Chương 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Tổng quan về ô nhiễm chất kháng sinh trong môi trường nước và phản ứng quang xúc tác 1. Ô nhiễm chất kháng sinh trong môi trường nước Sự ô nhiễm kháng sinh trong môi trường nước đã trở thành một vấn đề đáng lo ngại vì ảnh hưởng có hại đến cả hệ sinh thái và các sinh vật. Nguyên nhân là do việc xả thải các chất kháng sinh thông qua các hoạt động của con người.
Tác động của ô nhiễm kháng sinh đối với hệ sinh thái là đáng kể, không chỉ ảnh hưởng đến chất lượng nước mà còn làm xáo trộn sự cân bằng của những hệ sinh thái này. Dược phẩm và các sản phẩm chăm sóc cá nhân (Pharmaceuticals and personal care products - PPCPs) - được sử dụng rộng rãi và ngày càng tăng trong y học thú y và con người, dẫn đến việc chúng ta thải ra môi trường một lượng lớn hằng ngày. Các nhóm hợp chất hữu cơ đa dạng, chẳng hạn như thuốc kháng sinh, nội tiết tố, thuốc chống viêm, thuốc chống động kinh, thuốc điều hòa lipid máu, chất kháng khuẩn, thuốc đuổi côn trùng, chất bảo quản, sản phẩm chăm sóc cá nhân. Đặc biệt thuốc kháng sinh (Antibiotics) được thêm vào thức ăn chăn nuôi để cải thiện sức đề kháng cho vật nuôi và thúc đẩy tốc độ tăng trưởng và hiệu quả sử dụng thức ăn ở một số nước như tetracyclines, sulphonamides, arsphenamines, polypeptides, aminoglycosides, amphenicols, lipopeptides, oxazolidinones, lycopeptides, streptogramins, ansamycins, and lincosamides.
Trong quá trình sản xuất và ứng dụng, thuốc kháng sinh có thể xâm nhập hoặc chuyển hóa vào môi trường thông qua đường thải trực tiếp hoặc thải gián tiếp trong môi trường. Điều này đã trở thành một mối quan tâm lớn do chúng được sử dụng rộng rãi và ngày càng tăng trong y học thú y và con người, dẫn đến việc chúng được thải ra môi trường liên tục (Keerthanan và cs, 2021). Trên thế giới, việc sử dụng kháng sinh vượt quá 100.000 tấn/năm và ngày càng có nhiều lo ngại về tác động tiêu cực tới hệ sinh thái và môi trường. Trong các chất kháng sinh, tetracycline (TC) đã được ứng dụng rộng rãi trong y học và thực 4 phẩm cho người và động vật do nó có tính năng kháng khuẩn vượt trội, chi phí thấp và cải thiện khả năng tăng trưởng.
Tetracycline chủ yếu được tổng hợp dưới dạng bột tinh thể màu vàng không mùi và không tan trong dung môi hữu cơ. Chính xác, có thể chia các TC thành 4 loại chính các loại: tetracycline (TC), oxytetracycline (OTC), chlortetracycline (CTC) và doxycycline (DC). Tuy nhiên, tetracycline có thể được tích lũy trong cơ thể con người theo chuỗi thức ăn, có thể gây nguy hiểm đến sức khỏe con người ngay cả ở liều lượng thấp, như độc tính đối với các cơ quan và mất thính giác. Ngoài ra, việc lạm dụng tetracycline đã làm gia tăng tần số của các gen kháng thuốc, có thể dẫn đến giảm hiệu quả điều trị nhiễm trùng do vi khuẩn.
Hơn nữa, sự xuất hiện của vi khuẩn kháng thuốc kháng sinh có khả năng lây lan sang các quần thể vi sinh vật khác gây ra tác động tiêu cực tiềm ẩn đến sức khỏe con người và động vật (Keerthanan và cs, 2021). Tuy nhiễn, thuốc kháng sinh được thải ra ngoài môi trường tự nhiên một cách không kiểm soát, đều này gây ra những mối nguy hại tiền tàng đối với môi trường nước và con người. Dựa vào nguồn thải, có 2 nguồn chính gây ô nhiễm kháng sinh tetracycline: trong bệnh viện và thuốc thú ý. Trong bệnh viện, nguồn thứ nhất là thuốc kháng sinh hết hạn từ cơ sở y tế.
Thứ hai, nguồn kháng sinh tồn dư trong các thiết bị y tế của các bệnh viện. Thứ ba, phân của bệnh nhân cũng mang theo kháng sinh thô và kháng sinh đã chuyển hóa. Những loại kháng sinh không sử dụng này thải ra môi trường qua hệ thống nước thải đô thị. Ngoài ra, kháng sinh trong nước thải đã qua xử lý ngấm vào đất và nước mặt, rồi đi vào nước ngầm gián tiếp.
Mặt khác, chúng đi vào hệ thống xử lý nước thải đô thị, tuy nhiên, các công nghệ xử lý nước không thể loại bỏ hoàn toàn chất kháng sinh, dự lượng thừa sẽ gây ô nhiễm môi trường nước. Đối với thuốc thú y, tetracycline thường được sử dụng làm chất phụ gia thức ăn chăn nuôi, việc sử dụng kháng sinh trong chăn nuôi và thủy sản là hai nguồn kháng sinh chính của thú y, các kháng sinh này cũng sẽ vào môi trường nước dưới dạng bài tiết của vật nuôi. Theo một số nghiên cứu, phần lớn chăn nuôi và nuôi trồng thủy sản ở nông thôn, thường không có hệ thống xử lý nước thải mà xả trực tiếp vào nước mặt. Trong những năm gần đây, vấn đề của ô nhiễm chất 5 kháng sinh đã xuất hiện tại các dòng kênh và sông đang đứng trước mức cảnh báo.
Các chất kháng sinh thường là các hợp chất khó phân hủy sinh học hoặc xử lý không hiệu quả. Trong số đó, chất kháng sinh sulfamethoxazole (SMX) nằm trong danh sách 5 loại thuốc sulfonamide phổ biến, một trong những dạng kháng sinh thường xuyên được phát hiện trong môi trường nước, đã được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực y tế, nông nghiệp chăn nuôi và nuôi trồng thuỷ sản nhờ vào tính hiệu quả và chi phí thấp của nó. Đặc biệt, Sulfamethoxazole thể hiện độ bền cao trong nước và khi tồn tại trong môi trường, nó có thể chuyển hóa thành các chất trung gian có độc tố. Ô nhiễm kháng sinh trong môi trường nước cũng tác động tiềm năng đến cả sức khỏe con người.
Điều quan trọng là hiểu rõ nguồn gốc và nguyên nhân của ô nhiễm này để hiệu quả giải quyết và giảm thiểu tác động tiêu cực của nó. Theo một nghiên cứu của Qadeer và cs. (2023), các nguồn ô nhiễm kháng sinh trong môi trường nước rất phức tạp. Một trong những nguồn chính là sự xả thải nước thải từ các cơ sở sản xuất dược phẩm và bệnh viện, chăn nuôi.
Sự sử dụng rộng rãi của kháng sinh trong cả y học và thú y cũng góp phần tăng tổng lượng kháng sinh vào môi trường. Những xả thải này chứa nồng độ kháng sinh cao nhưng không được loại bỏ hiệu quả. Ngoài ra, việc sử dụng kháng sinh quá mức trong nông nghiệp, đặc biệt là trong chăn nuôi gia súc, đóng góp vào ô nhiễm của các nguồn nước thông qua việc xả thải phân của động vật. Hơn nữa, việc tiêu hủy không đúng cách các kháng sinh hết hạn sử dụng gây ô nhiễm kháng sinh trong môi trường nước.
Kháng sinh là chất khó phân huỷ trong nước, dẫn đến tích tụ và tồn tại lâu dài trong hệ sinh thái môi trường nước. Hơn nữa, thiếu công nghệ xử lý nước thải hiệu quả ở nhiều khu vực cho dẫn đến ô nhiễm trực tiếp của môi trường nước. Tóm lại, hiểu rõ nguồn gốc và nguyên nhân của ô nhiễm kháng sinh trong môi trường nước là vô cùng quan trọng để phát triển các chiến lược hiệu quả để ngăn chặn và giảm thiểu tác động tiêu cực của ô nhiễm này. Cần triển khai các phương pháp xử lý nước thải hợp lý, thúc đẩy việc sử dụng và phân huỷ kháng sinh và nâng cao nhận thức về hậu quả tiềm tàng của ô nhiễm kháng sinh để bảo vệ cả sức khỏe con người và hệ sinh thái.
6 Ô nhiễm kháng sinh trong môi trường nước là một vấn đề đáng lo ngại có tiềm năng ảnh hưởng đến sức khỏe con người và môi trường. Để giảm thiểu ô nhiễm kháng sinh, đã có một số giải pháp được đề xuất. Thushari và Senevirathna (2020) đề xuất một trong những chiến lược chính là thi hành các quy định và chính sách nghiêm ngặt về việc sử dụng và xử lý kháng sinh. Điều này bao gồm việc theo dõi và kiểm soát việc thải ra kháng sinh từ các cơ sở sản xuất dược phẩm, các vùng nông nghiệp và các cơ sở chăm sóc sức khỏe.
Ngoài ra, việc khuyến khích sử dụng kháng sinh có trách nhiệm và giáo dục công chúng về hậu quả của ô nhiễm kháng sinh cũng có thể đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu sự ô nhiễm. Một giải pháp khác là phát triển và áp dụng các công nghệ xử lý nước thải tiên tiến hiệu quả trong việc loại bỏ kháng sinh từ nước thải. Điều này có thể bao gồm việc sử dụng lọc màng, các quá trình oxi hóa tiên tiến và hấp phụ. Hơn nữa, triển khai các chương trình giám sát hiệu quả để định kỳ đánh giá sự hiện diện và nồng độ kháng sinh trong môi trường nước có thể giúp xác định các điểm ô nhiễm và hướng dẫn các nỗ lực giảm thiểu có định hướng.
Một nghiên cứu của Vittecoq và cs. (2016) nêu rõ những hậu quả có hại của ô nhiễm kháng sinh đối với hệ sinh thái nước. Việc sử dụng quá mức và tiêu hủy không đúng cách kháng sinh đã dẫn đến ô nhiễm trong các nguồn nước, dẫn đến sự gián đoạn của quá trình sinh thái tự nhiên. Kháng sinh có thể làm mất cân bằng môi trường sống của các vi khuẩn trong nước, dẫn đến sự hình thành vi khuẩn kháng kháng sinh.
Những vi khuẩn kháng kháng sinh này sau đó có thể lan truyền đến động vật hoang dã thông qua nhiều con đường, như tiếp xúc trực tiếp hoặc tiêu thụ nguồn nước và thức ăn bị nhiễm kháng sinh. Điều này đe dọa sức khỏe và sự sinh tồn của các loài động vật hoang dã và con người. Hơn nữa, sự xuất hiện của kháng sinh trong hệ sinh thái nước cũng có thể làm gián đoạn cân bằng trong chuỗi thức ăn, khi một số sinh vật có thể nhạy cảm hơn với tác động của các chất ô nhiễm này so với những sinh vật khác. Tóm lại, ô nhiễm kháng sinh trong môi trường nước đặt ra mối đe dọa đáng kể đến cả sức khỏe con người và môi trường.
Việc sử dụng rộng rãi của kháng sinh trong y tế và thú y, kết hợp với việc tiêu hủy không đúng cách và hạ tầng xử lý 7 nước thải không phù hợp, đã dẫn đến sự hiện diện của những loại chất này trong nguồn nước. Ô nhiễm này có thể dẫn đến sự hình thành các vi khuẩn kháng kháng sinh, làm cho những loại thuốc quan trọng này không còn hiệu quả trong việc điều trị các bệnh nhiễm trùng. Hơn nữa, sự hiện diện của kháng sinh trong hệ sinh thái nước cũng có thể làm gián đoạn cân bằng trong chuỗi thức ăn, khi một số sinh vật có thể nhạy cảm hơn với tác động của các chất ô nhiễm này so với những sinh vật khác.