Phenanthrene là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa và cấu trúc hóa học của Phenanthrene

Phenanthrene là một hợp chất hydrocarbon thơm đa vòng (PAH – polycyclic aromatic hydrocarbon) gồm ba vòng benzen ngưng tụ không tuyến tính, tạo thành cấu trúc phân tử có dạng uốn cong đặc trưng. Đây là một chất hữu cơ không phân cực, được tìm thấy tự nhiên trong than đá, dầu mỏ, và cũng có thể được tổng hợp nhân tạo trong các phản ứng hóa học công nghiệp.

Công thức phân tử của Phenanthrene là C₁₄H₁₀. Trong đó, 14 nguyên tử carbon được sắp xếp thành ba vòng thơm gắn liền nhau, và 10 nguyên tử hydro phân bố xung quanh chuỗi vòng này. Mặc dù là đồng phân với anthracene – một PAH khác có ba vòng benzen – nhưng Phenanthrene khác biệt về cấu trúc không gian và tính chất vật lý.

Cấu trúc hóa học có thể được mô tả bằng công thức phân tử sau:

$\text{C}_{14}\text{H}_{10}$

Do tính ổn định từ liên kết cộng hưởng trong hệ thống vòng thơm, Phenanthrene có độ bền hóa học cao. Tính chất này giúp nó tồn tại lâu trong môi trường, nhưng cũng khiến việc xử lý và phân hủy trở nên khó khăn hơn.

Phân loại trong nhóm hydrocarbon thơm đa vòng (PAHs)

Phenanthrene thuộc nhóm hydrocarbon thơm đa vòng có khối lượng phân tử thấp (LMW-PAHs). Các PAHs được chia thành hai nhóm chính dựa theo số lượng vòng thơm: PAHs trọng lượng thấp (2–3 vòng) và PAHs trọng lượng cao (4 vòng trở lên). Nhóm LMW-PAHs có đặc điểm dễ bay hơi hơn, tan tốt hơn trong dầu và dễ thâm nhập sinh vật sống hơn so với nhóm HMW-PAHs.

PAHs là sản phẩm phụ của quá trình đốt cháy không hoàn toàn chất hữu cơ như gỗ, than, xăng, dầu và chất thải sinh học. Phenanthrene thường được phát hiện cùng với các PAHs khác như naphthalene, anthracene và fluoranthene. Tại nhiều quốc gia, danh sách các PAHs ưu tiên giám sát đã được ban hành để phục vụ đánh giá nguy cơ ô nhiễm môi trường. Theo tài liệu từ EPA (Hoa Kỳ), Phenanthrene là một trong 16 PAHs được xác định là chất gây ô nhiễm ưu tiên.

Các PAHs có thể được phân loại theo bảng sau:

Nhóm	Số vòng thơm	Ví dụ
PAHs nhẹ (LMW)	2–3 vòng	Naphthalene, Phenanthrene, Anthracene
PAHs nặng (HMW)	4 vòng trở lên	Benzo[a]pyrene, Chrysene, Indeno[1,2,3-cd]pyrene

Việc phân loại này rất quan trọng trong đánh giá độc tính sinh học và khả năng di chuyển trong môi trường của từng PAH cụ thể.

Nguồn gốc phát sinh Phenanthrene trong môi trường

Phenanthrene phát sinh từ cả nguồn tự nhiên và nhân tạo. Trong tự nhiên, nó được giải phóng từ quá trình cháy rừng, hoạt động núi lửa, hoặc sự phân rã của vật chất hữu cơ dưới điều kiện yếm khí. Tuy nhiên, nguồn phát sinh chính hiện nay là do con người, chủ yếu từ các hoạt động công nghiệp và đô thị.

Các nguồn thải nhân tạo quan trọng nhất bao gồm:

• Khí thải từ động cơ đốt trong (ô tô, xe máy, tàu thủy)
• Khói từ việc đốt rác, gỗ, than đá
• Dầu tràn trong quá trình khai thác, vận chuyển và sử dụng dầu mỏ
• Các ngành công nghiệp luyện kim, nhựa đường, hóa dầu

Phenanthrene có thể thâm nhập vào môi trường đất, nước và không khí dưới dạng khí hoặc hấp phụ trên các hạt bụi mịn. Sự hiện diện phổ biến của nó trong môi trường đô thị là minh chứng rõ rệt cho tác động lan rộng từ các hoạt động đốt nhiên liệu hóa thạch. Khi được tích tụ trong trầm tích đáy ao hồ hoặc ven biển, Phenanthrene có thể tồn tại lâu dài và ảnh hưởng đến sinh vật thủy sinh.

Tính chất vật lý và hóa học

Phenanthrene là chất rắn kết tinh ở điều kiện thường, có màu trắng đến vàng nhạt, không mùi. Do đặc tính không phân cực, nó không tan trong nước nhưng tan dễ dàng trong các dung môi hữu cơ như toluene, benzen, ether và chloroform. Đây là một trong những PAHs có điểm sôi cao, cho thấy khả năng tồn tại bền vững trong điều kiện nhiệt độ môi trường.

Dưới đây là bảng tóm tắt một số tính chất lý hóa học đặc trưng của Phenanthrene:

Tính chất	Giá trị
Khối lượng phân tử	178.23 g/mol
Điểm nóng chảy	99–100 °C
Điểm sôi	340 °C
Áp suất hơi	1.2 × 10-3 Pa tại 25 °C
Độ tan trong nước	< 1 mg/L tại 25 °C
Hệ số log Kow	4.57

Với hệ số log K_ow cao, Phenanthrene có xu hướng tích lũy trong sinh vật hơn là phân bố trong nước. Điều này làm tăng nguy cơ tích tụ sinh học trong chuỗi thức ăn và dẫn đến các tác động độc hại về lâu dài. Ngoài ra, tính chất ổn định về mặt hóa học giúp Phenanthrene không dễ bị oxy hóa hay phân hủy trong điều kiện tự nhiên thông thường, điều này đặt ra thách thức lớn trong việc xử lý môi trường bị ô nhiễm.

Chu trình vận động và phân bố trong môi trường

Sau khi được phát thải vào môi trường, Phenanthrene có thể tồn tại ở cả 3 pha: khí, lỏng, và rắn. Trong khí quyển, phần lớn tồn tại dưới dạng hấp phụ trên các hạt bụi mịn (PM2.5, PM10), dễ lắng đọng xuống bề mặt đất và nước. Quá trình phân bố này bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm, gió và đặc điểm hạt bụi.

Trong nước, do độ tan thấp, Phenanthrene có xu hướng hấp phụ mạnh vào vật chất hữu cơ hoặc lắng đọng vào trầm tích đáy. Đất và trầm tích giữ vai trò như bể chứa chính của hợp chất này trong môi trường. Các nghiên cứu cho thấy tỷ lệ phân bố của Phenanthrene trong môi trường thường theo tỉ lệ:

• Không khí: 5–10%
• Nước: <1%
• Đất/trầm tích: >85%

Trong khí quyển, Phenanthrene có thể bị phân hủy bởi gốc hydroxyl (·OH) thông qua phản ứng oxy hóa, tạo thành các dẫn xuất oxygen hóa như phenanthrenequinone. Phản ứng này được biểu diễn đơn giản như sau:

$\text{Phenanthrene} + \cdot OH \rightarrow \text{Phenanthrenequinone} + H_2O$

Thời gian bán hủy của Phenanthrene trong không khí từ 1 đến 2 ngày. Trong môi trường đất và nước, nó phân hủy rất chậm (bán hủy hàng tuần đến hàng tháng), đặc biệt trong điều kiện kỵ khí.

Ảnh hưởng sinh học và độc tính

Mặc dù Phenanthrene không phải là một trong những PAHs có độc tính cao nhất, nó vẫn có khả năng gây ảnh hưởng tiêu cực tới hệ sinh vật nếu tích lũy ở nồng độ cao. Các nghiên cứu đã chỉ ra khả năng gây stress oxy hóa, thay đổi biểu hiện gen và gây độc tế bào ở nhiều loài sinh vật thủy sinh như cá, giáp xác và phiêu sinh vật.

Cơ chế gây độc của Phenanthrene chủ yếu liên quan đến việc chuyển hóa bởi enzyme cytochrome P450, tạo ra các chất chuyển hóa có thể gắn kết với DNA và protein, gây đột biến và rối loạn chức năng tế bào. Ngoài ra, các tác động tiềm ẩn khác bao gồm:

• Ức chế miễn dịch và rối loạn phát triển ở động vật không xương sống
• Rối loạn sinh sản ở cá
• Gây rối loạn enzyme gan ở động vật có vú

Ở người, việc tiếp xúc mãn tính qua không khí ô nhiễm, thực phẩm nhiễm PAHs hoặc đất bị ô nhiễm có thể liên quan đến các bệnh lý mãn tính như rối loạn enzym gan, suy giảm chức năng hô hấp, và nguy cơ tăng đột biến DNA. Phenanthrene không được phân loại là chất gây ung thư nhóm 1 bởi IARC, nhưng là một chỉ thị cảnh báo cho các PAHs có độc tính cao khác trong môi trường.

Cơ chế chuyển hóa sinh học (biotransformation)

Trong cơ thể động vật, Phenanthrene được chuyển hóa qua hai giai đoạn chính: pha I (oxy hóa) và pha II (liên hợp). Enzyme cytochrome P450, đặc biệt là CYP1A1 và CYP1B1, đóng vai trò chủ yếu trong giai đoạn đầu, tạo ra các chất trung gian như epoxide và dihydrodiol, vốn là các hợp chất có khả năng tương tác với DNA.

Ở pha II, các chất trung gian này được liên hợp với các phân tử như glutathione (GSH), sulfate hoặc glucuronic acid để tăng khả năng tan trong nước, từ đó dễ dàng bài tiết qua nước tiểu hoặc mật. Dưới đây là sơ đồ tổng quát:

1. Pha I: Phenanthrene → Epoxide → Diol
2. Pha II: Diol + GSH → Phenanthrene-GSH conjugate → Đào thải

Quá trình chuyển hóa này giúp giảm độc tính, tuy nhiên trong một số trường hợp lại tạo ra các chất có khả năng gây đột biến, đặc biệt nếu hệ thống enzyme hoạt động quá mức hoặc không hiệu quả.

Các phương pháp xử lý và phân hủy Phenanthrene

Việc xử lý ô nhiễm Phenanthrene trong môi trường cần áp dụng nhiều công nghệ phù hợp với điều kiện cụ thể. Trong xử lý đất và nước ngầm, phân hủy sinh học là giải pháp phổ biến nhất do chi phí thấp, hiệu quả cao và thân thiện môi trường. Các chủng vi sinh vật phân hủy tốt bao gồm Pseudomonas putida, Sphingomonas yanoikuyae, và Mycobacterium.

Một số phương pháp xử lý chính:

• Phân hủy sinh học: ứng dụng vi sinh vật trong điều kiện hiếu khí
• Hấp phụ: sử dụng than hoạt tính, vật liệu zeolit, biochar
• Oxy hóa nâng cao (AOP): dùng ozone, H₂O₂, tia UV để phân hủy cấu trúc vòng thơm
• Rửa đất: kết hợp dung môi hữu cơ để di chuyển Phenanthrene ra khỏi đất

Sự kết hợp các công nghệ (bioremediation + AOP) thường mang lại hiệu quả cao hơn trong xử lý các điểm nóng ô nhiễm lâu năm. Ngoài ra, các nghiên cứu mới đang hướng tới công nghệ nano và vi sinh vật biến đổi gen để tăng hiệu suất xử lý PAHs.

Ứng dụng trong nghiên cứu và công nghiệp

Phenanthrene có một số ứng dụng nghiên cứu trong hóa học hữu cơ và môi trường. Nhờ cấu trúc ổn định và tính chất huỳnh quang, nó được sử dụng như một hợp chất mô hình trong các nghiên cứu liên quan đến cơ chế phản ứng, ô nhiễm môi trường và chuyển hóa PAHs.

Trong công nghiệp, Phenanthrene được dùng để tổng hợp thuốc nhuộm, chất trung gian hóa học, và nghiên cứu tổng hợp dẫn xuất có hoạt tính sinh học. Các dẫn xuất oxy hóa của nó có khả năng gắn kết DNA nên được sử dụng trong các mô hình độc học tế bào.

Ngoài ra, Phenanthrene được dùng làm chất chỉ thị trong nghiên cứu sự lan truyền của dầu trong môi trường biển, và nghiên cứu các quá trình hấp phụ PAHs lên vật liệu hấp phụ mới như graphene hoặc silica biến tính.

Quy định và giám sát quốc tế

Phenanthrene được giám sát trong nhiều chương trình kiểm soát môi trường trên thế giới. Theo EPA, nó nằm trong danh sách 16 PAHs ưu tiên cần theo dõi trong không khí, nước, đất và thực phẩm. Dù không bị coi là chất gây ung thư nhóm 1, nó vẫn là chỉ số nguy cơ trong đánh giá tổng PAHs.

Các giới hạn quy định (tham khảo):

Chỉ tiêu	Giá trị giới hạn	Cơ quan
Nước uống	0.2 µg/L (tổng PAHs)	EPA
Đất nông nghiệp	<1 mg/kg	EU
Thực phẩm (cá khô, dầu ăn)	<2 µg/kg	EFSA

Việc giám sát định kỳ PAHs, trong đó có Phenanthrene, là yêu cầu bắt buộc trong các chương trình quan trắc môi trường, đánh giá tác động môi trường (EIA), và kiểm tra an toàn thực phẩm tại các quốc gia công nghiệp hóa.

Tài liệu tham khảo

1. U.S. Environmental Protection Agency (EPA). Priority Pollutant List. https://www.epa.gov/sites/default/files/2016-09/documents/pah.pdf
2. Agency for Toxic Substances and Disease Registry (ATSDR). Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs). https://www.atsdr.cdc.gov/csem/pah/index.html
3. European Food Safety Authority (EFSA). Scientific Opinion on Polycyclic Aromatic Hydrocarbons in Food. https://www.efsa.europa.eu/en/efsajournal/pub/724
4. Zhou, J.L., et al. (2008). Polycyclic aromatic hydrocarbons in the water column and sediment in the Thames Estuary, UK. Marine Pollution Bulletin, 56(6), 1089-1097.
5. Peng, R.H., et al. (2008). Microbial biodegradation of polyaromatic hydrocarbons. FEMS Microbiology Reviews, 32(6), 927–955.