Arsen vô cơ là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa arsen vô cơ

Arsen vô cơ (inorganic arsenic) là các hợp chất hóa học của nguyên tố arsen (As) không chứa liên kết arsen-carbon, thường tồn tại dưới dạng muối hoặc oxit. Hai dạng phổ biến nhất của arsen vô cơ trong tự nhiên và công nghiệp là arsenit ($\text{As}^{3+}$) và arsenat ($\text{As}^{5+}$). Khác với arsen hữu cơ vốn có nguồn gốc sinh học và ít độc, arsen vô cơ là dạng có độc tính cao, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người khi tiếp xúc qua nước uống, thực phẩm hoặc không khí.

Theo phân loại của Cơ quan Nghiên cứu Ung thư Quốc tế (IARC), arsen vô cơ được xếp vào Nhóm 1 – các chất có bằng chứng rõ ràng gây ung thư ở người. Việc hấp thụ arsen vô cơ kéo dài, dù ở nồng độ thấp, có thể dẫn đến các bệnh mãn tính, ung thư, rối loạn da và tổn thương các cơ quan nội tạng. Arsen vô cơ đặc biệt nguy hiểm khi không thể cảm nhận được bằng vị giác, khứu giác hay màu sắc, khiến người dân ở nhiều khu vực ô nhiễm khó phát hiện nguy cơ.

Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đã đặt giới hạn tối đa cho hàm lượng arsen trong nước uống là 10 microgam trên lít (10 µg/L), nhằm giảm nguy cơ phơi nhiễm mãn tính. Tuy nhiên, ở nhiều khu vực trên thế giới như Nam Á, Đông Nam Á, và châu Phi, nồng độ arsen trong nước ngầm thường vượt xa ngưỡng an toàn này, trở thành mối đe dọa sức khỏe cộng đồng quy mô lớn.

Các dạng tồn tại và đặc điểm hóa học

Arsen vô cơ chủ yếu tồn tại ở hai trạng thái oxi hóa chính: arsenit ($\text{As}^{3+}$) và arsenat ($\text{As}^{5+}$). Trong môi trường tự nhiên, sự phân bố của hai dạng này phụ thuộc vào điều kiện oxy hóa–khử, pH và thành phần địa hóa của đất hoặc nước. Arsenit là dạng khử, thường xuất hiện trong điều kiện yếm khí (thiếu oxy), còn arsenat là dạng oxi hóa, phổ biến trong môi trường hiếu khí.

Cả arsenit và arsenat đều dễ hòa tan trong nước, tạo thành các ion hoặc hợp chất dễ hấp thu qua đường tiêu hóa. Arsenit có ái lực cao với nhóm sulfhydryl (-SH) trong protein, làm bất hoạt enzym và rối loạn quá trình trao đổi chất của tế bào. Arsenat có thể cạnh tranh với phosphate trong chu trình năng lượng tế bào, gây rối loạn chuyển hóa ATP. Điều này làm cho cả hai dạng đều cực kỳ độc hại dù ở hàm lượng rất thấp.

Bảng sau minh họa một số đặc tính so sánh giữa arsenit và arsenat:

Đặc tính	Arsenit (As³⁺)	Arsenat (As⁵⁺)
Trạng thái oxi hóa	+3	+5
Độc tính	Rất cao	Cao
Điều kiện tồn tại	Yếm khí	Hiếu khí
Khả năng xâm nhập tế bào	Cao	Thấp hơn
Ảnh hưởng sinh hóa	Ức chế enzym chứa thiol	Gây rối loạn chuyển hóa phosphate

Nguồn phát sinh arsen vô cơ trong môi trường

Arsen vô cơ có thể được giải phóng vào môi trường từ cả nguồn tự nhiên lẫn hoạt động con người. Nguồn tự nhiên bao gồm quá trình phong hóa đá chứa khoáng arsen như arsenopyrit, realgar, orpiment, đặc biệt phổ biến ở các khu vực có thành phần địa chất chứa lưu huỳnh và sắt. Khi nước ngầm tiếp xúc với các đá này trong thời gian dài, arsen có thể được giải phóng vào mạch nước.

Các nguồn nhân tạo quan trọng bao gồm hoạt động khai thác khoáng sản, luyện kim, sử dụng thuốc bảo vệ thực vật, thuốc diệt cỏ có chứa arsen (ví dụ: arsenat chì, cacbonat đồng arsenic), và đốt nhiên liệu hóa thạch như than đá. Một số ngành công nghiệp như sản xuất thủy tinh, chất bán dẫn, xử lý gỗ bằng hóa chất chống mục cũng có thể phát tán arsen vào môi trường.

Danh sách các nguồn phát thải arsen vô cơ:

• Phong hóa khoáng vật tự nhiên (arsenopyrit, scorodit)
• Khai thác và luyện kim (đặc biệt khai thác vàng và đồng)
• Đốt than chứa arsen
• Sản xuất và sử dụng thuốc trừ sâu, chất bảo quản gỗ
• Chất thải công nghiệp chưa qua xử lý

Theo WHO, hàng chục triệu người trên toàn cầu đang sử dụng nước ngầm có hàm lượng arsen vượt ngưỡng cho phép. Các quốc gia như Bangladesh, Ấn Độ, Nepal và Việt Nam là những điểm nóng về ô nhiễm arsen, chủ yếu do sử dụng giếng khoan nông trong các vùng trầm tích giàu arsen.

Cơ chế độc tính của arsen vô cơ

Arsen vô cơ gây độc thông qua nhiều cơ chế sinh học, trong đó quan trọng nhất là ức chế enzym, phá hủy DNA và tăng stress oxy hóa trong tế bào. Arsenit có khả năng liên kết mạnh với nhóm sulfhydryl trong protein, làm mất hoạt tính enzym liên quan đến hô hấp tế bào, chuyển hóa năng lượng và bảo vệ chống oxy hóa. Điều này làm rối loạn cân bằng nội môi và tổn thương các mô nhạy cảm.

Arsenat thường xâm nhập tế bào qua các kênh vận chuyển phosphate và thay thế vị trí của phosphate trong phản ứng phosphoryl hóa. Sự thay thế này dẫn đến hình thành các chất chuyển hóa không bền, phá vỡ chuỗi chuyển hóa năng lượng như glycolysis và hô hấp hiếu khí. Đồng thời, arsen vô cơ còn làm gia tăng sản sinh các gốc tự do (ROS), gây oxy hóa lipid, protein và DNA.

Tổng hợp các cơ chế gây độc:

• Ức chế enzym thiol (glutathione reductase, pyruvate dehydrogenase)
• Phá hủy ty thể và ức chế tổng hợp ATP
• Gây tổn thương nhiễm sắc thể, đột biến gen
• Rối loạn biểu hiện gen điều hòa chu kỳ tế bào
• Tăng viêm và suy giảm chức năng miễn dịch

Các tác động này tích lũy theo thời gian và góp phần làm tăng nguy cơ mắc các bệnh mạn tính, đặc biệt là ung thư, tiểu đường, tim mạch và bệnh thần kinh.

Ảnh hưởng sức khỏe do phơi nhiễm arsen vô cơ

Phơi nhiễm arsen vô cơ có thể xảy ra thông qua việc uống nước bị ô nhiễm, tiêu thụ thực phẩm trồng trên đất hoặc tưới bằng nước chứa arsen, và hít phải bụi hoặc khí trong môi trường công nghiệp. Arsen dễ dàng hấp thụ qua đường tiêu hóa, sau đó phân bố trong gan, thận, da và mô thần kinh. Cơ thể con người không thể chuyển hóa hoàn toàn arsen vô cơ, dẫn đến sự tích lũy lâu dài trong các mô, gây ra nhiều biến chứng nghiêm trọng.

Tác hại sức khỏe của arsen vô cơ thường được chia thành hai nhóm: cấp tính và mãn tính. Ngộ độc cấp tính xảy ra khi hấp thụ lượng lớn arsen trong thời gian ngắn, gây ra các triệu chứng như nôn mửa, đau bụng dữ dội, tiêu chảy, co giật và trong trường hợp nặng có thể dẫn đến tử vong do suy đa cơ quan. Ngộ độc mãn tính xảy ra khi tiếp xúc arsen trong thời gian dài, với biểu hiện tiến triển chậm và ảnh hưởng đến nhiều hệ cơ quan cùng lúc.

Các biểu hiện mãn tính phổ biến của phơi nhiễm arsen vô cơ:

• Rối loạn sắc tố da (đốm nâu, vùng mất sắc tố không đều)
• Sừng hóa gan bàn tay và bàn chân (hyperkeratosis)
• Rối loạn tiêu hóa và giảm hấp thu dưỡng chất
• Tổn thương gan, thận và hệ thần kinh ngoại biên
• Tăng nguy cơ ung thư da, phổi, gan và bàng quang

WHO khẳng định rằng phơi nhiễm arsen vô cơ kéo dài là một trong những nguyên nhân chính gây ung thư do yếu tố môi trường. Ngoài ra, các nghiên cứu dịch tễ học đã chỉ ra mối liên hệ giữa arsen và các bệnh tim mạch, tăng huyết áp, tiểu đường type 2 và suy giảm nhận thức ở trẻ nhỏ (WHO – Arsenic Fact Sheet).

Phân biệt arsen vô cơ và arsen hữu cơ

Arsen tồn tại trong môi trường dưới hai nhóm chính: vô cơ và hữu cơ. Arsen hữu cơ (organic arsenic) có mặt tự nhiên trong sinh vật biển như tôm, cá, rong biển và chủ yếu ở dạng arsenobetaine hoặc arsenosugar. Các dạng này có độc tính thấp, nhanh chóng được bài tiết ra khỏi cơ thể và không tích lũy trong mô. Ngược lại, arsen vô cơ có độc tính cao, tích tụ lâu dài và gây tổn thương tế bào không hồi phục.

Bảng dưới đây thể hiện sự khác biệt cơ bản giữa hai nhóm arsen:

Tiêu chí	Arsen vô cơ	Arsen hữu cơ
Cấu trúc hóa học	Không có liên kết arsen-carbon	Có liên kết arsen-carbon
Nguồn phát sinh	Khoáng chất, nước ngầm, công nghiệp	Sinh vật biển, hợp chất sinh học
Độc tính	Cao, gây ung thư	Thấp, gần như không độc
Khả năng tích lũy	Cao, tích tụ trong mô cơ thể	Thấp, nhanh chóng đào thải

Sự phân biệt giữa hai dạng arsen này rất quan trọng trong công tác đánh giá rủi ro môi trường và kiểm nghiệm thực phẩm. Việc đo tổng lượng arsen mà không xác định dạng hóa học có thể dẫn đến kết luận sai lệch về nguy cơ độc tính, đặc biệt trong phân tích hải sản hoặc nước ngầm.

Phương pháp phát hiện và đo lường arsen vô cơ

Việc xác định chính xác nồng độ arsen vô cơ trong mẫu môi trường hoặc sinh học là bước thiết yếu trong quản lý rủi ro và bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Các phương pháp hiện đại có độ nhạy cao được sử dụng phổ biến trong các phòng thí nghiệm môi trường và y tế.

Các kỹ thuật phân tích chính:

• ICP-MS (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry): kỹ thuật phổ khối plasma cảm ứng, có thể phát hiện arsen ở mức ppb (parts per billion).
• HG-AAS (Hydride Generation Atomic Absorption Spectroscopy): dùng để đo arsen thông qua tạo hydride bay hơi.
• HPLC-ICP-MS: kết hợp sắc ký lỏng hiệu năng cao với ICP-MS để tách và định lượng từng dạng arsen riêng biệt.

Ngoài ra, các bộ test nhanh dựa trên phản ứng màu cũng được sử dụng ở quy mô cộng đồng nhằm xác định arsen trong nước giếng. Tuy nhiên, độ chính xác của phương pháp này còn phụ thuộc vào điều kiện thử nghiệm và thường chỉ mang tính định tính. Các cơ sở y tế khuyến nghị nên gửi mẫu đến phòng thí nghiệm đạt chuẩn để xác định chính xác nồng độ arsen và dạng hóa học tương ứng.

Biện pháp xử lý và phòng ngừa phơi nhiễm arsen

Để giảm nguy cơ phơi nhiễm arsen vô cơ, cần triển khai đồng bộ các giải pháp kỹ thuật và chính sách cộng đồng. Việc xử lý nguồn nước ô nhiễm là ưu tiên hàng đầu, đặc biệt tại các khu vực có nồng độ arsen cao trong nước ngầm.

Các phương pháp xử lý nước phổ biến:

• Hấp phụ bằng vật liệu chứa sắt, nhôm hoặc than hoạt tính
• Trao đổi ion (anion exchange)
• Thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis – RO)
• Kết tủa hóa học bằng phèn sắt hoặc phèn nhôm

Ngoài các công nghệ trên, nhiều nghiên cứu gần đây đã phát triển vật liệu hấp phụ sinh học như biochar, nanocomposite oxit sắt, và vật liệu graphen chức năng hóa nhằm tăng hiệu quả loại bỏ arsen. Ở cấp độ cộng đồng, các biện pháp phi kỹ thuật như tuyên truyền giáo dục, kiểm tra định kỳ nước giếng và khuyến khích sử dụng nước máy đã qua xử lý đóng vai trò quan trọng trong phòng ngừa lâu dài.

Chính sách và khuyến nghị quốc tế

Các tổ chức y tế và môi trường quốc tế đã ban hành nhiều quy định nhằm kiểm soát arsen vô cơ trong nước uống và thực phẩm. Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) quy định giới hạn tối đa là 10 µg/L arsen trong nước uống, trong khi Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA) và Liên minh châu Âu (EU) áp dụng tiêu chuẩn tương tự. Các tiêu chuẩn này được xem là ngưỡng an toàn nhằm bảo vệ sức khỏe cộng đồng khỏi nguy cơ phơi nhiễm lâu dài.

Các chương trình quốc tế tiêu biểu:

• WHO Arsenic Programme – hỗ trợ quốc gia xây dựng chiến lược giảm ô nhiễm arsen.
• EPA Drinking Water Rules – quy định và giám sát arsen trong hệ thống cấp nước Hoa Kỳ.
• Các chương trình hợp tác quốc tế về “Safe Water for All” của UNICEF và UNEP hỗ trợ cộng đồng ở các khu vực có nguy cơ cao.

Việc thực thi các chính sách này cần được đi kèm với giám sát định kỳ, nghiên cứu địa chất thủy văn và tăng cường năng lực phân tích tại địa phương. Chỉ khi có sự phối hợp giữa cơ quan y tế, khoa học và cộng đồng, vấn đề ô nhiễm arsen mới được kiểm soát hiệu quả trong dài hạn.

Tài liệu tham khảo

1. Smith, A. H., Lingas, E. O., & Rahman, M. (2000). Contamination of drinking-water by arsenic in Bangladesh: a public health emergency. Bulletin of the WHO, 78(9), 1093-1103.
2. Abernathy, C. O., Thomas, D. J., & Calderon, R. L. (2003). Health effects and risk assessment of arsenic. Journal of Nutrition, 133(5), 1536S-1538S.
3. https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/arsenic
4. https://www.epa.gov/dwreginfo/chemical-contaminant-rules
5. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/12426185/