Состав природных вод

Влияние состава природных вод на здоровье населения

ВОДНАЯ СРЕДА.

Водная среда включает поверхностные и подземные воды. Поверхностные воды в основном сосредоточены в океане, содержанием 1 млрд. 375 млн. кубических километров--около 98% всей воды на Земле. Поверхность океана (акватория) составляет 361 млн. квадратных километров. Она примерно в 2,4 раза больше площади суши территории, занимающей 149 млн. квадратных километров (см. карту). Вода в океане соленая, причем большая ее часть (более 1 млрд. кубических километров) сохраняет постоянную соленость около 3,5% и температуру, примерно равную 3,7^oС. Заметные различия в солености и температуре наблюдаются почти исключительно в поверхностном слое воды, а также в окраинных и особенно в средиземных морях. Содержание растворенного кислорода в воде существенно уменьшается на глубине 50-60 метров.

Подземные воды бывают солеными, солоноватыми (меньшей солености) и пресными; существующие геотермальные воды имеют повышенную температуру(более 30`С). Для производственной деятельности человечества и его хозяйственно-бытовых нужд требуется пресная вода, количество которой составляет всего лишь 2,7% общего объема воды на Земле, причем очень малая ее доля (всего 0,36%) имеется в легкодоступных для добычи местах. Большая часть пресной воды содержится в снегах и пресноводных айсбергах, находящихся в районах в основном Южного полярного круга. Годовой мировой речной сток пресной воды составляет 37,3 тыс. кубических километров. Кроме того, может использоваться часть подземных вод, равная 13 тыс. кубическим километрам. К сожалению, большая часть речного стока в России, составляющая около 5000 кубических километров, приходится на малоплодородные и малозаселенные северные территории. При отсутствии пресной воды используют соленую поверхностную или подземную воду, производя ее опреснение или гиперфильтрацию: пропускают под большим перепадом давлений через полимерные мембраны с микроскопическими отверстиями, задерживающими молекулы соли (см. схему).

Оба эти процесса весьма энергоемки, поэтому представляет интерес предложение, состоящее в использовании в качестве источника пресной воды пресноводных айсбергов (или их части), которые с этой целью буксируют по воде к берегам, не имеющим пресной воды, где организуют их таяние. По предварительным расчетам разработчиков этого предложения, получение пресной воды будет примерно вдвое менее энергоемки по сравнению с опреснением и гиперфильтрацией. Важным обстоятельством, присущим водной среде, является то, что через нее в основном передаются инфекционные заболевания (примерно 80% всех заболеваний). Впрочем, некоторые из них, например коклюш, ветрянка, туберкулез, передаются и через воздушную среду. С целью борьбы с распространением заболеваний через водную среду Всемирная организация здраво охранения (ВОЗ) объявила текущее десятилетие десятилетием питьевой воды.

Водный баланс земли.

Чтобы представить, сколько воды участвует в круговороте, охарактеризуем различные части гидросферы. Более 94% ее составляет Мировой океан . Другая часть(4%)-подземные воды. При этом следует учесть ,что большая их часть относится к глубинным рассолам, а пресные воды составляют 1/15 долю. Значителен также объем льда полярных ледников: с пересчетом на воду он достигает 24 млн. куб. км., или 1,6% объема гидросферы. Озерной воды в 100 раз меньше -230 тыс. км³ , а в руслах рек содержится всего лишь 1200 км³ воды, или 0,0001% всей гидросферы. Однако , несмотря на малый объем воды, реки играют очень большую роль: они, как и подземные воды, удовлетворяют значительную часть потребностей населения , промышленности и орошаемого земледелия. Воды на Земле довольно много . Гидросфера составляет около 1/4180 части всей массы нашей планеты. Однако на долю пресных вод, исключая воду, скованную в полярных ледниках, приходится немногим более 2 млн. км³, или только 0,15% всего объема гидросферы.

Химический состав воды.

Огромная роль воды в жизни человека и природы послужила причиной того, что она была одним из первых соединений, привлекших внимание учёных. Тем не менее изучение воды ещё далеко не закончено.

Общие свойства воды.

Вода в силу популярности её молекул способствует разложению контактирующих с ней молекул солей на ионы, но сама вода проявляет большую устойчивость и в химически чистой воде содержится очень мало ионов

по H⁺ и OH^-.

Вода - инертный растворитель; химически не изменяется под действием большинства технических соединений, которые она растворяет. Это очень важно для всех живых организмов на нашей планете, поскольку необходимые их тканям питательные вещества поступают в водных растворах в сравнительно мало измененном виде. В природных условиях вода всегда содержит то или иное количество примесей, взаимодействия не только с твердыми и жидкими веществами, но растворяя также и газы.

Даже из свежевыпавшей дождевой воды можно выделить несколько десятков миллиграммов различных растворенных в ней веществ на каждый литр объема. Абсолютно чистую воду никогда и никому ещё не удавалось получить ни в одном из её агрегатных состояний; химически чистую воду, в значительной мере лишенную растворенных веществ, производят путем длительной и кропотливой очистки в лабораториях или на специальных промышленных установках.

В природных условиях вода не может сохранить “химическую чистоту”. постоянно соприкасаясь со всевозможными веществами, она фактически всегда представляет собой раствор различного, зачастую очень сложного свойства. В пресной воде содержание растворенных веществ обычно превышает 1 г./л. От нескольких единиц до десятков граммов на литр колеблются содержание солей в морской воде: например, в Балтийском море их всего 5 г./л., в Чёрном - 18, а в Красном море - даже 41 г./л.

Солевой состав морской воды в основном на 89% слагается из хлоридов (преимущественно хлорида натрия, калия и кальция), 10% приходится на сульфаты (натрия, калия, магния) и 1% - на карбонаты (натрия, кальция) и другие соли. Пресные воды содержат обычно больше всего - до 80% карбонатов (натрия и кальция), около 13% сульфатов (натрия, калия, магния) и 7% хлоридов (натрия и кальция).

Вода хорошо растворяет газы (особенно при низких температурах), главным образом кислород, азот, диоксид углерода, сероводород. Количество кислорода иногда достигает 6 мг./л. В минеральных водах типа нарзан общее содержание газов может составлять до 0,1%. В природной воде присутствуют гумусовые вещества - сложные органические соединения, образующиеся в результате неполного распада остатков растительных и животных тканей, а также соединения типа белков, сахаров, спиртов.

Вода обладает исключительно высокой теплоемкостью. Теплоемкость воды принята за единицу. Теплоемкость песка, например, составляет 0,2, а железа - лишь 0,107 теплоемкости воды. Способность воды накапливать большие запасы тепловой энергии позволяет сглаживать резкие температурные колебания на прибрежных участках Земли в различные времена года и в различную пору суток: вода выступает как бы регулятором температуры на всей нашей планете.

Следует отметить особое свойство воды - её высокое поверхностное натяжение - 72,7 эрг/см² (при 20^о С). В этом отношении из всех видов жидкостей вода уступает только ртути. Подобное свойство воды во многом обусловлено водородными связями между отдельными молекулами H₂O. Особенно наглядно проявляется поверхностное натяжение в прилипании воды ко многим поверхностям - смачивании. Установлено, что вещества - глина, песок, стекло, ткани, бумага и многие другие, легко смачиваемые водой, непременно имеют в своем составе атомы кислорода. Такой факт оказался ключевым при объяснении природы смачивания: энергетически не уравновешенные молекулы поверхностного слоя воды получают возможность образовать дополнительные связи с “чужими” атомами кислорода.

Смачивание и поверхностное натяжение лежат в составе явления, названного капиллярностью: в узких каналах вода способна подниматься на высоту гораздо большую, чем та, которую “ позволяет” сила тяжести для столбика данного сечения.

В капиллярах вода обладает поразительными свойствами. Б.В.Дерягин установил, что в капиллярах вода, сконденсировавшаяся из водяного пара, не замерзает при 0⁰ и даже при снижении температуры на десятки градусов.

Молекулы воды отличаются большой термической устойчивостью, при деструкции по схеме:

2H₂O  2H₂ + O₂ + 2  245,6 Кдж.

Вода относится к слабым электролитам.

Вода весьма реакционно-способное вещество: может проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства. Так, под действием сильных восстановителей вода проявляет окислительные свойства: на холоде окисляет щелочные и щелочноземельные металлы, а при температуре накаливания - железо, углерод и др.

2Na + 2H₂O  2NaOH + H_2

3Fe + 4H₂O  Fe₃O₄ + 4H_2

Под действием сильных окислителей (фтор, хлор, электрический ток) вода проявляет восстановительные свойства. Так, реакцию взаимодействия со фтором можно представить следующим образом:

2F₂+2H₂O  2H₂F₂+O_2

Существует три типа присоединения воды к молекулам других веществ: по ионному, координатному и адсорбционному типу.

Присоединение по ионному типу происходит к оксидам щелочных, щелочноземельных и редкоземельных металлов, а также к кислотным оксидам:

CaO + H₂O  Ca (OH)₂

P₂O₅ + 3H₂O  2H₃PO₄

Вода, присоединяемая по ионному типу, называется конституционной. Она удаляется при нагревании с большим трудом. Так отщепление от едкого натра начинается при 1388^oС :

2NaOH  Na₂O + H₂O

К ионам металлов - комплексообразователей присоединение идёт по координатному типу :

Полученные соединения называются аквакомплексами, а вода, вошедшая в их состав, - кристаллизационной. Кристаллизационная вода удаляется легче, чем конституционная, например, при выветривании.

Различные вещества адсорбируют на своей поверхности некоторое количество воды за счет межмолекулярных сил притяжения. Вода, присоединенная по адсорбционному типу, называется гигроскопической; она удаляется легче, чем кристаллизационная.

Ионный состав природных вод.

Происходящее в почвах процессы окисления органических веществ вызывают расход кислорода и выделение углекислоты, поэтому в воде при фильтрации её через почву возрастает содержание углекислоты, что приводит к обогащению природных вод карбонатами кальция, магния и железа, с образованием растворимых в воде кислых солей типа:

CaCO₃ + H₂O + CO₂  Ca(HCO₃)₂

Бикарбонаты присутствуют почти во всех водах в тех или иных количествах. Большую роль в формировании химического состава воды играют подстилающие почву грунты, с которыми вода вступает в соприкосновение, фильтруясь и растворяя некоторые минералы. Особенно интенсивно обогащают воды осадочные породы, такие, как известняки, доломиты, мергели, гипс, каменная соль и др. В свою очередь почва и породы обладают способностью адсорбировать из природной воды некоторые ионы ( например, Ca²⁺ , Mg²⁺ ), замещая их эквивалентным количество других ионов ( Na⁺ , K⁺ ).

Подпочвенными водами легче всего растворяются хлориды и сульфаты натрия и магния, хлорид кальция. Силикатные и алюмосиликатные породы (граниты, кварцевые породы и т.д.) почти нерастворимы в воде и содержащей углекислоту и органические кислоты.

Ион хлора присутствует почти во всех природных водоемах, причем его содержание меняется в очень широких пределах. Сульфат - ион также распространен повсеместно. Основным источником растворенных в воде сульфатов является гипс. В подземных водах с содержанием сульфат - иона обычно выше, чем в воде рек и озер. Из ионов щелочных металлов в природных водоемах в наибольших количествах находится ион натрия, который является характерным ионом сильноминерализованных вод морей и океанов.

Ионы кальция и магния в маломинерализованных водах занимают первое место. Основным источником ионов кальция является известняки, а магния - доломиты (MgCO₃ ,CaCO₃). Лучшая растворимость сульфатов и карбонатов магния позволяет присутствовать ионам магния в природных водах в больших концентрациях, чем ионов кальция.

Ионы водорода в природной воде обусловлены диссоциацией угольной кислоты. Большинство природных вод имеют pH в пределах 6,5 - 8,5. Для поверхностных вод в связи с меньшим содержанием в них углекислоты pH обычно выше, чем для подземных.

Соединения азота в природной воде представлены ионами аммония, нитритными, нитратными ионами за счет разложения органических веществ животного и растительного происхождения. Ионы аммония, кроме того, попадают в водоемы со сточными промышленными водами.

Соединения железа очень часто встречаются в природных водах, причем переход железа в раствор может происходить под действием кислорода или кислот ( угольной, органических(. Так например, при окислении весьма распространенного в породах пирита получается сернокислое железо, а при действии угольной кислоты - карбонат железа.

Помимо веществ ионного тапа природные воды содержат также газы и органические и грубодисперсные взвеси. Наиболее распространенными в природных водах газами являются кислород и углекислый газ. Источником кислорода является атмосфера, углекислоты - биохимические процессы, происходящие в глубинных слоях земной коры, углекислота из атмосферы.

Из органических веществ, попадающих извне, следует отметить гуминовые вещества, вымываемые водой из гумусовых почв (торфяников, сапропелитов и др.). Большая часть из них находится в коллоидном состоянии. В самих водоемах органические вещества непрерывно поступают в воду в результате отмирания различных водных организмов. При этом часть из них остается взвешенной в воде, а другая опускается на дно, где происходит их распад.

Грубодисперсные примеси, обуславливающие мутность природных вод, представляют собой вещества минерального и органического происхождения, смываемые с верхнего покрова земли дождями или талыми водами во время весенних паводков.

Подземные воды.

Советский ученый Лебедев на основе многочисленных экспериментов разработал классификацию видов воды в почвах и грунтах. Представления А.Ф.Лебедева, получившие дальнейшее развитие в более поздних исследованиях, позволили выделить следующие виды воды в горных породах: в форме пара, связанную, свободную, в твердом состоянии.

Паро-образованная вода занимает в породе поры, не заполненные жидкой водой, и перемещается за счет различной величины упругости пара или потоком воздуха. Конденсируясь на частицах породы, водяные пары переходят в другие виды влаги.

Различают несколько видов связанной воды. Сорбированная вода удерживается частицами породы под влиянием сил, возникающих при взаимодействии молекул воды с поверхностью этих частиц и с обменными катионами. Сорбированную воду разделяют на прочносвязанную и рыхлосвязанную. Если влажную глину подвергать давлению, то даже под давлением в несколько тысяч атмосфер часть воды невозможно удалить из глины. Это прочносвязанная вода. Полное удаление такой воды достигается лишь при температуре 150 - 300^оС. Чем меньше минеральные частицы, слагающие породу, и, следовательно, выше их поверхностная энергия, тем большее количество прочносвязанной воды в этой породе. Рыхлосвязанная, или пленочная, вода образует плёнку вокруг минеральных частиц. Она удерживается слабее и довольно легко удаляется из породы под давлением. Особенно важную роль играет сорбированная вода в глинистых породах. Она влияет на прочностные свойства глин и фильтрационную способность.

Как уже указывалось, связанная вода участвует в строении кристаллических решёток некоторых минералов. Кристаллизационная вода входит в состав кристаллической решётки. Гипс, например содержит две молекулы воды CaSO_42H₂O. При нагревании гипс теряет воду и превращается в ангидрит (CaSO₄).

Известно, что при температуре около 4^оС вода имеет максимальную плотность 1,000 г/см³. При 100^оС её плотность - 0,958 г/см³, при 250^оС - 0,799 г/см³. За счет пониженной плотности происходит конвективное, восходящее движение нагретых подземных вод.

Принято считать, что вода практически несжимаема. Действительно, коэффициент сжимаемости воды, показывающий, на какую долю первоначального объема уменьшится объём воды при увеличении давления на I aт, очень мал. Для чистой воды он равен 510^-5 I/ат. Однако упругие свойства воды, а также водовмещающих пород играют важнейшую роль в подземной гидродинамике. За счет сил упругости создается напор подземных вод. Температура и давление действуют на плотность воды в противоположном направлении.

Плотность подземных вод зависит также от их химического состава и концентрации солей. Если пресные подземные воды имеют плотность, близкую к

1 г/см³, то плотность концентрированных рассолов достигает 1,3 - 1,4 г/см³. Повышение температуры приводит к значительному уменьшению вязкости подземных вод и, таким образом, облегчает их движение через мельчайшие поры.

Подземные воды исключительно разнообразны по своему химическому составу. Высокогорные источники обычно дают очень пресную воду с низким содержанием растворенных солей, иногда менее 0,1 г. в 1 л., а в одной из скважин в Туркменистане был рассол с минерализацией 547 г/л.

Влияние состава воды на здоровье.

Здоровье населения находится в прямой зависимости от состава природных вод в источниках, из которых осуществляется регулярное водоснабжение данной территории.

Ежедневно употребляемые каждым человеком 1,5-2,5 литра воды не должны, в идеале, содержать никаких вредных примесей, вредно воздействующих на здоровье человека. В то же время, природные воды должны содержать достаточное количество микроэлементов, участвующих в обменных процессах человека. Так, например, пониженное содержание фтора в питьевой воде способствует разрушению зубной эмали и развитию стоматологической патологии. Недостаток йода, что характерно для нашего эндемичного в этом плане региона, вызывает заболевания щитовидной железы.

Бактериальное загрязнение природных вод представляет собой опасность возникновения и распространения инфекционных заболеваний, включая особо опасные инфекции.

Содержание в природных водах солей тяжелых металлов, остатков нефтепродуктов и прочих вредных примесей может вызывать онкологическую патологию и множество других опасных болезней. Наиболее подвержено население почечно-каменной болезни, предопределяемой составом употребляемой воды.

Методы очистки воды в нашем регионе, к сожалению, пока не совершенны. Существует надежда на осознание этой проблемы властными структурами и инвесторами, что позволит осуществить строительство в Тюмени станций по озонации воды, что является, на сегодняшний день, современным и прогрессивным методом по сравнению с применяемыми у нас в городе.

Медико-экологическое районирование территорий.

Медико-экологическое районирование территорий является начальным этапом формирования и оценки гипотез о факторах риска заболеваемости теми болезнями, природа которых недостаточно изучена.

Данные официальной статистики и результаты специальных эпидемиологических исследований свидетельствуют об ухудшении за последние 5-7 лет показателей здоровья населения России.

Важное значение приобретают экологически обусловленные причины ухудшения здоровья населения и, в частности, вызванные загрязнением водных объектов.

Все это определяет необходимость совершенствования методологии влияния водного фактора на здоровье населения. Поскольку водопотребление и водоотведение осуществляется в границах бассейнов рек. Важное значение имеют вопросы совершенствования методов районирования территорий этих бассейнов по демографическим показателям и показателям ифекционной, паразитарной и неинфекционной заболеваемости населения, связанным с природным составом, биологическим и химическим загрязнением вод.

Районирование территорий предусматривает дифференциацию их на более мелкие участки - таксоны с одинаковыми свойствами или признаками.

При районировании бассейна рек по медико-экологическим показателям (природному составу, биологическому и химическому загрязнению вод) необходимо учитывать особенности организации статистики здоровья населения.

Критериальность демографических показателей и показателей заболеваемости, связанных с загрязнением вод, определяется характером ее биологических эффектов, уровнем и продолжительностью воздействия. Характер биологических эффектов может проявляться в виде специфических и неспецифических ответных реакций организма. При этом факторы загрязнения вод, воздействующие на организм, подразделяются на две группы. В первую группу входят факторы, которые могут вызвать специфические ответные реакции: органолептические, раздражения слизистых оболочек, острые и хронические отравления, заболевания различных систем организма, генетические отклонения, пороки развития, новообразования, специфические инфекционные, паразитарные и природно-очаговые заболевания. Ко второй группе относят факторы, которые приводят к снижению иммунобиологической реактивности организма, изменяют биохимический и физиологический показатель, способствуют развитию той или иной патологии.

Связь загрязненной воды с паразитарной и инфекционной заболеваемостью населения.

Из суммы представлений о патогенетической значимости загрязнений воды следует выделить доказанные безусловные причинно-следственные связи ряда нозологических форм инфекционной кишечной патологии и некоторых паразитозов с биологическим загрязнением вод.

С водным фактором связаны многие кишечные инфекции, которые относят к группе инфекционных болезней, вызываемых патогенными микроорганизмами, характеризующиеся “заразительностью” и, как правило, острым течением. К кишечным инфекциям, возбудители которых передаются через воду, относят: брюшной тиф, паратифы, дизентерию, холеру, сальмонеллез, вирусный гепатит и некоторые другие, реже встречающиеся заболевания.

Загрязнение водоемов инфицированными бытовыми сточными водами является установленной причиной многих вспышек инфекций. Возможность водного пути распространения этих инфекций сейчас вполне доказана.

С гидроэкологическим фактором также тесно связаны многие паразитозы, вызываемые патогенными кишечными простейшими ( лямблиоз, амебиаз и др.); простейшими паразитами крови (малярия); гельминтами (описторхоз, дифиллоботриоз и др.).

Самая тесная связь многих паразитозов с гидроэкологическим фактором определяется еще и тем, что жизненные циклы их возбудителей протекают с обязательным участием различных животных, выполняющих роль промежуточных хозяев и переносчиков паразитов (рыб, моллюсков, ракообразных, комаров и т.д.), являющихся массовыми водными организмами. Стадии развития возбудителей, попадающих во внешнюю среду, в свою очередь, теснейшим образом связаны с гидроэкологическим фактором.

Среди паразитарных болезней особенное место занимает лямблиоз - заболевание, вызываемое возбудителем типа простейших, способным вызвать у человека поражение кишечника и печени. Современные эпидемиологические данные относят питьевую воду к основному пути передачи возбудителя. Обнаружение лямблий в питьевой воде - достаточно трудоемкий и сложный процесс.

Влияние компонентов химического состава питьевой воды на здоровье населения

Компонентный состав употребляемой нами питьевой воды весьма сложен и химически разнообразен.

Медико-экологическая классификация рисков питьевого водопользования

Казалось бы, достаточно разработанные подходы к оценке факторов риска обеспечивают выход на установление степени опасности и приемлемости для питьевого водопользования различных водоисточников. Для этой же цели предназначены и две официально принятые гигиенические классификации:

1.Распределение вредных веществ (согласно новым санитарным правилам и нормам качества питьевой воды) по 4 классам опасности:

I - чрезвычайно опасные

II - высоко опасные

III - опасные

IV - умеренно опасные.

2.Классификация водных объектов по характеру загрязнения - критерий, основой которого является их иерархия по степени превышения ПДК.

К веществам, нормируемым по токсикологическому показателю вредности, установлены 4 степени загрязнения (в терминах N-кратного превышения ПДК):

• допустимая (1-кратное)

• умеренная (3-кратное)

• высокая (10-кратное)

• чрезвычайно высокая (100-кратное).

Сочетание этих двух классификаций позволяет оценить и степень опасности выявленного уровня загрязнения водоисточника и степень его пригодности для питьевого водопользования.

Так, обнаружение веществ, принадлежащих к 1 и 2 классам опасности, в водоисточнике с “умеренной” степенью загрязнения, может привести к появлению начальных симптомов интоксикации у части населения.

При “высокой” степени загрязнения этими веществами выявлены выраженные симптомы интоксикации и развития характерных для обнаруженных веществ патологических эффектов.

Заключение.

Таким образом, совершенно очевидна потребность нашего населения в чистой, прозрачной, без цвета, вкуса и запаха, питьевой воде. Это позволит сохранить здоровье миллионов людей, даст экономию огромных денежных средств, которые потенциально предстоит затратить на оказание медицинской помощи при заболеваниях, возникающих под воздействием употребления некачественной воды.