Состав природной воды

Вода является одним из загадочных явлений природы, без нее невозможна наша жизнь. И хотя люди издавна селились возле источников, использовали воду для удовлетворения питьевых нужд, в быту, в промышленности и сельском хозяйстве, знали о ее величайшей ценности, все-таки и поныне нет еще окончательного ответа на вопрос: "Что же это за феномен — вода?".

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.). Они содержатся также в тканях животных и растений в концентрациях, равных тысячным долям процента и меньше. Гигиеническое 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.

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-ораль-ный механизм передачи. Доказана возможность распространения через воду возбудителей холеры, брюшного тифа, паратифов А и В, сальмонеллеза, ши-геллеза, 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 ин фекции, в частности Коксаки и ECHO (эпидемическая миалгия, ангина, гриппоподобные и диспепсические расстройства, серозный менингоэнце-фалит), 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 колеи и слизистых оболочек, которые могут иметь фекально-оральный 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 (шисто-сомоз, 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.

Классические водные эпидемии описал выдающийся эпидемиолог профессор Л. В. Громашевский. Так, весной 1926 г. в Ростове-на-Дону вспыхнула острая водная эпидемия брюшного тифа. В то время в городе функционировало централизованное водоснабжение. Артезианскую воду подавали из подземных каптажных галерей. В результате разрыва канализационной сети нечистоты просочились в почву в радиусе 20 м и попали в подземные каптажные галереи. Сразу же после этого почти 20 тыс. человек обратились за медицинской помощью по поводу кишечных расстройств неясной этиологии. А еще через 2—3 нед резко увеличилась заболеваемость брюшным тифом (рис. 1). В период пика эпидемии заболели почти 2 тыс. человек. В дальнейшем уровень заболеваемости брюшным тифом снизился, однако превышал спорадический на протяжении лета, вплоть до сентября.

Хроническая водная эпидемия холеры была зарегистрирована в начале XXст. в Санкт-Петербурге. Неполная обеспеченность города централизованным водоснабжением и канализацией, отсутствие обеззараживания воды на водопроводе привели к тому, что завезенная в 1908 г. холера стала в Санкт-Петербурге перманентной. Уровень смертности от нее в период до 1909 г. составлял 80 на 10 тыс. населения. Городские власти были вынуждены в 1909 г. внедрить на водопроводе очистные сооружения и обеззараживание воды хлором, благодаря чему смертность от холеры снизилась почти вдвое и составляла 45 на 100 тыс. населения. Ситуация значительно улучшилась после 1922 г., когда был кардинально реконструирован водопровод и центральное водоснабжение охватило весь город. Уровень заболеваемости сразу снизился почти втрое (до 15 на 10 тыс. населения).

В современных условиях на пути распространения инфекционных болезней водным путем существует много препятствий: сооружения для очистки и обеззараживания сточных вод перед их сбрасыванием в водоемы; процессы самоочищения водоемов; сооружения для очистки и обеззараживания воды на водопроводных станциях. Казалось бы, есть все возможности для ликвидации распространения инфекционных болезней водным путем, однако этого не удается достичь на протяжении многих лет. 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.

В Украине с 1992 по 1996 г. зарегистрировано 29 вспышек острых кишечных инфекций, из которых 12 вызваны Sh. flexneri, 10 — S. thyphi, 5 — возбудителями вирусного гепатита А. По одной вспышке вызвано возбудителями »S'A. sonnei и патогенными Е. coli. При этом заболели 7401 человек, причем наиболее часто регистрировалось поражение вирусом гепатита А — 5306 человек. В 1997 г. было зарегистрировали 8 водных вспышек, в 1998 г. — 12.

Следует подчеркнуть, что полностью устранить риск возникновения кишечных инфекций невозможно, так как они могут распространяться не только через воду, но и через загрязненную пищу, руки, переноситься мухами и т. п. Вследствие этого поддерживается резервуар больных и носителей инфекции и спорадический уровень заболеваемости. Однако статистические данные убедительно свидетельствуют, что организация рациональной системы водоснабжения, очистки и обеззараживания воды на водопроводах способствует снижению заболеваемости населения кишечными инфекциями в 8—12 раз.

Распространение инфекционных болезней через воду теоретически и практически возможно только при наличии одновременно трех условий.

Во-первых, возбудители должны попасть в источник водоснабжения. При современном развитии канализации в населенных пунктах и постоянном наличии инфекционных больных и бактерионосителей (1—2% населения) эта угроза существует всегда.

Во-вторых, патогенные микроорганизмы должны сохранять вирулентность и жизнеспособность в водной среде на протяжении длительного времени (табл. 1). Этим обеспечивается сохранение микроорганизмов как биологического вида. Хотя для возбудителей инфекционных болезней характерен паразитический образ жизни, наблюдения свидетельствуют о возможности их длительного существования вне организма человека.

Сроки выживания патогенной микрофлоры в воде зависят от ряда факторов. Вода, по сравнению с другими объектами окружающей среды, такими, как почва и воздух, является более благоприятной средой для жизнедеятельности патогенных бактерий и вирусов. Длительность выживания 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.

В-третьих, возбудители инфекционных болезней должны попасть в организм человека с питьевой водой. Это условие может реализоваться при нарушении технологии очистки и обеззараживания воды или правил эксплуатации водопровода. В частности, в случае загрязнения источника воды на участке водозабора вследствие отведения неочищенных или недостаточно очищенных сточных вод в поверхностные водоемы, проникновения воды из расположенных выше горизонтов (поверхностных водоемов, верховодки, грунтовых вод) в межпластовые воды при нарушении герметичности водонепроницаемого перекрытия, несоблюдения режима очистки и обеззараживания на водопроводных станциях, неудовлетворительного санитарно-технического состояния водопроводной и канализационной сетей, неправильного устройства и эксплуатации водоразборных колонок и т. п. Для загрязнения воды в водопроводной сети при централизованном водоснабжении необходимые три условия: 1) нарушение герметичности водопроводных труб; 2) образование вакуума в трубах; 3) наличие источника загрязнения вблизи участка нарушения герметичности водопроводных труб. Кроме того, инфицирование возможно при использовании для питья и хозяйственно-бытовых нужд воды из технического водопровода, из цистерн, баков и т. п. Заражение энтеропатогенной микрофлорой может произойти и в случае заглатывания воды во время купания в поверхностных водоемах или употребления в пищу грязных овощей, выросших на полях, орошаемых речной водой. Врачу медико-профилактической специальности для выбора правильной тактики во время разработки профилактических мероприятий и контроля за их соблюдением, нужно четко знать не только перечисленные выше условия загрязнения воды, но и признаки водных эпидемий.

Основным из них является одновременное появление большого количества больных с кишечными инфекциями, т. е. резкое повышение заболеваемости населения, так называемая эпидемическая вспышка. К тому же болеют люди, которые пользовались либо одним водопроводом (если нарушен процесс обеззараживания на водопроводной станции), или одной веткой водопроводной сети (если загрязнение воды произошло в сети), или одной колонкой (так называемая колонковая эпидемия в случае загрязнения воды в колонке), или одним шахтным колодцем. Заболеваемость длительное время удерживается на высоком уровне, по мере загрязнения воды и употребления ее населением. После проведения комплекса противоэпидемических мероприятий (ликвидации очага загрязнения, дезинфекции водопроводных сооружений, санации колодца и т. п.) вспышка угасает, заболеваемость резко снижается, кривая инфекционной заболеваемости падает. Однако заболеваемость остается повышенной (более высокой, чем спорадический уровень) еще некоторое время, т. е. наблюдается так называемый эпидемический шлейф. Это вызвано появлением во время вспышки эпидемии большого количества новых потенциальных источников инфекции (больных и носителей) и активизацией других путей распространения патогенных микроорганизмов от этих источников — контактно-бытовых, через загрязненные руки, детские игрушки, предметы ухода, продукты питания или живыми переносчиками (мухами) и т. п.

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, гастроэнтеро-колиты) и лишь потом — с длительным (паратифы А и В, брюшной тиф, вирусный гепатит А и т. п.).