Polychlorinated biphenyls là gì? Các nghiên cứu khoa học

Giới thiệu về Polychlorinated Biphenyls (PCB)

Polychlorinated Biphenyls (PCB) là một nhóm các hợp chất hữu cơ tổng hợp gồm hai vòng benzen liên kết với nhau bằng một liên kết đơn, trong đó các nguyên tử hydro có thể được thay thế một phần hoặc hoàn toàn bằng nguyên tử clo. PCB không tồn tại trong tự nhiên và được sản xuất với mục đích công nghiệp nhờ tính chất bền vững, chịu nhiệt cao và cách điện tốt.

Trong suốt nhiều thập niên, PCB đã được sử dụng rộng rãi như chất làm mát, chất cách điện trong máy biến thế, tụ điện, chất dẻo hóa trong sơn, keo dán và các sản phẩm xây dựng. Tuy nhiên, cùng với những lợi ích kỹ thuật là những rủi ro nghiêm trọng về môi trường và sức khỏe. PCB không dễ phân hủy, có thể tồn tại hàng chục năm trong môi trường, tích lũy sinh học trong cơ thể sinh vật và phóng đại sinh học theo chuỗi thức ăn.

Do độc tính cao và khả năng tồn lưu lâu dài, PCB hiện được xếp vào nhóm các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy (POPs – Persistent Organic Pollutants) theo Công ước Stockholm. Mặc dù đã bị cấm hoặc hạn chế sử dụng tại nhiều quốc gia từ cuối thế kỷ 20, nhưng tồn dư PCB vẫn còn phổ biến trong môi trường do phát tán từ thiết bị cũ, rò rỉ trong quá trình xử lý chất thải hoặc các sự cố công nghiệp.

Cấu trúc hóa học và phân loại

Cấu trúc cơ bản của một phân tử PCB là khung biphenyl gồm hai vòng benzen nối với nhau qua một liên kết đơn, trong đó các nguyên tử clo có thể gắn tại bất kỳ vị trí nào trên vòng thơm. Công thức tổng quát là $C_{12}H_{10-n}Cl_n$, với $n$ là số nguyên tử clo, dao động từ 1 đến 10. Sự đa dạng trong vị trí và số lượng clo tạo nên 209 đồng phân khác nhau (gọi là congeners), mỗi đồng phân có đặc tính hóa lý và độc tính riêng.

Dựa vào khả năng tương tác với thụ thể aryl hydrocarbon (AhR), các đồng phân PCB được chia thành hai nhóm chính:

• Dioxin-like PCB (DL-PCB): có cấu trúc phẳng, dễ liên kết với AhR, gây ra các tác động sinh học giống như dioxin, bao gồm rối loạn phát triển, độc gan và ung thư.
• Non-dioxin-like PCB (NDL-PCB): không có hoạt tính AhR rõ rệt, nhưng vẫn ảnh hưởng tiêu cực đến hệ thần kinh, nội tiết và sinh sản.

Bảng phân loại một số congeners PCB quan trọng:

Congener	Số clo	Loại	Tên thường gặp
PCB-77	4	Dioxin-like	3,3',4,4'-Tetrachlorobiphenyl
PCB-126	5	Dioxin-like	3,3',4,4',5-Pentachlorobiphenyl
PCB-153	6	Non-dioxin-like	2,2',4,4',5,5'-Hexachlorobiphenyl

Khả năng gây độc và tích lũy sinh học của từng đồng phân phụ thuộc không chỉ vào số lượng clo mà còn vào vị trí của chúng trên vòng benzen. Những cấu trúc đối xứng và ít cản trở không gian thường dễ tồn tại hơn trong mô mỡ và gây ảnh hưởng lâu dài.

Tính chất vật lý và hóa học

PCB là chất rắn hoặc lỏng nhờn không màu đến vàng nhạt, không tan trong nước nhưng tan tốt trong các dung môi hữu cơ như hexane, toluene và ethanol. Tính chất vật lý của PCB thay đổi tùy theo mức độ clo hóa: đồng phân có ít clo thường lỏng ở nhiệt độ phòng, còn những đồng phân có nhiều clo có thể là chất rắn sáp hoặc tinh thể. Điểm sôi của PCB dao động từ khoảng 325°C đến hơn 400°C.

Những đặc tính vật lý chính của PCB bao gồm:

• Khả năng cách điện cao
• Độ ổn định nhiệt và hóa học mạnh
• Khả năng kháng oxy hóa và acid

Chính các đặc tính này đã khiến PCB trở thành lựa chọn lý tưởng trong nhiều ứng dụng công nghiệp, đặc biệt là làm chất điện môi trong thiết bị điện. Tuy nhiên, khả năng kháng phân hủy sinh học và tích lũy sinh học của chúng lại là nguyên nhân khiến PCB trở thành mối đe dọa môi trường nghiêm trọng.

Bảng dưới đây tóm tắt một số tính chất đặc trưng:

Thuộc tính	Giá trị điển hình
Khối lượng phân tử	188 – 500 g/mol
Độ tan trong nước	$\lt 1 \, mg/L$
Hệ số phân bố octanol/nước (log Kow)	4.5 – 8.3
Điểm sôi	325 – 430 °C

Hệ số log Kow cao cho thấy PCB có xu hướng tích tụ trong mô mỡ sinh vật hơn là tồn tại trong nước, điều này giải thích vì sao chúng dễ phóng đại sinh học trong chuỗi thực phẩm. Ngoài ra, các phản ứng hóa học của PCB thường rất chậm nếu không có sự xúc tác đặc biệt, dẫn đến thời gian tồn lưu trong môi trường kéo dài nhiều thập kỷ.

Lịch sử sử dụng và lệnh cấm toàn cầu

PCB bắt đầu được sản xuất thương mại từ năm 1929 dưới tên thương hiệu Aroclor của Monsanto. Từ những năm 1930 đến 1970, PCB được sử dụng trong hàng loạt ứng dụng công nghiệp do tính ổn định vượt trội, bao gồm chất lỏng cách điện, chất bôi trơn, phụ gia nhựa, sơn và vật liệu xây dựng. Đỉnh điểm vào thập niên 1970, sản lượng PCB toàn cầu vượt hơn 1 triệu tấn.

Đến cuối thập kỷ 1970, ngày càng nhiều bằng chứng khoa học cho thấy PCB tích lũy trong sinh vật biển, chim di cư và con người với nồng độ đáng báo động. Những báo cáo đầu tiên từ Nhật Bản, Thụy Điển và Mỹ đã chỉ ra mối liên hệ giữa tiếp xúc PCB và tổn thương gan, rối loạn sinh sản, thậm chí là ung thư. Từ đó, nhiều quốc gia bắt đầu đưa ra các lệnh cấm hoặc hạn chế nghiêm ngặt với PCB.

Hoa Kỳ chính thức cấm sản xuất và sử dụng PCB kể từ năm 1979 theo Đạo luật Kiểm soát Chất độc hại (TSCA). Năm 2001, Công ước Stockholm về các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy đã đưa PCB vào danh sách các chất cần loại bỏ toàn cầu. Theo UNEP, các quốc gia thành viên phải tiêu hủy, thu hồi và quản lý toàn bộ PCB tồn dư trước năm 2028, trừ các trường hợp được miễn trừ có thời hạn.

Ảnh hưởng sinh học và độc tính

Polychlorinated Biphenyls (PCB) là hợp chất có khả năng gây độc cao đối với cả con người và động vật do tính chất tích lũy sinh học, tồn lưu lâu dài và cơ chế tác động đa chiều lên hệ thống sinh lý. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng nhiều congeners PCB, đặc biệt là dạng dioxin-like, có thể liên kết với thụ thể aryl hydrocarbon (AhR) trong tế bào, kích hoạt các gene gây stress oxy hóa, viêm, và thay đổi chức năng chuyển hóa.

Ảnh hưởng sinh học của PCB bao gồm cả tác động cấp tính và mãn tính, tùy thuộc vào liều lượng, thời gian phơi nhiễm và đặc tính của từng đồng phân. Những tác động phổ biến ở người và động vật gồm:

• Rối loạn nội tiết: làm gián đoạn hoạt động của hormone tuyến giáp, estrogen, androgen.
• Độc gan: gây tăng enzyme gan, thoái hóa mỡ và tổn thương mô gan.
• Suy giảm miễn dịch: giảm khả năng sản xuất kháng thể và đáp ứng miễn dịch tế bào.
• Ảnh hưởng phát triển thần kinh: giảm IQ, thay đổi hành vi và suy giảm khả năng học tập ở trẻ em.
• Tăng nguy cơ ung thư: đặc biệt là ung thư gan và tuyến giáp; PCB-126 đã được IARC xếp vào nhóm 1 – chất gây ung thư ở người.

Theo báo cáo từ ATSDR – CDC Hoa Kỳ, người có thể phơi nhiễm PCB qua thực phẩm (đặc biệt là cá và hải sản nhiễm PCB), không khí gần nơi phát thải, và tiếp xúc nghề nghiệp trong các ngành công nghiệp liên quan đến thiết bị điện cũ.

PCB trong môi trường và chuỗi thực phẩm

Sau khi được phát tán vào môi trường từ các nguồn công nghiệp, PCB có thể tồn tại hàng chục năm trong đất, trầm tích và nước. Do đặc tính kỵ nước và ái lipid cao, PCB dễ dàng hấp phụ vào các hạt chất hữu cơ, sau đó được hấp thu bởi sinh vật phù du – tầng đáy của chuỗi thức ăn. Từ đó, chúng tích lũy qua từng mắt xích và đạt nồng độ rất cao ở các sinh vật ở đỉnh chuỗi thực phẩm như cá lớn, chim ăn cá và người.

Quá trình này được gọi là phóng đại sinh học (biomagnification). Ví dụ, nồng độ PCB trong mô mỡ của cá hồi hoặc cá ngừ có thể cao gấp hàng nghìn lần so với nồng độ trong nước xung quanh. Điều này làm tăng đáng kể nguy cơ phơi nhiễm đối với những người tiêu thụ nhiều thủy sản, đặc biệt là cộng đồng ven biển hoặc các vùng có nguồn nước ô nhiễm PCB.

Ngoài thực phẩm, PCB cũng được phát hiện trong không khí và bụi nhà ở các khu vực đô thị cũ, nơi từng sử dụng sơn, vật liệu cách điện và chất chống cháy có chứa PCB. Phơi nhiễm qua đường hô hấp hoặc da tuy ít phổ biến hơn đường ăn uống, nhưng có thể đóng góp đáng kể trong tổng phơi nhiễm ở nhóm trẻ em và phụ nữ mang thai.

Các kỹ thuật giám sát và phân tích PCB

Để phát hiện và định lượng PCB trong môi trường và sinh học, các kỹ thuật phân tích hóa học hiện đại được triển khai với độ nhạy cao và khả năng phân giải đồng phân. Các bước cơ bản trong phân tích PCB gồm thu mẫu, chiết tách, làm sạch, tách đồng phân và định lượng. Do PCB thường xuất hiện ở nồng độ rất thấp (ppb hoặc ppt), các kỹ thuật tiền xử lý mẫu là cực kỳ quan trọng.

Một số phương pháp phân tích phổ biến:

• GC-ECD (Gas Chromatography – Electron Capture Detector): độ nhạy cao, thường dùng để xác định tổng PCB hoặc nhóm đồng phân cụ thể.
• GC-MS (Gas Chromatography – Mass Spectrometry): cho phép định danh từng đồng phân và đánh giá độc tính dựa trên TEQ.
• HPLC: ít được sử dụng hơn nhưng có thể áp dụng cho phân tích các dẫn xuất PCB sau phản ứng hóa học.

Trong các nghiên cứu độc học và giám sát môi trường, PCB thường được quy đổi thành giá trị tương đương độc tính (Toxic Equivalent – TEQ) dựa trên hệ số độc tính của từng đồng phân so với 2,3,7,8-TCDD (một loại dioxin cực độc). WHO đã ban hành hệ số TEF (Toxic Equivalency Factor) cho từng congeners để tính tổng TEQ một cách chuẩn hóa.

Chiến lược xử lý và loại bỏ PCB

Xử lý PCB là một thách thức lớn vì các hợp chất này cực kỳ bền vững và yêu cầu công nghệ phá hủy mạnh. Nhiều quốc gia đã phát triển các chiến lược quốc gia để thu gom, lưu trữ tạm thời, và xử lý triệt để PCB còn tồn tại trong thiết bị, đất ô nhiễm và chất thải công nghiệp.

Các công nghệ xử lý phổ biến gồm:

• Thiêu hủy ở nhiệt độ cao: Đốt trong lò ở nhiệt độ >1200 °C để phân hủy hoàn toàn PCB thành CO₂, HCl và nước. Được xem là hiệu quả nhất nhưng chi phí cao và rủi ro phát sinh dioxin nếu điều kiện đốt không chuẩn.
• Khử hóa học (dechlorination): Phản ứng với base mạnh hoặc hydrogen để loại bỏ nguyên tử clo. Có thể thực hiện ở nhiệt độ thấp hơn nhưng hiệu suất phụ thuộc vào cấu trúc đồng phân.
• Công nghệ sinh học: Sử dụng vi sinh vật khử clo hoặc enzyme để phân hủy PCB trong điều kiện yếm khí. Đang được nghiên cứu cho xử lý đất và trầm tích ô nhiễm.

Bên cạnh đó, việc xác định, dán nhãn và quản lý thiết bị cũ chứa PCB như máy biến thế, tụ điện... cũng là bước thiết yếu trong kiểm soát rò rỉ. Nhiều chương trình quốc gia đã lập cơ sở dữ liệu toàn diện và lên kế hoạch thay thế thiết bị đến năm 2028 theo khuyến nghị của Công ước Stockholm. Chi tiết hướng dẫn có thể tham khảo tại EPA Hoa Kỳ.

PCB trong pháp luật và kiểm soát quốc tế

PCB là một trong 12 chất POPs ban đầu được Công ước Stockholm đưa vào danh sách hạn chế và loại bỏ toàn cầu. Điều này đồng nghĩa với việc tất cả các quốc gia tham gia đều có nghĩa vụ xác định, kiểm kê, quản lý và tiêu hủy PCB còn tồn dư theo kế hoạch quốc gia. Các mốc thời gian quan trọng bao gồm cấm sử dụng mới ngay lập tức và loại bỏ hoàn toàn trước năm 2028, trừ một số trường hợp đặc biệt được miễn trừ.

Luật pháp quốc gia tại nhiều nước như Hoa Kỳ (TSCA), Liên minh Châu Âu (REACH, POPs Regulation) và Nhật Bản (Law Concerning Special Measures Against PCB Waste) quy định rất rõ về mức ngưỡng cho phép, yêu cầu ghi nhãn, theo dõi và xử lý thiết bị chứa PCB. Các sản phẩm thực phẩm, nước uống và sữa mẹ cũng được giám sát nghiêm ngặt về nồng độ PCB.

Đồng thời, các tổ chức quốc tế như UNEP, UNIDO, GEF đang hỗ trợ kỹ thuật và tài chính cho các quốc gia đang phát triển tiến hành thu gom, vận chuyển an toàn và xử lý PCB đúng tiêu chuẩn. Đây là một phần trong cam kết toàn cầu về giảm thiểu chất độc hại và thúc đẩy phát triển bền vững.

Triển vọng và hướng nghiên cứu tương lai

Nhiều nghiên cứu hiện nay đang tập trung vào phát triển các công nghệ xử lý PCB hiệu quả hơn, ít tiêu tốn năng lượng và thân thiện với môi trường. Trong đó, các vật liệu xúc tác mới như graphitic carbon nitride, đất sét biến tính, và enzyme phân giải clo đang được đánh giá về khả năng phân hủy PCB ở điều kiện thường, tránh sinh ra dioxin thứ cấp.

Về mặt quản lý môi trường, các mô hình đánh giá rủi ro phơi nhiễm kết hợp dữ liệu GIS, học máy và viễn thám đang được phát triển để giám sát PCB ở quy mô khu vực và quốc gia. Những mô hình này giúp dự báo lộ trình di chuyển, tích tụ và tác động sinh thái của PCB trong bối cảnh biến đổi khí hậu và đô thị hóa nhanh chóng.

Cuối cùng, xu hướng tích hợp các chỉ báo PCB vào bộ chỉ số phát triển bền vững, sức khỏe môi trường và công bằng thế hệ đang được các tổ chức quốc tế thúc đẩy nhằm đảm bảo rằng các chất ô nhiễm tồn lưu như PCB không tiếp tục ảnh hưởng âm thầm đến sinh kế, sức khỏe và hệ sinh thái toàn cầu trong thế kỷ 21.