Chương 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về kháng sinh và ô nhiễm kháng sinh trong môi trường nước Salvarsan, loại thuốc kháng sinh đầu tiên, được sử dụng vào năm 1910. Chỉ trong hơn 100 năm, thuốc kháng sinh đã thay đổi mạnh mẽ nền y học hiện đại và kéo dài tuổi thọ trung bình của con người thêm 23 năm. Việc phát hiện ra penicillin vào năm 1928 đã bắt đầu thời kỳ hoàng kim của việc tìm kiếm và phát triển ra các sản phẩm kháng sinh tự nhiên, đỉnh điểm là vào giữa những năm 1950.
Từ thập niên 60 của thế kỷ trước tới nay, nhiều công trình nghiên cứu thuốc kháng sinh phát triển ngày càng sâu rộng hơn. Chloromycetin (pasaxin) là loại thuốc kháng sinh đầu tiên dùng phương pháp tổng hợp hóa học bào chế nên. Từ thập niên 80 của thế kỷ trước, các công trình nghiên cứu bào chế kháng sinh đã có nhiều bước tiến vượt bậc. Nhiều loại kháng sinh mới đã được tổng hợp bằng phương pháp bán tổng hợp ví dụ như cephalosporin (Cynnematin).
Chỉ riêng mỗi loại này hiện cũng đã có hơn 30 chủng khác nhau. Hằng năm, số lượng các thuốc kháng sinh mới được đưa ra thị trường lên đến hàng chục và tính đến nay số loại kháng sinh có thể đến hàng ngàn loại. Ước tính đến nay, con người biết được khoảng 8000 loại kháng sinh, trong đó khoảng 100 loại được sử dụng trong y học. Tuy nhiên, sự suy giảm dần dần trong việc phát hiện và phát triển kháng sinh cũng như sự tiến triển của tình trạng kháng thuốc ở nhiều mầm bệnh ở người đã dẫn đến cuộc khủng hoảng kháng kháng sinh hiện nay.
Tổng quan về kháng sinh Tetracyclin Họ tetracyclines, được phát hiện vào những năm 1940, là một họ kháng sinh có tác dụng ức chế tổng hợp protein bằng cách ngăn chặn sự gắn kết của aminoacyl – tRNA với ribosome (A) [11]. Kháng sinh tetracyclin (TC) là một kháng sinh phổ rộng có tác dụng kìm khuẩn do ức chế quá trình tổng hợp protein của vi khuẩn nên nó có hoạt tính chống lại nhiều loại vi khuẩn gram (+) dương và gram (-) âm, các sinh vật không điển hình như chlamydia, mycoplasma, rickettsiae và ký sinh trùng đơn bào [11]. Tuy nhiên, nó không có khả năng tiêu diệt hoàn toàn các tác nhân gây bệnh (vi khuẩn). Cấu trúc phân tử của TC.
Cấu trúc phân tử của TC được thể hiện như Hình 1., thành phần cấu trúc cơ bản là một hệ thống vòng bốn vòng với các nhóm chức hydroxyl, metyl, keto và dimethylamino khác nhau [3]. TC được chia thành ba loại dựa trên tính chất, liều lượng và thời gian loại bỏ, bao gồm: oxytetracycline, chlortetracycline và tetracycline [3]. Thông thường các chủng vi khuẩn có một hệ thống ở bên trong tế bào của chúng cho phép đưa TC vào trong tế bào, còn tế bào con người thì không có khả năng này. Do đó, tế bào người không bị ảnh hưởng bởi TC trong quá trình tổng hợp protein.
TC rất tiện lợi, giá thành rẻ, dễ sản xuất và có thể dễ dàng mua được từ các hiệu thuốc tư nhân mà không cần có đơn của bác sĩ. Tại Việt Nam, người dân thường lạm dụng sử dụng kháng sinh trong chăn nuôi mà không có sự hướng dẫn hay giám sát nào của các bác sĩ thú y chuyên nghiệp [12]. Đồng thời, hiện chưa có các yêu cầu giám sát chất lượng môi trường thường xuyên nên việc đánh giá ảnh hưởng ô nhiễm môi trường còn gặp nhiều khó khăn. Đi kèm đó là việc xả thải hàng loạt ra ngoài môi trường mà không có bất cứ phương pháp xử lý phù hợp.
Dấu vết của kháng sinh TC hiện có thể tìm thấy hầu hết trong các hệ thống nước mặt như sông, hồ, ao, suối [62]. Hơn nữa, Thông qua sự tiếp xúc với kháng sinh sử dụng trong chăn nuôi và nguồn nước nhiễm kháng sinh, mà chúng ta còn có thể tìm thấy lưu lượng kháng sinh trong các vật nuôi chăn nuôi thông qua quá trình tích lũy sinh 4 học [12]. TC là một chất hữu có tính bền trong môi trường tự nhiên và nó có thời gian bán hủy trong môi trường nước là từ 34 cho đến 329 giờ. Tuy nhiên, Sản phẩm phân hủy tự nhiên của TC trong môi trường còn có độc tính cao hơn TC [67, 24].
cho ta thấy được phân bố các loại kháng sinh có thể được tìm thấy trong nước tại Việt Nam từ nhiều nguồn khác nhau [5]. Có thể thấy rõ được nguồn kháng sinh TC trong nước chủ yếu đến từ chăn nuôi và hộ gia đình. Các loại kháng sinh được tìm thấy trong nước ở Việt Nam. Nguồn kháng sinh (ng L-1) Sản xuất Loại kháng sinh Hợp chất Nuôi trồng Hộ gia Chăn nuôi Bệnh viện dược thủy sản đình phẩm Quinolones Enrofloxacin 680 Ciprofloxacin 250 53300 Oxolinic acid 2500000 Ofloxacin 238,6 192,2 19800 1184 Norfloxacin 6060000 15,2 1500 Lomefloxacin 35,9 Sulfonamides Sulfamethoxazole 2390000 897 20300 1089 4330 Sulfadiazine Sulfamethazine 2 19153 351 Sulfapyridine 15 Sulfamerazine Trimethoprim Trimethoprim 1040000 96 7100 844,5 1808 Macrolide Azithromycin 2768 Erythromycin 4 64 1200 2246 Clarithromycin 4 2445 778 Roxithromycin 125 Oleandomycin 27 Spiramycin 2200 Tylosin 381 Cyclins Oxytetracycline 18 900 316 Tetracycline 275 100 258 Docycycline 1 Các loại khác Lincomycin 10 503 2666 2-hydroxy-3- 128,8 phenylpyrazine Metronidazol 130400 5 Ceftazidim 5000 Cefotaxime 349,5 Cephalexin 4137,5 Ceficime 433,3 Ampicilin 1.Tác hại của ô nhiễm kháng sinh trong môi trường Hiện nay dấu vết của kháng sinh có thể tìm thấy ở khắp mọi nơi ở Việt Nam nói riêng và các nước phát triển khác nói chung trong ngành chăn nuôi ngoại trừ châu Âu do đã bị cấm [3, 62, 63, 12].
Nguồn thải kháng sinh có thể thấy rõ nhất là từ nước thải chăn nuôi chưa qua xử lý ngấm vào trong đất. Ngoài ra nó còn liên quan đến sự khó khăn trong việc chuyển hóa TC trong hệ thống tiêu hóa của con người và động vật dẫn đến sự bài tiết của TC ra môi trường qua phân người và chất thải của động vật lên tới 50–80% [12]. Việc tiếp xúc quá nhiều với TC có thể dẫn đến phản ứng dị ứng ở người, vi khuẩn kháng kháng sinh và những biến động đáng kể trong hệ vi sinh vật môi trường gây bất lợi cho môi trường. Ví dụ, canxi có thể tương tác với tetracycline và tạo thành các dạng phức chất không thể hấp thụ trong cơ thể người [12].
Ví dụ khác có thể kể đến là ảnh hưởng của TC đến sự phát triển của sinh vật sống trong môi trường. Dongmei su và các cộng sự đã nghiên cứu về sự ảnh hưởng của kháng sinh TC và các sản phẩm phân hủy của chúng đối với loại tảo xanh nước ngọt trong tự nhiên [67]. Nghiên cứu chỉ ra rằng dưới sự tiếp xúc với các chủng kháng sinh họ TC thì phản ứng bảo vệ chống oxy hóa sẽ bị kích hoạt và sẽ làm suy yếu cấu trúc và chức năng sinh lý của tế bào tảo dẫn đến giảm tốc độ sinh trưởng [67]. Một trong những ảnh hưởng nghiêm trọng nhất của ô nhiễm kháng sinh đó là sự phát triển của các chủng vi khuẩn kháng lại tác dụng của kháng sinh [54].
Một số nghiên cứu trước đó đã chỉ ra rằng Việt Nam có tỷ lệ nhiễm Streptococcus pneumoniae kháng penicillin (71,4%) và kháng erythromycin (91,2%) cao nhất [59]. Cùng với việc chủng kháng sinh mới càng ngày càng khó được tìm thấy và phát triển, thì việc khám và chữa bệnh bằng kháng sinh đang trở nên kém hiệu quả vì các chủng vi khuẩn mới này. Đồng thời các loại vi khuẩn kháng kháng sinh còn có khả năng kháng lại cơ chế miễn dịch của cơ thể con người và động vật. 6 Do đó vấn đề cấp thiết hiện nay là tìm ra phương pháp xử lý kháng sinh trong nước thải một cách hiệu quả và loại bỏ chúng khỏi nguồn nước sinh hoạt của con người và động vật tự nhiên.
Các phương pháp xứ lý kháng sinh trong nước Kháng sinh TC có thể được xử lý bằng nhiều phương pháp khác nhau dưới cơ chế phá vỡ dần dần đại phân tử TC thành các phân tử nhỏ và ít độc hại hơn, CO2 và H2O được kỳ vọng là sản phẩm cuối cùng của quá trình phân hủy hay quá trình khoáng hóa TC. Tuy nhiên quá trình phân hủy tạo thành sản phẩm phân hủy – chuyển hóa thứ cấp có thể gây khó khăn cho quá trình khoáng hóa hoàn toàn các chất ô nhiễm hữu cơ nói chung và TC nói riêng. Các phương pháp xử lý TC có thể được chia làm 2 phân loại: phân hủy sinh học và phân hủy phi sinh học. Mỗi loại đều có ưu nhược điểm riêng của nó.
Phương pháp xử lý tốt nhất sẽ là hiệu quả về kinh tế, hiệu suất xử lý cao, thân thiện với môi trường, và có tiềm năng để mở rộng đến cấp độ xử lý công nghiệp. Thường phương pháp phân hủy sinh học là phương pháp thân thiện nhất nhưng lại có hiệu quả chậm nhất, các phương pháp xử lý khác cũng có các ưu nhược điểm của riêng mình. Do đó việc phát triển các phương pháp xử lý mới than thiện và có hiệu quả cao là điều cần thiết cho quá trình phát triển sau này của con người.Phương pháp hấp phụ Phương pháp này chủ yếu dùng để loại bỏ TC ra khỏi môi trường tự nhiên bằng cách đưa các loại vật liệu có đương lượng hấp phụ lớn, bề mặt xốp có nhiều lỗ trống, và có diện tích bề mặt lớn. TC thường được hấp phụ vào trong các lỗ trống có trong cấu trúc của vật liệu hấp phụ thông qua lực Van der Waals [33].
Hiện nay, có nhiều chất hấp phụ khác nhau, chẳng hạn như chitosan [61], oxit graphene [21], kaolinite – cao lanh [41], oxit magiê [17], oxit nhôm [9], than hoạt tính [49] và các chất khác [1]. Hiệu quả của quá trình hấp phụ phụ thuộc vào đặc tính hấp phụ, tức là độ xốp (cả ở cấp độ vi mô và vĩ mô), đường kính lỗ rỗng và diện tích bề mặt riêng. Đối với sự hấp phụ hóa học, các nhóm chức cũng đóng một vai trò quan trọng. Một số cơ chế hấp phụ tham gia vào quá trình loại bỏ kháng sinh khỏi môi trường lỏng bao gồm: lực hút tĩnh điện, lấp đầy lỗ rỗng, phân chia thành các phân 7 đoạn không cacbon hóa, tương tác kỵ nước, kết tủa bề mặt và hình thành liên kết hydro [4].
Xiaohui Tang và các cộng sự [61] của mình đã nghiên cứu về phương pháp hấp phụ TC bằng các hạt nano chitosan. Nhóm đã tổng hợp thành công các hạt vi cầu chitosan từ tính được biến tính bằng axit nitrolotriacetic ứng dụng trong hấp phụ và loại bỏ TC. Kết quả thí nghiệm cho thấy các hạt vi cầu chitosan biến tính bằng axit này có đương lượng hấp phụ cao gấp 4 lần hạt chitosan từ tính nguyên bản.