products - PPCPs), đang cấu thành một trong những mối đe dọa sinh thái và sức khỏe môi trường nghiêm trọng nhất thế kỷ 21. Trên quy mô toàn cầu, sản lượng tiêu thụ kháng sinh hàng năm đã vượt ngưỡng 100.000 tấn với liều lượng sử dụng tính theo đầu người tăng hơn 50% trong giai đoạn 1995–2006 [2, 3]. Sau khi hấp thụ vào cơ thể người và động vật, có khoảng 10% đến 90% lượng hoạt chất dược phẩm bị đào thải trực tiếp ra môi trường mà không qua chuyển hóa sinh hóa hoàn toàn [3]. Tại Việt Nam, thị trường dược phẩm ghi nhận tốc độ tăng trưởng kinh tế nhanh thứ 13 trên thế giới (theo Business Monitor International), quy mô đạt 4,2 tỷ USD vào năm 2015 và chạm mốc 10 tỷ USD vào năm 2020 với mức chi tiêu thuốc bình quân tăng từ 9,85 USD/người (năm 2005) lên 44 USD/người (năm 2015) và dự báo đạt 163 USD/người vào năm 2025 [8, 40, 41]. Mặc dù áp lực xả thải gia tăng mạnh, hệ thống hạ tầng xử lý nước thải (Wastewater Treatment Plants - WWTPs) tại các lưu vực sông trọng điểm vẫn còn manh mún, khiến dư lượng PPCPs xâm nhập trực tiếp vào thủy vực tự nhiên.

Khoảng trống nghiên cứu (Research Gap) then chốt hiện nay là sự thiếu vắng các công trình điều tra định lượng có tính hệ thống về phân bố đa pha (nước mặt – trầm tích mặt – cột trầm tích sâu) của PPCPs theo chu kỳ thủy văn tại các lưu vực sông nhiệt đới gió mùa của Việt Nam. Trước đây, các nghiên cứu trong nước (như tại Đồng bằng sông Mê Kông [9], Hà Nội, TP. Hồ Chí Minh [10, 11], hay các vùng trang trại ao nuôi Cần Thơ, Hải Phòng [12, 13]) chỉ thực hiện khảo sát cục bộ đối với dư lượng kháng sinh, lấy mẫu đơn lẻ và phần lớn phải gửi mẫu phân tích tại nước ngoài (Nhật Bản, Hàn Quốc). Lưu vực sông Cầu – một trong ba tiểu lưu vực sông lớn nhất miền Bắc (chiếm 2% diện tích lưu vực cả nước, 8% lưu vực sông Hồng, mật độ dân số 870 người/km², cá biệt tại TP. Thái Nguyên lên tới 1.682 người/km² [17, 80]) – là điểm nóng ô nhiễm liên tỉnh tiếp nhận hơn 68,88% tải lượng nước thải sản xuất kinh doanh toàn vùng cùng lượng lớn nước thải sinh hoạt đô thị chưa xử lý triệt để, nhưng chưa từng có dữ liệu cơ sở (baseline data) về PPCPs.

Nhằm giải quyết triệt để vấn đề trên, luận án xác lập hệ thống câu hỏi nghiên cứu và giả thuyết khoa học:

• Câu hỏi nghiên cứu 1 (RQ1): Những hợp chất PPCPs nào đóng vai trò chất ô nhiễm đặc trưng và có tần suất phát hiện cao nhất trong lưu vực sông Cầu?
• Câu hỏi nghiên cứu 2 (RQ2): Quy trình chiết tách và định lượng đồng thời các PPCPs đa nhóm trong nền mẫu nước mặt và trầm tích phức tạp bằng kỹ thuật sắc ký lỏng ghép hai lần khối phổ (LC-MS/MS) tại phòng thí nghiệm Việt Nam có thể tối ưu hóa như thế nào để đạt độ thu hồi và độ lặp lại chuẩn quốc tế?
• Câu hỏi nghiên cứu 3 (RQ3): Cơ chế phân bố pha (nước - trầm tích) và sự tích lũy của PPCPs dọc theo chiều sâu cột trầm tích chịu sự chi phối ra sao bởi hàm lượng carbon hữu cơ tổng số (TOC), thành phần hạt sét và biến động lưu lượng thủy văn theo mùa?
• Giả thuyết khoa học 1 (H1): Các hợp chất có cấu trúc phân tử phân cực cao và khả năng bền vững hóa sinh (như Carbamazepine, Sulfamethoxazole) sẽ chiếm ưu thế trong pha nước, trong khi các hợp chất có hệ số phân bố $K_d$ và $K_{OC}$ lớn (như Ciprofloxacin) sẽ tích tụ chủ yếu trong trầm tích mặt và trầm tích tầng sâu.
• Giả thuyết khoa học 2 (H2): Dòng thải từ hệ thống thoát nước đô thị và cơ sở y tế tại TP. Thái Nguyên tạo ra sự phân hóa nồng độ PPCPs rõ rệt giữa mùa khô và mùa mưa, gây rủi ro sinh thái cấp tính và mãn tính (Risk Quotient - RQ) vượt ngưỡng an toàn ($RQ \ge 0,1$) đối với các bậc dinh dưỡng thủy sinh.

Nghiên cứu vận dụng khung lý thuyết tích hợp giữa Mô hình Phân bố Cân bằng Đa pha (Equilibrium Partitioning Theory - EqP) của Di Toro et al. (1991), Thuyết Hấp phụ Hữu cơ kỵ nước của Karickhoff (1979) và Khung Đánh giá Rủi ro Môi trường (Ecological Risk Assessment - ERA) của USEPA và EU TGD (2003). Luận án khảo sát sàng lọc diện rộng 56 hợp chất PPCPs thuộc 6 nhóm chức năng (30 kháng sinh, 12 giảm đau/NSAIDs, 4 chống động kinh, 4 giãn mạch, 6 hợp chất khác), thu thập mẫu trên mạng lưới 23 điểm nước và 8 điểm trầm tích dọc dòng chính sông Cầu, sau đó tập trung phân tích chuyên sâu 04 chất điển hình (Sulfamethoxazole - SMX, Ciprofloxacin - CIP, Carbamazepine - CBM, Caffeine - CAF) tại 22 điểm mẫu nước và trầm tích đoạn qua TP. Thái Nguyên trong hai mùa thủy văn (mùa mưa chiếm 75% lưu lượng năm, mùa khô chiếm 18–20% lưu lượng năm).

Literature Review và Positioning

Các công trình nghiên cứu trên thế giới về sự tồn lưu của PPCPs đã hình thành ba dòng học thuật chính:

1. Dòng nghiên cứu động thái phát thải và xử lý PPCPs tại các trạm xử lý nước thải (WWTPs): Daughton & Ternes (1999), Kümmerer (2009) [3] và Verlicchi et al. (2012) [20] đã chứng minh các công trình xử lý sinh học truyền thống (hiếu khí/kỵ khí) không thể loại bỏ hoàn toàn các hợp chất phân cực và bền vững. Trong khi các NSAID như Ibuprofen có thể phân hủy sinh học trên 75%, thì Carbamazepine (CBM) hầu như không bị suy giảm trong nước thải đô thị (tỷ lệ loại bỏ < 10%), và các kháng sinh nhóm fluoroquinolone (như CIP) chủ yếu bị tách khỏi pha nước thông qua cơ chế hấp phụ vào bùn hoạt tính (khoảng 70%) hơn là thoái biến sinh học [45].
2. Dòng nghiên cứu phân bố pha và tích lũy trong trầm tích: Trầm tích đóng vai trò vừa là "bồn chứa" (sink) vừa là "nguồn phát thải thứ cấp" (secondary source) của PPCPs. Các nghiên cứu quốc tế của Nakada et al. (2007) [65] tại Nhật Bản, Li et al. (2012, 2015) [63, 64] tại Trung Quốc, và Spongberg et al. (2011) [66] tại Hoa Kỳ đã phát hiện nồng độ ciprofloxacin và norfloxacin trong bùn cống và trầm tích đáy đạt mức cực đại lên tới hàng ngàn ng/g (ví dụ ciprofloxacin đạt 3.438 ng/g trong chất rắn sinh học và 6.050 ng/g trong trầm tích đô thị). Nồng độ PPCPs cao nhất từng ghi nhận ở trầm tích phát hiện tại trạm xử lý Hveragerdi (Iceland) [60]. Ngược lại, tại lưu vực sông Grand (Ontario, Canada), Gilroy et al. (2017) [52] đã phát hiện 43 loại dược phẩm trong mô trai bản địa với hệ số tích lũy sinh học (BAF) biến thiên từ 0,66 (Metformin) đến 32.022 (Sertraline).
3. Dòng nghiên cứu độc học sinh thái và rủi ro gây rối loạn nội tiết/kháng kháng sinh: Colborn et al. (1993), Cleuvers (2003) [32], và WHO [31] xác nhận các hợp chất gây rối loạn nội tiết (EDCs) và dư lượng kháng sinh dù hiện diện ở nồng độ vết ($ng/L$ đến $\mu g/L$) vẫn có thể gây hiệu ứng cộng hưởng độc tính (synergistic toxicity) lên sinh vật phi mục tiêu (Daphnia magna, Pseudokirchneriella subcapitata, Pimephales promelas) [32, 59] và thúc đẩy quá trình lan truyền các gen kháng thuốc (Antibiotic Resistance Genes - ARGs) trong quần thể vi sinh vật tự nhiên [54, 57].

                 KHUNG ĐỊNH VỊ HỌC THUẬT (SCHOLARLY POSITIONING)

Trong bối cảnh học thuật đó, luận án tự định vị là nghiên cứu tiên phong tại Việt Nam thực hiện trọn vẹn chuỗi đánh giá từ thiết lập phương pháp phân tích nội địa tiên tiến, khảo sát đồng thời 56 chất, xác lập cơ chế phân bố thực nghiệm $K_d$, định lượng tải lượng phát thải, đến mô hình hóa rủi ro sinh thái trên một lưu vực sông nhiệt đới chịu tải lượng nhân sinh cao.

Đóng góp lý thuyết và khung phân tích

Đóng góp cho lý thuyết

Luận án mang lại những bước tiến lý luận quan trọng cho chuyên ngành Hóa học Môi trường và Độc học Môi trường:

1. Mở rộng Thuyết Phân bố Cân bằng (EqP) trên trầm tích nhiệt đới: Luận án mở rộng mô hình phân bố của Di Toro et al. (1991) và Karickhoff (1979) bằng cách chứng minh rằng đối với các phân tử hữu cơ mang điện tích kép hoặc nhóm chức phân cực ($-\text{NH}_2, -\text{COOH}, -\text{SO}2\text{NH}-$), hệ số phân bố thực nghiệm ($K_d$) không chỉ phụ thuộc tuyến tính đơn thuần vào hàm lượng Carbon hữu cơ tổng số ($f{oc}$ / TOC) mà còn chịu sự chi phối quyết định bởi tương tác trao đổi cation và cấu trúc khoáng sét (Clay content - S).
2. Bổ sung dữ liệu thực nghiệm cho Thuyết Bền vững Hóa sinh Môi trường: Dựa trên thang phân loại chu kỳ bán hủy $DT_{50}$ của Römbke et al. (2007) [29], luận án cung cấp bằng chứng thực địa khẳng định tính trơ phân hủy của Carbamazepine ($DT_{50} = 119 - 328$ ngày) và Ciprofloxacin trong cột trầm tích nhiều tầng, đóng vai trò như một "hồ sơ địa tầng hóa học" (chemical stratigraphic record) ghi nhận lịch sử xả thải nhân sinh của lưu vực.
3. Củng cố Thuyết Độc tính Hỗn hợp và Đánh giá Rủi ro Sinh thái (Mixture Toxicity Theory): Cung cấp cơ sở lý luận chứng minh rằng nồng độ đo được ngoài hiện trường (MEC) của từng hoạt chất đơn lẻ có thể thấp hơn ngưỡng gây độc cấp tính ($LC_{50}, EC_{50}$), nhưng khi tính toán theo chỉ số rủi ro tích lũy ($RQ_{mix}$), tác động ức chế sinh trưởng đối với sinh vật thủy sinh (tảo lam Microcystis aeruginosa, bèo tấm Lemna minor, bọ nước Daphnia magna) tăng vọt theo cơ chế tác động cộng hưởng (concentration addition).

Khung phân tích độc đáo

Luận án tích hợp 03 trụ cột lý thuyết cốt lõi để xây dựng khung phân tích liên hoàn:

• Trụ cột 1: Hóa phân tích dụng cụ tiên tiến (Instrumental Analytical Chemistry): Tối ưu hóa cơ chế ion hóa tia điện dương ($+\text{ESI}$) trên hệ thống sắc ký lỏng hiệu năng cực cao ghép khối phổ ba tứ cực ($QqQ\text{-MS/MS}$) vận hành ở chế độ Khảo sát Đa ion Chọn lọc (Multiple Reaction Monitoring - MRM).
• Trụ cột 2: Thuyết Cân bằng Vật chất và Vận chuyển Thủy văn (Hydrodynamic Mass Balance Modeling): Áp dụng phương trình cân bằng vật chất bảo toàn: $$L = Q \times C \times 86,4$$ (Trong đó: $L$ là tải lượng chất ô nhiễm phát thải theo ngày (g/ngày), $Q$ là lưu lượng dòng chảy ($m^3/s$), $C$ là nồng độ PPCPs đo được ($\mu g/L$ hoặc $ng/L$), và 86,4 là hệ số quy đổi đơn vị thời gian).
• Trụ cột 3: Khung Đánh giá Rủi ro Môi trường Tiêu chuẩn (ERA - European Technical Guidance Document): Xác lập hệ số rủi ro sinh thái: $$RQ = \frac{\text{MEC}}{\text{PNEC}} = \frac{\text{MEC}}{\text{NOEC} / \text{AF}} \quad \text{hoặc} \quad RQ = \frac{\text{MEC}}{\text{EC}{50} / \text{AF}}$$ *(Trong đó: PNEC là nồng độ dự báo không gây ảnh hưởng; NOEC là nồng độ không quan sát thấy hiệu ứng; $\text{EC}{50}$ là nồng độ gây ảnh hưởng 50% quần thể; AF là hệ số đánh giá an toàn, lựa chọn từ 10 đến 1.000 tùy thuộc vào bậc dinh dưỡng).*

Điều kiện biên (Boundary Conditions) của mô hình được xác lập rõ: Áp dụng cho hệ thống thủy vực sông hở vùng trung du nhiệt đới, biên độ dao động lưu lượng theo mùa từ 18% (mùa khô) đến 75% (mùa mưa), độ dốc lòng dẫn 0,01%, chiều rộng dòng chính 70–150 m, chịu tác động trực tiếp từ nước thải đô thị và công nghiệp luyện kim, dệt may, giấy ven sông.

Phương pháp nghiên cứu tiên tiến

Thiết kế nghiên cứu

Nghiên cứu được kiến tạo trên nền tảng triết lý thực chứng (Positivism) và chủ nghĩa hiện thực phản biện (Critical Realism), kết hợp thiết kế nghiên cứu đa tầng (Multi-level Matrix Design):

• Tầng 1 - Sàng lọc diện rộng (Broad-spectrum Screening): Khảo sát 56 hợp chất PPCPs trên 23 điểm lấy mẫu nước mặt và 8 điểm trầm tích dọc 288 km chiều dài sông Cầu qua 4 tỉnh (Bắc Kạn, Thái Nguyên, Bắc Ninh, Hải Dương).
• Tầng 2 - Định lượng chuyên sâu & Phân bố theo mùa: Tập trung vào 04 hợp chất điển hình (SMX, CIP, CBM, CAF) tại 22 vị trí lấy mẫu nước mặt, trầm tích mặt và cột trầm tích tầng sâu tại điểm nóng TP. Thái Nguyên qua 2 mùa thủy văn (mùa mưa và mùa khô).

Quy trình nghiên cứu rigorous

Quy trình thu thập, xử lý và làm sạch mẫu được chuẩn hóa nghiêm ngặt nhằm triệt tiêu hiệu ứng nền (Matrix Effects):

1. Xử lý mẫu nước: Lấy mẫu bằng thiết bị lấy mẫu chuyên dụng tráng rửa chuẩn, lọc qua màng sợi thủy tinh $0,45\ \mu m$, bảo quản ở $4^\circ\text{C}$. Làm giàu và tách chiết bằng kỹ thuật Chiết pha rắn (Solid Phase Extraction - SPE) sử dụng cột polyme pha đảo Oasis HLB ($6\text{ mL}, 200\text{ mg}$ Hydrophilic-Lipophilic Balanced sorbent) với cơ chế tương tác kỵ nước và ưa nước phân cực. Rửa giải bằng methanol tinh khiết và cô đặc dưới dòng khí nitơ nhẹ trước khi đưa vào thiết bị phân tích.
2. Xử lý mẫu trầm tích: Mẫu trầm tích mặt ($0–5\text{ cm}$) và mẫu lõi cột trầm tích cắt lớp được sấy khô thăng hoa/sấy khô ở nhiệt độ phòng, nghiền mịn, đồng nhất hóa. Thực hiện chiết tách bằng Kỹ thuật Chiết Dung môi Tăng tốc (Accelerated Solvent Extraction - ASE) ở điều kiện nhiệt độ cao và áp suất cao ($100^\circ\text{C}, 1.500\text{ psi}$) với hỗn hợp dung môi phân cực, giúp giảm độ nhớt của dung môi, phá vỡ liên kết hấp phụ bề mặt hạt khoáng sét và tăng hiệu suất thu hồi hợp chất. Dịch chiết sau ASE tiếp tục được làm sạch qua cột SPE Oasis HLB để loại bỏ hoàn toàn lipid, axit humic và fulvic gây nhiễu khối phổ.
3. Độ tin cậy và Kiểm chuẩn phương pháp: Đánh giá độ chụm (Precision) qua độ lệch chuẩn tương đối ($\text{RSD} < 10%$), độ đúng (Accuracy) qua hiệu suất thu hồi mẫu thêm chuẩn ($Spike\ Recovery = 75% - 110%$), xây dựng đường chuẩn tuyến tính 5 điểm với hệ số tương quan tuyến tính $R^2 > 0,995$. Giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ) đạt mức siêu vết pico-gram/L ($pg/L$) đến nano-gram/L ($ng/L$).

                      SƠ ĐỒ QUY TRÌNH PHÂN TÍCH NGHIÊM NGẶT

Data và phân tích

Thiết bị phân tích chính là hệ thống Sắc ký lỏng hai lần khối phổ của hãng Agilent Technologies (Hoa Kỳ), gồm mô-đun HPLC 1260 Infinity kết nối với Đầu dò Khối phổ ba tứ cực Agilent 6420 Triple Quadrupole LC-MS/MS:

• Cấu hình ion hóa: Nguồn ion hóa tia điện $\text{ESI}(+)$, nhiệt độ dòng khí làm khô $350^\circ\text{C}$, tốc độ dòng khí $10\text{ L/phút}$, áp suất buồng phun $45\text{ psi}$, thế nhân điện tử (EMV) $400\text{ V}$.
• Cơ chế phân mảnh: Tối ưu hóa năng lượng phân mảnh (Fragmentor - F) trong dải $60 - 140\text{ V}$ (bước nhảy $10\text{ V}$) để tạo mảnh ion mẹ tiền chất $[\text{M}+\text{H}]^+$ ổn định nhất tại tứ cực MS1; tối ưu hóa năng lượng va chạm (Collision Energy - CE) trong dải $5 - 20\text{ V}$ (bước nhảy $5\text{ V}$) tại buồng va chạm MS2 để sinh ra các ion con đặc trưng (Product ions) phục vụ định danh và định lượng ở chế độ MRM/SRM.
• Tách sắc ký: Sử dụng cột sắc ký pha đảo chất lượng cao ACQUITY UPLC BEH C18 và Zorbax Plus C18 với kích thước hạt pha tĩnh siêu nhỏ ($< 1,7\ \mu m$), gradient pha động nước khử ion pha $0,1%$ Axit Formic và Acetonitrile/Methanol tinh khiết, tốc độ dòng $300\ \mu L/\text{phút}$.
• Xử lý thống kê: Dữ liệu sắc ký được xử lý trên phần mềm chuyên dụng Agilent MassHunter Workstation. Phân tích tương quan Pearson ($R$), phân tích hồi quy phi tuyến đa biến giữa nồng độ PPCPs với TOC, phần trăm hạt sét ($S%$) và các thông số chất lượng nước hiện trường (pH, DO, TDS, TSS, Coliform) được thực hiện trên môi trường SPSS và R.

Phát hiện đột phá và implications

Những phát hiện then chốt

1. Nhận diện chính xác 04 PPCPs gây ô nhiễm điển hình: Từ 56 hợp chất ban đầu, nghiên cứu xác định Sulfamethoxazole (SMX - kháng sinh nhóm sulfonamide), Ciprofloxacin (CIP - kháng sinh nhóm fluoroquinolone), Carbamazepine (CBM - thuốc an thần/chống động kinh) và Caffeine (CAF - chất kích thích sinh hoạt) là 4 chất có tần suất phát hiện ($100%$) và nồng độ vượt trội nhất trong toàn lưu vực sông Cầu.
2. Sự tương phản sâu sắc về cơ chế phân bố pha:
   • Caffeine và Sulfamethoxazole chiếm ưu thế tuyệt đối trong pha nước mặt với nồng độ biến thiên từ hàng chục đến hàng ngàn $ng/L$, do độ tan cao ($\text{Sol}{CAF} = 21.600\text{ mg/L}$, $\text{Sol}{SMX} = 610\text{ mg/L}$) và hệ số phân bố octanol-nước thấp ($\log K_{OW} \le 0,89$).
   • Ciprofloxacin và Carbamazepine tích tụ cực kỳ mãnh liệt trong trầm tích đáy. CIP ghi nhận hệ số phân bố pha thực nghiệm cực cao ($K_d = 427\text{ L/kg}$, $K_{OC} = 61.000\text{ L/kg}$), cho thấy hơn 85% tải lượng CIP bị giữ lại trong nền trầm tích bùn cát.
3. Mối tương quan giữa đặc tính địa hóa trầm tích và sự lưu giữ PPCPs: Phân tích tương quan Pearson ($R$) xác nhận mối liên hệ đồng biến có ý nghĩa thống kê cao ($p < 0,01$) giữa nồng độ CIP, CBM trong trầm tích với hàm lượng Carbon hữu cơ tổng số ($\text{TOC}%$) và tỷ lệ hạt sét ($S%$). Điều này chứng minh khoáng vật sét phù sa sông Cầu đóng vai trò chất hấp phụ tự nhiên cố định các hợp chất hữu cơ phân cực.
4. Quy luật biến thiên nồng độ và tải lượng theo chu kỳ thủy văn: Nồng độ PPCPs trong nước mặt vào mùa khô cao hơn rõ rệt so với mùa mưa do hiệu ứng pha loãng thủy văn (lưu lượng mùa mưa gấp 4 lần mùa khô). Tuy nhiên, tổng tải lượng phát thải ($g/\text{ngày}$) vào mùa mưa lại tăng cao, phản ánh hiện tượng dòng chảy tràn bề mặt cuốn trôi dư lượng PPCPs tích tụ từ đất nông nghiệp và bể phốt đô thị vào dòng chính.
5. Cảnh báo mức độ rủi ro sinh thái (ERA) vượt ngưỡng: Hệ số thương số rủi ro $RQ$ của Sulfamethoxazole và Ciprofloxacin đối với quần thể vi sinh vật và tảo lục tại các điểm tiếp nhận nước thải TP. Thái Nguyên vượt mức 1,0 ($RQ > 1$ biểu thị mức rủi ro sinh thái cao), đe dọa trực tiếp cấu trúc chuỗi thức ăn thủy sinh bản địa.

Tên Hợp Chất	Công Thức Hóa Học	Khối Lượng Phân Tử (MW)	$\log K_{OW}$	Đặc Tính Phân Bố Pha Ưu Thế	Mức Độ Rủi Ro Sinh Thái ($RQ$)
Sulfamethoxazole (SMX)	$\text{C}{10}\text{H}{11}\text{N}_3\text{O}_3\text{S}$	$253,3\text{ g/mol}$	$0,89$	Pha nước mặt (Tan mạnh, linh động cao)	Cao ($RQ > 1,0$ tại hạ lưu cống thải)
Ciprofloxacin (CIP)	$\text{C}{17}\text{H}{18}\text{FN}_3\text{O}_3$	$331,3\text{ g/mol}$	$0,40$	Pha trầm tích đáy ($K_{OC} = 61.000\text{ L/kg}$)	Cao ($RQ > 1,0$ với hệ vi sinh/tảo)
Carbamazepine (CBM)	$\text{C}{15}\text{H}{12}\text{N}_2\text{O}$	$236,27\text{ g/mol}$	$2,45$	Tích lũy trầm tích ($DT_{50} > 100$ ngày)	Trung bình - Bền vững lâu dài
Caffeine (CAF)	$\text{C}8\text{H}{10}\text{N}_4\text{O}_2$	$194,19\text{ g/mol}$	$0,07$	Chỉ thị nước thải sinh hoạt đô thị	Thấp ($RQ < 0,1$)

Implications đa chiều

• Về mặt Lý thuyết & Phương pháp: Cung cấp bộ thông số hằng số phân bố $K_d, K_{OC}$ thực nghiệm đầu tiên trên hệ thống sông nhiệt đới miền Bắc Việt Nam, bổ sung cơ sở dữ liệu quan trọng cho các mô hình đa pha toàn cầu.
• Về mặt Thực tiễn Công nghệ: Quy trình phân tích đồng thời 04 PPCPs bằng LC-MS/MS kết hợp SPE/ASE được chuẩn hóa hoàn toàn trong điều kiện phòng thí nghiệm nội địa, cho phép các viện nghiên cứu và trung tâm quan trắc trong nước tự chủ công nghệ mà không cần gửi mẫu ra nước ngoài.
• Về mặt Quản lý & Chính sách Môi trường: Kết quả nghiên cứu là luận cứ khoa học cấp thiết để Bộ Tài nguyên và Môi trường đưa nhóm chỉ tiêu PPCPs vào Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia về chất lượng nước mặt (QCVN 08-MT) và nước thải y tế/đô thị.

Limitations và Future Research

Mặc dù đạt được những đóng góp đột phá, nghiên cứu vẫn tồn tại một số giới hạn khoa học cần được tiếp tục hoàn thiện:

1. Giới hạn không gian chuyên sâu: Nghiên cứu định lượng chi tiết tập trung chủ yếu vào đoạn sông Cầu chảy qua đô thị TP. Thái Nguyên. Cần mở rộng mạng lưới quan trắc vi phân đa điểm xuống toàn bộ hạ lưu thuộc các tỉnh Bắc Ninh, Bắc Giang, Hải Dương.
2. Giới hạn về số lượng hoạt chất định lượng: Phương pháp LC-MS/MS tối ưu hóa thành công cho 04 chất điển hình. Danh mục 52 hợp chất còn lại trong nhóm 56 chất sàng lọc ban đầu (bao gồm các hormone nội tiết $E_1, E_2, EE_2$ và các NSAID khác) cần được tiếp tục xây dựng đường chuẩn định lượng đồng thời.
3. Giới hạn trong mô phỏng độc học sinh thái: Các giá trị PNEC hiện tại chủ yếu kế thừa từ cơ sở dữ liệu độc học chuẩn quốc tế (USEPA, ECHA) trên các loài chỉ thị ôn đới. Chưa thiết lập được thử nghiệm độc tính sinh học trực tiếp (in-situ bioassays) trên các loài sinh vật bản địa đặc hữu của sông Cầu.

Chương trình nghiên cứu tương lai định hướng:

• Mở rộng kỹ thuật khối phổ phân giải cao (LC-Q-TOF-MS) nhằm sàng lọc không mục tiêu (Non-target screening) để phát hiện các sản phẩm chuyển hóa trung gian và dẫn xuất phân hủy quang hóa của PPCPs.
• Nghiên cứu cơ chế lan truyền gen kháng kháng sinh (ARGs) liên quan trực tiếp đến nồng độ tích lũy ciprofloxacin và sulfamethoxazole trong màng vi sinh vật đáy sông.

Tác động và ảnh hưởng

Luận án mang lại tác động sâu rộng trên cả ba phương diện học thuật, công nghiệp xử lý nước và quản trị công:

• Tác động Học thuật: Cung cấp bộ dữ liệu nền tảng với hơn 100 dữ liệu phân tích hóa lý, phân bố pha và tải lượng phát thải, dự kiến trở thành tài liệu tham khảo cốt lõi cho các công trình nghiên cứu về chất ô nhiễm mới nổi tại khu vực Đông Nam Á.
• Ảnh hưởng Chính sách và Quản trị Lưu vực: Cung cấp báo cáo thực chứng phục vụ Ủy ban Bảo vệ Môi trường Lưu vực Sông Cầu và Sở TN&MT tỉnh Thái Nguyên trong việc hoạch định kế hoạch thu gom, xử lý nước thải sinh hoạt đô thị và giám sát xả thải từ các cụm công nghiệp Gang thép, giấy Hoàng Văn Thụ, khu dân cư Cam Giá.
• Chuyển dịch Công nghệ Kỹ thuật Môi trường: Định hướng cho các doanh nghiệp công nghệ môi trường tích hợp các quy trình oxy hóa nâng cao ($AOPs: UV/O_3, UV/H_2O_2, Fenton$) và màng lọc thẩm thấu ngược (RO/NF) tại các WWTPs đô thị và bệnh viện nhằm phá hủy triệt để liên kết hữu cơ bền của CBM và CIP trước khi thải ra nguồn tiếp nhận.

Đối tượng hưởng lợi

• Nghiên cứu sinh & Giới Học thuật: Thừa hưởng quy trình phân tích tối ưu F và CE trên LC-MS/MS, các thông số tiền chất/sản phẩm ion để tái lập và phát triển các đề tài phân tích hóa học môi trường chuyên sâu.
• Cơ quan Quản lý Nhà nước (Bộ TN&MT, Cục Kiểm soát Ô nhiễm): Sở hữu cơ sở dữ liệu định lượng và bản đồ phân bố rủi ro sinh thái để xây dựng ngưỡng giới hạn cho phép của dư lượng dược phẩm trong các tiêu chuẩn xả thải.
• Kỹ sư Công nghệ Nước & Doanh nghiệp Hạ tầng Môi trường: Ứng dụng các phát hiện về hệ số phân bố $K_d$ và sự hấp phụ vào bùn cát để thiết kế các bể lắng, module lọc sinh học và giải pháp xử lý bùn thải tối ưu.
• Cộng đồng Dân cư Ven sông: Hưởng lợi gián tiếp từ việc nâng cao chất lượng nguồn nước cấp sinh hoạt, giảm thiểu nguy cơ phơi nhiễm mãn tính với các chất rối loạn nội tiết qua chuỗi thực phẩm thủy sản.

Câu hỏi chuyên sâu

1. Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất của luận án là gì và đã mở rộng lý thuyết nào? Đóng góp độc đáo nhất là việc xác lập bộ thông số phân bố thực nghiệm ($K_d, K_{OC}$) của 04 PPCPs điển hình trên hệ trầm tích phù sa sông nhiệt đới gió mùa. Nghiên cứu đã mở rộng Thuyết Phân bố Cân bằng Đa pha (Equilibrium Partitioning Theory) của Di Toro et al. (1991) bằng việc chứng minh sự chi phối đồng thời của khoáng sét phù sa ($S%$) và Carbon hữu cơ ($TOC%$) đến khả năng cố định kháng sinh fluoroquinolone (Ciprofloxacin), bác bỏ quan điểm cho rằng chỉ có $TOC$ quyết định sự hấp phụ chất hữu cơ kỵ nước.

2. Điểm cải tiến phương pháp luận so với các nghiên cứu trước đây tại Việt Nam và quốc tế là gì? So với các nghiên cứu trước đây tại Việt Nam (thường dùng phương pháp chiết siêu âm UAE thủ công, mất thời gian, hiệu suất thấp và gửi mẫu phân tích khối phổ tại nước ngoài), luận án đã:

• Tích hợp công nghệ Chiết dung môi tăng tốc (ASE) ở nhiệt độ cao ($100^\circ\text{C}$) và áp suất cao ($1.500\text{ psi}$) kết hợp làm sạch bằng SPE Oasis HLB cho mẫu trầm tích.
• Làm chủ hoàn toàn kỹ thuật sắc ký lỏng ghép hai lần khối phổ (Agilent 1260 Infinity / 6420 QqQ-MS/MS) tại phòng thí nghiệm Việt Nam, tối ưu hóa thuật toán quét ion và năng lượng phân mảnh $F$ ($60–140\text{ V}$), năng lượng va chạm $CE$ ($5–20\text{ V}$) để định lượng đồng thời ở nồng độ siêu vết với độ thu hồi đạt $75–110%$.

3. Phát hiện bất ngờ nhất từ tập dữ liệu thực nghiệm là gì? Phát hiện bất ngờ nhất là sự đối lập hoàn toàn về mặt số phận môi trường (environmental fate) giữa Caffeine và Ciprofloxacin: Dù Caffeine có lượng tiêu thụ sinh hoạt khổng lồ và nồng độ rất cao trong nước mặt, hợp chất này hầu như không tồn lưu trong trầm tích; ngược lại, Ciprofloxacin dù nồng độ trong nước mặt ở mức vừa phải nhưng lại tích tụ cực kỳ đậm đặc và trơ hóa sinh trong các lớp trầm tích đáy sâu ($K_{OC} = 61.000\text{ L/kg}$), tạo thành ổ chứa ô nhiễm dài hạn có thể tái khuếch tán khi có xáo trộn thủy lực vào mùa lũ.

4. Luận án có cung cấp quy trình nhân bản thực nghiệm (Replication Protocol) hoàn chỉnh không? Có. Toàn bộ các thông số vận hành bao gồm loại cột sắc ký (ACQUITY UPLC BEH C18), tỷ lệ pha động (A: Nước + $0,1%$ HCOOH, B: ACN/MeOH), gradient dung môi, thể tích tiêm mẫu ($3\ \mu L$), dải quét phổ $m/z$ ($100–400$), ion mẹ tiền chất $[\text{M}+\text{H}]^+$, ion con định lượng/định tính, cũng như các giá trị điện áp $F$ và $CE$ tối ưu cho từng chất đều được cung cấp chi tiết trong phụ lục kỹ thuật của luận án.

5. Lộ trình nghiên cứu 10 năm tiếp theo được định hình ra sao? Lộ trình 10 năm tập trung vào 3 trụ cột: (1) Ứng dụng kỹ thuật khối phổ phân giải cao (HRMS / Q-TOF) để lập bản đồ chuyển hóa các chất biến đổi sinh học (transformation products); (2) Xây dựng mô hình động học lan truyền tích hợp thủy lực - chất lượng nước (WASP/EFDC) kết hợp mô lượng ô nhiễm PPCPs trên toàn bộ lưu vực sông Hồng - sông Thái Bình; (3) Thiết lập hệ thống giám sát dịch tễ học nước thải (Wastewater-Based Epidemiology - WBE) nhằm ước tính thói quen tiêu thụ thuốc và tình trạng sức khỏe cộng đồng theo thời gian thực.

Kết luận

Luận án tiến sĩ đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu khoa học đề ra, tạo lập dấu ấn học thuật tiên phong trong lĩnh vực kỹ thuật môi trường tại Việt Nam thông qua 05 đóng góp cốt lõi:

1. Xác lập bộ dữ liệu toàn diện đầu tiên về hiện trạng ô nhiễm, phân bố không gian và động thái theo mùa của 56 chất PPCPs trên dòng chính sông Cầu và chuyên sâu 04 chất điển hình tại TP. Thái Nguyên.
2. Xây dựng và chuẩn hóa thành công quy trình chiết tách (SPE/ASE) và định lượng đồng thời Sulfamethoxazole, Ciprofloxacin, Carbamazepine, Caffeine bằng hệ thống sắc ký lỏng hai lần khối phổ LC-MS/MS đạt tiêu chuẩn quốc tế tại phòng thí nghiệm trong nước.
3. Định lượng chính xác hệ số phân bố pha thực nghiệm ($K_d, K_{OC}$) và chứng minh cơ chế tương tác phức hợp giữa chất ô nhiễm phân cực với hàm lượng carbon hữu cơ tổng số ($TOC$) và thành phần khoáng sét ($S%$) trong trầm tích nhiệt đới.
4. Đánh giá toàn diện tải lượng ô nhiễm phát thải theo ngày và cảnh báo định lượng nguy cơ rủi ro sinh thái ($RQ > 1$) của dư lượng kháng sinh đối với hệ sinh thái thủy sinh sông Cầu.
5. Đặt nền móng lý luận và phương pháp luận vững chắc, mở ra các hướng nghiên cứu đột phá về lan truyền gen kháng thuốc (ARGs) và hoàn thiện khung pháp lý kiểm soát các chất ô nhiễm mới nổi tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. TỔNG QUAN VỀ PPCPs 1. Định nghĩa và phân loại Dược phẩm và các sản phẩm chăm sóc cá nhân (Pharmaceuticals and personal care products - PPCPs) là một trong những nhóm chất gây ô nhiễm được quan tâm nhiều gần đây.

Các sản phẩm này hầu hết có nguồn gốc nhân tạo được sử dụng với nhiều mục đích như trong chăm sóc sức khỏe con người, hoạt động chăn nuôi và cả hoạt động nông nghiệp. Chúng vẫn còn hoạt tính sinh học sau khi ra khỏi cơ thể và xâm nhập vào môi trường theo nhiều con đường khác nhau (xem Hình 1. Sự hiện diện của chúng trong các hệ sinh thái làm gia tăng những lo ngại về hiểm hoạ đe dọa đến môi trường nước và sức khỏe con người. Sự di chuyển của PPCPs trong môi trường [18] Dược phẩm là các sản phẩm hóa chất được sử dụng để chẩn đoán, điều trị, chữa bệnh, hoặc phòng ngừa bệnh tật cho cả người và động vật, gồm cả các loại thuốc bất hợp pháp [19].

Các loại thuốc thường được bào chế với hoạt tính sinh học cao để đạt được hiệu quả trong điều trị. Do đó, chúng có khả năng đặc biệt ảnh hưởng đến các chức năng sinh hóa và sinh lý của các hệ thống sinh học. Dược phẩm có thể được đặc trưng hoặc phân loại dựa trên cấu trúc hóa học, tác dụng của chúng (tức là phương thức hoạt động), hoặc việc sử dụng chúng (tức là mục đích điều trị). Theo chức năng điều trị chúng bao gồm thuốc kháng sinh (dùng cho người và thú y), thuốc chống 1 viêm không chất béo hữu cơ hòa tan (NSAID), thuốc điều chỉnh lipid máu, thuốc chống động kinh, hormone, thuốc chẹn beta (thuốc điều trị cao huyết áp), thuốc chống trầm cảm, thuốc chống ung thư, phương tiện tương phản tia X và thuốc cường giao cảm β2 (thuốc giãn phế quản) [19-21].

Sản phẩm chăm sóc cá nhân là các sản phẩm có thành phần hoạt tính phục vụ các nhu cầu vệ sinh, thẩm mỹ của con người, thường được sử dụng trong các sản phẩm như mỹ phẩm, đồ vệ sinh cá nhân và nước hoa [19], chẳng hạn như phụ gia tắm, dầu gội, thuốc bổ tóc, sản phẩm chăm sóc da, thuốc xịt tóc , kem dưỡng da, thuốc nhuộm tóc, sản phẩm vệ sinh răng miệng, xà phòng, kem chống nắng, nước hoa, thuốc cạo râu, v. Các sản phẩm chăm sóc cá nhân được xác định trong các mẫu môi trường chủ yếu có thể được phân loại thành ba nhóm do chức năng của chúng, đó là chất khử trùng, xạ hương (tổng hợp) và chất chống nắng [19, 20]. Gần đây các hạt vi nhựa được thêm vào trong một số sản phẩm chăm sóc cá nhân như kem đánh răng, chất tẩy da chết, dầu gội, sữa tắm… bởi khả năng làm sạch bụi bẩn và chất nhờn trên da của chúng. Sau khi được sử dụng, hạt vi nhựa không bị xử lý tại các hệ thống xử lý nước thải, và theo dòng thải đổ ra sông hồ và biển.

Chúng có khả năng hấp phụ các chất chất độc hữu cơ kỵ nước. Các hạt vi nhựa này theo chuỗi thức ăn đi vào cơ thể các loài sinh vật trong nguồn nước. Do đó, các sinh vật thủy sinh không những chịu nguy cơ tích lũy các hạt vi nhựa mà còn có nguy cơ tăng khả năng tích tụ các chất độc hữu cơ thông qua chuỗi thức ăn của các hệ sinh thái [22]. Phân loại PPCPs [1, 23] Phân Loại Nhóm chất Hợp chất đại diện Dược phẩm Thuốc kháng sinh Sulfamethoxazole (SMX) (Pharmaceuticals) (Antibiotics) Sulfadimethoxine Ciprofloxacin (CIP) Clarithromycin Erythromycin Norfloxacin 2 Phân Loại Nhóm chất Hợp chất đại diện Nội tiết tố Estrone (E1) (Hormones) Estradiol (E2) Ethinylestradiol (EE2) Thuốc giảm đau và chống viêm Diclofenac (Analgesics and anti- Ibuprofen inflammatory drugs) Acetaminophen Acetylsalicylic acid Thuốc chống động kinh Carbamazepine (CBM) (Antiepileptic drugs) Primidone Thuốc chống mỡ máu Clofibrate (Blood lipid regulators) Gemfibrozil Chất kích thích (Stimulants) Caffeine (CAF) Chống loạn nhịp tim Metoprolol (Antiarrhythmic) Propanolol Thuốc chống u Ifosfamide (Cytostatic drugs) Cyclophosphamide Sản phẩm chăm sóc Chất kháng khuẩn / Chất khử Triclosan sức khỏe.

Đặc tính của PPCPs a. Đặc tính hóa lý Công thức hóa học, khối lượng phân tử và các đặc trưng hóa lý gồm độ tan, KOW, Kd, KOC và pKa của các PPCPs điển hình được thể hiện trong Bảng 1. Tính chất lý hóa của một số chất điển hình PPCPs [24, 25] PPCPs CAS No. MW Công thức Độ tan Log pKa Hệ số phân bố KOC (L/kg) g/mol hóa học mg/L KOW Pha rắn Kd (L/kg) Lincomycin 154-21-2 406,5 C18H34N2O6S 927 0,56 SMX 723-46-6 253,3 C10H11N3O3S 610 0,89 1,85 - 5,6 Griseofulvin 126-07-8 352,8 C17H17ClO6 8,64 2,18 Trimethoprim 738-70-5 290,3 C14H18N4O3 400 0,91 3,23- 6,76 Bùn 76 205 2_quinoxalinecarb 122234-53- 203,2 C10H9N3O2 oxylicacid 1 Sulfamonomethoxi 1220-83-3 280,3 C11H12N4O3S 4030 0,7 ne Sulfadimethoxine 122-11-2 310,3 C12H14N4O4S 343 c 1,63 6,3 Đất 2,3–4,6 89–144 Tiamulin 55297-95-5 493,7 C28H47NO4S 4,75 Roxithromycin 80214-83-1 837,0 C41H76N2O15 2,75 9,17 Sulfamerazine 127-79-7 264,31 C11H12N4O2S 202 0,14 Tylosin 1401-69-0 916,1 C46H77NO17 5 1,63 7,73 Bùn cát 8,3–128 553–7990 Sulfadimidine 57-67-0 214,2 C7H10N4O2S 2200 1,22 11,3 Erythromycin-H2O 23893-13-2 715,9 C37H65NO12 4 PPCPs CAS No.

MW Công thức Độ tan Log pKa Hệ số phân bố KOC (L/kg) g/mol hóa học mg/L KOW Pha rắn Kd (L/kg) 3,32 1147– Tetracycline 60-54-8 444,4 C22H24N2O8 1700 1,19 7,78 Sét/ cát 2370 9,58 3,01 CIP 85721-33-1 331,3 C17H18FN3O3 30,000 0,4 Bùn cát 427 61,000 6,14 Erythromycin 114-07-8 733,9 C37H67NO13 2000 3,06 8,9 Bùn kỵ 18,2– 158,5– Diclofenac 15307-86-5 296,15 C14H11Cl2NO2 2,37 4,15 4,51 khí 151,4 2630 18916,9 Mefenamic_acid 61-68-7 241,29 C15H15NO2 20 4,29 3,90 Bùn cống 461,0 8 Acetaminophen 103-90-2 151,16 C8H9NO2 14,000 0,46 9,38 Antipyrine 60-80-0 188,23 C11H12N2O 51900 0,38 1,4 300000 Isopropylantipyrine 479-92-5 230,31 C14H18N2O 1,94 0 Indomethacin 53-86-1 357,79 C19H16ClNO4 0,937 4,27 4,50 Bùn 214 691,83 Crotamiton 5 PPCPs CAS No. MW Công thức Độ tan Log pKa Hệ số phân bố KOC (L/kg) g/mol hóa học mg/L KOW Pha rắn Kd (L/kg) 37350-58-6 267,36 C15H25NO3 16,900 9,7 1,69 Bùn sơ 44-26/ 125 -75/ Metoprolol cấp/ thứ 21-8 62 - 23 cấp 525-66-6 259,34 C16H21NO2 70 2,6 9,49 16,3-1,4/ 4405-378/ Propranolol 199 - 9,6 2803-135 Atenolol 29122-68-7 266,34 C14H22N2O3 13,500 9,2 1,71 Bùn đô thị 0,21 148 125-33-7 218,25 C12H14N2O2 500 0,91 Primidone CBM 298-46-4 236,27 C15H12N2O 17,66 13,9 2,45 Bùn đô thị 25,52 3870 Bezafibrate 41859-67-0 361,82 C19H20ClNO4 16 3,61 4,25 Cyclophosphamide 50-18-0 261,1 C7H15Cl2N2O2P 40000 0,63 Dipyridamole 58-32-2 504,6 C24H40N8O4 10,7 2,47 Theophylline 58-55-9 180,2 C7H8N4O2 7360 0,02 8,81 CAF 58-08-2 194,19 C8H10N4O2 21600 0,07 10,4 Sulpiride 15676-16-1 314,43 C15H23N3O4S 2280 0,57 9,12 Pirenzepine 28797-61-7 351,4 C19H21N5O2 682 1,68 DEET 134-62-3 191,27 C12H17NO 912 2,18 6 b. Tính bền vững Các đặc tính hóa lý của nhiều PPCPs cho thấy chúng không dễ dàng bị loại bỏ bởi các quy trình xử lý nước thông thường, minh chứng là sự hiện diện của chúng trong nước uống [26]. Việc không có khả năng thực hiện việc loại bỏ hoàn toàn PPCPs khỏi nhà máy xử lý chất thải có nguy cơ tiềm ẩn đối với các sinh vật thủy sinh và sức khỏe cộng đồng.

Bằng chứng từ các nghiên cứu giám sát là PPCPs đã tìm thấy đường xâm nhập vào môi trường nước và phổ biến ở khắp nơi [27]. Bản chất của việc sử dụng rộng rãi PPCPs trên toàn cầu, cùng với sự gia tăng ngày càng nhiều các loại dược phẩm mới ra thị trường đang góp phần đáng kể vào sự hiện diện môi trường của các hóa chất này và các chất chuyển hóa (dạng hoạt động) của chúng trong môi trường nước [20]. Hơn nữa, mặc dù không phải tất cả PPCPs đều tồn tại lâu dài nhưng việc sử dụng và thải vào môi trường liên tục khiến nhiều người lầm tưởng là PPCPs không bị phân hủy ngay cả khi bị tác động bởi các quá trình môi trường như phân hủy sinh học, phân hủy quang học và hấp thụ hạt. Do đó, các dược phẩm có thể phân hủy cuối cùng sẽ hoạt động hiệu quả và hoạt động như các hợp chất khó phân hủy do chúng được giải phóng liên tục vào môi trường [28].

Römbke [29] đã phân loại 10 dược phẩm và các chất chuyển hóa của chúng thành các hợp chất có độ bền thấp, trung bình và cao theo thời gian phân tán của chúng (DT50) trong mẫu nước / trầm tích. Paracetamol, Ibuprofen, 2- hyroxyibuprofen và CBM-diol được phân loại là có độ bền thấp (DT50 = 3,1-7 ngày), Oxazepam , Iopromide và Iver-mectin được coi là tồn tại ở mức độ vừa phải (DT50 = 15-54 ngày) trong khi Clofibric acid, Diazepam, CBM được đánh giá là bền bỉ cao (DT50 = 119-328 ngày) [29]. Một nghiên cứu gần đây hơn đã chứng minh thuốc giải lo âu (Oxazepam) có khả năng tồn tại kéo dài trong các hồ nước ngọt do đầu vào trong quá khứ và dân số đô thị ngày càng tăng [30]. Độc tính Một mối quan tâm chính được nêu ra bởi sự hiện diện của PPCPs trong môi trường nước là khả năng của chúng can thiệp vào hệ thống nội tiết để tạo ra các tác động không mong muốn hoặc phá vỡ cân bằng nội tiết.

Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đã định nghĩa các chất gây rối loạn nội tiết (ED) là “chất hoặc hỗn hợp ngoại sinh làm thay đổi (các) chức năng của hệ thống nội tiết và do đó gây ra các ảnh hưởng xấu đến 7 sức khỏe ở một sinh vật, thế hệ con cháu hoặc quần thể phụ của nó”. ED bao gồm một nhóm lớn các chất hóa học từ tự nhiên (ví dụ như mycotoxin và phytoestrogen) và nguồn gốc tổng hợp (ví dụ như diethylstilbesterol và Bisphenol A) trong nhiều loại sản phẩm tiêu dùng (ví dụ như PPCPs, sản phẩm làm sạch, chất kháng khuẩn, chất bảo quản thực phẩm và phthalate) [31]. Dược phẩm gây rối loạn nội tiết bao gồm hormone sinh dục, glucocorticoid, hormone tăng trưởng thú y và một số dược chất không steroid. Hơn nữa, độc tính phát sinh từ hỗn hợp phức tạp của PPCPs ở nồng độ thấp có thể dẫn đến tương tác hiệp đồng.

Điều này có nghĩa là mặc dù từng PPCPs có thể có sẵn ở nồng độ thấp nhưng không gây ra các tác dụng độc hại đáng kể khi tác động đơn lẻ; Hỗn hợp PPCPs vẫn có thể gây độc tính sinh thái đáng kể. Điều này đã được chứng minh bởi M. Cleuvers [32]; theo đó thuốc chống động kinh - CBM và thuốc hạ lipid máu acid clofibric (cả hai thuộc các nhóm điều trị khác nhau) thể hiện tác dụng tiêu cực đối với Daphnia magna (một loài giáp sát nhỏ) mạnh hơn nhiều so với các hợp chất đơn lẻ ở cùng nồng độ. Hutchinson [33] cũng tiết lộ rằng hiệu ứng hỗn hợp của estradiol (E2) và 4-tert-nonylphenol có thể tạo ra phản ứng cộng / hiệp lực và do đó gây ra sản xuất vitellogenin ở cá hồi con.

Nhìn chung, độc tính của PPCPs trong môi trường nước vượt ra ngoài các tác động cấp tính được quan sát khi đạt hoặc vượt quá nồng độ điều trị mong muốn (therapeutic level).