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

Giới thiệu về Dioxin

Dioxin là một nhóm hợp chất hữu cơ clo hóa bao gồm các đồng phân và đồng loại có cấu trúc tương tự nhau, chủ yếu thuộc hai nhóm chính: polychlorinated dibenzo-p-dioxins (PCDDs) và polychlorinated dibenzofurans (PCDFs). Những hợp chất này không được sản xuất có chủ đích, mà thường là sản phẩm phụ phát sinh trong quá trình công nghiệp hoặc cháy không hoàn toàn của các vật liệu chứa clo.

Dioxin đặc biệt nguy hiểm do khả năng tồn lưu lâu dài trong môi trường, tích lũy sinh học trong cơ thể sống và tác động ở liều cực thấp. Độc tính của dioxin rất cao, chỉ vài phần nghìn tỷ gam cũng đủ gây ảnh hưởng sinh lý nghiêm trọng.

Chúng được xếp vào nhóm các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy (Persistent Organic Pollutants – POPs) theo Công ước Stockholm, cùng với các hợp chất như DDT và PCBs.

Cấu trúc hóa học và phân loại

Tất cả các dioxin đều có khung cấu trúc cơ bản gồm hai vòng benzen nối với nhau bằng hai nguyên tử oxy (PCDD) hoặc một nguyên tử oxy và một liên kết trực tiếp giữa hai vòng (PCDF). Các nguyên tử clo có thể gắn tại nhiều vị trí khác nhau trên khung cấu trúc này, tạo ra tổng cộng 210 đồng phân, trong đó:

• 75 đồng phân thuộc nhóm PCDD
• 135 đồng phân thuộc nhóm PCDF

Trong số này, chỉ khoảng 17 đồng phân có độc tính sinh học đáng kể, nổi bật nhất là 2,3,7,8-Tetrachlorodibenzo-p-dioxin (TCDD), được coi là chất độc hữu cơ mạnh nhất từng được biết đến.

Dưới đây là công thức hóa học của TCDD:

Tính chất cấu trúc ảnh hưởng trực tiếp đến độc tính, khả năng phân hủy và tương tác sinh học của dioxin. Những đồng phân có nguyên tử clo tại vị trí 2, 3, 7 và 8 thường có hoạt tính sinh học cao hơn, do khả năng gắn mạnh vào thụ thể AhR trong tế bào người và động vật.

Nguồn phát sinh dioxin

Dioxin không được tạo ra trong các quy trình sản xuất mục tiêu, mà hình thành ngẫu nhiên qua các quá trình oxy hóa, nhiệt phân hoặc phản ứng hóa học giữa các hợp chất hữu cơ chứa clo. Một số nguồn phát sinh chính bao gồm:

• Đốt chất thải y tế, sinh hoạt, công nghiệp mà không kiểm soát nhiệt độ hoặc thiết bị xử lý khí thải
• Sản xuất hóa chất clo hóa như thuốc trừ sâu (phenoxyacetic acid herbicides), nhựa PVC
• Tẩy trắng giấy bằng clo nguyên chất trong ngành công nghiệp giấy
• Nấu luyện kim loại màu, đặc biệt là đồng và nhôm

Bảng dưới đây minh họa một số nguồn phổ biến và mức độ phát thải tương đối:

Thông tin chi tiết về nguồn phát sinh dioxin được cập nhật đầy đủ tại U.S. Environmental Protection Agency – Dioxins.

Tính chất vật lý và hóa học

Dioxin là hợp chất không màu, không mùi, không bay hơi ở nhiệt độ thường nhưng có thể phát tán qua khói hoặc bụi mịn khi bị nung nóng. Chúng có điểm nóng chảy và nhiệt độ phân hủy cao, chỉ bị phá vỡ hoàn toàn ở nhiệt độ trên 800°C.

Đặc điểm nổi bật của dioxin là tính ưa béo (lipophilic), không tan trong nước nhưng tan mạnh trong dung môi hữu cơ và mỡ động vật. Điều này khiến chúng dễ tích lũy trong mô mỡ của sinh vật và con người, khó bị đào thải tự nhiên.

Một số tính chất vật lý điển hình của TCDD được trình bày như sau:

Chính vì tính ổn định và không phân hủy sinh học trong điều kiện tự nhiên, dioxin tồn tại lâu dài trong môi trường đất, nước và trầm tích, đặc biệt là ở các khu vực từng xảy ra ô nhiễm công nghiệp hoặc quân sự nghiêm trọng.

Cơ chế độc tính và ảnh hưởng sinh học

Dioxin thể hiện độc tính thông qua sự tương tác với thụ thể AhR (Aryl hydrocarbon Receptor), một loại protein nội bào điều hòa biểu hiện gen. Khi dioxin như TCDD xâm nhập vào cơ thể, chúng liên kết với AhR, sau đó phức hợp này di chuyển vào nhân tế bào, gắn vào DNA và thay đổi hoạt động phiên mã của nhiều gen liên quan đến tăng sinh tế bào, phản ứng miễn dịch và chuyển hóa độc chất.

Ảnh hưởng sinh học phụ thuộc vào liều lượng, thời gian tiếp xúc và giai đoạn phát triển của cơ thể. Thai nhi và trẻ sơ sinh là những đối tượng dễ tổn thương nhất. Tác động của dioxin được ghi nhận trên nhiều hệ cơ quan:

• Hệ miễn dịch: suy giảm đáp ứng miễn dịch, giảm số lượng bạch cầu
• Hệ sinh sản: giảm khả năng sinh sản, bất thường tinh trùng, thay đổi nội tiết tố
• Phát triển thai nhi: dị tật bẩm sinh, chậm phát triển trí tuệ
• Ung thư: tăng nguy cơ các loại ung thư như gan, phổi, tuyến tiền liệt

Theo NCBI, TCDD được phân loại là chất gây ung thư nhóm 1 (carcinogen) bởi Cơ quan Nghiên cứu Ung thư Quốc tế (IARC). Mức phơi nhiễm rất thấp cũng có thể gây biến đổi lâu dài trên mức biểu hiện gen và chức năng cơ thể.

Tác động môi trường và tích lũy sinh học

Dioxin không dễ phân hủy trong môi trường, đặc biệt là đất và trầm tích nước ngọt. Do đặc tính ưa béo, chúng xâm nhập và tích tụ trong mô mỡ của động vật thủy sinh và lan truyền qua chuỗi thức ăn. Hiện tượng này gọi là bioaccumulation (tích lũy sinh học) và biomagnification (khuếch đại sinh học).

Các loài sinh vật ở cấp độ dinh dưỡng cao như cá lớn, chim ăn thịt hoặc động vật có vú thường có nồng độ dioxin cao gấp hàng trăm đến hàng ngàn lần so với nồng độ trong môi trường nước hoặc đất ban đầu.

Bảng dưới đây minh họa mức độ tích tụ dioxin trong chuỗi thức ăn thủy sinh:

Sự tích lũy này dẫn đến nguy cơ ô nhiễm thực phẩm – một trong những con đường chính khiến con người phơi nhiễm dioxin kéo dài. Tổ chức Y tế Thế giới ước tính hơn 90% lượng dioxin trong cơ thể người đến từ thực phẩm có nguồn gốc động vật.

Dioxin trong thảm họa môi trường

Một ví dụ nổi bật về ô nhiễm dioxin quy mô lớn là việc sử dụng chất độc da cam (Agent Orange) trong chiến tranh Việt Nam. Hợp chất này chứa TCDD với nồng độ cao, được quân đội Mỹ rải trên hàng triệu ha rừng và đất canh tác. Tác động sinh học kéo dài đến nhiều thế hệ dân cư tại khu vực bị phun rải.

Hàng trăm nghìn người đã chịu ảnh hưởng trực tiếp, bao gồm dị tật bẩm sinh, ung thư, và rối loạn miễn dịch. Các khu vực tồn lưu dioxin sau chiến tranh, như sân bay Biên Hòa và sân bay Đà Nẵng, đã được ghi nhận có nồng độ TCDD trong đất vượt mức cho phép hàng nghìn lần.

Theo WHO, tác động của phơi nhiễm dioxin có thể kéo dài nhiều thập kỷ do thời gian bán rã trong cơ thể người dao động từ 7 đến 11 năm, và lâu hơn trong môi trường đất.

Tiêu chuẩn và quy định quốc tế

Để kiểm soát rủi ro sức khỏe cộng đồng, nhiều quốc gia và tổ chức đã đặt ra giới hạn tối đa cho phơi nhiễm dioxin trong thực phẩm, nước và không khí. Các giá trị này thường tính theo đơn vị TEQ (Toxic Equivalents) dựa trên độ độc tương đối của từng đồng phân so với TCDD.

Một số tiêu chuẩn quốc tế quan trọng:

• EU: giới hạn tối đa trong thực phẩm từ 1–3 pg WHO-TEQ/g lipid (cá, thịt, sữa)
• EPA (Mỹ): ngưỡng phơi nhiễm trung bình chấp nhận được là 0.7 pg/kg thể trọng/ngày
• Codex Alimentarius: khuyến nghị chung cho giám sát dioxin trong thực phẩm

Để biết thêm thông tin, có thể tham khảo tại EFSA – European Food Safety Authority.

Phương pháp phân tích và xử lý

Việc phân tích dioxin đòi hỏi thiết bị hiện đại và phòng thí nghiệm chuyên dụng. Phương pháp chuẩn mực hiện nay là sắc ký khí khối phổ độ phân giải cao (HRGC/HRMS), có khả năng định lượng chính xác ở mức picogram.

Một số phương pháp khác đang được sử dụng hoặc phát triển:

1. Bioassay sử dụng tế bào chứa thụ thể AhR để phát hiện độc tính
2. Quang phổ UV kết hợp chiết dung môi
3. Kỹ thuật ELISA cải tiến

Xử lý môi trường nhiễm dioxin là thách thức lớn do tính bền vững của chất này. Các công nghệ chủ yếu gồm:

• Đốt nhiệt độ cao (> 1000°C)
• Oxy hóa nâng cao (Fenton, ozone hóa)
• Hấp phụ bằng than hoạt tính, đất sét biến tính
• Phân hủy sinh học bằng vi sinh vật (bioremediation)

Hướng nghiên cứu và kiểm soát tương lai

Các nghiên cứu hiện nay tập trung vào cơ chế ảnh hưởng của dioxin ở cấp độ phân tử, đặc biệt là biểu hiện gen và sự biến đổi biểu sinh do phơi nhiễm liều thấp kéo dài. Ngoài ra, việc cải tiến công nghệ xử lý đất ô nhiễm và giám sát phơi nhiễm trong dân số cũng là ưu tiên toàn cầu.

Về mặt chính sách, Công ước Stockholm yêu cầu các quốc gia loại bỏ và giảm thiểu phát thải dioxin trong tất cả các lĩnh vực sản xuất và sinh hoạt. Các quốc gia đang phát triển như Việt Nam cũng đang hợp tác với các tổ chức quốc tế để làm sạch các điểm nóng tồn dư chiến tranh.

Thông tin chi tiết tại UNEP – Persistent Organic Pollutants.

Tài liệu tham khảo

1. U.S. Environmental Protection Agency. Dioxins. https://www.epa.gov/dioxin
2. World Health Organization. Dioxins and their effects on human health. https://www.who.int
3. European Food Safety Authority. Dioxins. https://www.efsa.europa.eu
4. United Nations Environment Programme. Persistent Organic Pollutants. https://www.unep.org
5. National Center for Biotechnology Information. Dioxin Toxicity. https://www.ncbi.nlm.nih.gov