О ВОПРОСАХ МОЛЕКУЛЯРНОЙ, ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ТОКСИКОЛОГИИ ВОДЫ

О ВОПРОСАХ МОЛЕКУЛЯРНОЙ, ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ТОКСИКОЛОГИИ ВОДЫ

Опубликовано в категориях: Научные публикции Просмотров: 386

 ON ISSUES OF MOLECULAR, ECOLOGICAL AND TECHNOLOGICAL TOXICOLOGY OF WATER

Остроумов С.А. 1, Cai X.2

1 Faculty of Biology, Lomonosov Moscow State University, Moscow 119991, Russian Federation;

2 Shenzhen MSU-BIT University, Shenzhen, PR China;

ABSTRACT .

The article analyzes the problems of aquatic toxicology, which are associated with the environmental safety of water supply to the population. The issues of water treatment, including the problems of water disinfection, are analyzed. The relevance of considering the entire natural-technological complex, which includes both a natural aquatic ecosystem and a water treatment plant, is shown. It is proposed to consider a three-link natural-technological chain, which includes the three links: (1) natural aquatic ecosystem, (2) water treatment using modern technology, (3) delivery of potable water to the population. New arguments are given that emphasize the importance of the theory of ecosystem-driven water self-purification, originated and created in the publications [2-7].

KEYWORDS: aquatic ecosystem, aquatic toxicology, water disinfection, water treatment, ecological safety, ecosystem functioning, water quality, water resources.

АННОТАЦИЯ.

В статье сделан анализ проблем водной токсикологии, которые связаны с экологической безопасностью водоснабжения населения.  Проанализированы вопросы водоподготовки, в том числе проблемы дезинфекции воды.  Показана целесообразность рассмотрения всего природно-технологического комплекса, который включает в себя и природную водную экосистему, и предприятие водоподготовки. Предложено рассматривать трехчленную природно-экологическую цепь, которая включает  в себя три звена: (1) природную водную экосистему, (2) водоподготовку с использованием современной технологии, (3) доставку питьевой воды населению.  Даны новые аргументы, которые подчеркивают важность теории экосистемного самоочищения воды, созданную в публикациях  [2-7].

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: водная экосистема, водная токсикология, дезинфекция воды, водоподготовка, экологическая безопасность, функционирование экосистем, качество воды, водные ресурсы.

1.ВВЕДЕНИЕ.

Обеспечение населения водой высокого качества осуществляется на основе использования современной технологии водоподготовки. Обычно анализ всех связанных с этим научных и практических проблем проводится в строго очерченных рамках технологических и инженерных вопросов. Эти рамки на шкале времени таковы: во-первых, водозабор из источника водных ресурсов; во-вторых, доставка потребителю через систему водопровода.

Анализ в таких рамках необходим, но недостаточен. Целесообразно рассматривать более длинную цепочку звеньев природно-технологического комплекса.

Цель данной статьи – рассмотреть трехчленную  природно-технологическую цепочку из трех звеньев:

(1)природная экосистема,

(2) водоподготовка,

(3) доставка воды потребителю.

Рассмотрим первое звено этой цепи.

2. ВОДНАЯ ЭКОСИСТЕМА КАК ПЕРВОЕ ЗВЕНО ПРИРОДНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЦЕПИ.

До сих пор недооценивается важность того факта, что очищение воды, первая фаза водоподготовки начинается в природном водном объекте. Таким природным объектом служат водные экосистемы озера, реки или водохранилища. Вопросы функционирования водных экосистем являются объектом серьезного научного анализа  [1]. В работе первого из соавторов и предыдущих публикациях были даны систематизированные аргументы и показано, что водная экосистема функционирует как аналог высокотехнологического устройства, крупномасштабного биореактора с функцией очищения воды [2]. В ряде публикаций соавтор этой статьи продолжил анализ функционирования водных экосистем и детализацию инновационной теории самоочищения воды  [3-7].

В функциональной структуре водной экосистемы соавтор этой статьи  выявил и предложил выделять аналоги нескольких типов технических устройств. Эти типы технических устройств мы идентифицировали  следующим образом:

  • насосы(pumps) [ 4 ];
  • фильтры (filters) [ 4 ];
  • мельницы (mills) [ 4 ].

Роль компонентов биоты, водных организмов, как аналогов этих технических устройств соавтор этой статьи выявил, описал и систематизировал в серии публикаций на русском [2-5] и английском [6, 7] языках. Эти и другие наши публикации были положительно оценены и цитировались отечественными и зарубежными учеными  [8-11].

В последних работах соавтор этой статьи предложил добавить к вышеназванным типам механизмов некоторые другие механизмы.

Важным выводом из вышесказанного является следующее. Качество воды, поступающей через водозабор на предприятия водоподготовки, кардинальным образом зависит от эффективности функционирования вышеназванных механизмов, от эффективности функционирования водной экосистемы и конкретно от функционирования биологических организмов, входящих в данную экосистему. Функционирование биологических организмов описывается в терминах физиологии и биохимии, которые , конечно, находятся за рамками квалификации, интересов и внимания специалистов по водоподготовке, а также экспертов, анализирующих вопросы менеджмента  системы водоснабжения населения.  Это  негативно сказывается на решении проблем водоснабжения.

Водозабор в водных экосистемах поставляет воду, как начальный ресурс, в предприятия  водоснабжения. Рассмотрим прохождение воды через эти предприятия.

3. ВТОРОЕ ЗВЕНО ПРИРОДНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЦЕПИ - ПРЕДПРИЯТИЯ ВОДОПОДГОТОВКИ.

На этих предприятиях вода проходит несколько этапов обработки. Используемые технологические процессы могут различаться на различных предприятиях. Но, как правило, эти процессы включают в себя следующие:

  • седиментация, осаждение взвесей;
  • при необходимости фильтрация;
  • дезинфекция.

Более полный список способов обработки воды при водоподготовке:

(1)    механическая очистка воды от нерастворённых загрязнений (сора, песка, ржавчины, окалины, крупно- и мелкодисперсных взвесей);

(2)   осветление  воды (удаление из воды коагуляцией, отстаиванием и фильтрованием коллоидальных и суспензированных загрязнений);

(3)   умягчение воды (устранение жёсткости воды осаждением солей кальция и магния, известью и содой или удаление их из воды катионированием);

(4)  обессоливание и обескремнивание  воды (ионный обмен или дистилляцией в испарителях);

(5)    удаление из воды растворённых газов (термическим или химическим способом)

(6)    удаление из воды оксидов металлов  -железа, марганца и меди (фильтрованием).

(7)   биологическая очистка воды от бактерий, вирусов и других микроорганизмов. В настоящее время в основном используется хлор, озон и УФ-стерилизация.

При дезинфекции активно используется хлор  и хлор-содержащие вещества (такие, как гипохлорит натрия, гипохлорит кальция).

При обработке воды может происходить фрагментация  и преобразование молекул органического вещества, растворенного в исходной природной воде.  В воде поверхностных водных экосистем всегда присутствует растворенное органическое вещество (РОВ).

Для тематики данной статьи существенно, что при дезинфекции воды в результате фрагментации и трансформации молекул РОВ всегда образуются побочные продукты дезинфекции, ППД (disinfection byproducts ).  Сюда относится большое число химических веществ. Сейчас выявлено около 600 химических веществ этой группы. Изучение биологической активности этих веществ занимает много времени и требует больших усилий. Установлено, что среди них  - много веществ, вредных для живых организмов, включая человека. Примеры ППД: хлороформ, дихлорбромметан, бромдихлорметан, трибромметан, трихлорфенол, 2-хлорфенол, дихлорацетонитрил  и др. [12, 13]. Молекулы этих веществ токсичны. Они могут отрицательно влиять на здоровье человека.

Примеры некоторых побочных продуктов дезинфекции воды путем хлорирования даны в таблице 1.

Таблица 1. Примеры молекул некоторых побочных продуктов дезинфекции воды путем хлорирования, микрограмм/литр  (по данным многих авторов, см.  [12])

Вещество

Концентрация (медиана, по большому числу измерений)

Концентрация (максимальная, по большому числу измерений

Хлороформ (Chloroform)

25

240

Бромдихлорметан (Bromodichloromethane)

9.5

90

Хлорбромметан (Chlorodibromomethane)

1.6

36

Дихлоруксусная кислота (Dichloroacetic acid)

15

74

Озонирование также опасно.  При озонировании в водной среде образуются молекулы более 80 ППД озонолиза. Некоторые из них даже более опасны, чем ППД при хлорировании, — это молекулы химических соединений 1–2 классов опасности: альдегиды, кетоны, органические кислоты, бромсодержащие  вещества из группы тригалогенметанов — ТГМ, включая бромоформ), броматы (в присутствии бромидов), пероксиды, бромуксусная кислота и др. [13].

Некоторая дополнительная информация о примерах молекул побочных продуктов дезинфекции воды путем озонирования дана в таблице 2.

Таблица 2.

Примеры молекул некоторых побочных продуктов дезинфекции воды путем озонирования, микрограмм/литр  (по данным по данным многих авторов, см.  [12]).

Вещество

Концентрация (диапазон, по большому числу измерений)

Формальдегид (Formaldehyde)

1-50

Ацетальдегид (Acetaldehyde)

1-50

Глиоксаль (Glyoxal)

0 - 15

Рассмотрим следующее, третье звено природно-технологической цепи от источника водоснабжения до потребителя.

4. ТРЕТЬЕ ЗВЕНО  ПРИРОДНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЦЕПИ – ДОСТАВКА ВОДЫ ПОТРЕБИТЕЛЮ.

Доставка осуществляется с использованием водопровода.  На трубах  внутри возникает покрывающая их бактериальная пленка (biofilm). Существует опасность размножения патогенных бактерий. Чтобы предотвратить  риск бактериального заражения воды на пути к потребителю, перед отправкой очищенной воды ее дополнительно дезинфицируют добавкой хлора. Расчет делается на то, что хлор в этой воде будет убивать болезнетворные бактерии, если они попадут в воду на пути к потребителю.

В результате вода отвечает стандартному набору требований в плане микробиологической безопасности и определенным стандартам качества воды, но содержит токсичные компоненты. Это молекулы хлора и около 600 побочных продуктов дезинфекции.

5. ЧТО ДАЕТ РАССМОТРЕНИЕ ВСЕЙ ТРЕХЧЛЕННОЙ  ПРИРОДНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЦЕПИ.

Рассмотрение всей цепи целиком, включая начальное звено – формирование качества воды в природной водной экосистеме – дает возможность осознать важную вещь: то, что качество питьевой воды гораздо больше зависит от качества воды в природной водной экосистеме, чем обычно думают.  Большинство людей в обществе и, в том числе, практически все технологи и инженеры, вовлеченные в систему водоснабжения, абсолютно убеждены в могуществе современной технологии. В том числе, они убеждены, что качество питьевой руки полностью в их руках. Многие полагают, что если они получат достаточно средств для постройки и налаживания работы предприятий водоснабжения, то они гарантированно обеспечат любое качество питьевой воды, сделают ее полностью безопасной и соответствующей необходимым параметрам и требованиям. Это убеждение настолько же широко распространено, насколько оно глубоко ошибочно.

Вот каким образом можно увидеть ошибочность такого технологического оптимизма. Для чего в воду добавляется хлор или хлорсодержащие вещества? Для того, чтобы убить вредные бактерии и другие типы инфекции. К таким другим видам инфекции относятся, например, цисты некоторых одноклеточных организмов, а именно простейших (протистов, protists, Protozoa).  Чем ниже качество исходной воды, поступающей через водозабор из водной экосистемы, тем больше хлора или хлорсодержащих веществ надо добавлять в воду при водоподготовке. Но автоматическим последствием этого становится то, что в воде образуется и остается повышенное содержание побочных продуктов дезинфекции. Вода становится микробиологически безопасной, но нарастает содержание опасных для здоровья химических веществ. Концентрация  молекул каждого из этих веществ маленькая, но суммарное количество этих веществ перевалило за 600 и продолжают выявляться новые вредные вещества.

От чего зависит количество образующихся в питьевой воде побочных продуктов дезинфекции? Вспомним, что количество добавляемого в воду хлора и хлорсодержащих веществ зависит от качества исходной воды, забираемой из водной экосистемы. А от чего зависит качество воды в экосистеме? Благодаря нашему анализу трехзвенной цепи мы можем дать ответ на этот вопрос, который ранее ускользал от внимания технологов и инженеров. Качество воды в экосистеме зависит от наличия, благополучия, численности и здоровой жизнедеятельности водных организмов. Эта зависимость была подробно проанализирована в серии наших предыдущих публикаций, которые в совокупности сформировали созданную нами инновационную теорию самоочищения воды.

Приходится констатировать, что  вопросы химизма и качества воды, поступающей к населению, намного сложнее, что это кажется на первый взгляд.

Среди небезопасных для здоровья факторов, которые усложняют эти вопросы, следующие.

(1)Остаточное содержание хлора или хлор-содержащих веществ, используемых для дезинфекции;

(2)Побочные продукты дезинфекции;

(3) Активные формы кислорода. Мы не касались этого вопроса в тексте этой краткой статьи, но этот фактор тоже может иметь значение.

В дальнейших работах мы надеемся продолжить эту тему, имеющую практическое значение.

6.ВЫВОДЫ.

(1)Молекулы растворенного органического вещества и трансформация этих молекул в результате дезинфекции воды имеют большое значение для водной токсикологии и формирования качества воды, химического состава питьевой воды, подаваемой населению.

(2)Для оптимизации и улучшения экологического менеджмента в области обеспечения населения водой надлежащего качества целесообразно рассматривать в едином комплексе вопросы функционирования природно-технологической цепи от природного источника водоснабжения до потребителя.

(3)В функциональной структуре такой цепи необходимо выделять три звена: природную водную экосистему, водоподготовку и доставку воды потребителю.

(4)Для оценки эффективности и состояния природной водной экосистемы как первого звена целесообразно учитывать теорию экосистемного самоочищения воды, созданную в публикациях [2-7].

 ЛИТЕРАТУРА

1.Алимов А.Ф. Элементы теории функционирования водных экосистем. СПб.: Наука, 2000, 147 с.

2. Остроумов С.А. Водная экосистема: крупноразмерный диверсифицированный биореактор с функцией самоочищения воды // Доклады РАН (ДАН), 2000, т. 374, №3, с. 427–429. https://www.academia.edu/1012207/; https://www.researchgate.net/publication/265382167;

3.Остроумов С.А. Концепция водной биоты как лабильного и уязвимого звена системы самоочищения воды // Доклады РАН (ДАН), 2000, т. 372, №2, с. 279–282. https://istina.msu.ru/publications/article/1062062/; https://www.academia.edu/37989611/ ; https://www.researchgate.net/publication/265127438https://www.researchgate.net/publication/12375514;

4.Остроумов С.А. О биотическом самоочищении водных экосистем. Элементы теории // Доклады РАН (ДАН), 2004, т. 396, №1, с. 136–141. https://www.researchgate.net/publication/265294672;

5.Остроумов С.А. Гидробионты в самоочищении вод. М.: МАКС-Пресс. 2008. 200 c. https://www.researchgate.net/publication/266200066;

6.Ostroumov S.A. Inhibitory analysis of top-down control: new keys to studying eutrophication, algal blooms, and water self-purification // Hydrobiologia, 2002, Vol. 469, p. 117–129. https://www.researchgate.net/publication/200587396;

7.Ostroumov S.A. On some issues of maintaining water quality and self-purification. //Water Resources. 2005. 32(3):305-13. https://www.academia.edu/790308/ ;

8.Открытие нового вида опасных антропогенных воздействий в экологии животных и биосфере: ингибирование фильтрационной активности моллюсков поверхностно-активными веществами / Ред. Г.В. Добровольский, Г.С. Розенберг, И.К. Тодераш. М.: МАКС-Пресс, 2008. 108 с. http://scipeople.com/publication/68661/; https://www.researchgate.net/publication/308515104;

9. Malakhov V.V. Review of the book (Ostroumov, S.A., 2004. Biotic Mechanism of Self-purification of Freshwater and Marine Water. MAX Press, Moscow) // Ecological  Studies, Hazards, Solutions. 2004. Vol.10. p.138.

10. Rozenberg G.S. Review of the book (Ostroumov, S.A., 2004. Biotic Mechanism of Self-purification of Freshwater and Marine Water. MAX Press, Moscow) // Advances of Modern Biology. 2005. No.3. P. 317-318.

11. Vaughn, C.C., Nichols, S.J. and Spooner, D.E., 2008. Community and foodweb ecology of freshwater mussels // Journal of the North American Benthological Society, 27(2), pp.409-423.

12.Boorman G.A. Drinking water disinfection byproducts: review and approach to toxicity evaluation. // Environmental health perspectives. 1999;107 (supplement 1): 207-217.

13.Дроздова Е.В., Гирина В.В., Бурая В.В., Фираго А.В. Генотоксический потенциал побочных продуктов дезинфекции воды. // Мультидисциплинарный  подход к диагностике и лечению коморбидной патологии. Гомель, Гомельский государственный медицинский университет, 2018:155-158.

Яндекс.Метрика