Atrazine là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa và đặc điểm hóa học của Atrazine

Atrazine là một hợp chất hóa học thuộc nhóm triazine, được sử dụng rộng rãi như thuốc diệt cỏ chọn lọc, chủ yếu trên các loại cây trồng như ngô, kê, mía và lúa miến. Đây là một chất diệt cỏ tiền nảy mầm và hậu nảy mầm có khả năng kiểm soát cỏ dại lá rộng và cỏ một lá mầm hằng niên. Công thức phân tử của Atrazine là C₈H₁₄ClN₅ và tên hóa học đầy đủ là 6-chloro-N-ethyl-N'-(1-methylethyl)-1,3,5-triazine-2,4-diamine.

Atrazine tồn tại ở dạng tinh thể không màu hoặc trắng, có điểm nóng chảy khoảng 173°C và khối lượng phân tử là 215,68 g/mol. Nó không tan nhiều trong nước (tính hòa tan khoảng 33 mg/L ở 20°C) nhưng dễ tan trong các dung môi hữu cơ như acetonitrile và methanol. Vì có độ bền hóa học cao và khả năng liên kết thấp với đất, Atrazine có xu hướng tồn lưu trong môi trường và di chuyển vào nguồn nước ngầm.

Công thức hóa học có thể biểu diễn như sau:
$\text{C}_8\text{H}_{14}\text{ClN}_5$

Lịch sử phát triển và sử dụng

Atrazine được phát triển vào cuối thập niên 1950 bởi công ty Geigy (tiền thân của Syngenta). Nó nhanh chóng trở thành một trong những hợp chất diệt cỏ phổ biến nhất toàn cầu nhờ hiệu quả cao và chi phí thấp. Tại Hoa Kỳ, Atrazine là một trong ba loại thuốc diệt cỏ được sử dụng nhiều nhất, đặc biệt trong sản xuất ngô công nghiệp. Theo dữ liệu từ Cơ quan Bảo vệ Môi trường Mỹ (EPA), hơn 30 triệu mẫu đất được xử lý Atrazine hàng năm.

Dưới đây là bảng tóm tắt về lịch sử sử dụng Atrazine theo từng giai đoạn:

Năm	Sự kiện chính
1958	Atrazine được thương mại hóa lần đầu tại châu Âu
1961	Được chấp thuận sử dụng rộng rãi tại Hoa Kỳ
1991–2004	Bị cấm hoặc hạn chế ở nhiều nước châu Âu vì lo ngại về nước ngầm
Hiện nay	Tiếp tục được sử dụng tại Mỹ, bị cấm tại EU, đang bị giám sát chặt chẽ

Hiện tại, một số quốc gia như Pháp, Đức, Thụy Sĩ và Ý đã ban hành lệnh cấm sử dụng Atrazine do ảnh hưởng tiềm tàng đến nguồn nước ngầm. Trong khi đó, tại Mỹ, Atrazine vẫn được phép sử dụng nhưng chịu sự kiểm soát nghiêm ngặt, bao gồm giới hạn nồng độ trong nước uống không vượt quá 3 ppb theo tiêu chuẩn của EPA.

Cơ chế tác động sinh học

Atrazine hoạt động bằng cách ức chế quá trình quang hợp ở thực vật. Nó liên kết với protein D1 tại trung tâm phản ứng của hệ quang hợp II trong lục lạp, ngăn chặn sự truyền điện tử từ plastoquinone QA sang QB. Khi dòng điện tử bị chặn lại, chuỗi phản ứng quang hợp bị gián đoạn, làm cho cây không thể tổng hợp ATP và NADPH – hai hợp chất quan trọng trong chuyển hóa năng lượng và sinh trưởng.

Phương trình cơ chế cơ bản có thể biểu diễn như sau:
$\text{Atrazine} + \text{Photosystem II} \rightarrow \text{Inhibition of electron transport}$

Sự ức chế kéo dài dẫn đến tích tụ năng lượng ánh sáng không sử dụng được, gây tổn thương oxy hóa cho mô thực vật và làm chết tế bào. Atrazine có hiệu quả cao đối với các loài cỏ dại lá rộng và một số cỏ một lá mầm, đặc biệt khi áp dụng trước khi cỏ nảy mầm hoặc ở giai đoạn cây non chưa phát triển hệ thống rễ hoàn chỉnh.

Ứng dụng trong nông nghiệp

Atrazine là một trong những hoạt chất được sử dụng phổ biến nhất trong hệ thống canh tác ngô, kê, mía và cây trồng hàng năm. Tùy vào loại cây trồng và giai đoạn phát triển, Atrazine có thể được sử dụng đơn lẻ hoặc phối hợp với các hoạt chất khác như simazine, metolachlor, hoặc mesotrione để tăng hiệu quả kiểm soát cỏ dại và giảm nguy cơ kháng thuốc.

Các hình thức sử dụng chính của Atrazine:

• Phun tiền nảy mầm: áp dụng sau khi gieo hạt nhưng trước khi cây mọc
• Phun hậu nảy mầm: áp dụng khi cây trồng đã mọc và cỏ dại đã xuất hiện
• Phối hợp với thuốc trừ cỏ khác để kiểm soát phổ cỏ rộng hơn

Một số sản phẩm thương mại chứa Atrazine có thể kể đến như:

• AAtrex – dạng đơn chất, phổ biến tại Bắc Mỹ
• Bicep II Magnum – hỗn hợp Atrazine và S-metolachlor
• Lumax EZ – kết hợp Atrazine, mesotrione và S-metolachlor

Việc sử dụng Atrazine cần tuân thủ chặt chẽ các hướng dẫn kỹ thuật, bao gồm liều lượng, thời điểm phun và khoảng cách an toàn với nguồn nước. Do tính chất dễ rửa trôi, Atrazine không nên sử dụng gần suối, hồ hoặc trong điều kiện đất cát, nơi nguy cơ thấm xuống mạch nước ngầm cao.

Hành vi môi trường và tồn lưu

Atrazine là hợp chất có khả năng tồn lưu cao trong môi trường nhờ đặc tính hóa học ổn định và độ hấp phụ đất thấp. Sau khi được phun lên đồng ruộng, Atrazine có thể phân hủy chậm bởi vi sinh vật trong đất, nhưng quá trình này chịu ảnh hưởng lớn bởi điều kiện pH, nhiệt độ, và độ ẩm.

Ở những vùng đất cát hoặc đất có độ hữu cơ thấp, Atrazine dễ dàng bị rửa trôi xuống tầng nước ngầm. Đây là lý do chính khiến Atrazine bị phát hiện thường xuyên trong nguồn nước mặt và nước ngầm tại Mỹ, đặc biệt ở các bang trồng ngô quy mô lớn như Iowa, Illinois và Nebraska. Theo báo cáo từ EPA, hơn 40% mẫu nước ngầm ở vùng nông nghiệp có chứa dư lượng Atrazine.

Các yếu tố chính ảnh hưởng đến tồn lưu và di động của Atrazine:

• pH đất: pH trung tính đến kiềm làm giảm tốc độ phân hủy
• Lượng mưa: càng cao thì nguy cơ rửa trôi càng lớn
• Hoạt động vi sinh vật: phân hủy Atrazine thông qua enzym như atrazine chlorohydrolase

Thời gian bán hủy (half-life) trung bình của Atrazine trong đất là 60–100 ngày, nhưng trong điều kiện yếm khí hoặc lạnh, con số này có thể vượt 200 ngày. Điều này đặt ra thách thức lớn về xử lý tồn dư và ô nhiễm lâu dài.

Ảnh hưởng đến sức khỏe con người

Nhiều nghiên cứu dịch tễ và thực nghiệm đã chỉ ra mối liên hệ giữa phơi nhiễm Atrazine và rối loạn nội tiết. Atrazine được cho là có khả năng can thiệp vào hệ thống hormone bằng cách tăng hoạt động của enzyme aromatase – enzyme chuyển testosterone thành estrogen – dẫn đến mất cân bằng nội tiết tố giới tính ở cả nam và nữ.

Thí nghiệm trên động vật cho thấy tiếp xúc kéo dài với Atrazine có thể:

• Giảm số lượng tinh trùng
• Tăng tỷ lệ bất thường ở cơ quan sinh dục
• Làm thay đổi hành vi tình dục và phát triển não bộ

Một nghiên cứu nổi bật của Hayes et al. (PNAS, 2010) trên loài ếch Xenopus laevis cho thấy chỉ với nồng độ Atrazine 0,1 ppb, cá thể đực có thể bị “thiến hóa học” và phát triển đặc điểm sinh dục cái. Mặc dù mối liên hệ với ung thư ở người vẫn đang được tranh luận, các tổ chức như EWG và NIEHS đã liệt kê Atrazine là chất cần giám sát do nghi ngờ gây rối loạn hormone và tiềm năng gây ung thư.

Tác động sinh thái và hệ sinh vật

Atrazine không chỉ ảnh hưởng đến thực vật không mục tiêu mà còn đe dọa nghiêm trọng hệ sinh thái nước ngọt. Khi bị rửa trôi vào suối, ao hồ, Atrazine có thể làm giảm mật độ tảo lục và tảo lam – nguồn thức ăn chính của động vật phù du. Điều này kéo theo chuỗi ảnh hưởng tới sinh vật cấp cao hơn như cá và chim nước.

Ảnh hưởng sinh thái của Atrazine được ghi nhận ở nhiều mức độ:

• Làm giảm khả năng sinh sản và tăng trưởng của ếch, cá
• Làm thay đổi tỷ lệ giới tính ở lưỡng cư
• Gây chết tế bào thực vật phù du làm mất cân bằng oxy trong nước

Một số nghiên cứu tại Mỹ đã ghi nhận Atrazine ở nồng độ thấp hơn 1 ppb vẫn có thể gây tác động đáng kể đến hệ sinh vật nước ngọt. Sự hiện diện liên tục và không đồng đều trong môi trường tự nhiên khiến Atrazine trở thành một trong những hợp chất cần giám sát đặc biệt theo tiêu chuẩn Clean Water Act.

Chính sách và quy định toàn cầu

Tại Mỹ, Atrazine được phép sử dụng nhưng phải tuân thủ nghiêm ngặt theo các hướng dẫn của EPA, bao gồm giới hạn dư lượng tối đa trong nước uống là 3 µg/L (3 ppb). Nông dân và người sử dụng cần tuân theo các vùng đệm an toàn, thời gian cách ly và yêu cầu giám sát khi sử dụng gần nguồn nước.

Tại Liên minh châu Âu, Atrazine đã bị cấm hoàn toàn từ năm 2004 sau khi không đáp ứng được yêu cầu về ngưỡng an toàn trong nước ngầm (EFSA). Canada, Na Uy và Thụy Sĩ cũng đã áp dụng các lệnh cấm tương tự. Trong khi đó, các nước đang phát triển vẫn sử dụng Atrazine rộng rãi do chi phí thấp và hiệu quả kinh tế cao.

Bảng so sánh chính sách sử dụng Atrazine tại một số khu vực:

Khu vực	Trạng thái pháp lý	Giới hạn trong nước uống
Hoa Kỳ	Được phép sử dụng có kiểm soát	3 ppb
Liên minh Châu Âu	Bị cấm từ 2004	0.1 ppb (ngưỡng chung cho thuốc BVTV)
Canada	Bị cấm hoặc giới hạn nghiêm ngặt	5 ppb

Các phương pháp thay thế và quản lý bền vững

Trước những lo ngại về môi trường và sức khỏe, nhiều hướng đi thay thế Atrazine đã được phát triển. Một số hoạt chất mới có độc tính thấp hơn nhưng vẫn hiệu quả trong kiểm soát cỏ dại như mesotrione, glufosinate, hoặc các sản phẩm sinh học từ nấm và vi khuẩn.

Các biện pháp canh tác nông nghiệp bền vững như:

• Luân canh cây trồng để phá vỡ chu kỳ phát triển cỏ
• Che phủ đất bằng vật liệu hữu cơ hoặc màng phủ
• Ứng dụng hệ thống phun chính xác bằng GPS để giảm dư lượng

cũng đang được khuyến khích trong quản lý cỏ dại thay vì phụ thuộc vào thuốc hóa học.

Một số chủng vi khuẩn như Pseudomonas sp. và Agrobacterium radiobacter đã được chứng minh có khả năng phân hủy Atrazine thông qua enzym atrazine chlorohydrolase và hydroxyatrazine ethylaminohydrolase, mở ra tiềm năng ứng dụng trong xử lý ô nhiễm bằng công nghệ sinh học môi trường.

Tài liệu tham khảo

1. Giddings, J. M., et al. (2005). Atrazine in North American surface waters: a probabilistic risk assessment. Environmental Toxicology and Chemistry, 24(5), 1248–1257. doi: 10.1897/04-243R.1
2. Hayes, T. B., et al. (2010). Atrazine induces complete feminization and chemical castration in male African clawed frogs. PNAS, 107(10), 4612–4617. doi: 10.1073/pnas.0909519107
3. U.S. Environmental Protection Agency (EPA). Atrazine Overview. https://www.epa.gov/ingredients-used-pesticide-products/atrazine
4. Environmental Working Group (EWG). Atrazine in Drinking Water. https://www.ewg.org/tapwater/contaminant.php?contamcode=2050
5. National Institute of Environmental Health Sciences (NIEHS). Atrazine Fact Sheet. https://www.niehs.nih.gov/health/topics/agents/atrazine/
6. European Food Safety Authority (EFSA). Pesticide Residues in Food. https://www.efsa.europa.eu/en/topics/topic/pesticides