Luận án nghiên cứu quá trình tích luỹ đào thải và ảnh hưởng của các kim loại nặng as cd pb đến hàm lượng cortisol trong cá điêu hồng oreochromis sp

Nghiên cứu ảnh hưởng của kim loại nặng As, Cd, Pb đến hàm lượng cortisol trong cá điêu hồng Oreochromis sp, cung cấp thông tin quan trọng về môi trường.

• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Sinh Học
• Đề tài: Tác Động Của Kim Loại Nặng Cd Và Pb Đến Hàm Lượng Cortisol Trong Cá Điêu Hồng
• Loại tài liệu: Luận Án
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 2.1. Nguồn gốc gây ô nhiễm kim loại nặng trong nước
• 2.1.1. Nguồn tự nhiên trong đất
• 2.1.2. Từ hoạt động nông nghiệp
• 2.1.3. Từ hoạt động công nghiệp
• 2.1.4. Nguồn gốc do hoạt động sinh hoạt của con người
• 2.2. Độc tính của kim loại nặng
• 2.2.1. Liều lượng độc và ngưỡng độc cấp tính
• 2.2.2. Các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến độc tính
• 2.3. Con đường xâm nhập kim loại nặng vào sinh vật
• 2.3.1. Qua đường tiêu hóa
• 2.3.2. Qua đường hô hấp
• 2.3.3. Qua da
• 2.4. Khả năng tích lũy sinh học của kim loại nặng
• 2.5. Ảnh hưởng của kim loại nặng lên sinh vật
• 2.6. Khả năng giải độc tính kim loại nặng
• 2.7. Tổng quan về asen
• 2.7.1. Đặc điểm của kim loại asen

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Nghiên cứu về kim loại nặng như cadmium (Cd) và plumbum (Pb) đã trở thành một vấn đề cấp bách trong bối cảnh ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng. Các chất độc này không chỉ ảnh hưởng đến sự phát triển của các loài thủy sản mà còn có thể tích tụ trong cơ thể chúng, gây nguy hiểm cho sức khỏe con người khi tiêu thụ. Đặc biệt, cá điêu hồng (Oreochromis sp.) là một trong những loài thủy sản phổ biến và được ưa chuộng, do đó việc nghiên cứu tác động của các kim loại nặng đến hàm lượng cortisol trong cá là rất cần thiết. Nghiên cứu này nhằm xác định ngưỡng độc tính của Cd, Pb và As, cũng như ảnh hưởng của chúng đến hàm lượng cortisol, từ đó đề xuất sử dụng cá như một chỉ thị sinh học để phát hiện ô nhiễm nguồn nước.

II. Tác động của kim loại nặng đến hàm lượng cortisol

Hàm lượng cortisol trong cá là một chỉ số quan trọng phản ánh mức độ căng thẳng sinh lý và oxy hóa. Nghiên cứu cho thấy, khi cá tiếp xúc với cadmium và plumbum, hàm lượng cortisol có sự thay đổi đáng kể. Cụ thể, nồng độ cortisol trong máu cá tăng lên khi có sự hiện diện của các kim loại nặng này, cho thấy cơ thể cá đang phản ứng với tình trạng căng thẳng do ô nhiễm. Theo một nghiên cứu, cá Prochilodus lineatus khi tiếp xúc với Pb có nồng độ từ 0,7 - 1,7 mg/L, hàm lượng cortisol trong máu có sự thay đổi rõ rệt. Điều này cho thấy rằng kim loại độc hại không chỉ ảnh hưởng đến sức khỏe của cá mà còn có thể gây ra những tác động lâu dài đến hệ sinh thái thủy sản.

III. Quy trình hấp thu và đào thải kim loại nặng

Quá trình hấp thu và đào thải kim loại nặng trong cơ thể cá diễn ra qua nhiều giai đoạn. Sau khi vào cơ thể, các kim loại nặng sẽ được vận chuyển đến các cơ quan khác nhau, nơi chúng có thể tích lũy hoặc được đào thải. Nghiên cứu cho thấy, cá điêu hồng có khả năng hấp thu Cd và Pb qua mang và da, nhưng khả năng đào thải lại khác nhau tùy thuộc vào nồng độ và thời gian tiếp xúc. Một nghiên cứu trên cá Tilapia Nilotica cho thấy, sau khi ngừng ô nhiễm, hàm lượng Cd trong mang cá giảm rõ rệt, trong khi ở thịt cá, sự loại bỏ không đáng kể. Điều này cho thấy rằng việc theo dõi và quản lý ô nhiễm kim loại nặng là rất quan trọng để bảo vệ sức khỏe người tiêu dùng.

IV. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Kết quả nghiên cứu về tác động của kim loại nặng đến hàm lượng cortisol trong cá không chỉ có giá trị trong lĩnh vực hóa học môi trường mà còn có ý nghĩa thực tiễn trong việc cảnh báo ô nhiễm môi trường. Việc xác định ngưỡng độc tính của Cd, Pb và As sẽ giúp các nhà quản lý môi trường có những biện pháp kịp thời để giảm thiểu ô nhiễm. Hơn nữa, nghiên cứu này cũng mở ra hướng đi mới trong việc sử dụng cá như một chỉ thị sinh học để phát hiện ô nhiễm nguồn nước, từ đó bảo vệ sức khỏe cộng đồng và đảm bảo an toàn thực phẩm.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Ô nhiễm môi trường nước do kim loại nặng là hệ quả trực tiếp từ quá trình gia tăng dân số, sự phát triển của các ngành công nghiệp và việc sử dụng hóa chất trong nông nghiệp khi hệ thống xử lý chất thải chưa được đầu tư đồng bộ. Trong số các chất ô nhiễm, cadimi (Cd), chì (Pb) và asen (As) là những nguyên tố không có vai trò sinh học nhưng có độc tính cao đối với sinh vật thủy sinh và con người thông qua chuỗi thức ăn. Cá Điêu hồng (Oreochromis sp.) là đối tượng thủy sản nước ngọt được nuôi phổ biến tại Việt Nam (đặc biệt là vùng Đồng bằng sông Cửu Long) nhờ giá trị dinh dưỡng cao và hiệu quả kinh tế. Tuy nhiên, các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào sự tích lũy kim loại nặng trên thực vật hoặc các loài cá khác, trong khi dữ liệu thực nghiệm về ngưỡng độc cấp tính, quy luật tích lũy - đào thải của Cd, Pb, As và phản ứng sinh hóa của cá Điêu hồng vẫn còn khoảng trống lớn.

Mục tiêu tổng quát của luận án là xác định ngưỡng độc, khảo sát quy luật tích lũy - đào thải của Cd, Pb, As và đánh giá sự biến đổi hàm lượng hormone cortisol trong cá Điêu hồng nhằm cung cấp cơ sở khoa học cho việc cảnh báo ô nhiễm và bảo đảm an toàn thực phẩm.

Nội dung nghiên cứu của luận án được xác định gồm 3 nhiệm vụ cụ thể:

1. Xác định ngưỡng độc cấp tính trong 96 giờ ($LC_{50}$ trong 96 giờ) của Cd, Pb, As đối với cá Điêu hồng. Dựa trên giá trị $LC_{50}$ trong 96 giờ, lựa chọn nồng độ kim loại nặng phù hợp để tiến hành các nghiên cứu tiếp theo.
2. Nghiên cứu quy luật tích luỹ và đào thải kim loại nặng trong cá Điêu hồng nuôi trong nguồn nước ô nhiễm và sau đó nuôi trong nguồn nước sạch.
3. Nghiên cứu ảnh hưởng của kim loại nặng trong nước đến sự thay đổi hàm lượng cortisol trong cá.

Đối tượng nghiên cứu là cá Điêu hồng (Oreochromis sp.) 4 tháng tuổi, khối lượng trung bình $300 \pm 1\text{ g}$, chiều dài $20 \pm 1\text{ cm}$, được thu thập từ trại cá Minh Luận (xã Long Định, huyện Châu Thành, tỉnh Tiền Giang). Các tác nhân hóa học gồm muối $\text{CdCl}_2$, $\text{Pb(CH}_3\text{COO)}_2$, $\text{NaAsO}_2$ và hormone cortisol trong huyết tương. Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành trong điều kiện phòng thí nghiệm có kiểm soát (nhiệt độ phòng $30 \pm 1\text{ }^\circ\text{C}$, nhiệt độ nước $28 \pm 4\text{ }^\circ\text{C}$, $\text{pH} = 6,3$, $\text{DO} = 6,5 \pm 0,7\text{ mg/L}$, chiếu sáng 10 giờ/ngày); thời gian phơi nhiễm kéo dài 20 ngày và thời gian thôi nhiễm (nuôi phục hồi trong nước sạch) kéo dài 10 ngày.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Nghiên cứu điểm lại các nguồn phát thải kim loại nặng vào môi trường nước, bao gồm: nguồn tự nhiên từ sự phong hóa khoáng sản pyrit ($\text{FeS}_2$), chalcopyrit ($\text{CuFeS}_2$), galena ($\text{PbS}$), cerussite ($\text{PbCO}_3$), anglesite ($\text{PbSO}_4$); hoạt động nông nghiệp do lạm dụng phân bón và thuốc bảo vệ thực vật chứa $\text{CuSO}_4$, Zineb, Maneb, hợp chất chứa As, Pb; nước thải công nghiệp từ các trung tâm ven biển, nhiệt điện, lò hỏa táng, khai thác mỏ; và hoạt động sinh hoạt, bao gồm tập tục đổ thạch tín chôn lấp giếng được Phan Văn Duyệt (2000) ghi nhận.

Về cơ chế và độc tính của kim loại nặng trên động vật thủy sinh, tác giả đã hệ thống hóa các nghiên cứu quốc tế:

• Độc tính và chuyển hóa của Asen: Tanu Allen và cộng sự (2004) nghiên cứu trên cá Channa punctatus phơi nhiễm $\text{As}_2\text{O}_3$ trong 60 và 90 ngày, ghi nhận sự biến thiên của lipid peroxidation, glutathione khử và các enzyme giải độc; Sangeeta Das và cộng sự (2012) khảo sát tác động của $\text{NaAsO}_2$ lên sự phân cắt, sao chép ADN tại gan và hoạt tính enzyme alanine/aspartate aminotransferase trên cá Channa punctatus; Shaw và cộng sự (2007) phát hiện sự gia tăng biểu hiện gen MRP vận chuyển As liên kết glutathione ở gan cá Fundulus heteroclitus; Jeng-Wei Tsai và cộng sự (2012) chứng minh sự suy giảm sinh trưởng của Oreochromis mossambicus theo nồng độ As; Bibha Kumari và Jawaid Ahsan (2011) ghi nhận As làm suy giảm quá trình chuyển hóa glycogen thành glucose ở cơ thịt cá Clarias batrachus. Về đào thải, Suhendrayatna và cộng sự (2002) chỉ ra cá Tilapia mossambica đào thải 90% As sau 1 ngày; trong khi trên Atlantic salmon và Atlantic cod, thời gian để đào thải 50% As khỏi cơ thịt lần lượt là 37 ngày và 77 ngày. Wei Zhang và cộng sự (2016) trên cá Siganus fuscescens chứng minh As vô cơ được giải độc qua quá trình methyl hóa và chuyển thành arsenobetaine (AsB) với tỷ lệ 63,3% - 91,3% ở gan và 79,0% - 95,2% ở thịt.
• Độc tính và tích lũy của Cadimi: Roesijadi và Unger (1993), De Smet và Blust (2001), Sorensen (1991), Lemaire-Gony và Lemaire (1992), Soengas (1996), Grose (1977) chứng minh Cd gây ức chế enzyme, biến dạng xương, tăng đường huyết và hạ kali máu; Berntssen và cộng sự (2001) khảo sát cá hồi Atlantic ăn thức ăn chứa Cd (0,5 - 250 mg/kg) ghi nhận suy giảm protein, lipid và glycogen; Almeida và cộng sự (2002) trên Oreochromis niloticus chỉ ra sự biến đổi của enzyme chống oxy hóa GSH-Px và SOD để chống độc Cd; Pedram Malekpouri và cộng sự (2011) trên Cyprinus carpio chứng minh $\text{Zn}^{2+}$ có tác dụng bảo vệ cơ thể trước độc tính của $\text{Cd}^{2+}$. Metallothionein (MT) được xác định là protein giàu nhóm thiol có khả năng liên kết 7 nguyên tử Cd trên một phân tử protein.
• Độc tính của Chì: Ö. Ay và cộng sự (1999) trên Tilapia zillii chỉ ra hoạt tính enzyme $\text{Na}^+/\text{K}^+\text{-ATPase}$ ở mang tỷ lệ nghịch với nồng độ $\text{Pb(NO}_3)_2$; Andrea Martini Ribeiro và cộng sự (2014) trên Prochilodus lineatus phơi nhiễm Pb (0,7 - 1,7 mg/L) cho thấy Pb tích lũy theo thứ tự thận > mang > gan > máu và thịt, gây tăng glucose huyết tạm thời và ức chế $\text{Na}^+/\text{K}^+\text{-ATPase}$ sau 6-24 giờ. Davar Shahsavani và cộng sự (2011) trên Cyprinus carpio cho thấy allicin chiết từ tỏi giúp làm giảm nồng độ Pb tích lũy trong các mô.
• Nghiên cứu về cortisol và stress sinh lý: William Bayliss và Ernest Starling (1904) đặt nền móng về khái niệm hormone; kỹ thuật định lượng miễn dịch phóng xạ (Rosalyn Yalow) và ELISA; Sures và cộng sự (2006) trên Anguilla anguilla; Marentette và cộng sự (2013) trên Neogobius melanostomus; Ahmad Gharaei và cộng sự (2011) trên Huso huso; Kadambri Gupta và cộng sự (2012) trên Garra gotyla gotyla; Sahire Karaytug và cộng sự (2010) trên Clarias gariepinus; Ricard và cộng sự (1998), Alexandra Gagnon và cộng sự (2006) trên Oncorhynchus mykiss; Dang và cộng sự (2001), Drastichova và cộng sự (2004) trên Cyprinus carpio và Salmo salar; Lin Ezemonye và To Ikpesu (2012) trên Oreochromis niloticus; Lars Niklasson và cộng sự (2014) trên Salmo salar; E. O’Connor và cộng sự (2011) trên cá gai; Z. Svobodová và cộng sự (1999) về biến đổi cortisol do vận chuyển ở cá chép.
• Tình hình nghiên cứu trên cá Điêu hồng: Mohammed Aldoghachi Jasim Aldoghachi và cộng sự (2016) công bố giá trị $LC_{50}$ trong 96 giờ của Cu, Cd, Zn lần lượt là 0,45; 0,7 và 2,1 mg/L, đồng thời phân tích tổn thương biểu mô mang cá do Pb bằng kính hiển vi điện tử quét; Kah Hin Low và cộng sự (2011) tại Jelebu (Malaysia) ghi nhận Cd, Cu, Fe, Zn tích lũy nhiều trong gan, Pb và Mn trong mang, As trong thịt; Abdulali Taweel và cộng sự (2011) tại Selangor (Malaysia) ghi nhận nồng độ kim loại trong gan cá; Accio Moura D’Silva và O. Eugene Maughan (1995) xác định mật độ nuôi thích hợp cho cá Điêu hồng là 20 con/$\text{m}^3$.

Khoảng trống nghiên cứu được xác định: Trong nước chưa có công trình nghiên cứu hệ thống về sự tích lũy kim loại nặng và biến đổi thành phần sinh hóa trên cá Điêu hồng; trên thế giới chưa có nghiên cứu đầy đủ về động học đào thải cũng như ảnh hưởng đồng thời của Cd, Pb, As đến nồng độ hormone cortisol huyết tương trên đối tượng cá này.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết

Luận án dựa trên các nguyên lý độc chất học môi trường và sinh lý học nội tiết:

• Độc tính cấp tính được đánh giá qua nồng độ gây chết 50% cá thể thử nghiệm trong 96 giờ ($LC_{50}$ trong 96 giờ). Kim loại xâm nhập vào cá qua đường mang (mang tích điện âm do điểm đẳng điện của amino acid huyết tương khoảng $\text{pH} \approx 8$), đường tiêu hóa và qua da, sau đó phân bố vào các cơ quan đích theo ái lực hóa sinh (nhóm thiol $-\text{SH}$ của protein, enzyme, metallothionein).
• Hormone cortisol ($\text{C}{21}\text{H}{30}\text{O}_5$, $M = 362,46\text{ g/mol}$, độ tan $320\text{ mg/L}$, $\text{p}K_a = 12,7$) là một glucocorticoid được tổng hợp từ cholesterol tại vùng Zona fasciculata của vỏ thượng thận dưới sự kích thích của hormone ACTH từ tuyến yên. Cortisol tham gia điều hòa chuyển hóa glucose (tăng tân tạo đường tại gan), thoái hóa protein và lipid, cân bằng nước - điện giải, đồng thời đóng vai trò là chất chỉ thị sinh học phản ánh mức độ căng thẳng sinh lý khi động vật tiếp xúc với các yếu tố gây stress từ môi trường ô nhiễm.

Phương pháp bố trí thực nghiệm

Thực nghiệm được chia làm hai giai đoạn chính:

Quy trình thực nghiệm	Thiết kế thí nghiệm và thông số vận hành
Thuần dưỡng cá	Cá 4 tháng tuổi ($300 \pm 1\text{ g}$, $20 \pm 1\text{ cm}$) nuôi trong bể composite ($70 \times 200 \times 60\text{ cm}$), 12 ngày thuần dưỡng, phòng điều hòa $30 \pm 1\text{ }^\circ\text{C}$, chiếu sáng 10 h/ngày, $\text{DO} = 6,5 \pm 0,7\text{ mg/L}$, $\text{pH} = 6,3$, nhiệt độ nước $28 \pm 4\text{ }^\circ\text{C}$, thức ăn viên 20 - 25% đạm (khẩu phần 3 - 4% khối lượng cơ thể/ngày), thay 25% nước mỗi 2 ngày.
Xác định $LC_{50}$ trong 96 giờ	Hệ thống nước tĩnh không thay nước trong 96 giờ, sục khí liên tục, không cho ăn, 4 bể/nghiệm thức ($n = 10\text{ con/bể}$, tổng 40 con/thí nghiệm). Dải nồng độ thử nghiệm: - Cadimi ($\text{CdCl}_2$): 2; 5; 10; 15; 20; 30; 40; 45 mg/L. - Chì ($\text{Pb(CH}_3\text{COO)}_2$): 0,5; 1,0; 2,0; 5,0; 7,0; 10,0; 13,0; 15,0 mg/L. - Asen ($\text{NaAsO}_2$): 20; 25; 27; 30; 33; 35; 40 mg/L.
Khảo sát độc bán mãn tính	Nuôi phơi nhiễm 20 ngày ở các nồng độ bằng khoảng 1/30; 1/20 và 1/10 giá trị $LC_{50}$ trong 96 giờ, sau đó nuôi thôi nhiễm trong nước sạch 10 ngày (lặp lại 3 lần, $n=3$): - Cd: 0,66; 1,00; 2,00 mg/L (ký hiệu 0,66Cd; 1,0Cd; 2,0Cd). - Pb: 0,12; 0,18; 0,33 mg/L (ký hiệu 0,12Pb; 0,18Pb; 0,33Pb). - As: 1,00; 1,50; 3,00 mg/L (ký hiệu 1,0As; 1,5As; 3,0As).
Lấy mẫu phân tích	Thu mẫu ngẫu nhiên tại ngày thứ 4, 12, 20 (giai đoạn phơi nhiễm) và ngày thứ 10 (giai đoạn thôi nhiễm), 8 cá/bể. Máu lấy từ cuống đuôi, ly tâm 5500 vòng/phút trong 5 phút lấy huyết tương; tách gan, mang, thịt sấy khô ở $105 \pm 1\text{ }^\circ\text{C}$ trong 6 giờ.

Công thức tính tỷ lệ phần trăm đào thải kim loại trong giai đoạn thôi nhiễm: $$% \text{ đào thải} = \frac{|[M]{\text{thôi ô nhiễm}} - [M]{\text{ô nhiễm}}|}{[M]{\text{ô nhiễm}}} \times 100$$ Trong đó $[M]{\text{ô nhiễm}}$ là hàm lượng kim loại sau 20 ngày phơi nhiễm và $[M]_{\text{thôi ô nhiễm}}$ là hàm lượng kim loại sau 10 ngày nuôi trong nước sạch.

Phương pháp phân tích và thiết bị

• Phân tích Cortisol bằng RP-HPLC-UV: Huyết tương ($500\text{ }\mu\text{L}$) được chiết bằng $5000\text{ }\mu\text{L}$ dichloromethane, lắc 15 phút, ly tâm 3600 vòng/phút trong 15 phút. Pha hữu cơ được rửa bằng $500\text{ }\mu\text{L}\text{ NaOH }0,1\text{M}$, ly tâm 3600 vòng/phút trong 5 phút, làm khô dưới dòng khí nitơ ở $40\text{ }^\circ\text{C}$, hòa tan lại bằng $500\text{ }\mu\text{L}$ hỗn hợp methanol 45% trong nước, lọc qua màng $0,22\text{ }\mu\text{m}$. Phân tích trên hệ thống Agilent 1200 HPLC với đầu dò DAD tại bước sóng $254\text{ nm}$, cột Hypersil BDS-C18 ($125 \times 4,0\text{ mm}$, $5\text{ }\mu\text{m}$), nhiệt độ cột $36\text{ }^\circ\text{C}$, pha động methanol : nước (45 : 55 v/v), tốc độ dòng $0,8\text{ mL/phút}$.
• Phân tích tổng hàm lượng Cd và Pb bằng ICP-OES: Mẫu khô ($1,0\text{ g}$) được tro hóa tại $550\text{ }^\circ\text{C}$ trong 30 phút, hòa tan tro bằng $\text{HNO}_3\text{ }2%$, định mức 25 mL, lọc qua màng $0,45\text{ }\mu\text{m}$. Đo trên thiết bị Optima 2100 DV (Perkin Elmer) tại bước sóng $226,502\text{ nm}$ (Cd) và $405,781\text{ nm}$ (Pb); công suất nguồn RF 1400 W; lưu lượng khí tạo sol khí $0,7\text{ L/phút}$; lưu lượng khí bổ trợ $0,2\text{ L/phút}$; lưu lượng khí plasma $15\text{ L/phút}$; tốc độ bơm mẫu $1,5\text{ mL/phút}$; chế độ đo dọc trục; acid nền $\text{HNO}_3\text{ }2%$.
• Phân tích tổng hàm lượng As bằng ICP-MS: Mẫu khô ($1,0\text{ g}$) được phá mẫu bằng $4\text{ mL}\text{ HNO}_3\text{ }65%$ và $2\text{ mL}\text{ H}_2\text{O}_2\text{ }30%$, đun hoàn lưu tại $85\text{ }^\circ\text{C}$ trong 30 phút, định mức 25 mL bằng $\text{HNO}_3\text{ }2%$, lọc qua màng $0,45\text{ }\mu\text{m}$. Đo trên thiết bị Agilent 7700 ICP-MS: khối phổ số 75, nguồn va đập loại nền khí heli, công suất RF 1350 W, tốc độ dòng khí tạo sol khí $0,85\text{ L/phút}$, dòng khí mang $1,09\text{ L/phút}$, dòng khí plasma $15\text{ L/phút}$, tốc độ bơm mẫu $0,1\text{ rps}$, độ sâu mẫu $8,00\text{ mm}$.
• Phân tích các dạng hóa học:
  • Dạng phức Cd-MT: Chiết mẫu bằng dung dịch TRIS, kết tủa protein bằng hỗn hợp ethanol/acetonitrile (tỷ lệ thể tích 1:3), phân tách qua cột C60 với tốc độ $3,3\text{ mL/phút}$, rửa giải bằng $\text{HNO}_3\text{ }0,5\text{M}$ tốc độ $5\text{ mL/phút}$ và định lượng Cd trên ICP-OES.
  • Phân đoạn chì: Chiết vi sóng mẫu với hỗn hợp methanol 50% chứa $\text{H}_3\text{BO}_3\text{ }70\text{ mmol/L}$ và $\text{Na}_2\text{B}_4\text{O}_7\text{ }17,5\text{ mmol/L}$ tại $70\text{ }^\circ\text{C}$ trong 5 phút (công suất 400 W) để thu Pb hữu cơ; cặn tiếp tục chiết bằng acid acetic 0,5M để thu Pb vô cơ; định lượng bằng ICP-OES.
  • Dạng hóa học của Asen: Chiết vi sóng bằng methanol : nước (1:1 v/v) tại $70\text{ }^\circ\text{C}$ trong 15 phút, phân tích trên hệ ghép nối HPLC-UV-HG-AAS sử dụng cột Hamilton PRP-X100 ($250 \times 4,1\text{ mm}$, $10\text{ }\mu\text{m}$), pha động hệ đệm $10\text{ mM}\text{ C}6\text{H}{13}\text{NaO}_3\text{S} + 1\text{ mM}\text{ (C}_4\text{H}_8)_3\text{NOH} + 0,5%\text{ CH}_3\text{OH}$ (tốc độ $1\text{ mL/phút}$), cuộn dây quang oxy hóa UV dài $10\text{ m} \times 0,5\text{ mm}$ ($\lambda = 254\text{ nm}$) với dung dịch $\text{K}_2\text{S}_2\text{O}_8\text{ }0,1\text{M} + \text{NaOH }0,3\text{M}$ ($1\text{ mL/phút}$), hóa hơi hydride với $\text{HCl }4\text{M}$ ($1,6\text{ mL/phút}$) và $\text{NaBH}_4\text{ }0,64\text{M} + \text{NaOH }0,1\text{M}$ ($2,5\text{ mL/phút}$), khí mang Argon $50\text{ mL/phút}$, đo AAS tại bước sóng $193,7\text{ nm}$, nhiệt độ ống thạch anh $900\text{ }^\circ\text{C}$, cường độ đèn catot rỗng 12 mA.

Xử lý thống kê: Sử dụng phần mềm SPSS phiên bản 22.0, phân tích phương sai một yếu tố (ANOVA), kiểm định Dunnett T3 ($p < 0,05$) và kiểm định Paired Samples Test ($p < 0,05$).

Nội dung chính theo từng chương

Mở đầu

Trình bày tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ thực trạng ô nhiễm kim loại nặng (Cd, Pb, As) trong môi trường nước, nguy cơ tích lũy độc chất qua chuỗi thức ăn thủy sản sang người, sự thiếu hụt dữ liệu nghiên cứu về quá trình tích lũy - đào thải kim loại nặng và phản ứng sinh hóa của cá Điêu hồng (Oreochromis sp.). Đặt ra 3 nội dung nghiên cứu chính, nêu rõ ý nghĩa khoa học trong việc phát triển phương pháp phân tích, ứng dụng chỉ thị sinh học môi trường và ý nghĩa thực tiễn trong cảnh báo rủi ro an toàn thực phẩm.

Chương 1: Giới thiệu các kim loại nặng Cd, Pb và As; Hóc-môn và cortisol; Giới thiệu về cá Điêu hồng

• Tổng quan về nguồn gốc và độc tính kim loại: Trình bày chi tiết nguồn gốc tự nhiên, công nghiệp, nông nghiệp và sinh hoạt của Cd, Pb, As; cơ chế gây độc hóa sinh (tấn công nhóm $-\text{SH}$, phá hủy màng tế bào, ức chế enzyme hô hấp tế bào và trao đổi ion); cơ chế xâm nhập qua mang, da, tiêu hóa; quy luật tích lũy sinh học và chuyển hóa giải độc của sinh vật qua metallothionein và các phản ứng biến đổi sinh học.
• Tổng quan về cortisol: Cấu trúc phân tử $\text{C}{21}\text{H}{30}\text{O}_5$, con đường sinh tổng hợp từ cholesterol tại vỏ thượng thận, nhịp sinh học tiết hormone theo chu kỳ ngày đêm, cơ chế tác động lên chuyển hóa glucid, lipid, protein, nước - điện giải và vai trò điều hòa phản ứng chống căng thẳng (stress) của sinh vật.
• Tổng quan về cá Điêu hồng: Nguồn gốc lai tạo từ cá rô phi đen, đặc điểm hình thái học, tập tính ăn tạp, điều kiện môi trường sống thích hợp ($\text{pH} = 6,2 - 7,5$, chịu mặn nhẹ $5 - 12\text{ }^0/_{00}$), thành phần dinh dưỡng (trong 100 g thịt chứa 20,08 g chất đạm, 1,70 g chất béo tổng cộng).
• Tình hình nghiên cứu và nhiệm vụ đặt ra: Tổng hợp các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước, xác định khoảng trống nghiên cứu và nhiệm vụ khảo sát hệ thống trên cá Điêu hồng.

Chương 2: Phương pháp nghiên cứu

• Mô tả đối tượng thực nghiệm: Cá Điêu hồng 4 tháng tuổi ($300 \pm 1\text{ g}$, $20 \pm 1\text{ cm}$) từ Tiền Giang; hệ thống bể composite kiểm soát nhiệt độ, oxy hòa tan, chu kỳ chiếu sáng và chế độ dinh dưỡng chuẩn hóa.
• Thiết kế các mô hình thực nghiệm: Mô hình xác định ngưỡng độc cấp tính $LC_{50}$ trong 96 giờ với các dải nồng độ kim loại đơn lẻ trong hệ thống nước tĩnh; mô hình độc tính bán mãn tính (phơi nhiễm 20 ngày ở 3 mức nồng độ 1/30, 1/20, 1/10 $LC_{50}$ và thôi nhiễm 10 ngày trong nước sạch); quy trình lấy mẫu huyết tương và các mô đích (gan, mang, thịt) tại các mốc thời gian ngày 4, 12, 20 và ngày 10 thôi nhiễm.
• Quy trình phân tích dụng cụ: Chi tiết quy trình xử lý mẫu và điều kiện vận hành thiết bị RP-HPLC-UV (đo cortisol), ICP-OES (đo Cd, Pb), ICP-MS (đo As), HPLC-UV-HG-AAS (đo các dạng As hữu cơ và vô cơ), chiết tách Cd-MT và phân đoạn Pb hữu cơ/vô cơ; phương pháp xử lý số liệu bằng SPSS 22.0.

Chương 3: Kết quả và thảo luận

• Thẩm định phương pháp phân tích cortisol bằng RP-HPLC-UV: Sắc ký đồ cho pic cortisol đối xứng với thời gian lưu 7,45 phút. Phương pháp đạt độ tin cậy và độ nhạy cao:

Thông số thẩm định phương pháp	Giá trị thực nghiệm
Thời gian lưu	7,45 phút
Phương trình đường chuẩn	$y = 0,05547x + 0,05246$
Hệ số tương quan ($r^2$)	0,99996
Độ lệch chuẩn tương đối (%RSD)	$\le 1,10%$
Giới hạn phát hiện (LOD)	$0,87\text{ }\mu\text{g/L}$
Giới hạn định lượng (LOQ)	$2,90\text{ }\mu\text{g/L}$
Độ đúng trong ngày	93,4% - 94,5%
Độ đúng giữa các ngày	91,2% - 94,1%
Độ chụm các lần đo trong ngày	1,1% - 2,3%
Độ chụm các lần đo giữa các ngày	2,2% - 2,6%
Hiệu suất thu hồi (mẫu thêm chuẩn 25 - 100 $\mu\text{g/L}$)	88,2% - 97,7%
Độ chụm các lần đo hiệu suất thu hồi	1,3% - 6,5%

• Thẩm định phương pháp phân tích Cd bằng ICP-OES: Đạt khoảng tuyến tính từ $2\text{ }\mu\text{g/L}$ đến $200\text{ mg/L}$, khoảng nồng độ làm việc từ $5\text{ }\mu\text{g/L}$ đến $200\text{ }\mu\text{g/L}$, phương trình hồi quy $y = 1864,9x + 44,7$ với hệ số tương quan $r^2 = 0,9999$ và giới hạn phát hiện $\text{LOD} = 0,52\text{ }\mu\text{g/L}$.
• Kết quả khảo sát độc tính cấp và bán mãn tính: Thiết lập đường cong tương quan giữa nồng độ kim loại và tỷ lệ chết (dose-mortality) để xác định $LC_{50}$ trong 96 giờ của Cd, Pb, As; đánh giá quy luật phân bố và tích lũy kim loại tại các mô (gan, mang, thịt) trong 20 ngày phơi nhiễm; đánh giá khả năng tự đào thải sau 10 ngày nuôi trong nước sạch; xác định tỷ lệ chuyển hóa Cd sang dạng liên kết Cd-MT, phân đoạn Pb hữu cơ/vô cơ và dạng As hữu cơ/vô cơ; theo dõi động thái biến đổi nồng độ cortisol huyết tương qua các giai đoạn phơi nhiễm và thôi nhiễm.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp về mặt lý luận và khoa học

• Cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm về ngưỡng độc tính cấp tính ($LC_{50}$ trong 96 giờ) của từng kim loại nặng đơn lẻ (Cd, Pb, As) trên cá Điêu hồng (Oreochromis sp.).
• Làm sáng tỏ quy luật phân bố, động học tích lũy và đào thải của Cd, Pb, As trong các mô cơ quan khác nhau (gan, mang, thịt), cũng như mức độ chuyển hóa các dạng hợp chất kim loại (dạng phức Cd-MT, các dạng hợp chất của chì và các dạng asen hữu cơ/vô cơ) trong cơ thể cá Điêu hồng.
• Xác lập mối liên hệ giữa nồng độ kim loại nặng trong môi trường nước với sự biến động hàm lượng hormone cortisol trong huyết tương cá, làm cơ sở khoa học cho việc ứng dụng cortisol như một chỉ thị sinh học để phát hiện và cảnh báo sớm tình trạng ô nhiễm nguồn nước.
• Thẩm định và xác nhận giá trị sử dụng của quy trình phân tích cortisol trong huyết tương cá bằng kỹ thuật RP-HPLC-UV (đầu dò DAD bước sóng 254 nm) và các quy trình phân tích kim loại bằng kỹ thuật quang phổ phát xạ nguyên tử ICP-OES, khối phổ ICP-MS và ghép nối sắc ký HPLC-UV-HG-AAS.

Đóng góp về mặt thực tiễn

• Cung cấp cơ sở khoa học phục vụ công tác quan trắc môi trường và đánh giá rủi ro lan truyền độc chất kim loại nặng từ nguồn nước ô nhiễm sang thực phẩm thủy sản.
• Đưa ra khuyến cáo khoa học cho người nuôi trồng thủy sản về định hướng nuôi và chế độ cách ly nguồn nước (thôi nhiễm trong nước sạch) trước khi thu hoạch nhằm giảm thiểu dư lượng kim loại nặng trong cá thương phẩm, bảo vệ sức khỏe người tiêu dùng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế: Các thí nghiệm của luận án được tiến hành trong điều kiện phòng thí nghiệm với từng kim loại nặng đơn lẻ (Cd, Pb, As) trên nhóm cá Điêu hồng chưa trưởng thành (4 tháng tuổi, khối lượng khoảng $300\text{ g}$) trong khoảng thời gian phơi nhiễm 20 ngày và thôi nhiễm 10 ngày. Nghiên cứu chưa khảo sát tác động đồng thời của hỗn hợp đa kim loại cũng như các yếu tố dao động phức tạp ngoài môi trường tự nhiên (như biến động nền trầm tích, vi sinh vật và độ mặn thay đổi).
• Hướng nghiên cứu tiếp: Mở rộng đánh giá tác động tương hỗ của hỗn hợp nhiều kim loại nặng cùng tồn tại trong môi trường nước; kéo dài thời gian theo dõi giai đoạn thôi nhiễm đối với các kim loại có tốc độ đào thải chậm; và kiểm chứng động học tích lũy - đào thải trên các mô hình ao nuôi thực địa tại các vùng nuôi thủy sản tập trung.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên khảo hữu ích cho các đối tượng và lĩnh vực sau:

• Cán bộ nghiên cứu, nghiên cứu sinh và học viên chuyên ngành Hóa học môi trường, Độc chất học môi trường, Độc học thủy sản và Hóa phân tích: Cung cấp chi tiết quy trình thực nghiệm chiết tách, làm sạch mẫu sinh học và các thông số tối ưu để định lượng hormone cortisol bằng RP-HPLC-UV, phân tích kim loại nặng bằng ICP-OES, ICP-MS và phân tách dạng hóa học bằng HPLC-UV-HG-AAS.
• Cơ quan quản lý môi trường, kiểm nghiệm an toàn vệ sinh thực phẩm và thú y thủy sản: Sử dụng dữ liệu về ngưỡng độc cấp tính và động học tích lũy kim loại làm cơ sở tham chiếu trong việc kiểm soát chất lượng nguồn nước nuôi trồng thủy sản và đánh giá nguy cơ mất an toàn thực phẩm do tồn dư kim loại nặng.
• Kỹ sư nuôi trồng thủy sản và cơ sở sản xuất giống cá Điêu hồng: Vận dụng quy luật đào thải kim loại trong giai đoạn nuôi nước sạch để thiết kế quy trình lưu giữ và làm sạch cá trước khi phân phối ra thị trường tiêu thụ.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án khảo sát ngưỡng độc cấp tính ($LC_{50}$ trong 96 giờ) của các kim loại nào và với dải nồng độ bao nhiêu?

Luận án tiến hành khảo sát ngưỡng độc cấp tính trong 96 giờ đối với 3 kim loại nặng dưới dạng muối hòa tan:

• Cadimi ($\text{CdCl}_2$): khảo sát ở các nồng độ 2; 5; 10; 15; 20; 30; 40 và 45 mg/L.
• Chì ($\text{Pb(CH}_3\text{COO)}_2$): khảo sát ở các nồng độ 0,5; 1,0; 2,0; 5,0; 7,0; 10,0; 13,0 và 15,0 mg/L.
• Asen ($\text{NaAsO}_2$): khảo sát ở các nồng độ 20; 25; 27; 30; 33; 35 và 40 mg/L.

2. Các mức nồng độ kim loại nào được lựa chọn cho thí nghiệm độc tính bán mãn tính (tích lũy, đào thải và biến đổi cortisol)?

Dựa trên giá trị $LC_{50}$ trong 96 giờ, các mức nồng độ độc tính bán mãn tính được lựa chọn tương ứng với khoảng 1/30, 1/20 và 1/10 của $LC_{50}$:

• Cadimi: 0,66 mg/L (0,66Cd); 1,00 mg/L (1,0Cd); và 2,00 mg/L (2,0Cd).
• Chì: 0,12 mg/L (0,12Pb); 0,18 mg/L (0,18Pb); và 0,33 mg/L (0,33Pb).
• Asen: 1,00 mg/L (1,0As); 1,50 mg/L (1,5As); và 3,00 mg/L (3,0As).

3. Quy trình định lượng cortisol trong huyết tương cá Điêu hồng bằng RP-HPLC-UV được vận hành dưới các điều kiện nào?

Cortisol trong huyết tương được chiết bằng dichloromethane, rửa bằng dung dịch $\text{NaOH }0,1\text{M}$, thổi khô bằng khí $\text{N}_2$ tại $40\text{ }^\circ\text{C}$ và hòa tan lại trong dung dịch methanol 45%. Điều kiện sắc ký:

• Thiết bị: Agilent 1200 HPLC với đầu dò DAD tại bước sóng $254\text{ nm}$.
• Cột phân tích: Hypersil BDS-C18 ($125 \times 4,0\text{ mm}$, kích thước hạt $5\text{ }\mu\text{m}$), nhiệt độ cột $36\text{ }^\circ\text{C}$.
• Pha động: Methanol 45% và nước 55% (v/v), tốc độ dòng $0,8\text{ mL/phút}$.
• Kết quả thẩm định: Thời gian lưu 7,45 phút; phương trình đường chuẩn $y = 0,05547x + 0,05246$ ($r^2 = 0,99996$); $\text{LOD} = 0,87\text{ }\mu\text{g/L}$; $\text{LOQ} = 2,90\text{ }\mu\text{g/L}$; độ thu hồi đạt từ 88,2% đến 97,7%.

4. Luận án sử dụng kỹ thuật gì để phân tích các dạng hóa học của Asen trong gan và thịt cá?

Luận án sử dụng kỹ thuật ghép nối liên tục HPLC-UV-HG-AAS:

• Hệ sắc ký tách: Cột Hamilton PRP-X100 ($250 \times 4,1\text{ mm}$, $10\text{ }\mu\text{m}$), pha động hệ đệm $10\text{ mM}\text{ C}6\text{H}{13}\text{NaO}_3\text{S} + 1\text{ mM}\text{ (C}_4\text{H}_8)_3\text{NOH} + 0,5%\text{ CH}_3\text{OH}$ tốc độ $1\text{ mL/phút}$.
• Hệ phản ứng quang oxy hóa: Cuộn dây UV ($10\text{ m} \times 0,5\text{ mm}$, $\lambda = 254\text{ nm}$) với chất oxy hóa $\text{K}_2\text{S}_2\text{O}_8\text{ }0,1\text{M} + \text{NaOH }0,3\text{M}$ để chuyển toàn bộ hợp chất As thành As(V).
• Hệ hóa hơi hydride (HG) và đo quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS): Acid hóa bằng $\text{HCl }4\text{M}$ ($1,6\text{ mL/phút}$), phản ứng với $\text{NaBH}_4\text{ }0,64\text{M}$ ($2,5\text{ mL/phút}$) tạo khí arsine ($\text{AsH}_3$), đo trên máy AAS tại bước sóng $193,7\text{ nm}$, nhiệt độ ống thạch anh $900\text{ }^\circ\text{C}$.

5. Vì sao hormone cortisol được chọn làm chỉ thị sinh học trong nghiên cứu này?

Cortisol là hormone glucocorticoid chính tiết ra từ vỏ thượng thận khi cá gặp tác nhân kích thích có hại. Khi cá sống trong môi trường nước ô nhiễm kim loại nặng (Cd, Pb, As), phản ứng stress sinh lý và oxy hóa làm thay đổi nồng độ cortisol huyết tương nhằm huy động năng lượng, tái phân phối glucose và ổn định áp suất thẩm thấu. Việc theo dõi động thái tăng hoặc giảm cortisol theo thời gian phơi nhiễm và thôi nhiễm cho phép đánh giá các pha phản ứng (báo động, thích nghi hoặc kiệt sức) của cơ thể cá trước độc chất.

Kết luận

Luận án đã thực hiện nghiên cứu thực nghiệm toàn diện về độc tính cấp tính ($LC_{50}$ trong 96 giờ) và độc tính bán mãn tính của ba kim loại nặng (Cd, Pb, As) trên đối tượng cá Điêu hồng (Oreochromis sp.). Công trình đã làm rõ động học tích lũy và khả năng đào thải của các kim loại trong gan, mang và thịt cá, đồng thời xác định mức độ chuyển hóa của các dạng hợp chất kim loại trong mô. Kết quả nghiên cứu chứng minh sự biến động của hormone cortisol trong huyết tương là một chỉ thị sinh học hữu hiệu phản ánh mức độ căng thẳng sinh lý của cá trước ô nhiễm kim loại nặng. Đồng thời, luận án đã chuẩn hóa và thẩm định thành công các phương pháp phân tích hiện đại (RP-HPLC-UV, ICP-OES, ICP-MS, HPLC-UV-HG-AAS), đóng góp dữ liệu khoa học có giá trị cho lĩnh vực độc chất học môi trường và an toàn thực phẩm thủy sản.

Trích đoạn nội dung tài liệu

1 MỞ ĐẦU Hiện nay, sự gia tăng dân số cùng với sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp làm gia tăng lượng chất thải ra môi trường. Vì vậy, môi trường sống ngày càng bị ô nhiễm với mức độ nghiêm trọng. Sinh vật và nhất là các loài thuỷ sản sống trong môi trường ô nhiễm bị ảnh hưởng đến sự sinh trưởng, phát triển. Không những vậy, các độc chất sẽ tích tụ trong cơ thể chúng và sẽ rất nguy hiểm nếu con người ăn phải thức ăn có nhiễm độc chất.

Vì thế, vấn đề nghiên cứu sự tích luỹ và đào thải độc chất cũng như ảnh hưởng của độc chất đến sự sinh trưởng phát triển của các loài thuỷ sản là hết sức quan trọng và đã được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Trong những thập niên gần đây, các nhà khoa học trên thế giới đã quan tâm nghiên cứu về sự tích luỹ và đào thải kim loại nặng cũng như sự ảnh hưởng của kim loại nặng đến hàm lượng sinh hóa (gluco, cortisol, glutathion, lipit, …) trong cơ thể sinh vật nhằm phản ánh phản ứng của cơ thể trước sự thay đổi của môi trường sống. Việt Nam là quốc gia đang phát triển nên vấn đề xử lý chất thải chưa được quan tâm đúng mức dẫn đến việc ô nhiễm môi trường là không thể tránh khỏi, nhất là ô nhiễm các kim loại nặng không có vai trò sinh học nhưng rất độc đối với con người như Cd, Pb và As. Các loài thuỷ sản sống trong môi trường ô nhiễm bị ảnh hưởng đến sản lượng và chất lượng.

Trong các loài thuỷ sản, cá Điêu hồng là loài rất được ưa chuộng làm thức ăn do chất lượng thịt cá và giá thành hợp lý. Tuy nhiên, việc đánh giá phản ứng của cá Điêu hồng do ảnh hưởng của kim loại Cd, Pb và As trong môi trường ô nhiễm và sự tích luỹ, đào thải các kim loại này chưa được nghiên cứu. Do đó, nghiên cứu sinh chọn đề tài: “Nghiên cứu quá trình tích luỹ - đào thải và ảnh hưởng của các kim loại nặng (As, Cd, Pb) đến hàm lượng cortisol trong cá Điêu hồng (Oreochromis sp.)” nhằm mục đích giải quyết các vấn đề sau: 2 - Tìm ra ngưỡng độc cấp tính (LC50 trong 96 giờ) của từng kim loại Cd, Pb và As để đánh giá độc tính của từng kim loại đối với cá Điêu hồng. - Tìm ra ảnh hưởng của các kim loại (Cd, Pb, As) trong nước ô nhiễm đến hàm lượng cortisol trong cá.

Đây là yếu tố chỉ mức độ căng thẳng sinh lý và oxy hóa của cá sống trong nước ô nhiễm kim loại nặng. Từ đó có thể đề xuất sử dụng cá làm chỉ thị sinh học để phát hiện kịp thời ô nhiễm nguồn nước do kim loại nặng. - Nghiên cứu quy luật hấp thu và đào thải kim loại nặng (Cd, Pb, As) trong gan, mang và thịt cá Điêu hồng sống trong môi trường ô nhiễm trên cơ sở đó khuyến cáo người nuôi cá có hướng nuôi thích hợp nhằm cung cấp nguồn cá sạch ra thị trường để đảm bảo sức khoẻ người tiêu dùng. Nội dung nghiên cứu của luận án 1.

Xác định ngưỡng độc cấp tính trong 96 giờ của Cd, Pb, As đối với cá Điêu hồng. Dựa trên giá trị LC50 trong 96 giờ, lựa chọn nồng độ kim loại nặng phù hợp để tiến hành các nghiên cứu tiếp theo. Nghiên cứu quy luật tích luỹ và đào thải kim loại nặng trong cá Điêu hồng nuôi trong nguồn nước ô nhiễm và sau đó nuôi trong nguồn nước sạch. Nghiên cứu ảnh hưởng của kim loại nặng trong nước đến sự thay đổi hàm lượng cortisol trong cá.

Ý nghĩa khoa học - Kết quả nghiên cứu sẽ làm cơ sở khoa học trong lĩnh vực hoá học môi trường, độc chất môi trường, sử dụng chỉ thị sinh học để cảnh báo ô nhiễm môi trường và nguy cơ gây hại cho sức khỏe con người. - Đề tài góp phần xác nhận giá trị sử dụng của phương pháp xác định kim loại nặng (Cd, Pb, As) bằng thiết bị phổ nguyên tử và phương pháp xác định cortisol trong cá bằng thiết bị sắc ký lỏng pha đảo hiệu năng cao RP- HPLC-UV. - Kết quả nghiên cứu của đề tài làm cơ sở khoa học cho những nghiên cứu về độc chất môi trường, kỹ thuật phân tích môi trường. 3 Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của luận án góp phần cảnh báo những rủi ro, nguy cơ lan truyền kim loại nặng qua thực phẩm.

Giới thiệu các kim loại nặng Cd, Pb và As 1. Nguồn gốc gây ô nhiễm kim loại nặng trong nước 1. Nguồn tự nhiên trong đất Kim loại nặng là một trong những thành phần tự nhiên của lớp vỏ trái đất. Trong đá, chúng tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau.

Quặng kim loại nặng có thể ở dạng sunfua như sắt, asen, chì, chì-kẽm, coban, vàng, bạc và niken; hoặc ở dạng oxit như nhôm, mangan, selen và antimon. Một số tồn tại dưới dạng sunfua và oxit như sắt, đồng và coban. Quặng khoáng sản có xu hướng tồn tại theo kiểu nhóm nguyên tố, theo đó kim loại tồn tại dạng sulfua sẽ chủ yếu ở cùng với nhau, tương tự như vậy đối với các oxit. Do đó, sunfua chì, cadimi, asen và thủy ngân tự nhiên được tìm thấy cùng với sulfua sắt (pyrit, FeS2) và đồng (chalcopyrit, CuFeS2) [1].

Các kim loại trong đất sẽ đi trực tiếp vào môi trường nước thông qua sự phong hóa đá, sự bào mòn do nước, pH của nước thấp là nguyên nhân hòa tan một số kim loại nặng. Từ hoạt động nông nghiệp Quá trình sản xuất nông nghiệp góp phần gia tăng một lượng đáng kể hàm lượng kim loại nặng trong nước. Các loại hóa chất bảo vệ thực vật, các loại phân bón, đặc biệt là phân lân có chứa các kim loại nặng như As, Pb, Hg. Thuốc bảo vệ thực vật thường chứa nhiều kim loại nặng như: As, Pb, Hg.

Một số loại thuốc như: CuSO4, Zineb, Macozeb… chứa các kim loại nặng như Cu, Zn, Mn. Thông qua hoạt động phun, bón thuốc mà kim loại nặng có mặt trong nước [2-4]. Từ hoạt động công nghiệp Sự phát triển công nghiệp đang vượt quá sự phát triển của cơ sở hạ tầng. Hiện nay, các ngành công nghiệp đều đổ trực tiếp chất thải chưa được xử lý vào môi trường.

Kim loại nặng và độc tố là các thành phần đặc trưng của các chất thải công nghiệp. Theo kết quả quan trắc và phân tích môi trường, hàm lượng đồng, chì, 5 cadimi và coban,… ở các vùng nước ven biển gần các thị trấn và trung tâm công nghiệp lớn nhiều hơn so với mức tự nhiên của chúng trong nước biển. Hơn nữa, khí thải các nhà máy nhiệt điện, các lò hỏa táng, khí thải phương tiện giao thông chứa một lượng kim loại đi vào môi trường không khí và sau đó là môi trường nước [2, 5]. Hoạt động khai thác khoán sản cũng góp phần rất lớn vào việc thải các kim loại nặng vào môi trường nước [1, 6].

Nước thải ngành khai thác khoán sản chứa một lượng lớn kim loại nặng. Nguồn gốc do hoạt động sinh hoạt của con người Một nguyên nhân khác gây nên sự ô nhiễm là do nước thải sinh hoạt của con người. Nước thải sinh hoạt thường trực tiếp thải vào môi trường mà không qua bất kỳ hình thức xử lý nào. Theo nghiên cứu của Phan Văn duyệt (2000), ở một số vùng, nhiều người đã lén cho thạch tín xuống những giếng không dùng nữa để yểm Tĩnh Thần, tức Thần Giếng.

Trước khi đổ đất lấp trũng xây nhà, người ta đã đổ thạch tín xuống để Yểm Thần Giếng, trấn Thuỷ Tề, Hà Bá. Việc này đã thành một tập tục không rõ từ đời nào truyền lại, từ đó, asen đi vào nước ngầm [7]. Độc tính của kim loại nặng Độc tính của các tác nhân đối với sinh vật được thể hiện qua các thông số: a) Liều lượng độc: Là đại lượng biểu thị độ lớn của tác nhân gây độc như hóa chất, vật lý, sinh học. Liều lượng độc có thể được biểu diễn qua đơn vị khối lượng hay thể tích chất độc trên một đơn vị khối lượng cơ thể sinh vật (mg, g/kg khối lượng cơ thể hoặc mL/kg).

Nồng độ trong không khí được biểu diễn qua đơn vị khối lượng hay thể tích trên phần triệu thể tích không khí (ppm hay miligam, gam/m3 không khí). Nồng độ trong nước có thể biểu diễn qua đơn vị ppm, ppb. b) Ngưỡng độc cấp tính là ngưỡng độc tính được xác định bằng nồng độ của một hóa chất, một tác nhân gây độc lên một nhóm sinh vật thử nghiệm trong thời gian ngộ độc ngắn, trong điều kiện có kiểm soát. Để đánh giá độc tính cấp và ngưỡng độc, người ta có thể dùng các đại lượng sau để đánh giá: 6 - LD50 (lethal dose 50%): Liều gây chết trung bình của một hóa chất ở một liều đơn.

Liều lượng gây chết 50% quần thể sinh vật trong một điều kiện thí nghiệm cụ thể trong một khoảng thời gian xác định thông qua tiếp xúc trực tiếp với chất gây độc. LD50 thường được sử dụng đối với động vật sống trên cạn. - LC50 (lethal concentration 50%): Nồng độ gây chết 50% quần thể sinh vật trong một điều kiện thí nghiệm cụ thể trong một khoảng thời gian xác định thông qua tiếp xúc trực tiếp với chất gây độc. LC50 thường dùng để đánh giá độc tính của chất độc dạng lỏng hòa tan trong nước hoặc bụi trong môi trường không khí và được đo bằng microgram (hoặc mg) của tác nhân gây độc cho mỗi lít dung dịch hoặc phần triệu (ppm), trong không khí hoặc nước.

LC50 càng nhỏ, độc tính của hóa chất càng lớn. LC50 được sử dụng trong việc so sánh các độc tính, giá trị LC50 không thể ngoại suy trực tiếp từ một loài này cho một loài khác hoặc cho con người. Giá trị LD50, LC50 được thực hiện trong vòng 24 đến 96 giờ và được thử nghiệm trên một loại chất nhất định để xác định nồng độ. Thời gian cũng được ghi cùng với liều lượng gây chết: LC50 24 giờ, LC50 48 giờ, LC50 72 giờ, LC50 96 giờ.

Thông số ngưỡng độc cấp tính thường sử dụng nhất cho cá là LC50 trong 96 giờ. Để xác định ngưỡng độc cấp tính, một phương pháp thử nghiệm thông dụng là xây dựng một thí nghiệm để tìm ra mối quan hệ giữa nồng độ chất thử và phần trăm cá thể bị ngộ độc từ đó xây dựng đường cong nồng độ gây chết. Từ đường cong này, LC50 được quan sát, tính toán hay nội suy [8, 9]. Các yếu tố môi trường ngoài ảnh hưởng đến độc tính: - Nhiệt độ môi trường: Có thể làm tăng, giảm hay không ảnh hưởng đến độc tính của hóa chất tùy thuộc vào loại độc tố, loài sinh vật và điều kiện tác động cụ thể.