Tài liệu CÁC CHẤT Ô NHIỄM CHÍNH ppt

Bài 3
CÁC CHẤT Ô NHIỄM CHÍNH
CÁC CHẤT Ô NHIỄM CHÍNH
*
*

Các chất ô nhiễm bao gồm rất nhiều loại
hóa chất khác nhau, từ ion vô cơ đơn
giản đến các phân tử hữu cơ phức tạp.

I. Các ion vô cơ
1. Kim loại
•
Định nghĩa: Kim loại là nguyên tố có vẻ ngoài
phát ánh kim, là chất dẫn điện tốt và có thể đi
vào các chuỗi phản ứng hóa học như là ion
dương hay cation.
•
Mặc dù kim loại là các cơ chất tự nhiên
nhưng chúng cũng được xem như là chất ô
nhiễm. Tất cả kim loại có mặt trên trái đất từ
khi trái đất được hình thành ngoại trừ các
đồng vị phóng xạ được tạo ra bởi các phản
ứng hạt nhân (bom hay lò phản ứng). Có một
vài ví dụ về sự ô nhiễm kim loại là kết quả từ
sự phong hóa tự nhiên các vỉa quặng.

•
Trong nhiều trường hợp, các kim loại trở
thành chất ô nhiễm do hoạt động của con

người, chủ yếu thông qua hoạt động khai mỏ
và luyện kim, đã giải phóng chúng khỏi đá
nơi chúng được tích tụ trong suốt quá trình
hoạt động của núi lửa hay sự xói mòn sau đó
và đưa chúng vào tình huống làm nguy hại
đến môi trường. Chẳng hạn vào tháng 4 năm
1998, chất thải của hoạt động khai mỏ giàu
kim loại gần công viên quốc gia Donana, tây
nam Tây Ban Nha được phóng thích ở hàm
lượng lớn, đã gây ra một trong số các thảm
họa môi trường tồi tệ chưa từng có ở tây
châu Âu.

•
Phạm vi mà hoạt động của con người tạo ra
chu kỳ toàn cầu của kim loại có thể được mô
tả bởi nhân tố làm giàu do con người (AEF –
anthropogenic enrichment factor). Người ta
nhìn thấy rõ là hoạt động của con người chịu
trách nhiệm phần lớn đối với sự di chuyển
của cadmium, chì, kẽm và thủy ngân nhưng
không quan trọng trong chu trình của
manganese. AEF rất cao đối với chì là do
việc sử dụng rộng rãi và sự phóng thích sau
đó của các chất phụ gia dựa trên chì từ xăng
dầu. Đối với phần lớn các đồng vị phóng xạ,
AEF là 100%.

Kim loại Nguồn do
con người

(A) (công
nghiệp…)
Nguồn tự
nhiên
(núi
lửa…)
Tổng
cộng
(T)
AEF
(A/T
%)
Cadmium (Cd)
Chì (Pb)
Kẽm (Zn)
Mangan (Mn)
Thủy ngân (Hg)
8
300
130
40
100
1
10
50
300
50
9
310
180

340
150
89
97
72
12
66
Các nhân tố làm giàu do con người (AEF) cho sự phát ra tổng cộng hàng
năm toàn cầu của cadimium, chì, kẽm, mangan và thủy ngân trong
những năm 1980 (tất cả các giá trị là 106 kg/năm)

•
Trong bảng tuần hoàn các nguyên tố
hóa học, các nhóm nguyên tố có tính
chất hóa học giống nhau thì nằm trong
cùng một cột. Hai cột đầu tiên chứa
các nguyên tố sẵn sàng mất một hay
hai electron lớp ngoài cùng để cho ra
cation hóa trị một (cột 1) hay cation
hóa trị 2 (cột 2). Trong số này là các
kim loại tìm thấy phổ biến ở nước mặt
và trong đất ở dạng ion ổn định, như
Na+, Mg2+ và Ca2+.


Bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố

Mười cột tiếp theo là các nguyên tố
chuyển tiếp và cũng được xem là phức
tạp hơn các nguyên tố kiềm và kiềm

thổ tạo nên hai nhóm đầu tiên. Di
chuyển từ trái sang phải dọc theo ba
loại nguyên tố chuyển tiếp đầu tiên, thì
nhân lớn hơn và electron lớp ngoài
cùng ít có khuynh hướng mất đi (để
hình thành cation) hơn là các nguyên
tố ở cột 1 và 2.

Kết quả là chúng có khuynh hướng
chia sẻ electron với các nguyên tố
khác, dẫn đến sự hình thành các
cầu nối đồng hóa trị và các ion
phức (như đồng, sắt, cobalt, hay
nickel). Một vài nguyên tử lớn hơn
có khuynh hướng giữ electron và
duy trì ở trạng thái cơ bản (như bạc
và vàng, được gọi là kim loại quý).

Các đặc trưng khác của sắt, đồng và các
nguyên tố chuyển tiếp cụ thể khác có
hóa trị thay đổi và tham gia vào các
phản ứng vận chuyển electron. Các
phản ứng vận chuyển electron liên
quan đến oxygen có thể dẫn đến sự
sản sinh các gốc oxy độc, một cơ chế
độc mà hiện nay được xem là quan
trọng ở cả động vật và thực vật: người
ta nhận ra rằng một vài gốc oxy, như
anion superoxide(·O
2

-
) và gốc hydroxyl
(·OH), có thể gây ra tổn thương tế bào
nghiêm trọng.

Ở các cột còn lại, khi di chuyển từ trái
sang phải, có khuynh hướng giảm hình
thành cation. Có sự tiến tới từ kim loại
sang á kim, các á kim có các đặc trưng
của cả kim loại và phi kim, cho đến khi
tiến tới phi kim (C, N, O, P, S, Cl, Br,…).
Cột cuối cùng là các khí trơ rất ổn định,
không có bất kỳ phản ứng hóa học
nào. Hai dãy hàng ngang bên dưới
bảng phân loại tuần hoàn chính chứa
các nguyên tố hiếm của nhóm
lanthanide và actinide, là các nguyên tố
có đặc trưng kim loại.

Khuynh hướng hình thành các cầu nối đồng
hóa trị bởi các á kim và bởi kim loại gần
nhau có thể tạo thành chất có độc tính
cao.
Đầu tiên, các nguyên tố này có khả năng liên
kết đồng hóa trị với các nhóm hữu cơ, dẫn
đến hình thành các hợp chất ưa lipid và
các ion. Một vài hợp chất này là độc cao,
như tetraalkyl chì, tributyl oxide thiếc,
muối thủy ngân methyl và các dạng methyl
hóa của arsenic. Do khả năng ưa lipid của

các hợp chất này, sự phân bố của chúng
trong thực vật và động vật và độc tính của
chúng thường khác nhau so với dạng ion
của cùng một nguyên tố.


Thứ hai, các nguyên tố này có thể
gây độc bằng cách gắn kết với các
thành phần vô cơ của các đại phân
tử, như sự gắn kết của đồng, thủy
ngân và arsenic với các nhóm
sulphydryl của protein.

•
Thuật ngữ kim loại nặng được sử dụng
rộng rãi trước đây để mô tả các kim
loại là các chất ô nhiễm môi trường.
Đối với một kim loại được xem là kim
loại nặng, thì nó phải có tỉ trọng tương
đối với nước lớn hơn 5. Tuy nhiên,
thuật ngữ kim loại nặng đã bị thay thế
bởi sự phân loại dựa trên tính chất hóa
học của chúng hơn là tỷ trọng tương
đối. Điều này thì hợp lý hơn do có một
vài kim loại không nặng nhưng có thể
là chất ô nhiễm môi trường quan trọng.

Chẳng hạn, nhôm là một kim loại có tỷ
trọng tương đối chỉ có 1,5. Tuy nhiên,
nó là chất ô nhiễm cực kỳ quan trọng ở

các hồ bị acid hóa, nơi nó bị hòa tan và
gây độc đối với hệ động vật. Mang cá
nhạy cảm với sự nhiễm độc nhôm.
Nhôm cũng được chứng minh là tác
nhân trong trường hợp bệnh Alzheimer
ở người vì nhôm có lẽ bị lắng đọng lại
trong não.

•
Các kim loại không thể phân hủy sinh
học được. Không giống một vài thuốc
diệt côn trùng hữu cơ, kim loại không
thể bị phá vỡ thành các thành phần
không gây hại được. Sự giải độc bởi
các sinh vật bao gồm việc che giấu các
ion kim loại hoạt động trong một
protein như metallothionein (gắn đồng
hóa trị với sulfur) hay giữ chúng ở
dạng không hòa tan trong các hạt nội
bào trong thời gian dài hay thải ra dưới
dạng phân.

Nhóm A Trung gian Nhóm B
Calcium
Magnesium
Manganese
Potassium
Strontium
Sodium
Kẽm

Chì
Sắt
Chromium
Cobalt
Nickel
Arsenic
Vanadium
Cadmium
Đồng
Thủy ngân
Bạc
Sự phân chia tầm quan trọng của một vài ion kim loại cần thiết và
không cần thiết như các chất ô nhiễm thành Nhóm A (kiếm
oxygen), Nhóm B (kiếm sulfur hay nitrogen) và các nguyên tố
trung gian dựa trên sơ đồ phân chia của Bieboer và Cichardson
(1980)

•
Tất cả các nguyên tố cần thiết đều có
nồng độ dinh dưỡng ở động vật, hay
nồng độ trong đất ở thực vật, nồng độ
này được duy trì để sinh vật tăng
trưởng và sinh sản bình thường.
Ngoài carbon, hydrogen, oxygen và
nitrogen, thì tất cả động vật cần bảy
nguyên tố khoáng chính là calcium,
phospho, kali, magne, natri, chlo và
sulfur để cân bằng ion và tham gia vào
cấu trúc của thành phần bên trong của
amino acid, nucleic acid.

Mười ba nguyên tố khác được gọi là
nguyên tố vết thì cần thiết tuyệt đối,
gồm sắt, iod, đồng, mangan, kẽm,
cobalt, molybden, selen, chrom,
nickel, vanadi, silicon và arsen.
Kẽm, chẳng hạn, là thành phần cần
thiết của ít nhất 150 enzyme; đồng
cần cho hoạt động bình thường của
cytochrome oxidase và sắt là thành
phần của haemoglobin, sắc tố
chuyên chở oxygen trong tế bào
máu.

Boron rất cần thiết cho thực vật. Một
vài nguyên tố khác, như lithium,
nhôm, fluor và thiếc, có thể cần
thiết ở mức siêu nồng độ. Selen,
trong một thời gian dài chỉ được
xem là chất độc nguy hiểm cho đến
khi khám phá ra vai trò của nó ở
enzyme glutathione peroxidase.

Mối quan hệ giữa hoạt động (P) (tăng trưởng, sự sinh sản, sự sống sót) và
nồng độ của nguyên tố cần thiết (Ce) và không cần thiết (Cne) trong phần
ăn của động vật. Các tác động thiếu hụt ở mức siêu vết (d) của nguyên tố
không cần thiết có lẽ được phát hiện thấy nhờ vào sự nhạy cảm của các
kỹ thuật phân tích mà đã được cải tiến.

•

Các nguyên tố không cần thiết như thủy
ngân hay cadmium, thì ngoài việc gây độc ở
hàm lượng cụ thể, còn có thể ảnh hưởng
đến sinh vật bằng cách cảm ứng tạo ra sự
thiếu hụt các nguyên tố cần thiết thông qua
cạnh tranh vị trí hoạt động ở phân tử quan
trọng về mặt sinh học. Một sự đối kháng như
vậy cũng xảy ra giữa các nguyên tố cần thiết.
Ở nồng độ 5 µg Mo (molybden) trên một
gram dinh dưỡng ở gia súc là đủ để làm
giảm sự hấp thu đồng đi 75%, điều này
thường dẫn tới 75%, là đủ để đưa đến các
hiện tượng thiếu hụt đồng.

Kim loại Hoạt động bình thường (sự
hydrat hóa của CO
2
)
Kẽm
Cobalt
Nickel
Cadmium
Manganese
Đồng
Thủy ngân
100
56
5
4
4

1
0.05
Mức độ hoạt động của carbonic anhydrase, được thể hiện liên
quan với kẽm, các kim loại khác được thay thế trong protein