1 Обзор литературы
«Вода стоит особняком в истории нашей планеты. Нет природного тела, которое могло бы сравниться с ней по влиянию на ход основных, самых грандиозных, геологических процессов. Нет земного вещества – минерала, горной породы, живого тела, которое бы её не заключало. Всё земное вещество – под влиянием свойственных воде частичных сил, её парообразного состояния, её вездесущности в верхней части планеты – ею проникнуто и охвачено. Природная вода охватывает и создает всю жизнь человека. Едва ли есть какое – нибудь другое природное тело, которое бы до такой степени определяло его общественный уклад, быт, существование», - так писал В. И. Вернадский, подчеркивая особое положение воды, гидросферы в строении и истории Земли.
На нашей планете под влиянием техногенной деятельности сложилась принципиально новая ситуация: вода, которая создаёт жизнь и весь окружающей мир, сегодня как никогда нуждается в помощи человека. Чтобы не нарушать данные основы жизни, необходимо бороться с загрязнением природных вод, обеспечить сохранение их природного равновесия и естественное многообразие, приумножить ресурсы пресной воды, защитить воду как уникальный компонент Земли. Эта новая ситуация требует глубокого осознания и коренного изменения отношения человека к воде не только как ценному природному ресурсу, но особенно как к важнейшему компоненту окружающей среды. Прежде всего это выражается в том, что принятое понимание воды как основы жизни должно быть уточнено: чистая вода – жизнь, загрязненная – смерть [1].
1.1 Источники воды на Земле и ее значение
Природные воды всегда содержат примеси. Одни из них находятся во взвешенном состоянии, другие в - растворенном. От большей части взвешенных частиц вода может быть освобождена отстаиванием или, быстрее, фильтрованием сквозь толстые слои песка и т.п. Вода состоит из 11,2 вес. % водорода и 88,8 вес. % кислорода. При образовании её из элементов с одним объемом кислорода соединяются два объема водорода. В том же, конечно, соотношении находятся объемы газов, получаемых при разложении воды на элементы. Оба атома водорода (рис.1) в молекуле воды расположены по одну сторону от атома кислорода. Вследствии этого и высокой полярности связей Н-О молекула Н?О в целом характеризуется значительной полярностью.
Рисунок 1 - расположение атомных ядер в молекуле воды.
Результаты определения молекулярного веса водяного пара указывают на то, что соответствует простейшая формула - Н?О. Наоборот, в жидком состоянии вода ассоциирована, т.е. наряду с простыми молекулами содержит и более сложные образования, соответствующие общей формуле (Н?О)n, где n = 2,3,4 и т.д.
Жидкая вода в тонких слоях бесцветна, а в толстых имеет голубовато-зеленый цвет. В противоположность почти всем другим веществам, плотность которых по мере охлаждения все время возрастает, вода имеет наибольшую плотность при +4? С.
Чистая вода почти не проводит электрический ток. Она характеризуется наибольшей из всех жидких и твердых веществ удельной теплоёмкостью, т.е. для нагревания воды требуется затратить больше тепла, чем для нагревания на тоже число градусов равного по массе количества какой-либо другой жидкости или твердого тела. Обратно, при охлаждении вода отдает больше тепла, чем равное количество любого твердого или жидкого вещества [2].
Воды на Земле содержится примерно 1500 млн. км?, причём пресные воды составляют порядка 10% общего планетарного запаса воды. Большая часть воды находится не в открытых водоемах, а в земной коре: 110-190 млн. км?. Эти воды подразделяются на два типа в соответствии с глубиной их залегания - подземные и поверхностные воды.
Подземные воды глубокого залегания расположены в десятках - сотнях метрах от поверхности земли, они пропитывают пористые горные породы, а также образуют гигантские подземные бассейны, окруженные водонепроницаемыми слоями. Вода в таких подземных резервуарах находится под давлением.
Другой тип подземных вод поверхностные, расположенные в почве и верхних слоях земной поверхности на глубине нескольких метров. По сравнению с водами глубокого залегания у них есть один недостаток и одно преимущество. Недостаток: эти воды гораздо активнее контактируют с поверхностью земли и поэтому они слабее защищены от загрязнений, чем воды глубокого залегания. Преимущество этих вод заключается в том, что они более доступны и легко накапливаются в колодцах и поверхностных резервуарах.
Следующий по величине массив пресных вод (20-30 млн. км?) сосредоточен в ледниках Антарктиды, Гренландии и островов Северного Ледовитого океана.
Пресную воду из атмосферы (около 13 тыс. км?) мы получаем в виде осадков - дождя и снега.
Мировой океан содержит большие запасы воды, которая может быть опреснена различными физико-химическими методами.
Основной запас пресной воды, употребляемой человеком, сосредоточен в озерах и реках. Одно из крупнейших российских озерных хранилищ воды - озеро Байкал содержит около 20 тыс. км? воды. На сегодняшний день байкальская вода считается самой чистой в мире; она характеризуется следующими параметрами: содержание предельно допустимой концентрации (далее ПДК) в мг/л свинца - 0,7 (ПДК = 10), кадмия - 0,02 (ПДК = 1), ртути - 0,1 (ПДК = 1), мышьяка - 0,3 (ПДК = 10).
Другой источник воды – живые организмы. В растениях и животных, состоящих на две трети из воды, содержится 6 тыс. км? воды. Человеческий организм находится в состоянии непрерывного водного обмена с окружающей средой: он выделяет воду в виде пота и мочи и ежедневно восполняет водные потери пресной воды. Если нет возможности напиться воды, то вода организма теряется с потом и выдыхаемым воздухом, и в результате наступает угроза обезвоживания (дегидратации) организма. На первой стадии учащается пульс, возникает слабость, затем - головокружение и одышка. При обезвоживании, составляющем 10% от массы тела, происходят нарушение речи, зрения и слуха и потеря сознания. Гибель организма наступает от необратимых изменений в нервной и сердечно-сосудистой системах при водопотере 15-25% от массы тела (в зависимости от температуры окружающей среды) [3].
Так распределены водные ресурсы на нашей планете.
Вода жизненно необходима. Она нужна везде - в быту, сельском хозяйстве и промышленности. Вода необходима организму в большей степени, чем все остальное, за исключением кислорода. Человек может прожить без пищи 3-4 недели, а без воды - лишь несколько дней. Живой клетке вода требуется как для сохранения своей структуры, так и для нормального функционирования; она составляет примерно 2/3 массы тела. Вода помогает регулировать температуру тела, служит в качестве смазки, облегчающей движения суставов. Она играет важную роль в построении и восстановлении тканей тела. При резком сокращении потребления воды человек заболевает или его организм начинает хуже функционировать. Но вода нужна, конечно, не только для питья: она помогает содержать человеку в хорошем гигиеническом состоянии свое тело, жилище и среду обитания. Без воды невозможна личная гигиена, то есть комплекс практических действий и навыков, обеспечивающих защиту организма от болезней и поддерживающих здоровье человека на высоком уровне. Умывание, теплая ванна и плавание приносят ощущение бодрости и спокойствия [4].
Вода - важнейшая составляющая среды нашего обитания. После воздуха, вода второй по значению компонент, необходимый для человеческой жизни. Насколько важна вода, свидетельствует тот факт, что ее содержание в различных органах составляет 70 - 90%. С возрастом количество воды в организме меняется. Трехмесячный плод содержит 90% воды, новорожденный 80%, взрослый человек - 70% [5]. Вода присутствует во всех тканях нашего организма, хотя распределена неравномерно:
- мозг - 75%;
- сердце - 75%;
- легкие - 85%;
- печень - 86%;
- почки - 83%;
- мышцы - 75%;
- кровь - 83%.
Сегодня, как никогда, нашему организму очень важно получать чистую воду со сбалансированным минеральным составом. Она переносит отходы нашего тела, доставляет смазку к суставам, стабилизирует нашу температуру и является жизненной основой клетки. Вода необходима для поддержания всех обменных процессов, она принимает участие в усвоении питательных веществ клетками. Пищеварение становится возможным только тогда, когда пища приобретает водорастворимую форму. Измельченные крохотные частицы обретают способность проникать сквозь ткани кишечника в кровь и внутриклеточную жидкостью.
Более 85% всех обменных процессов нашего организма происходит в водной среде, поэтому недостаток чистой воды неизбежно приводит к образованию свободных радикалов в крови человека, что приводит к преждевременному старению кожи и, как следствие, образованию морщин. Потребление чистой воды обеспечивает нормальную работу внутренних органов [6].
Она сохраняет гибкость нашего тела, смазывает наши суставы и помогает проникновению питательных веществ. Хорошее снабжение организма чистой водой помогает бороться с избыточным весом. Это выражается не только в уменьшении чрезмерного аппетита, но и в том, что достаточное количество чистой воды способствует переработке уже накопленного жира. Эти жировые клетки с помощью хорошего водного баланса становятся способными покидать тело [7].
Вода является теплоносителем и терморегулятором. Она поглощает излишки тепла и удаляет его, испаряясь сквозь кожу и дыхательные пути. Вода увлажняет слизистые оболочки и глазное яблоко. В жару и при физических упражнениях происходит интенсивное испарение воды с поверхности тела. Потребление прохладной чистой воды, которая всасывается в кровь из желудка, обеспечивает своевременное охлаждение Вашего организма, предохраняя от перегрева. В течение тренировок, для нормального функционирования организма, необходимо выпивать небольшими порциями примерно 1 литр за час. Даже если не слишком утруждать себя физическими упражнениями, все равно
необходимо постоянно восполнять дефицит воды. Атмосфера в современных зданиях часто перегрета и кондиционирована. Это сушит воздух и обезвоживает организм. То же самое происходит при путешествиях на поездах, самолетах и автомобилях. Кофе, чай, алкоголь - все эти радости жизни способствуют выведению воды из организма. Обезвоживание организма на 10% приводит к физической и психической недееспособности. Потеря 20% воды приводит к смерти. В течение суток от 3 до 6% воды, содержащейся в организме, подвергается обмену. Половина воды, содержащейся в организме, обменивается в течение 10 дней. Количество воды, требуемое для поддержания водного баланса, зависит от возраста, физической активности, окружающей температуры и влажности. Суточная потребность взрослого человека составляет около 2.5 л [8].
При резком сокращении потребления воды человек заболевает или его организм начинает хуже функционировать. Но вода нужна, конечно, не только для питья: она помогает также содержать человеку в хорошем гигиеническом состоянии свое тело, жилище и среду обитания.
Ряд кожных и глазных заболеваний может быть предупрежден благодаря систематическому механическому удалению с поверхности тела и одежды с помощью мыла и воды болезнетворных микробов и других загрязнений [9].
Вода, которую мы потребляем, должна быть чистой. Болезни, передаваемые через загрязненную воду, вызывают ухудшение состояния здоровья, инвалидность и гибель огромного числа людей, особенно детей, преимущественно в менее развитых странах, обычным для которых является низкий уровень личной и коммунальной гигиены. Такие болезни, как брюшной тиф, дизентерия, холера, анкилостомоз, передаются, прежде всего, человеку в результате загрязнения водоисточников экскрементами, выделяемыми из организма больных [10].
Успех в борьбе с указанными болезнями или достижение полной их ликвидации зависит от того, как организована система удаления всех продуктов обмена, выделяющихся из организма человека, как поставлено дело обеспечения чистой водой всего населения.
Через воду могут передаваться инфекционная желтуха, туляремия, водная лихорадка, бруцеллез, полиомиелит. Вода подчас становится источником заражения человека животными паразитами - глистами. С загрязненной фекалиями водой в организм человека попадают яйца некоторых паразитических червей. В кишечнике они превращаются в паразитов (таковы аскариды, острицы). Наконец, через воду иногда происходит заражение лямблиями, которые поражают тонкий кишечник и печень.
Присутствие в воде железа не угрожает нашему здоровью. Но повышенное содержание солей железа в воде придает ей неприятный болотистый вкус. Если в такой воде постирать белье, на нем останутся ржавые пятна. Подобные же пятна появляются на посуде, раковинах и ваннах.
А с содержанием солей кальция и магния тесно связано другое свойство воды - ее жесткость. Сильно насыщенная солями вода причиняет массу неудобств: в ней труднее развариваются овощи и мясо, при стирке увеличивается расход мыла, накипь портит чайники и котлы, засоряет водопроводные трубы. Исследования ученых доказали, что существует определенная связь между употреблением жесткой воды и распространенностью некоторых болезней [11].
Здоровье человека в значительной мере зависит от качества воды, которую он использует в процессе жизнедеятельности. Далеко не всегда по внешнему виду или запаху воды можно сказать, насколько она безвредна, и можно ли ее пить.
1.2 Влияние качества питьевой воды на здоровье человека
Качество воды определяется и по наличию в ней химических включений, которые раньше всего обнаруживают наши органы чувств: обоняние, зрение. Так, микрочастицы меди придают воде некоторую мутность, железа – красноту [12].
Существуют основные показатели качества питьевой воды. Их условно можно разделить на группы:
- органолептические показатели (запах, привкус, цветность, мутность);
- токсикологические показатели (алюминий, свинец, мышьяк, фенолы, пестициды);
- показатели, влияющие на органолептические свойства воды (рН, жесткость общая, нефтепродукты, железо, марганец, нитраты, кальций, магний, окисляемость перманганатная, сульфиды);
- химические вещества, образующиеся при обработке воды (хлор остаточный свободный, хлороформ, серебро);
- микробиологические показатели (термотолерантные колиформы, общее микробное число).
Опыт работы лаборатории по анализу качества воды показал, что к наиболее распространенным загрязнителям воды (содержание компонентов превышает нормативы) можно отнести железо, марганец [13].
Питьевая вода - это, прежде всего, здоровье человека. Естественные воды заселены разнообразными живыми организмами, нередко опасными для здоровья человека. Действительно, 80% всех болезней в мире связано с неудовлетворительным качеством питьевой воды и нарушениями санитарно-гигиенических норм водоснабжения. Заболевания подразделяются на четыре типа:
- заболевания, вызываемые зараженной водой (тиф, холера, дизентерия, полиомиелит, гастроэнтерит, гепатит);
- кожи и слизистой, возникающие при использовании загрязненной воды для умывания (от трахомы до проказы);
- заболевания, вызываемые моллюсками, живущими в воде (цистосоматоз и ришта);
- заболевания, вызываемые живущими и размножающимися в воде насекомыми - переносчиками инфекции (малярия, желтая лихорадка и т. п.).
В целом от болезней, связанных с водой, страдает добрая половина человечества - около 2 млрд. человек. Это примерно соответствует той части населения земного шара, которая испытывает недостаток в чистой питьевой воде - 2,5 млрд. человек. Для систем водоснабжения сейчас созданы стандарты, определяющие безопасность и качество питьевой воды, специальные станции подготовки воды обрабатывают естественную воду перед подачей ее в распределительные сети. К такой системе человек пришел не сразу. За этот опыт миллионы людей заплатили жизнью. Современные системы водоснабжения часто дают сбои, что приводит к вспышкам заболеваний, связанных с водой. Так, в самой благоприятной по водоснабжению стране мира - США за период с 1971 по 1978 г. было зарегистрировано 202 эпидемии, охвативших до 50 тыс. человек. Американские исследователи считают, что регистрируется не более 10-30% подобных вспышек. Их причина - недостаточная очистка и обеззараживание воды [14].
Основные физико-химические свойства воды влияют на все процессы, в которых вода принимает участие. Наиболее важны, на наш взгляд, следующие свойства:
- чистота воды - наличие в ней примесей, бактерий, солей тяжелых металлов, хлора и др.;
- поверхностное натяжение - это степень сцепления молекул воды друг с другом. Этот параметр определяет степень усвояемости воды организмом. Чем более «жидкая» вода, тем меньше энергии требуется организму для разрыва молекулярных связей и осуществления взаимодействия;
- жесткость воды - свойство воды, обусловленное содержанием в ней ионов кальция (? Са2+), ионов магния (? Mg2+). Единицей жесткости воды является моль/м? (мг-экв/л);
Виды жесткости.
Общая жесткость - сумма молярных концентраций эквивалентов ионов кальция (? Са2+) и магния (? Mg2+) в воде.
Карбонатная жесткость - сумма молярных концентраций эквивалентов карбонатных ионов (СО32-) и гидрокарбонатных ионов (НСО3-) в воде.
Некарбонатная жесткость - разность между общей и карбонатной жесткостью.
Устранимая жесткость - жесткость воды, обусловленная наличием в воде карбонатных и гидрокарбонатных ионов солей кальция и магния, удаляемая при кипячении и определяемая экспериментально.
Неустранимая жесткость – разность между общей и устранимой жесткости.
Кислотно-щелочное равновесие воды. Основные жизненные среды (кровь, лимфа, слюна, межклеточная жидкость, спинномозговая жидкость и др.) имеют слабощелочную реакцию. При сдвигах их в кислую сторону, меняются биохимические процессы, организм «закисляется». Это ведет к развитию болезней, тоже самое происходит при ощелачивании организма.
Окислительно-восстановительный потенциал воды. Это способность воды вступать в биохимические реакции. Она определяется наличием свободных электронов. Это очень важный показатель для организма человека.
Структура воды. Вода представляет собой жидкий кристалл. Диполи молекулы воды ориентируются в пространстве определенным образом, соединяясь в структурные конгломераты. Это позволяет жидкости составлять единую биоэнергоинформационную среду. Вся жидкость в организме структурирована. Только в таком состоянии она способна проводить энергетические импульсы. Когда вода находится в состоянии твердого кристалла, молекулярная решетка жестко ориентирована. При таянии разрываются жесткие структурные молекулярные связи. И часть молекул, высвобождаясь, образует текучесть воды;
Минерализация воды. Наличие в воде макро- и микроэлементов необходимо для здоровья. Жидкости организма представляют собой электролиты, и восполнение минерального состава идет, в том числе, за счет воды [15].
Отрицательные свойства воде могут придавать те или иные компоненты в случае их содержания выше нормативов.
Повышенное содержание железа в воде (более 0,3 мг/л) в виде гидрокарбонатов, сульфатов, хлоридов, органических комплексных соединений или в виде высокодисперсной взвеси придает воде неприятную красно-коричневую окраску, ухудшает её вкус, вызывает развитие железобактерий, отложение осадка в трубах и их засорение. Если в такой воде постирать белье, на нем останутся ржавые пятна. Подобные же пятна появляются на посуде, раковинах и ваннах. При употреблении для питья воды с содержанием железа выше норматива человек рискует приобрести различные заболевания печени, аллергические реакции, др.
Повышенное содержание марганца в воде оказывает мутагенное действие на человека. При уровнях в системе водоснабжения, превышающих 0,1 мг/л, марганец приводит к появлению пятен на сантехническом оборудовании и белье, а также неприятного привкуса напитков. Присутствие марганца в питьевой воде может вызывать накопление отложений в системе распределения. Даже при концентрации 0,02 мг/л марганец часто образует пленку на трубах, которая отслаивается в виде черного осадка [16].
Иногда в питьевой воде встречается много солей соляной и серной кислот (хлориды и сульфаты). Они придают воде соленый и горько-соленый привкус. Употребление такой воды приводит к нарушению деятельности желудочно-кишечного тракта. Вода, в одном литре которой хлоридов больше 350 мг, а сульфатов больше 500 мг, считается неблагоприятной для здоровья. Содержание в воде катионов кальция и магния сообщает воде так называемую жесткость [17].
Существенное воздействие на здоровье населения могут оказывать и высокие уровни общей жесткости питьевой воды, т.е. совокупность свойств, обусловленных содержанием в воде ионов: Са, Мg, Fe. В отношении «эффектов» прямого влияния фактора жесткости воды на состояние здоровья человека мнения отечественных и зарубежных исследователей существенно расходятся. Установлена повышенная распространенность язвенной болезни (21 на 1000) в группе потреблявших воду с повышенной минерализацией и жесткостью и более тяжелое ее течение - осложнения с прободением и кровотечением (45,5%) по сравнению с группой потреблявших опресненную воду - показатели 8 на 1000 и 20% соответственно. В настоящее время нет общепризнанных критериев для количественной оценки возможного риска, связанного с повышенной жесткостью питьевой воды. В России при существующих уровнях общей жесткости в некоторых регионах, например, в Самарской области, у населения возможно развитие таких патологических эффектов, как отложение солей в мочевыводящих путях, гиперкальцинурия, изменения водно-солевого и белково-липидного обмена [18].
Вода также отвечает за зубы человека. От того, сколько фтора содержится в воде, зависит частота заболеваемости кариесом. Считается, что фторирование воды эффективно для профилактики кариеса, особенно у детей. Содержание фторидов в питьевой воде выше санитарных норм (не более 1,5 мг/л) оказывает вредное воздействие на здоровье человека. Фтор является активным в биологическом отношении микроэлементом, содержание которого в питьевой воде во избежание кариеса или флюороза зубов должно быть в пределах 0,7-1,5 мг/л.
Но кроме полезных примесей в воде находятся и другие, опасные соединения для организма человека.
Общее содержание солей в питьевой воде - минерализация - весьма важный фактор нормальной жизнедеятельности человеческого организма. В мировой практике стандартами на питьевую воду лимитируются только верхние уровни общей минерализации - 1000 - 1500 мг/л и основных солевых компонентов - хлоридов и сульфатов. Наименьшая минерализация свидетельствует о карбонатной агрессивности воды, а наибольшая - о сульфатной. Для питьевого водоснабжения могут использоваться воды с минерализацией не выше 1500 мг/л. У лиц более двух лет употреблявших высокоминерализованную питьевую воду с сухим остатком на уровне 3000 мг/л, как правило, отмечаются склонности к гипертензивным состояниям, появлению реактивности сосудов, а также изменениям в водно-солевом равновесии. С учетом имеющихся данных, нижний предел минерализации питьевой воды следует считать 300 мг/л, а оптимальным от 300 до 500 мг/л.
Наличие в воде сульфидов (сероводорода) придает воде неприятный запах, интенсифицирует процесс коррозии трубопроводов и вызывает их зарастание вследствие развития серобактерий. Сульфиды оказывают на человека токсическое действие и вызывают раздражение кожи. Сероводород ядовит для живых организмов [19].
По данным отечественных исследователей, употребление шахтной воды, содержащей 0,2 - 1 мг/л мышьяка, вызывает расстройство центральной, и особенно периферической, нервной системы с последующим развитием полиневритов. Безвредной признана концентрация мышьяка 0,05 мг/л.
Об опасности для здоровья содержания в воде свинца гигиенисты впервые заговорили в связи с массовыми интоксикациями, которые возникли при использовании на водопроводах свинцовых труб. Однако повышенные концентрации свинца могут встречаться в подземных водах. Вода считается безвредной в том случае, если содержание в ней свинца не более 0,03 мг/л.
Стронций широко распространен в природных водах, при этом его концентрации колеблются в широких пределах (от 0,1 до 45 мг/л). Длительное его поступление в больших количествах в организм приводит к функциональным изменениям печени. Вместе с тем продолжительное употребление питьевой воды, содержащей стронций на уровне 7 мг/л, не вызывает функциональных и морфологических изменений в тканях, органах и в целостном организме человека. Эта величина принята в качестве норматива содержания стронция для питьевой воды [20].
Согласно современным научным данным, нитраты в кишечнике человека под влиянием обитающих там бактерий восстанавливаются до нитритов. Всасывание нитратов ведет к образованию метгемоглобина и к частичной потере активности гемоглобина в переносе кислорода. Таким образом, в основе метгемоглобинемии лежит та или иная степень
кислородного голодания, симптомы которого проявляются в первую очередь у детей, особенно грудного возраста. Они заболевают преимущественно при искусственном вскармливании, когда сухие молочные смеси разводятся водой, содержащей нитраты, или при употреблении этой воды для питья. Дети старшего возраста менее подвержены этой болезни, а если заболевают, то менее тяжело, так как у них сильнее развиты компенсаторные механизмы.
