В.Р.Вильямс писал, что единственный способ придать чему-то конечному свойства бесконечного - это заставить конечное вращаться по замкнутой кривой, т.е. вовлечь его в круговорот.

Выделяют два основных круговорота - большой (геологический) и малый (биотический).

Большой круговорот длится сотни тысяч и миллионы лет. Он заключается в том, что горные породы выветриваясь, сносятся в Мировой океан. Здесь они образуют морские напластования и лишь частично возвращаются на сушу с осадками и извлеченными человеком из воды организмами. В результате тектонической деятельности земной коры эти напластования вновь становятся земной поверхностью и процесс начинается снова.

Малый круговорот является частью большого, происходит на уровне биогеоценоза и заключается в том, что питательные вещества аккумулируются в веществе растений. Продукты распада органического вещества почвенной микрофлорой вновь минерализуются в формы доступные для усвоения растений и вновь вовлекаются в поток обмена веществ.

Круговорот химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы в неорганическую среду с использованием солнечной энергии химических реакции носит названия биогеохимического цикла.

Круговорот углерода. Большой геологический круговорот углерода можно представить в виде схемы:

Биотический круговорот углерода - составная часть большого круговорота и связан с жизнедеятельностью организмов. Углерод, содержащийся в виде СО2 в атмосфере (23,5х1011 т), служит "сырьем" для фотосинтетиков, а затем, вместе с их веществом потребляется консументами разных трофических уровней. Част углерода возвращается в атмосферу с продуктами дыхания, часть накапливается в виде мертвой органики, переходя в ископаемое состояние.

Рисунок 5 Круговорот углерода

Основная масса углерода аккумулирована в карбонатных отложениях дна океана (1,3х1016. т), в кристаллических породах (1х1016 т), в каменному угле и нефти (3,4х1015 т). Именно этот углерод принимает участие в медленном геологическом круговороте. Жизнь на Земле и газовый баланс атмосферы поддерживается относительно небольшим количеством углерода, участвующего в малом круговороте и содержащегося в тканях растительных (5х1011 т) и животных (5х109 т) организмов.

Круговорот азота. Азот составляет около 80% атмосферного воздуха. Некоторая его часть сосредоточена в неорганической форме в виде солей азотной кислоты и аммония, а часть в форме органических соединений - растительных и животных белов, аминокислот и др.. По аналогии с углеродом существует большой круговорот азота, включающий азот суши, атмосферы, частью которого является малый круговорот.

Таким образом, круговорот всех биогенных элементов происходит в природе на уровне биогеоценозов. От того, насколько регулярно осуществляется круговорот любого элемента, зависит продуктивность биогеоценоза. Вмешательство человека так или иначе нарушает процессы круговорота. Например, вырубка лесов или повреждение ассимиляционного аппарата растений промышленными выбросами приводит к снижению интенсивности усвоения растениями углерода. Избыток биогенных элементов в воде приводит к эвтрофикации водоемов и перерасходу растворенного кислорода.

Контрольные вопросы:

1. Что создаёт условия для бесконечного синтеза органического вещества?

2. Виды круговорота веществ.

3. Большой круговорот углерода.

4. Круговорот азота.



14. Экологическое значение воды

Значение воды определяется прежде всего физиологической потребностью в ней человека. Вода, как воздух и пища, является тем элементом внешней среды, без которого невозможна жизнь. Человек без воды может прожить всего 5---6 сут. Это объясняется тем, что тело человека в среднем на 65% состоит из воды. К тому же, чем моложе человек, тем выше относительная плотность воды в его организме: 6-недельный эмбрион человека на 95% состоит из воды, а у новорожденных ее количество составляет 75% массы тела. К 50 годам вода составляет 60%. Основная часть воды (70%) сосредоточена внутри клетки, а 30% -- это внеклеточная вода, в составе крови и лимфы (7%) и межтканевой (интерстициалъной) жидкости (23%). Содержание воды в разных тканях организма не одинаково: в костной ткани оно составляет 20% массы, в мышечной -- 75%, в соединительной -- 80%, в плазме крови -- 92%, стекловидном теле -- 99%.

Физиологическое значение воды. Вода играет в организме человека важную роль. Без воды не происходит ни один биохимический, физиологический и физико-химический процесс обмена веществ и энергии, невозможны пищеварение, дыхание, анаболизм (ассимиляция) и катаболизм (диссимиляция), синтез белков, жиров, углеводов из чужеродных белков, жиров, углеводов пищевых продуктов. Такая роль воды обусловлена тем, что она является универсальным растворителем, в котором газообразные, жидкие и твердые неорганические вещества создают молекулярные или ионные растворы, а органические вещества находятся преимущественно в молекулярном и коллоидном состоянии. Именно поэтому она принимает непосредственное или косвенное участие практически во всех жизненно важных процессах: всасывании, транспорте, расщеплении, окислении, гидролизе, синтезе, осмосе, диффузии, резорбции, фильтрации, выведении и др. С помощью воды в клетки организма поступают пластические вещества, биологически активные соединения, энергетические материалы, выводятся продукты обмена. Вода способствует сохранению коллоидального состояния живой плазмы. Вода и растворенные в ней минеральные соли поддерживают важнейшую биологическую константу организма -- осмотическое давление крови и тканей. В водной среде создаются необходимые уровни щелочности, кислотности, гидроксильных и водородных ионов. Вода -- основной аккумулятор тепла, которое образуется в организме в процессе экзотермических биохимических реакций обмена веществ. Кроме того, испаряясь с поверхности кожи и слизистых оболочек органов дыхания, вода принимает участие в процессах теплоотдачи, т. е. в поддержании температурного гомеостаза. Во время испарения 1 г влаги организм теряет 2,43 кДж (0,6 ккал) тепла.

Физиологическая суточная потребность взрослого человека в воде (при отсутствии физических нагрузок) в регионах с умеренным климатом ориентировочно составляет 1,5--3 л, или 90 л/мес, почти 1000 л/год и 60 000--70 000 л за 60--70 лет жизни. Это так называемая экзогенная вода.

Определенное количество воды образуется в организме вследствие обмена веществ. Например, при полном окислении 100 г жиров, 100 г углеводов и 100 г белков вырабатывается соответственно 107, 55,5 и 41 г воды. Это так называемая эндогенная вода, ежедневно образующаяся в количестве 0,3 л. Физиологическая норма потребления воды может колебаться в зависимости от интенсивности обмена веществ, характера пищи, содержания в ней солей, мышечной работы, метеорологических и других условий. Доказано, что на 1 ккал энергозатрат организму необходимо 1 мл воды. То есть для человека, суточные энергозатраты которого составляют 3000 ккал, физиологическая потребность в воде равна 3 л. С увеличением энергозатрат во время физических нагрузок повышается и потребность человека в воде. Особенно если тяжелый физический труд выполняют в условиях повышенной температуры, например в мартеновских цехах, на доменном производстве, на поле в жару. Тогда потребность в питьевой воде может возрасти до 8--10 и даже 12 л/сут. Кроме того, потребность в воде изменяется при определенных патологических состояниях. Например, она возрастает при сахарном и несахарном диабете, гиперпаратиреозе и т. п. В таком случае количество воды, употребляемое человеком в течение месяца, составляет 30 л, в течение года -- 3600 л, за 60--70 лет --216 000 л.

Поддержание водного баланса в организме человека предусматривает не только поступление и распределение воды, но и ее выведение. В состоянии покоя вода выводится через почки -- с мочой (почти 1,5 л/сут), легкие -- в парообразном состоянии (приблизительно 0,4 л), кишечник -- с фекалиями (до 0,2 л). Потери воды с поверхности кожи, которые в значительной мере связаны с терморегуляцией, изменяются, но в среднем составляют 0,6 л. Таким образом, из организма человека в состояния покоя ежесуточно в среднем выводится 2,7 л воды (с колебаниями от 2,5 до 3,0 л).

Человек остро реагирует на ограничение или полное прекращение поступления воды в организм. Обезвоживание -- чрезвычайно опасное состояние, при котором нарушается большинство физиологических функций организма. Большие потери воды сопровождаются выделением значительного количества макро и микроэлементов, водорастворимых витаминов, что усугубляет негативные последствия обезвоживания для здоровья и жизни человека. В случае обезвоживания организма усиливаются процессы распада тканевых белков, жиров и углеводов, изменяются физико-химические константы крови и водно-электролитного обмена. В центральной нервной системе развиваются процессы торможения, нарушается деятельность эндокринной и сердечно-сосудистой систем, ухудшается самочувствие, снижается трудоспособность и т. п.

Четкие клинические признаки обезвоживания появляются, если потери воды составляют 5--6% массы тела. При этом учащается дыхание, наблюдаются покраснение кожи, сухость слизистых оболочек, снижение артериального давления, тахикардия, мышечная слабость, нарушение координации движения, парестезии, головная боль, головокружение.

Потери воды, равные 10% массы тела, сопровождаются значительным нарушением функций организма: повышается температура тела, заостряются черты лица, ухудшаются зрение и слух, кровообращение, возможен тромбоз сосудов, развивается анурия, нарушается психическое состояние, возникает головокружение, коллапс.

Потеря воды на уровне 15--20% массы тела смертельна для человека при температуре воздуха 30 °С, на уровне 25% -- при температуре 20--25 °С.

В то же время в случае употребления некачественной воды создается реальная опасность развития инфекционных и неинфекционных заболеваний. Статистика ВОЗ свидетельствует, что почти 3 млрд населения планеты пользуются недоброкачественной питьевой водой. Из более чем 2 тыс. болезней техногенного происхождения 80% возникают вследствие употребления питьевой воды неудовлетворительного качества. По этой причине ежегодно 25% населения мира рискуют заболеть, приблизительно каждый десятый житель планеты болеет, почти 4 млн детей и 18 млн взрослых умирают. Считается, что из 100 случаев онкологических заболеваний от 20 до 35 (особенно толстой кишки и мочевого пузыря) обусловлены употреблением хлорированной питьевой воды.

Состав природной воды. Из курса химии известно, что вода является простым соединением, которое состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Обозначается формулой Н₂0 и имеет молекулярную массу 18. Результаты исследований, проведенных в последнее время, свидетельствуют, что вода имеет более сложное строение, молекулы воды могут быть и тяжелыми, если в их состав входят изотопы водорода с атомной массой 2 и 3 (дейтерий и тритий) и кислорода с атомной массой 17 и 18. И хотя в природной воде количество более тяжелых атомов (нуклидов) по сравнению с обычными очень незначительно и относительная плотность воды, состоящей из изотопов, невелика, этим обеспечивается ее чрезвычайное разнообразие: ныне известно 42 разновидности. Кроме того, вода имеет сложное кристаллическое строение, то есть является структурированной.

Каждая молекула воды в целом электрически нейтральна, но в ней существует перераспределение зарядов: та сторона, где размещен атом кислорода, более отрицательна, а та, где атомы водорода, -- более положительна. Возникает так называемый дипольный момент. Две соседние молекулы притягиваются друг к другу за счет электростатических сил; между ними возникает водородная связь. При комнатной температуре каждая молекула воды образует временные связи с 3--4 соседними молекулами. Формируется своеобразная кристаллическая решетка, в которой старые водородные связи постоянно разрушаются и одновременно возникают новые.

С физико-химической точки зрения природная вода представляет собой сложную дисперсную систему, в которой в качестве дисперсной среды выступает вода, а в качестве дисперсной фазы -- газы, минеральные и органические вещества, живые организмы.

Химические соединения в воде ведут себя по-разному. Некоторые почти не растворяются, образуя взвешенные вещества, суспензии и эмульсии. Другие растворяются, но в различной степени. Среди минеральных солей наиболее растворимы хлориды, сульфаты и нитраты щелочных и щелочноземельных металлов. Неорганические вещества (соли, кислоты, основания) способны в воде диссоциировать на катионы металлов (Na+, K+, Са2+, Mg2+) или водорода (Н+) и анионы кислотных остатков (CI", SO 2~, НСО ~, СО3), или гидроксильные анионы ОН", образуя ионные растворы. Простые органические соединения (мочевина, глюкоза и другие сахара), растворяясь в воде, находятся в виде молекулярных растворов. Сложные органические вещества (белки, углеводы, жиры) образуют коллоиды. В воде растворены некоторые газообразные вещества: кислород (02), углерода диоксид (С02), сероводород (H2S), водород (Н2), азот (N2), метан (СН4) и др.

Кроме макроэлементов (натрия, калия, кальция, магния, азота, серы, фосфора, хлора и т. п.) в воде обнаружено 65 микроэлементов1 (железо, медь, цинк, марганец, кобальт, селен, молибден, фтор, йод и т. п.).

Микроэлементы -- это химические элементы, которые содержатся в тканях человека, животных и растений в концентрациях 1:100 000 (или 0,001%, или 1 мг на 100 г массы) и менее. Среди микроэлементов различают эссенциальные, т. е. жизненно необходимые (железо, йод, медь, цинк, кобальт, селен, молибден, фтор, марганец, хром и т. п.), условно эссенциальные (мышьяк, бор, бром, литий, никель, кремний, ванадий и т. п.) и токсические (алюминий, кадмий, свинец, ртуть, бериллий, барий, висмут, талий и т. п.).

Значение микроэлементов определяется биологической ролью многих из них, поскольку они не только принимают участие в минеральном обмене, но и заметно влияют на общий обмен как катализаторы биохимических процессов. Доказано биологическое значение для животных и растений около 20 микроэлементов. В физиологии человека исследована роль 14 из них.

Химические вещества в воде водоемов могут быть разного происхождения: как природного, связанного с условиями формирования водоемов, так и техногенного, обусловленного поступлением со сточными водами промышленных предприятий и стоками с сельскохозяйственных полей. Кроме того, в воде содержатся микроорганизмы -- бактерии, вирусы, грибы, простейшие, гельминты. С экологической точки зрения различают ауто- и аллохтонную микрофлору водоемов. Аутохтонная, или водная, группа состоит из микроорганизмов, живущих и размножающихся в воде. Водоемы для них являются естественной средой обитания.

Состав аутохтонной микрофлоры незагрязненных водоемов относительно стабилен и характерен для каждого отдельного водоема и играет положительную роль в круговороте веществ в природе, в процессах самоочищения водоемов и поддержания биологического равновесия.

Аллохтонная группа состоит из микроорганизмов, поступающих с различными загрязнениями (сточными водами, выделениями людей и животных). Следовательно аллохтонная микрофлора играет отрицательную роль. Однако опасность для здоровья человека отдельных ее представителей не одинакова. Среди аллохтонных микроорганизмов могут встречаться как сапрофитные, т. е. нормальные, обитатели тела человека, так и условно патогенные и даже патогенные, т. е. возбудители инфекционных болезней. Аллохтонные микроорганизмы в водоеме практически не размножаются и со временем отмирают, так как условия водоема не являются их естественной средой обитания.

Длительно может сохраняться аллохтонная микрофлора, если одновременно в водоем попал и тот субстрат, в котором она до этого находилась (фекалии, мокрота и др.).

Помимо огромного физиологического значения воды, она только тогда удовлетворяет современным требованиям, если ее использование не сопровождается отрицательным, а тем более вредным, влиянием на здоровье человека.

Влияние недоброкачественной воды на здоровье населения может проявляться по-разному: 1) в виде инфекционных заболеваний и инвазий; 2) неинфекционных заболеваний химической этиологии, в том числе эндемических; 3) неприятных психических ощущений, вызванных плохими органолептическими свойствами воды, иногда достигающих такой силы, что люди отказываются ее пить. Именно в предупреждении таких отрицательных последствий для здоровья населения состоит гигиеническое, в том числе эпидемическое и эндемическое значение воды.

Контрольные вопросы:

1. Сколько времени может жить человек без воды?

2. Где сосредоточена основная часть воды в организме человека?

3. Физиологическое значение воды.

4. Суточная потребность человека в воде.

5. Влияние внешних условий на водопотребление человека.

6. Состояние обезвоживания организма.

7. Негативные последствия для здоровья человека в результате действия воды.

8. Состав природной воды.

9. Дипольный момент воды. Кристаллическая решётка.

10. Растворённые и нерастворимые вещества воды.

11. Микроэлементы воды.

12. Природные и техногенные вещества воды.

13. Ауто - и аллохтонная микрофлора.

14. Влияние некачественной воды на здоровье.

14.1 Эпидемическое значение воды

Роль воды в механизме передачи возбудителей кишечных инфекций, развития эпидемий и пандемий человечество осознало за долго до открытия патогенных микроорганизмов. Тем не менее, сегодня эта проблема остается весьма актуальной, несмотря на распространение централизованного водоснабжения населенных пунктов и усовершенствование методов обеззараживания. Поэтому при решении вопросов по обеспечению населения водой прежде всего необходимо предотвратить появление и распространение возбудителей инфекционных болезней, способных передаваться через воду. Это достигается постоянным обеспечением населения доброкачественной водой в достаточном количестве. При нарушении тех или иных гигиенических требований и санитарных правил как во время организации водоснабжения населенного пункта, так и при дальнейшей эксплуатации водопровода, может возникнуть чрезвычайно опасная, даже катастрофическая, ситуация -- вспышка водной эпидемии, когда инфекционное заболевание одновременно передается сотням и тысячам людей. Наиболее массовые водные эпидемии с тяжелейшими последствиями (нарушения общественного здоровья) связаны с возможностью распространения с водой возбудителей кишечных инфекций, которым свойствен фекально-оральный механизм передачи. Доказана возможность распространения через воду возбудителей холеры, брюшного тифа, паратифов А и В, сальмонеллеза, шигеллеза, эшерихиоза, лептоспироза, туляремии, бруцеллеза.

В источниках водоснабжения нередко обнаруживают вирусы эпидемического гепатита (болезни Боткина), ротавирусного гастроэнтерита, аденовирусы и энтеровирусы (полиомиелита, Коксаки и ECHO). Приводим предложенную экспертами ВОЗ классификацию инфекционных болезней, в механизме передачи которых принимает участие вода.

Болезни, возникающие вследствие использования загрязненной воды для питьевых нужд.

1. Кишечные инфекции (ведущий механизм передачи -- фекально-оральный):

а) бактериальной природы: холера, брюшной тиф, паратифы А и В, дизентерия, колиэнтерит, сальмонеллез;

б) вирусной этиологии: вирусный эпидемический гепатит А, или болезнь Боткина, вирусный гепатит Е, полиомиелит и другие энтеровирусные инфекции, в частности Коксаки и ECHO (эпидемическая миалгия, ангина, гриппоподобные и диспепсические расстройства, серозный менингоэнцефалит), ротавирусные болезни (гастроэнтерит, инфекционный понос);

в) протозойной этиологии: амебная дизентерия (амебиаз), лямблиоз.

2. Инфекции дыхательных путей, возбудители которых иногда могут распространяться фекально-оральным путем:

а) бактериальной природы (туберкулез);

б) вирусной этиологии (аденовирусные инфекции, в частности ринофарингит, фарингоконъюнктивальная лихорадка, конъюнктивит, ринофаринготонзиллит, ринит).

3. Инфекции кожи и слизистых оболочек, которые могут иметь фекальнооральный механизм передачи (сибирская язва).

4. Кровяные инфекции, для которых возможен фекально-оральный механизм передачи (Ку-лихорадка).

5. Зооантропонозы, которые могут распространяться фекалъно-оральным путем (туляремия, лептоспироз и бруцеллез).

6. Гельминтозы:

а) геогельминтозы (трихоцефалез, аскаридоз, анкилостомидоз);

б) биогельминтозы (эхинококкоз, гименолепидоз).

II. Болезни кожи и слизистых оболочек, возникающие вследствие контакта с загрязненной водой: трахома, проказа, сибирская язва, контагиозный моллюск, грибковые заболевания (эпидермофития, микозы и др.).

III. Заболевания, которые вызывают гельминты, живущие в воде (шистосомоз, дракункулез, или ришта).

IV. Трансмиссивные инфекции, возбудителей которых распространяют насекомые-переносчики, размножающиеся в воде (малярия, желтая лихорадка).

История знает много примеров эпидемий, вспыхнувших вследствие потребления загрязненной патогенными микроорганизмами воды из водоемов и водопроводов. Наиболее ярко роль водного фактора в распространении инфекционных заболеваний проявилась во время эпидемии холеры, которая в Лондоне в 1854 г. была впервые признана водной. Но наиболее массовые эпидемии кишечных инфекций зарегистрированы во второй половине XIX ст., что совпало с периодом бурного строительства водопроводов. Первые водопроводы, в которых преимущественно использовали воду из поверхностных водоемов, иногда не улучшали, а, наоборот, ухудшали санитарное состояние населенных пунктов. Это объясняется как нехваткой очистных сооружений на водопроводе, так и загрязнением водоемов из-за концентрации населения в городах. Вследствие этого возникли эпидемии брюшного тифа в Гамбурге и Лондоне, холеры -- в Петербурге, в Ростове-на-Дону, других населенных пунктах.

Сейчас в мире инфекционная заболеваемость населения, связанная с водоснабжением, превышает 500 млн случаев в год. По данным ВОЗ, ежегодно вследствие низкого качества питьевой воды погибают почти 5 млн человек.

Длительность выживания микроорганизмов увеличивается вследствие способности некоторых микроорганизмов (например, бацилл сибирской язвы, ботулизма и др.) при попадании во внешнюю среду образовывать споры как форму сохранения вида. У других патогенных микроорганизмов (например, микобактерии туберкулеза и лепры) повышенная устойчивость обеспечивается за счет высокого содержания липидов (25--40%) в бактериальной клетке. Важную роль играет и количество микроорганизмов, которое попало в воду. Чем выше исходная доза загрязнения, тем продолжительнее сроки выживания микробов в воде. Выживанию патогенных микроорганизмов способствует одновременное попадание в водоем биологического субстрата, являющегося естественной средой их обитания, т. е. фекалий, мочи, мокроты, остатков трупов животных и т.п. Сохранению возбудителей способствует низкая и даже минусовая температура без периодического замораживания и оттаивания.

Большое значение имеют особенности водоема, антагонизм его сапрофитной микрофлоры и разнообразных гидробионтов, уровень техногенного химического загрязнения воды, комплекс гидрологических и метеорологических факторов.

Кривая заболеваемости инфекционными болезнями, которые вызваны недоброкачественной водой, имеет одно-, двух-, трехгорбый или иной характер, что связано с инкубационным периодом. Например, инкубационный период при гастроэнтероколите эшерихиозной и сальмонеллезной этиологии составляет 1--3 сут, при холере -- 1--5 сут, при дизентерии -- 1--7 сут, при паратифах А и В -- 7--14 сут, при брюшном тифе -- 14--21 сут, при вирусном гепатите А и Е -- 30 сут и более и т. п. Поэтому прежде всего будут регистрироваться заболевания с коротким инкубационным периодом (например, гастроэнтероколиты) и лишь потом -- с длительным (паратифы А и В, брюшной тиф, вирусный гепатит А и т. п.).

Контрольные вопросы:

1. Кишечные инфекции.

2. Причины вспышек водных инфекций.

3. Бактериальные, вирусные, протозойные кишечные инфекции.

4. Инфекции кожи, крови.

5. Зооантролпонозы, гельминтозы.

6. Заболеваемость в мире связанная с водоснабжением.

7. Инкубационные период кишечных инфекций.

14.2 Эндемичное значение воды

Массовые заболевания населения инфекционной природы -- наиболее угрожающее, однако не единственное негативное последствие употребления недоброкачественной воды. Массовые поражения могут иметь неинфекционную природу, т. е. их причиной может быть наличие в воде химических -- как минеральных, так и органических, примесей.

Проблема влияния химического состава воды на здоровье населения давно интересовала ученых, однако первые научно обоснованные представления об этом появились лишь в начале XX ст. Весомый вклад в развитие этих представлений принадлежит русским и украинским ученым. Выдающиеся почвоведы, геохимики и биогеохимики В.И. Вернадский и А.П. Виноградов при изучении микроэлементного состава почв в различных регионах бывшего Советского Союза отметили, что в некоторых местностях содержание тех или иных химических элементов почвы или слишком высоко, или, наоборот, слишком мало. Недостаток или избыток тех или иных элементов в почве приводил к недостатку или избытку их в воде поверхностных или подземных водоемов, которые формируются на этой территории, а вследствие этого -- в питьевой воде. Кроме того, аномально высокое или низкое содержание химического элемента наблюдалось и в пищевых продуктах растительного и животного происхождения. Это определенным образом влияло на здоровье людей, постоянно проживающих в данной местности, -- у них зарегистрированы болезни, которые в других регионах не выявлялись. Такие местности назвали биогеохимическими провинциями, а регистрировавшиеся там болезни--геохимическими эндемиями, или эндемическими заболеваниями.

Микроэлементозы -- патологические состояния, вызванные недостатком (гипомикроэлементоз), избытком (гипермикроэлементоз) или дисбалансом микроэлементов в организме. Эндемические болезни, обусловленные избытком или недостатком того или иного микроэлемента, или дисбалансом нескольких микроэлементов в почве, воде и продуктах питания, являются природными экзогенными микроэлементозами.

Известно, что фтор так же, как и другие биомикроэлементы, является эссенциальным фактором с параболической дозоэффектной зависимостью, наличием диапазона биологического оптимума и возможностью развития гипо или гипермикроэлементоза при условии недостаточного или избыточного поступления в организм человека. Суточная потребность во фторе составляет 3,2--4,2 мг, из которых от 70 до 85% поступает с питьевой водой. Именно этим фтор отличается от других микроэлементов, 70--85% суточной потребности которых почти всегда покрывается за счет пищевых продуктов. Избыточное поступление фтора в организм вызывает эндемический флюороз, недостаточное -- способствует развитию кариеса.

В большинстве случаев в поверхностных слоях почвы природное содержание фтора низкое. Поэтому его концентрация в воде поверхностных водоемов не превышает 0,7 мг/л и составляет 0,5--0,6 мг/л. При этих условиях поступление фтора в организм с питьевой водой (3 л/сут) является недостаточным для формирования фторапатитов, укрепляющих кристаллические решетки гидрооксиапатитов, из которых почти на 97% сформирована эмаль зуба. Прочность эмали снижается. Она становится проницаемой для молочной кислоты, образующейся в ротовой полости из углеводов пищи. Это приводит к активизации процесса вымывания кальция из эмали, т. е. деминерализация превалирует над реминерализацией. Эмаль становится еще менее прочной, проницаемой не только для молочной кислоты, но и для протеолитических ферментов микроорганизмов ротовой полости. Начинается разрушение органической части эмали, а впоследствии и дентина, развивается их деструктивное поражение, получившее название кариеса.

Первые случаи водно-нитратной метгемоглобинемии у младенцев описал в 1945 г. Comli. У детей, находившихся на искусственном вскармливании обнаружили акроцианоз, одышку, тахикардию и другие признаки гипоксии. Эссенциальность фактора -- это специфичность его участия в прямых метаболических процессах, необходимых для выживания данного организма и его потомства. Было установлено, что питательную смесь разводили водой с высоким содержанием нитратов. В 1949--1950 гг. случаи водно-нитратной метгемоглобинемии описал Uolton в США. За этот период зарегистрировано 278 случаев болезни, из них 39 -- смертельных.

Со временем было доказано, что водно-нитратная метгемоглобинемия диагностирована, как правило, у детей раннего возраста при искусственном вскармливании питательными смесями, приготовленными на воде с высокой концентрацией нитратов (свыше 45 мг/л) и нитритов.

Однако повышенное содержание нитратов в воде опасно для здоровья не только детей, но и взрослых. Это связано с ролью нитратов в синтезе нитрозаминов и нитрозамидов. Синтез происходит вследствие превращения нитратов в нитриты и взаимодействия последних с алифатическими и ароматическими аминами как в окружающей среде (в воде водоемов, почве, растениях), так и в организме человека (пищеварительном канале). Нитрозамидам и нитрозаминам (нитрозодиметиламин, нитрозодиэтиламин, нитрозодифениламин) свойственно мутагенное и канцерогенное действие. Большое количество возможных источников поступления нитрозаминов, нитрозамидов и их предшественников нитратов в водоемы хозяйственно-питьевого назначения, возможность их синтеза из нитратов в воде водоемов и пищеварительном канале, высокая растворимость и значительная стабильность делают питьевую воду одним из основных путей поступления нитрозамидов в организм человека. Поэтому повышенное содержание нитратов в воде способствует повышению онкологической заболеваемости населения.

С составом питьевой воды часто связывают эндемию зоба -- болезни, которая сопровождается увеличением щитовидной железы. Длительное время ее этиология оставалась неизвестной, хотя для лечения этой болезни издавна успешно применяли морские водоросли и соль. В средине XIX ст. французские врачи Прево и Шатен высказали мнение, что причиной развития эндемического зоба является дефицит йода в рационе населения, и предложили йодную профилактику. Они доказали, что эндемический зоб поражает население биогеохимических провинций, где наблюдается недостаточное количество йода во всех элементах биосферы -- почве, воздухе, воде, растениях, организме домашних животных. Патогенез эндемического зоба, в основе которого лежат нарушения функции щитовидной железы вследствие дефицита йода, является сложным. Он тесно связан с нарушением синтеза тиреоидных гормонов, угнетением тиреотропной функции гипофиза и секреторной активности щитовидной железы. В тяжелых случаях и без лечения развивается симптомокомплекс, подобный гипотиреозу, с отставанием в физическом и умственном развитии, кретинизмом. Суточный баланс йода, по А.П. Виноградову, такой: 70 мкг должно поступать с пищей растительного происхождения, 40 мкг -- с мясной пищей, 5 мкг -- с воздухом, 5 мкг -- с водой, т. е. в сумме 120 мкг/сут. На сегодня известно, что физиологическая суточная потребность в йоде несколько выше и составляет 150--200 мкг. Отмечена обратная корреляция между содержанием йода в воде источников, частотой и тяжестью течения болезни.

Существенное влияние на возникновение в условиях недостатка йода эндемического зоба оказывает дисбаланс других макро- и микроэлементов. Установлено, что высокие концентрации кальция в воде в эндемичных по зобу регионах стимулируют, повышают функцию щитовидной железы, способствуя развитию наиболее тяжелой узловой, коллоидной формы эндемического зоба. Кроме того, малое количество калия в суточном рационе в условиях йодной недостаточности также способствует функциональному возбуждению щитовидной железы, но при этом развивается паренхиматозная форма эндемического зоба. Избыточное количество марганца способствует угнетению функции щитовидной железы, механизм которого состоит в блокировании ферментов, принимающих участие в превращении неорганического йода в органическую, но не активную форму -- дийодтиронин. Кроме того, замедляется дальнейшая трансформация дийодтиронина в активную форму -- тироксин.

Кроме фтора и йода, еще некоторые микроэлементы в концентрациях, наблюдающихся в природной воде некоторых биогеохимических провинций, могут отрицательно влиять на здоровье. Например, в биогеохимических провинциях с повышенным содержанием стронция в воде глубоких подземных горизонтов, используемой для питья, у детей обнаружены нарушения развития костной ткани, в частности задержка прорезывания зубов, позднее закрытие родничков. Также замечено уменьшение удельного веса детей младшего школьного возраста с гармоничным морфофункциональным развитием. Патогенез указанных нарушений связан с известным в биохимии фактом конкурентных отношений стронция и кальция во время их распределения в организме, в частности в костной системе. Аналогичным является и патогенез эндемической уровской болезни, которая наблюдается у жителей Забайкалья и других районов Юго-Восточной Азии.

В середине XIX ст. среди населения одного из городов Силезии появились массовые заболевания, получившие название "копытной" болезни в связи с характерными наростами на стопах. Со временем было диагностировано хроническое отравление мышьяком. Копытная болезнь возникала у людей вследствие длительного употребления артезианской воды, которая в процессе формирования водоносного горизонта контактировала с арсенопиритом и содержала мышьяк в концентрации 1--2,2 мг/л.

Контрольные вопросы:

1. Геохимические, эндемические заболевания.

2. Микроэлементозы.

3. Суточная потребность фтора.

4. Кариес и флюороз.

5. Водно-нитратная метгемоглобинемия.

6. Эндемический зоб щитовидной железы.

7. Поступление йода с питьевой водой.

8. Роль кальция питьевой воды в формировании здоровья детей.

9. Влияние мышьяка питьевой воды на здоровье человека.

14.3 Техногенное загрязнение водных объектов

Отдавая должное эндемическому значению воды, следует четко понимать, что сегодня еще более угрожающим здоровью людей является техногенное загрязнение водоемов химическими веществами вследствие сбрасывания неочищенных или недостаточно очищенных сточных вод промышленных предприятий, поверхностного стока с сельскохозяйственных угодий, территорий свалок промышленных отходов и т. п. Попадание в воду токсических веществ даже в небольших количествах может представлять опасность для здоровья отдельного человека и населения в целом, вплоть до возникновения массовых отравлений. Это обусловлено тем, что химические вещества, загрязняющие воду водоемов, не задерживаются современными очистными сооружениями водопроводных станций.

Вероятность негативного воздействия повышается при загрязнении воды чрезвычайно токсичными и высокотоксичными веществами, обладающими мутагенной и канцерогенной активностью, эмбриотоксичностью и тератогенностью, репродуктивной токсичностью и сенсибилизирующими свойствами. Кроме того, риск вредного влияния выше, если вещество плохо и медленно разрушается в воде вследствие как физико-химических процессов (гидролиза и фотолиза), так и микробиологической деструкции. Стойкими в водной среде являются тяжелые металлы, хлорорганические соединения (ДДТ, ГХЦГ, алдрин, дилдрин, полихлорированные бифенилы, дибензодиоксины и дибензофураны), нитрозамины и т. п. С другой стороны, в воде в результате деструкции под воздействием различных физических, химических и биологических факторов могут образоваться более токсичные и опасные продукты трансформации. Например, нитраты могут превращаться в нитрозамины и нитрозамиды, являющиеся мутагенами и канцерогенами; ртуть неорганическая может трансформироваться в метилртуть, вызывающую болезнь Минаматы. Следует учесть и возможность комбинированного действия некоторых химических веществ при одновременном поступлении в организм с водой. Следствием этого чаще всего является суммация негативных эффектов, то есть аддитивное действие. Но вполне возможно и усиление эффекта, то есть потенцирование. Это свойственно тяжелым металлам, в частности свинцу и кадмию, полихлорированным диоксинам и дибензофуранам, хлорорганическим пестицидам ДДТ и ГХЦГ и т. п.

Химические вещества, находящиеся в воде в незначительных концентрациях, которые в 1,5--2 раза превышают ПДК, можно считать факторами низкой интенсивности. Они при длительном хроническом поступлении с водой оказывают неспецифическое влияние, связанное с угнетением общей сопротивляемости организма к действиям других вредных факторов. Первые последствия такого действия -- нарушение функций отдельных органов и систем с напряжением компенсаторно-приспособительных механизмов -- можно выявить только во время углубленных медицинских осмотров с использованием лабораторно-инструментальных методов исследования. В дальнейшем может наблюдаться увеличение неспецифической заболеваемости сначала наиболее чувствительных групп (младенцев, детей в возрасте до 14 лет, беременных, людей пожилого возраста, больных с хронической соматической патологией), а впоследствии и всего населения. Иногда при значительных уровнях загрязнения воды наблюдается специфическое действие химических веществ -- массовые хронические и острые отравления.

Контрольные вопросы:

1. Техногенное загрязнение.

2. Мутагенная и канцерогенная активность, эмбриотоксичность и тератогенность, репродуктивная токсичность и сенсибилизирующие свойства.

3. Комбинированное, комплексное действие.

14.4 Гигиенические нормативы качества питьевой воды

Питьевая вода, непосредственно используемая населением, должна быть доброкачественной, то есть иметь хорошие органолептические свойства, быть безвредной по химическому, в том числе и радионуклидному, составу, эпидемически безопасной и физиологически полноценной.

Органолептические свойства воды -- это те ее признаки, которые воспринимаются органами чувств человека и оцениваются по интенсивности восприятия. Обонятельные, вкусовые, зрительные, тепловые ощущения обусловлены физическими характеристиками воды и наличием в ней определенных химических веществ (органических, минеральных солей, газов). Именно они и придают воде запах, вкус, привкус, окраску, мутность и т. п. Поэтому органолептические свойства воды характеризуются показателями двух подгрупп: физико-органолептическими, представляющими собой совокупность органолептических признаков, воспринимаемых органами чувств, и химико-органолептическими, свидетельствующими о содержании определенных химических веществ, способных раздражать соответствующие анализаторы и обусловливать то или иное ощущение.

Хорошие органолептические свойства воды положительно влияют на организм человека. Так, приятная на вкус вода повышает остроту зрения и частоту сердечных сокращений, неприятная -- снижает. Нельзя не учитывать и эстетическое влияние органолептических свойств воды. Тут уместно вспомнить слова Ф.Ф. Эрисмана: "Было бы непростительной ошибкой считать удовлетворение такой эстетической потребности роскошью, поскольку тут эстетика и гигиена сливаются».

Учитывая изложенное выше, для характеристики интенсивности запахов воды еще в 1914 г. в США предложили пятибалльную шкалу: 0 -- запах не ощущается, его не выявляет даже опытный одоратор; 1 -- не определяется потребителем, но обнаруживается опытным одоратором; 2 -- слабый, обнаруживается потребителем только в том случае, если указать на него; 3 -- заметный, обнаруживается потребителем и вызывает его неодобрение; 4 -- отчетливый, обращающий на себя внимание и делающий воду не пригодной для питья; 5 -- очень сильный, определяемый на расстоянии, вследствие чего вода не пригодна для употребления.

Химические вещества, определяющие органолептические свойства воды. Эти показатели в свою очередь также разделяют на подгруппы: химические вещества, которые встречаются в природных водах, появляются в воде вследствие загрязнения водоемов или в процессе водоподготовки. К показателям, характеризующим природный химический состав воды, относятся: сухой остаток (минерализация общая), водородный показатель (pH), жесткость общая, содержание железа, сульфатов, хлоридов, марганца, меди, цинка. Сухой остаток (минерализация общая) -- это количество растворенных веществ, преимущественно минеральных солей, в 1 л воды. Количество органических веществ в сухом остатке составляет не более 10%, поэтому можно считать, что этот показатель характеризует общую минерализацию воды. Воду с сухим остатком до 1000 мг/л называют пресной. Именно такая минерализация свойственна воде рек, большинства пресных озер и водохранилищ. Воду называют солоноватой, если ее минерализация составляет 1000--3000 мг/л, и соленой при минерализации свыше 3000 мг/л, что характерно для воды морей и океанов.

Наиболее распространенными в природной воде являются: анионы СГ, SOj~, НСО3, СО3" и катионы Na+, K+, Ca2+, Mg2+, H+. В зависимости от того, какой анион или группа анионов преобладает, природные воды разделяют на три класса: 1) гидрокарбонатные и карбонатные (НСО~ и СО2 -); 2) сульфатные (SO*-); 3) хлоридные (Cl). Издавна с химическим (минеральным) составом воды связывали ее вкусовые качества и возможность развития у населения массовых заболеваний. Первый в мире норматив сухого остатка в воде был принят Брюссельской комиссией в 1853 г. Установили его (500мг/л) на основании среднего значения сухого остатка в воде водоемов Саксон-Веймарского герцогства, которая считалась доброкачественной по органолептическим свойствам и не вызывала заболеваний среди населения. Но со временем возникли другие предложения. Обосновывая норматив сухого остатка в питьевой водопроводной воде, прежде всего нужно учитывать его влияние на органолептические свойства. Известно, что значительное содержание минеральных солей придает воде соленый или горький вкус. Соленый вкус придают воде преимущественно натрия и кальция хлориды, горький -- магния сульфаты и хлориды. Потребители ощущают этот вкус, если общая минерализация воды превышает 1000 мг/л. Естественно, что вследствие неприятного вкуса уменьшается употребление воды. В экспериментальных исследованиях, проведенных с участием волонтеров, было установлено, что количество воды, употребляемой ими для утоления жажды, зависело от степени ее минерализации: при минерализации 500 мг/л количество выпитой воды равнялось 92%, 1000 мг/л -- 49%, 2000 мг/л -- 13% суточной потребности в питьевой воде..К тому же вода с повышенной минерализацией хуже утоляет жажду. Ощущение жажды возникает рефлекторно вследствие уменьшения количества воды в организме, главным образом в плазме крови. Даже незначительное обезвоживание приводит к повышению осмотического давления плазмы крови и к раздражению осморецепторов сосудов, что вызывает возбуждение определенных зон коры головного мозга -- так называемого центра жажды. Чтобы утолить жажду, нужно прекратить раздражение осморецепторов, то есть нормализовать осмотическое давление плазмы крови. Этого легче достичь, употребляя воду с низкой минерализацией, которая является гипотонической в отношении крови и межтканевой жидкости. Чтобы вода не имела горького и соленого вкуса интенсивностью свыше 2 баллов, ее сухой остаток не должен превышать 1000 мг/л. Именно такую воду называют пресной. То есть верхний предел минерализации (сухого остатка) питьевой воды -- 1000 мг/л -- установлен на основании влияния на органолептические свойства воды. Кроме того, опыты на лабораторных животных и результаты исследований, проведенных с участием волонтеров, свидетельствуют, что употребление высокоминерализованной воды небезразлично для организма: оно может приводить к расстройству многих метаболических и биохимических процессов и развитию различных нарушений как на функциональном, так и на морфологическом уровне. Так, употребление воды с сухим остатком, превышающим 1000 мг/л, сопровождается повышением гидрофильности тканей, задержкой воды в организме, уменьшением на 30--60% диуреза. Вследствие этого повышается нагрузка на сердечно-сосудистую систему и тяжесть течения хронических болезней: ишемической болезни сердца, стенокардии, миокардиодистрофии, гипертонической болезни. Повышается риск их обострения, что может привести к инфаркту миокарда и т. п.

Употребление воды с повышенной минерализацией может вызвать диспепсические расстройства у лиц, которые изменили место проживания. Это обусловлено содержанием в воде солей магния и прежде всего сульфатов, которые раздражают слизистую оболочку тонкой и толстой кишок, усиливая их перистальтику. Кроме того, под влиянием такой воды изменяется секреторная и моторная функции желудка. Установлено, что длительное употребление высокоминерализованной воды приводит к развитию и прогрессированию мочекаменной и желчнокаменной болезней.

Известно, что вода с низкой минерализацией (сухой остаток -- до 50--100 мг/л) неприятна на вкус. Ее длительное употребление может вызвать нарушения водно-электролитного баланса и обмена минеральных веществ. Так, в опытах на лабораторных животных и исследованиях, проведенных с участием волонтеров, установлено, что систематическое употребление дистиллированной воды приводит к нарушению водно-электролитного гомеостаза, которое основано на реакции осморецепторного поля печени, обусловливающей повышенный выброс натрия в кровь. Это явление сопровождается перераспределением воды между внеклеточной и внутриклеточной жидкостями.

Нижним пределом минерализации, при котором гомеостаз организма поддерживается адаптивными реакциями, является 100 мг/л. Оптимальный уровень минерализации питьевой воды составляет 200--400 мг/л. При этом минимальное содержание кальция должно быть не менее 25 мг/л, магния -- 10 мг/л. Таким образом, оптимальной считают минерализацию воды на уровне 300--500 мг/л. Вода с сухим остатком 100--300 мг/л считается удовлетворительной минерализации, 500--1000 мг/л -- повышенной, но допустимой минерализации. Солоноватая и соленая вода (с минерализацией выше 1000 мг/л) неприятна на вкус, ее употребление приводит к нарушениям в состоянии здоровья. Поэтому качественной следует считать питьевую воду, имеющую сухой остаток до 1000 мг/л.

Жесткость. Различают общую, карбонатную, постоянную и устранимую жесткость. Общая жесткость -- это природное свойство воды, обусловленное наличием так называемых солей жесткости, т.е. всех солей кальция и магния в сырой воде (сульфатов, хлоридов, карбонатов, гидрокарбонатов и др.).

Карбонатная жесткость -- это жесткость, обусловленная присутствием гидрокарбонатов и карбонатов Са+ и Mg+, растворенных в сырой воде. Устранимая, или гидрокарбонатная, жесткость -- это жесткость, которую удается устранить при кипячении воды. Она обусловлена гидрокарбонатами Са+ и Mg+, которые во время кипячения воды превращаются в нерастворимые карбонаты, и выпадают в осадок:

Са(НС03)₂ = СаС0₃4- + Н₂0 + C0₂.

Mg(HC03)₂ = MgC0₃4- + Н₂0 + С0₂.

Под постоянной жесткостью понимают жесткость кипяченой воды в течение 1 ч, которая обусловлена наличием хлоридов и сульфатов Са2+ и Mg2+, не выпадающих в осадок.

Вода с общей жесткостью до 3,5 мг-экв/л (10°) считается мягкой, от 3,5 до 7 мг-экв/л (10--20°) -- умеренно жесткой, от 7 до 10 мг-экв/л (20--28°) -- жесткой и свыше 10 мг-экв/л (28°) -- очень жесткой.

Впервые норматив общей жесткости воды был предложен в 1874 г. в Германии в качестве средней величины жесткости воды водоемов Саксон-Веймарского герцогства. Этот норматив составлял 18--20°, или приблизительно 7 мг-экв/л. Такую же величину рекомендовал и Ф.Ф. Эрисман в 1898 г. Вскоре, принимая во внимание разные местные условия, для некоторых регионов были предложены другие нормативы. Обосновывая норматив общей жесткости питьевой водопроводной воды, прежде всего необходимо учитывать ее влияние на органолептические свойства.

Известно, что значительное содержание солей жесткости, особенно магния сульфата, придает воде горький вкус. Потребители ощущают этот вкус, если общая жесткость воды превышает 7 мг-экв/л. При этом они отказываются от употребления такой воды и изыскивают альтернативные источники водоснабжения, вода которых может оказаться небезопасной в эпидемиологическом или токсикологическом отношении. Со временем было доказано, что в зависимости от жесткости вода по-разному влияет на здоровье людей. Резкий переход при пользовании от мягкой воды к жесткой, а иногда и наоборот, может вызвать у людей диспепсию, обусловленную прежде всего наличием в воде магния сульфата. В районах с жарким климатом пользование водой с высокой жесткостью приводит к ухудшению течения мочекаменной болезни. Теория об этиологической роли жесткости воды в развитии этого заболевания дала возможность урологам выделить так называемые каменные зоны -- территории, на которых уролитиаз можно считать эндемическим заболеванием. Питьевая вода, которой пользуются жители этих зон, характеризуется повышенной жесткостью. Опыты на животных подтвердили, что электролиты, обусловливающие жесткость воды, могут быть одними из этиологических факторов развития уролитиаза. Вода с высокой жесткостью способствует развитию дерматита. Механизм этого явления состоит в омылении солями жесткости жиров с образованием нерастворимых в воде кальциево-магниевых мыл, обладающих раздражающим действием.

Потребность человека в кальции удовлетворяется главным образом за счет молока и молочных продуктов. С водой средней жесткости (3,5--7 мг-экв/л, или 10--20°) кальций поступает в организм в количестве, равном приблизительно 15--25% физиологической суточной потребности. Дефицит кальция в организме развивается очень быстро, поскольку выведение его является постоянным и не зависит от поступления. Поэтому длительное пользование мягкой водой, обедненной кальцием, может привести к дефициту его в организме. Установлено, что у детей, которые проживают в районах с мягкой водой (до 3,5 мг-экв/л), на зубной эмали образуются лиловые пятна, которые являются следствием декальцинации дентина. Считают, что уровская болезнь (болезнь Кашина -- Бека), которая является эндемическим полигипермикроэлементозом стронция, железа, марганца, цинка, фтора, возникает в местностях с низким содержанием кальция в питьевой воде.

Показатели безвредности воды по химическому составу определяются химическими веществами, которые могут негативно влиять на здоровье человека, вызывая развитие разнообразных болезней. Их делят на химические вещества природного происхождения; вещества, которые добавляют в воду в качестве реагентов; химические вещества, которые поступают в воду вследствие промышленного, сельскохозяйственного или бытового загрязнения источников водоснабжения.

Химические вещества природного происхождения (бериллий, молибден, мышьяк, свинец, нитраты, фтор, селен, стронций) обусловливают эндемические болезни (молибден, селен, фтор) принадлежат к так называемым биомикроэлементам, то есть элементам, содержание которых в тканях не превышает 0,01%, но которые являются эссенциальными для человека. Они обязательно должны поступать в организм человека в оптимальных суточных дозах. При несоблюдении этого условия может развиться гипо- или гипермикроэлементоз. Другие вещества (бериллий, мышьяк, свинец, нитраты, стронций), позитивная роль которых в организме пока еще не установлена и которые не являются эссенциальными, при избыточном поступлении могут оказывать токсическое действие.

...