17

ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Медицинский институт

Кафедра гигиены, общественного здоровья и здравоохранения

Химические показатели качества питьевой воды

Учебно-методическое пособие для студентов

медицинского факультета

(VI семестр)

г. Пенза, 2003.

Информационный лист:

Учебно-методическое пособие «Химические показатели качества питьевой воды» подготовлено кафедрой гигиены, общественного здоровья и здравоохранения Пензенского государственного университета (заведующий кафедрой, к.м.н. Дмитриев А.П.).

В составлении принимали участие: к.м.н. Полянский В.В. (ответственный за подготовку), к.м.н. Баев М.В.

Учебно-методическое пособие подготовлено в соответствии с «Программой по «ГИГИЕНА» для студентов лечебных факультетов высших медицинских учебных заведений», разработанной Всероссийским учебно-научно-методическим Центром по непрерывному медицинскому и фармацевтическому образованию Минздрава России и утвержденной Начальником Управления учебных заведений Минздрава РФ Н.Н. Володиным в 1996 г.

Данное Учебно-методическое пособие подготовлено для студентов медицинского факультета для самостоятельной подготовки к практическому занятию по указанной теме.

Рецензент:

Заведующий кафедрой медицинских знаний и безопасности жизнедеятельности Рязанского государственного педагогического университета, доктор медицинских наук, профессор В.Ф. ГОРБИЧ.

Медицинская наука

не знает бесспорных истин

и ее история предстает чередой

долговременных научных споров,

отражающих диалектику ее саморазвития.

Тема занятия: Химические показатели качества питьевой воды.

Цели занятия:

1. Ознакомить студентов со значением химического состава питьевой воды для здоровья человека.

2. Определить основные гигиенические нормативы содержания химических веществ в питьевой воде.

3. Ознакомить студентов с влиянием ряда ингредиентов питьевой воды на заболеваемость населения.

Для подготовки следует использовать: Учебник по Гигиене под ред. акад. РАМН Г.И. Румянцева. – М., 2001. (Стр. 144-152, 164-175). Материалы лекций. Учебно-методическое пособие кафедры.

Когда говорится о воде как причине заболеваний неинфекционной природы, то имеется в виду влияние на здоровье населения химических примесей, наличие и количество которых обусловлено природными особенностями формирования источника водоснабжения либо антропогенными факторами.

Особенность воздействия химического состава питьевой воды обусловлена тем, что негативные реакции (или последствия) проявляются не сразу, а после продолжительного времени воздействия. Т.е. имеют более длительный период накопления, чем биологические агенты, и соответственно хронический характер воздействия.

Безвредность питьевой воды по химическому составу определяется СанПиН 2.1.4.1074-01 по следующим ингредиентам:

• Обобщенным показателям и содержанию вредных химических веществ, наиболее часто встречающихся в природных водах на территории Российской Федерации, а также веществ антропогенного происхождения, получивших глобальное распространение.

• Содержанию вредных химических веществ, поступающих и образующихся в воде в процессе ее обработки в системе водоснабжения;

• Содержанию вредных химических веществ, поступающих в источники водоснабжения в результате хозяйственной деятельности человека.

По данным ВОЗ наибольшее влияние на состояние здоровья могут оказать 37 неорганических элементов (алюминий, мышьяк, медь, кобальт, фтор, железо, свинец, натрий, цинк, ртуть, цианиды и пр.) + жесткость воды (кальций, магний) и ряд приоритетных органических загрязнителей (нитрозмаины, поверхностно-активные вещества, синтетические детергенты, нефтяные масла + бензин, хлорированные фенолы, хлорбензолы и другие).

Все нормированные в воде химические соединения по показателям токсичности, кумулятивности, способности вызывать отдаленные последствия делятся на четыре класса:

1 – чрезвычайно опасные (ртуть, ГХЦГ),

2 – высокоопасные (барий, молибден, стронций),

3 – опасные (аммиак, бензин, никель),

4 – умеренно опасные (хлориды, гексахлоран, сульфаты). Для каждого ПДК каждого вещества имеется определенный лимитирующий признак (сан.-токс., органолептический).

Влияние химического состава на состояние здоровья населения:

Существенное влияние на организм человека оказывает солевой и микроэлементный состав воды. Значение микроэлементов определяется тем, что они существенно влияют на общий обмен в качестве катализатора биохимических процессов.

Рассмотрим значение важнейших из них.

Фтор

В речные воды фтор поступает из пород и почв при разрушении фторсодержащих минералов (апатит, турмалин) с почвогрунтовыми водами и при непосредственном смыве поверхностными водами. Источником фтора также служат атмосферные осадки. Повышенное содержание фтора может быть в некоторых сточных водах предприятий стекольной и химической промышленности (производство фосфорных удобрений, стали, алюминия), в некоторых видах шахтных вод и в сточных водах рудообогатительных фабрик.

С фтором связано распространение двух массовых и совершенно различных заболеваний – эндемического флюороза и повышенной пораженности населения кариесом зубов. Флюороз распространен среди населения, проживающего в биогеохимических провинциях, где вода содержит высокие концентрации фтора (2-8 мг/дм3). Выраженность флюороза зависит от концентрации фтора в питьевой воде.

Недостаток фтора способствует повышенной заболеваемости кариесом зубов, который является полиэтиологическим заболеванием, при недостатке фтора развиваются нарушения обмена фтора и кальция в организме.

Более половины населения России (58,5%) потребляют питьевую воду с содержанием фтора менее 0,5 мг/дм3, что обуславливает заболеваемость более 60 % детей кариесом зубов.

Концентрация фтора в питьевой воде на уровне 1 мг/дм3 является оптимальной.

При фторировании питьевой воды концентрация фтора должна поддерживаться на уровне 70-80% от нормируемой (от 1 до 1,5 мг/дм3 в зависимости от региона).

Йод

Йод участвует в образовании гормонов щитовидной железы. Йодом особенно богаты морские продукты (креветки, мидии, морская капуста и рыбы). На сегодняшний день йоддефицитные состояния являются самой распространенной неинфекционной патологией в мире. Дефицит природного йода обусловливает широкое распространение эндемического зоба, нарушение интеллектуального и физического развития детей и подростков, увеличение частоты патологии среди беременных. В связи с йоддефицитными состояниями до 70% людей имеют снижение умственной и физической работоспособности, до 30% - мозговые нарушения, до 10% - кретинизм.

Свыше 65 % населения Российской Федерации проживает в условиях дефицита йода.

Однако, следует отметить, что суточный баланс йода складывается на 60%, поступающих с растительной пищей и морепродуктами, около 20% - с продуктами животного происхождения и по 10% - с водой и воздухом. Концентрация йода в питьевой воде имеет сигнальное значение для подтверждения наличия йодной эндемии на данной территории.

Селен

Данный элемент оказывает специфическое действие на тиоловые группы ферментов, повышенное содержание селена угнетает активность фосфорного обмена, приводит к снижению активности холинэстеразы, нарушению экскреторной функции печени и нарушению функции почек, подавлению иммунологической реактивности. Нормативный показатель – 0,01 мг/дм3.

Бериллий

Избыточное содержание угнетает эритропоэз в костном мозге, влияя т.о. на состояние красной крови и способствует развитию сосудисто-дистрофических нарушений в органах ЖКТ.

Общая минерализация (суммарный солевой состав воды)

Лимитриующим признаком нормирования является органолептический. Воды с повышенным содержанием солей имеют солоноватый или горьковатый привкус. Оптимальным показателем является 1000 мг/дм3.

Вода с повышенной минерализацией влияет на секреторную деятельность желудка, нарушает водно-солевой баланс, в результате чего может наступить дисбаланс метаболических и биохимических процессов в организме. Потребление маломинерализованной воды вызывает нарушение водно-солевого равновесия, в основе которого лежит реакция осморецептивного поля печени, выражающуюся в повышенном выбросе натрия в кровь – в результате происходит перераспределение воды между вне- и внутриклеточной жидкостью.

Основную часть сухого остатка составляют хлориды и сульфаты.

Повышенное содержание хлоридов оказывает наиболее неблагоприятное воздействие на организм людей, склонных к гипертензии. Норматив – 350 мг/дм3. Повышенные содержания хлоридов ухудшают вкусовые качества воды, делают ее малопригодной для питьевого водоснабжения и ограничивают применение для многих технических и хозяйственных целей, а также для орошения сельскохозяйственных угодий. Если в питьевой воде есть ионы натрия, то концентрация хлорида выше 250 мг/дм³ придает воде соленый вкус. Концентрации хлоридов и их колебания, в том числе суточные, могут служить одним из критериев загрязненности водоема хозяйственно-бытовыми стоками.

Сульфаты в повышенной концентрации могут оказать послабляющее действие (подобные реакции иногда диагносцируются как острые кишечные инфекции), вызывают нарушение секреторной деятельности желудка, процессов переваривания и всасывания пищи.

Повышенные содержания сульфатов ухудшают органолептические свойства. Поскольку сульфат обладает слабительными свойствами, его предельно допустимая концентрация строго регламентируется нормативными актами. Норматив – 500 мг/дм3.

Жесткость

Жесткость воды представляет собой свойство природной воды, зависящее от наличия в ней главным образом растворенных солей кальция и магния. Суммарное содержание этих солей называют общей жесткостью. Общая жесткость воды подразделяется на карбонатную, обусловленную концентрацией гидрокарбонатов (и карбонатов при рН 8,3) кальция и магния, и некарбонатную = концентрацию в воде кальциевых и магниевых солей сильных кислот. Поскольку при кипячении воды гидрокарбонаты переходят в карбонаты, которые выпадают в осадок, карбонатную жесткость называют временной или устранимой. Остающаяся после кипячения жесткость называется постоянной. Результаты определения жесткости воды обычно выражают в мг-экв/дм³.

В естественных условиях ионы кальция, магния и других щелочноземельных металлов, обуславливающих жесткость воды, поступают в воду в результате взаимодействия растворенного диоксида углерода с карбонатными минералами и других процессов растворения и химического выветривания горных пород. Источником этих ионов являются также микробиологические процессы, протекающие в почвах на площади водосбора, в донных отложениях, а также сточные воды различных предприятий.

Вода с жесткостью менее 4 мг-экв/дм³ считается мягкой, от 4 до 8 мг-экв/дм³ = средней жесткости, от 8 до 12 мг-экв/дм³ = жесткой и выше 12 мг-экв/дм³ = очень жесткой. Общая жесткость колеблется от единиц до десятков, иногда сотен мг-экв/дм³, причем карбонатная жесткость составляет до 70=80% от общей жесткости.

Обычно преобладает жесткость, обусловленная ионами кальция (до 70%); однако в отдельных случаях магниевая жесткость может достигать 50=60%. Жесткость морской воды и океанов значительно выше (десятки и сотни мг-экв/дм³). Жесткость поверхностных вод подвержена заметным сезонным колебаниям, достигая обычно наибольшего значения в конце зимы и наименьшего в период половодья.

Высокая жесткость воды ухудшает органолептические свойства воды, придавая ей горьковатый вкус и оказывая действие на органы пищеварения. Оказывает негативное влияние в хозяйственно-бытовом аспекте – образование накипи, повышенный расход моющих средств, плохое разваривание мяса и овощей. Соли кальция и магния могут быть одним из факторов развития уролитиаза (мочекаменная болезнь), пониженное содержание способствует развитию сердечно-сосудистых заболеваний (один из действующих факторов). Норматив – 7,0 мг-экв./л.

Железо

Железо относится к числу эссенциальных (жизненно важных) для человека микроэлементов, участвуя в процессах кроветворения, внутриклеточного обмена и регулирования окислительно-восстановительных процессов.

Организм взрослого человека содержит 4-5 г железа, которое входит в состав важнейшего дыхательного пигмента гемоглобина (55-70% от общего содержания), вырабатываемого костным мозгом и ответственного за перенос кислорода от легких к тканям, белка миоглобина (10-25%), необходимого для накопления кислорода в мышечной ткани, а также в состав различных дыхательных ферментов (около 1% общего содержания), например, цитохромов, катализирующих процесс дыхания в клетках и тканях. Кроме того, 20-25% железа храниться в организме как резерв, сосредоточенный в печени и селезенки в виде ферритина - железо-белкового комплекса, служащего "сырьем" для получения всех вышеперечисленным многообразных соединений железа. В плазме крови содержится не более 0,1% от общего содержания железа.

В целом, обмен железа в организме зависит от функционирования печени. При нарушениях в ее работе, а также при бедном железом рационе (например, при искусственном вскармливании детей, особенно чрезвычайно бедными железом коровьим и козьим молоком) возможно развитие железодефицитной анемии. Это заболевание характеризуется бледностью кожи и слизистых, одутловатостью лица и сопровождается общей слабостью, быстрой физической и психической утомляемостью, отдышкой, головокружениями, шумом в ушах.

При нарушении клеточного метаболизма может развиваться и обратное явление - избыточное накопление железа в организме. При этом содержание железа в печени может достигать 20-30 г, а также наблюдаться повышенная его концентрация в поджелудочной железе, почках, миокарде, иногда в щитовидной железе, мышцах и эпителии языка.

По распространенности в литосфере железо находится на 4-м месте среди всех элементов и на 2-м месте после алюминия среди металлов.

Железо входит в состав более 300-х минералов, но промышленное значение имеют только руды с содержанием не менее 16% железа: магнетит (магнитный железняк) - Fe₃O₄ (72,4% Fe), гематит (железный блеск или красный железняк) - Fe₂O₃ (70% Fe), бурые железняки (гётит, лимонит и т.п.) с содержанием железа до 66,1% Fe, но чаще 30-55%.

Главными источниками соединений железа в природных водах являются процессы химического выветривания и растворения горных пород. Железо реагирует с содержащимися в природных водах минеральными и органическими веществами, образуя сложный комплекс соединений, находящихся в воде в растворенном, коллоидном и взвешенном состоянии. Значительные количества железа поступают с подземным стоком и со сточными водами предприятий металлургической, металлообрабатывающей, текстильной, лакокрасочной промышленности и с сельскохозяйственными стоками.

Содержание железа в поверхностных пресных водах составляет десятые доли миллиграмма. Основной его формой в поверхностных водах являются комплексные соединения трехвалентных ионов железа с растворенными неорганическими и органическими соединениями, главным образом с солями гуминовых кислот - гуматами. Поэтому повышенное содержание железа наблюдается в болотных водах (единицы миллиграммов), где концентрация гумусовых веществ достаточно велика. При рН = 8.0 основной формой железа в воде является гидрат оксида железа Fe(OH)₃, находящийся во взвешенной коллоидной форме. Наибольшие же концентрации железа (до нескольких десятков миллиграмм в 1 дм³) наблюдаются в подземных водах с низкими значениями рН и с низким содержанием растворенного кислорода.

В подземных водах железо присутствует в основном в растворенном двухвалентном виде.

Содержащая железо вода (особенно подземная) сперва прозрачна и чиста на вид. Однако даже при непродолжительном контакте с кислородом воздуха железо окисляется, придавая воде желтовато-бурую окраску. Уже при концентрациях железа выше 0,3 мг/л такая вода способна вызвать появление ржавых потеков на сантехнике и пятен на белье при стирке. При содержании железа выше 1 мг/л вода становится мутной, окрашивается в желто-бурый цвет, у нее ощущается характерный металлический привкус. Все это делает такую воду практически неприемлемой как для технического, так и для питьевого применения. По органолептическим признакам ПДК железа в воде установлена на уровне 0,3 мг/л (по нормам ЕС 0,2 мг/л).

Основной путь поступления железа в организм человека - с пищей. По оценкам ВОЗ доля воды в общем объеме естественного поступления железа в организм среднестатистического человека не превышает 10%.  Средняя усвояемость железа из продуктов питания составляет около 10% (порядка 6% у мужчин и 14% - у женщин).

Всасыванию железа способствует витамин С - аскорбиновая кислота (восстанавливающая нерастворимое трехвалентное железо до растворимого двухвалентного), витамины группы В, микроэлементы медь и кобальт.

О вредном воздействии железа при его поступлении в организм с пищей и водой (по оценкам ВОЗ) нет достаточных данных. При уровне установленного ВОЗ переносимого суточного потребления железа, равном 0.8 мг/кг массы тела человека, безопасное для здоровья суммарное содержание железа в воде составляет 2 мг/л. Это означает, что употребляя ежедневно на протяжении всей жизни такую воду, можно не опасаться за последствия для здоровья (другое дело, что вода с 2 мг/л железа будет иметь весьма "неаппетитный" вид).

Ртуть

Значительные количества поступают в водные объекты со сточными водами электролизных производств, предприятий, производящих красители, пестициды, фармацевтические препараты, некоторые взрывчатые вещества.

Тепловые электростанции, работающие на угле, выбрасывают в атмосферу значительные количества соединений ртути, которые в результате мокрых и сухих выпадений попадают в водные объекты.

Понижение концентрации растворенных соединений ртути происходит в результате извлечения их многими морскими и пресноводными организмами, обладающими способностью накапливать ее в концентрациях, во много раз превышающих содержание ее в воде, а также в результате процессов адсорбции взвешенными веществами и донными отложениями.

В поверхностных водах соединения ртути находятся в растворенном и взвешенном состоянии. Соотношение между ними зависит от химического состава воды и значений рН. Взвешенная ртуть представляет собой сорбированные соединения ртути. Растворенными формами являются недиссоциированные молекулы, комплексные органические и минеральные соединения. В воде водных объектов ртуть может находиться в виде метилртутных соединений.

Содержание ртути в речных незагрязненных и слабозагрязненных водах составляет несколько десятых долей микрограмма в 1 дм³, средняя концентрация в морской воде 0,03 мкг/дм³, в подземных водах 1-3 мкг/дм³.

Соединения ртути высоко токсичны, они поражают нервную систему человека, вызывают изменение слизистой оболочки, нарушение двигательной функции и секреции желудочно-кишечного тракта, изменения в крови и др. Бактериальные процессы метилирования направлены на образование метилртутных соединений, которые во много раз токсичнее минеральных солей ртути. Метилртутные соединения накапливаются в пищевых цепях (например, фитопланктон-зоопланктон-рыба) и могут попадать в организм человека.

Повышенное содержание ртути в воде прямого токсического действия на организм не оказывает, но поскольку данный металл имеет способность кумулировать в организме рыб, имеется опасность употребления указанной рыбной продукции.

Цинк

В наибольших количествах поступает с пищей, имеет эстетическое значение (вода имеет неприятный вяжущий привкус и может образовывать при кипячении жирную пленку). Данный элемент имеет существенное значение для функционирования алкогольдегидрогеназы, т.к. в формулу данного фермента входит 4 атома цинка.

Алюминий

По распространенности в природе занимает 4-е место среди элементов и 1-е среди металлов (8,8% от массы земной коры). Известно несколько сотен минералов алюминия (алюмосиликаты, бокситы, алуниты и др.).

Алюминий широко применяется в быту (посуда) и технике: в авиации, автомобилестроении, строительстве (конструкционный материал, преимущественно в виде сплавов с другими металлами), электротехнике (заменитель меди при изготовлении кабелей и др.), пищевой промышленности (фольга), металлургии (легирующая добавка), а также имеет массу других применений.

Являясь одним из самых распространенных элементов в земной коре, алюминий содержится практически в любой природной воде. Алюминий попадает в природные воды естественным путем при частичном растворении глин и алюмосиликатов, а также в результате вредных выбросов отдельных производств (электротехническая, авиационная, химическая и нефтеперерабатывающая промышленность, машиностроение, строительство, оптика, ракетная и атомная техника) с атмосферными осадками или сточными водами.

Соли алюминия также широко используются в качестве коагулянтов в процессах водоподготовки для коммунальных нужд.  

Основным источником поступления алюминия в организм человека является пища.

Метаболизм алюминия у человека изучен недостаточно, однако известно, что неорганический алюминий плохо всасывается и большая часть его выводится с мочой. Алюминий обладает низкой токсичностью для лабораторных животных.

Тем не менее, отдельные исследования показывают, что токсичность алюминия проявляется во влиянии на обмен веществ, в особенности минеральный, на функцию нервной системы, в способности действовать непосредственно на клетки - их размножение и рост.

Избыток солей алюминия снижает задержку кальция в организме, уменьшает адсорбцию фосфора, одновременно в 10-20 раз увеличивается содержание алюминия в костях, печени, семенниках, мозге и в паращитовидной железе.

К важнейшим клиническим проявлениям нейротоксического действия относят нарушение двигательной активности, судороги, снижение или потерю памяти, психопатические реакции.

В некоторых исследованиях алюминий связывают с поражениями мозга, характерными для болезни Альцгеймера (в волосах больных наблюдается повышенное содержание алюминия). Однако имеющиеся на данный момент у Всемирной Организации Здравоохранения эпидемиологические и физиологические данные не подтверждают гипотезу о причинной роли алюминия в развитии болезни Альцгеймера.

Мышьяк

В природные воды мышьяк поступает из минеральных источников, районов мышьяковистого оруднения (мышьяковый колчедан, реальгар, аурипигмент), а также из зон окисления пород полиметаллического, медно-кобальтового и вольфрамового типов.

Некоторое количество мышьяка поступает из почв, а также в результате разложения растительных и животных организмов. Потребление мышьяка водными организмами является одной из причин понижения концентрации его в воде, наиболее отчетливо проявляющегося в период интенсивного развития планктона.

Значительные количества мышьяка поступают в водные объекты со сточными водами обогатительных фабрик, отходами производства красителей, кожевенных заводов и предприятий, производящих пестициды, а также с сельскохозяйственных угодий, на которых применяются пестициды.

В речных незагрязненных водах мышьяк находится обычно в микрограммовых концентрациях. В минеральных водах его концентрация может достигать нескольких миллиграммов в 1 дм³, в морских водах в среднем содержится 3 мкг/дм³, в подземных - встречается в концентрациях n·105 мкг/дм³. Соединения мышьяка в повышенных концентрациях являются токсичными для организма животных и человека: они тормозят окислительные процессы, угнетают снабжение кислородом органов и тканей.

Длительное употребление воды с повышенным содержанием мышьяка (более 2 мг/дм3) приводит к его кумуляции в организме и возникновению хронической мышьяковистой интоксикации (функциональное расстройство ЦНС и ПНС с последующим развитием полиневритов). Норматив – 0,05 мг/дм³.

Нитраты

При длительном употреблении питьевой воды и пищевых продуктов, содержащих значительные количества нитратов (от 25 до 100 мг/дм³ по азоту), резко возрастает концентрация метгемоглобина в крови. Крайне тяжело протекают метгемоглобинемии у грудных детей (прежде всего, искусственно вскармливаемых молочными смесями, приготовленными на воде с повышенным - порядка 200 мг/дм³ - содержанием нитратов) и у людей, страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями. Особенно в этом случае опасны грунтовые воды и питаемые ими колодцы, поскольку в открытых водоемах нитраты частично потребляются водными растениями.

Нитраты также являются косвенным признаком фекального загрязнения водоисточников.

Пестициды

В качестве обязательного нормируемого вещества в СанПиН даны ДДТ, линдан, 2,4 – дихлорфеноксиуксусная кислота (2,4 – Д).

ДДТ – оказывает токсическое влияние на ЦНС, ПНС и печень, откладывается в жировой ткани. В настоящее время в большинстве стран введен запрет на применение ДДТ (в РФ - с 1970 г.). Однако полный запрет на применение ДДТ существует не во всех странах, кроме того, во многих странах еще имеются солидные запасы ДДТ. Обладая высокой стойкостью, ДДТ метаболизируется в окружающей среде и в организме животных, давая метаболиты нескольких типов. ДДТ является канцерогеном и мутагеном, эмбриотоксином, нейротоксином, иммунотоксином, изменяет гормональную систему, обладает способностью к накоплению в организме животных и человека.

Линдан (ГХЦГ) – токсическое действие на ЦНС, при остром отравлении – симптомы общей интоксикации (тошнота, рвота, спазмы ЖКТ).

Мутность

Органолептический показатель - повышенная мутность свидетельствует о сниженной способности водоемов к самоочищению, снижает эффективность обеззараживания питьевой воды, косвенно свидетельствует о повышенном содержании энтеровирусов.