ЭССЕНЦИАЛЬНЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА. ЭНДЕМИЧЕСКИЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ

В природе нет химически чистой воды вследствие большой растворяющей способности воды по отношению к веществам с полярной и ионной структурой. Такое свойство воды объясняется аномально высоким значением ее диэлектрической проницаемости, равной 78,3 при 298 К. Даже самые чистые атмосферные осадки над Антарктидой содержат до 5 мг/л растворенных солей.

А содержание солей в дождевой воде в районах с интенсивной вулканической деятельностью достигает 1000 мг/л.

Состав примесей природных вод формируется в результате взаимодействия воды с окружающей средой — горными породами, почвой, атмосферой. При этом протекают следующие процессы: растворение соединений; взаимодействие веществ с примесями водных растворов; биохимические реакции в организмах флоры и фауны; коллоидно-химические взаимодействия. Действие этих процессов определяется температурой, давлением, геологическими особенностями горных пород. В природных водах присутствует более 70 химических элементов.

Главнейшими природными соединениями, определяющими в основном состав природных вод, являются: галит — NaCl, гипс — CaS0₄ ? 2Н₂0, кальцит — СаС0₃ и доломит — CaMg(C0₃)₂.

Более 90% растворенных солей представлено одними и теми же анионами и катионами, которые называются главными (основными). Это катионы Na⁺, Са²⁺, Mg²⁺ и К⁺ и анионы HC0₃, SOf~ и СГ.

Концентрация основных ионов в природных водах определяет ее минерализацию (солесодержание), которая лимитируется условиями водопользования.

По величине минерализации природные воды разделяют на восемь видов (табл. 9.1).

Хорошая питьевая вода содержит не более 0,5 г/л солей. Но в некоторых районах для питья используют и воды,

Та б л и а, а 9.1

Классификация природных вод по значению минерализации

содержащие 1-3 г/л солей. Воды с повышенной минерализацией способствуют отложению солей, а ультрапресные воды обладают способностью выводить соединения кальция из организма человека, поэтому к их использованию для питья следует подходить с осторожностью.

Согласно классификации природных вод по химическому составу, предложенной О. А. Алекиным, по преобладающему аниону они делятся на три класса: карбонатный (или гидрокарбонатный), сульфатный и хлоридный.

Класс гидрокарбонатных вод объединяет пресные и ультрапресные воды рек, озер и включает значительное количество подземных вод. Наличие гидрокарбонат-иона в природных водах — результат растворения карбонатных пород угольной кислотой.

Класс хлоридных вод объединяет воды морей, лиманов и подземные воды солончаковых районов. Хлориды появляются в природных водах при растворении пород, их содержащих, и выбрасываются в большом количестве при извержении вулканов. В пресных водах концентрация хлоридов невелика. Избыточное поступление в организм хлористого натрия связывают с увеличением частоты сердечно-сосудистых заболеваний. Так, у людей, длительно и постоянно употреблявших высокоминерализованные питьевые воды с содержанием хлоридов 1400 мг/л, отмечается склонность к повышенной реактивности сосудов и некоторым особенностям водно-солевого обмена. При употреблении питьевой воды с содержанием хлоридов на уровне 300- 400 мг/л отклонений в состоянии сердечно-сосудистой системы и водно-электролитного баланса не выявлено.

Сульфатные воды по распространению и минерализации занимают промежуточное положение между хлорид- ными и карбонатными водами. Сульфат-ионы поступают в природные воды при растворении гипсовых пород, мирабилита, окислении сульфидов, серы и органических серосодержащих соединений. Содержание SO4^- лимитируется в питьевой воде: при концентрации более 500 мг/л наступает расстройство деятельности желудочно-кишечного тракта.

По преобладающему катиону классы вод делятся на три группы: кальциевую, магниевую и натриевую.

Ионы Са²⁺ и Mg²⁺ присутствуют во всех природных водах. Их источник — растворение известняков, доломитов, гипса, сложных алюмосиликатов. Ионы Са²⁺ характерны для мало- и среднеминерализованных вод. При повышении со- лесодержания до 1 г/л содержание Mg²⁺ увеличивается, что обусловлено лучшей растворимостью в воде солей магния.

В минерализованных водах ионы Са²⁺ и Mg²⁺ становятся преобладающими. В санитарно-гигиеническом отношении ионы Са²⁺ и Mg²⁺ не представляют опасности.

Содержание солей кальция и магния обусловливает жесткость воды. По величине жесткости различают четыре типа природных вод (табл. 9.2).

Хорошая питьевая вода должна иметь жесткость не более 7 мг-экв/л.

При употреблении воды, жесткость которой превышает 10 мг-экв/л, происходит усиление местного кровотока, изменяется процесс фильтрации и реабсорбции в почках. Данное явление служит защитной реакцией организма, но из-за продолжительного влияния возникает истощение регулирующих систем. В конце концов развиваются патологические изменения: мочекаменная болезнь, склероз, гипертония.

Таблица 9.2

Классификация природных вод по величине жесткости

Наиболее простым способом умягчения воды является кипячение, в результате которого в осадок выпадают гидрокарбонаты кальция и магния и жесткость воды снижается. Величину снижения жесткости называют устранимой жесткостью. Однако избыточные количества хлоридов и сульфатов кальция и магния удалить из воды кипячением нельзя. Жесткость, обусловленная их присутствием, называется неустранимой. В этом случае умягчение воды проводят физико-химическими методами (ионный обмен, обратный осмос и др.). Однако многие исследователи проблем минерального состава вод считают, что употреблять слишком мягкую воду вредно.

Постоянно возрастает число сообщений об обратной зависимости между жесткостью воды и смертностью от сердечно-сосудистых заболеваний. Некоторые авторы полагают, что благотворное влияние на сердечно-сосудистую систему жестких вод обусловлено присутствием магния. При обследовании населения, употреблявшего воду с низким содержанием магния, обнаружены более высокая заболеваемость коронарной болезнью, а также случаи внезапной смерти по сравнению с районами, где население употребляет воду с нормальным содержанием магния. Содержание магния в миокарде у умерших от сердечных приступов было пониженным на 12-15%. Установлено, что каждые 2 мг-экв/л жесткости являются источником 6-7% общего поступления магния. При жесткости воды 7 мг-экв/л в организм поступает дополнительно 27% магния. В пользу роли «водного магния» свидетельствует лучшая его усвояемость из воды (до 60%), чем из пищи (30%). Поэтому роль магния жестких вод имеет существенное значение.

Помимо главных анионов и катионов, в состав природных вод входит около 70 других элементов. Их содержание в воде составляет менее 10 мг/л, и они относятся к группе микроэлементов. В природных водах микроэлементы находятся в виде ионов, молекул, коллоидных частиц, взвеси, входят в состав минеральных и органических комплексов и металлоорганических соединений.

Существуют следующие группы микроэлементов:

• ? типичные катионы — Li⁺, Rb⁺, Cs⁺, Ва²⁺, Sr²⁺ и др.;
• ? ионы тяжелых металлов — Cu²⁺, Ag⁺, Ni²⁺, Cd²⁺ и др.;
• ? комплексообразователи — Сг^б% Мо²⁺ идр.;
• ? анионы — I , F~, Вг~ и др.;
• ? радиоактивные элементы.

Недостаток или избыток микроэлементов в почве и воде влияет на распространенность многих заболеваний. Причина этого заключается в высокой биологической активности микроэлементов, участвующих в различных видах обмена: белковом, жировом, углеводном, витаминном, минеральном, а также в газообмене, теплообмене, тканевом дыхании, тканевой проницаемости, клеточном дыхании. Микроэлементы влияют на активность ферментов, вступая в соединения с ферментами, они участвуют в различных биохимических превращениях. Именно поэтому недостаток или избыток поступающих из внешней среды микроэлементов может привести к возникновению эндемических заболеваний.

Состав природных вод по содержанию микроэлементов существенно меняется, что приводит к возникновению гидрохимических провинций. По А. П. Виноградову, к ним относятся области или районы, характеризующиеся повышенным или пониженным содержанием конкретных химических элементов, оказывающих влияние на живые организмы.

Дисбаланс некоторых микроэлементов именно в питьевой воде вызывает возникновение эндемических заболеваний. Для нашей страны к таким микроэлементам относятся фтор, йод, железо и стронций.

Фтор поступает в организм человека преимущественно с водой. Усвоение фтора из пищевых продуктов на 16- 20% хуже, чем из воды. Поступая в организм человека, фтор соединяется с кальцинированной тканью и локализуется в костях и зубах. Это способствует увеличению плотности костей и уменьшению кариеса зубов. Фтор имеет очень узкий диапазон оптимальных концентраций, что связано с его негативным воздействием на организм человека как при недостатке, так и при избытке. Возникающие под воздействием фтора заболевания называются эндемическим флюорозом. Недостаточное поступление в организм фтора повышает растворимость зубной эмали, вызывает поражение зубов кариесом (см. табл. 9.3).

Избыточное поступление фтора в организм приводит к развитию другого заболевания — флюороза, связанного с накоплением фтора в волосах, зубах, костях выше нормы (норма — 53-78 мг/кг). Это провоцирует кариес зубов, изменения в скелете, известные как «мраморность» костной ткани. Одним из симптомов флюороза являются желтые пятна на зубах. Тяжелый флюороз приводит к замедлению роста, остеосклерозу, повреждению щитовидной железы и почек.

Рекомендуемый Всемирной организацией здравоохранения уровень содержания фтора в воде составляет 1,5 мг/л.

Зависимость «доза — эффект» при поступлении фтора с питьевой водой в организм человека

Таблица 9.3

В России более 90% населения не получают фтор в оптимальном количестве. Повышенная его концентрация отмечается во многих регионах — фтороносные провинции расположены в массивах трещинных вод (Забайкалье, Приморье, Хабаровский край, Кольский полуостров), а также в классических артезианских бассейнах (Московском, Якутском, Предкавказском). Недостаточное для нормального существования человека количество фтора в воде зарегистрировано на территориях с влажным климатом и выщелоченными почвами (Полесье, таежные районы).

Железо. Серьезные проблемы со здоровьем людей возникают в связи с содержанием в питьевой воде железа. Дело в том, что железо — важнейший из жизненно необходимых микроэлементов, главная роль которого — обеспечение организма кислородом (96% железа находится в крови), участие во многих окислительно-восстановительных реакциях организма.

Как дефицит, так и избыток железа отрицательно влияет на здоровье человека. Низкая ПДК железа в воде (3 мг/л) объясняется не его биологическими свойствами, а органолептическими и техническими причинами. Оптимальный верхний порог для железа соответствует значительно большим концентрациям — 109 мг/л. Недостаток железа в организме приводит к железодефицитной анемии. Она проявляется в виде головокружения и головных болей, слабости, повышенной утомляемости, снижения памяти и концентрации внимания (трудно сосредоточиться), бледности кожных покровов, повышенной склонности к простудным и инфекционным заболеваниям, ломкости ногтей и костей, шумов в сердце, извращений вкуса, воспалений и атрофических изменений слизистой рта, носа, иммунодефицитных состояний.

Особенно актуальна проблема железодефицита в высокогорных районах.

Однако необходимо учитывать, что есть и другие причины дефицита железа: неадекватное питание (например, вегетарианство, недоедание, низкое потребление витаминов, в частности С, и др.), гормональные нарушения (дисфункция щитовидной железы), глистная инвазия, отравления (например, свинцом и ртутью), поступление железосвязывающих веществ извне (медикаменты, в том числе препараты фтора, антациды — средства для снижения кислотности) и их образование в организме при ряде заболеваний (опухоли, ревматизм, дисбактериоз, гастрит с пониженной кислотообразующей функцией).

Причинами дефицита железа у взрослых может быть также потребление крепкого чая, кровопотери, вызванные операцией, геморроем, язвенной болезнью либо донорством. У женщин причиной дефицита железа могут явиться обильные менструации, фиброзно-кистозные образования в органах малого таза и грудных железах.

Население многих населенных пунктов использует воду с повышенным содержанием железа, что может привести к развитию сидероза, который характеризуется повышенной возбудимостью ЦНС, часто — агрессивностью, нарушением концентрации внимания. Крайнее проявление избытка железа — гемохроматоз. Это заболевание, при котором поражается система кроветворения, печень и селезенка.

Влияние концентраций железа, поступающего с питьевой водой, на организм человека приведено в таблице 9.4.

Йод. 60% населения России проживает в районах с дефицитом йода. Это территории ряда районов центра европейской части России, Верхнего и Среднего Поволжья, Урала, Сибири, Северного Кавказа.

Самым распространенным проявлением йодной недостаточности является зоб: в процессе адаптации организма к недостаточному поступлению йода происходит увеличение массы щитовидной железы. В последующем эндемический зоб является благодатной почвой для развития более тяжелых заболеваний щитовидной железы (узлового и многоузлового зоба). Особенно быстро зобная болезнь развивается при низком содержании в почве кобальта, меди, хрома, молибдена и марганца.

Йод является жизненно важным химическим элементом, обязательным структурным компонентом тиреотроп- ного гормона и тиреоидных гормонов щитовидной железы.

Та бл и ц а 9.1

Зависимость «доза — эффект» при поступлении железа с питьевой водой в организм человека

К числу основных функций йода в организме относятся: участие в регуляции скорости биохимических реакций в организме; участие в регуляции обмена энергии, температуры тела; участие в реакции белкового, жирового, водно-электролитного обмена, регуляция обмена некоторых витаминов, индукция повышения потребления кислорода тканями.

Существует целый ряд заболеваний, представляющих серьезную опасность для здоровья миллионов людей, проживающих в йододефицитных районах. Поступление с водой и пищей менее 10 мкг/день йода приводит к развитию йододефицитных заболеваний (эндемический зоб, гипотиреоз, дистериоз, кретинизм идр.), сопровождающихся многообразными функциональными и структурными нарушениями.

В эндемичных по зобу районах происходит ухудшение репродуктивного здоровья девушек, молодых женщин, что проявляется бесплодием, самопроизвольными абортами, токсикозами, послеродовыми кровотечениями, угрожающими не только здоровью, но и жизни.

Дети, имеющие увеличенную щитовидную железу, страдают и другими заболеваниями эндокринной системы, расстройством питания, нарушением обмена веществ и иммунитета, болезнями органов дыхания и костно-мышечной систем. На фоне йодной недостаточности могут происходить нарушения в формировании мозга ребенка, что проявляется снижением интеллекта, доходящим в некоторых случаях до тяжелых форм эндемического кретинизма. Недостаток йода и тиреоидных гормонов тем опаснее, чем младше ребенок (см. табл. 9.5).

В связи с тем, что эндемическим заболеванием, связанным с дефицитом йода, в мире поражены более 800 млн человек, термин «зоб» было решено заменить термином «йододефицитные заболевания».

Недостаток элементов, поступающих в организм человека с водой или пищей, легко компенсировать, вводя в пищу соответствующие добавки. Так, фторирование воды в центральных районах Москвы дало снижение уровня заболеваний зубов на 20%, йодирование пищевой соли сводит на нет риск появления эндемического зоба и т. д. В то

Таблиц а 9.5

Специфические расстройства здоровья, обусловленные дефицитом йода

же время ослабить влияние избытка какого-либо элемента практически невозможно. В Читинской и Амурской областях России встречается болезнь Кашина — Бека, или уровская болезнь (впервые она была обнаружена в 1884 г. у жителей с берегов р. Уров в Восточной Сибири). В появлении этого недуга основную роль играет повышенное содержание стронция в почве на фоне избыточного содержания фосфатов и марганца и дефицита кальция в рационе питания местного населения. Эта болезнь вызывает поражения костно-суставной системы, в результате чего у больного уменьшается длина тела, укорачиваются пальцы. У детей снижаются умственные способности, задерживается психическое развитие, страдает память. Все эти процессы связаны с вытеснением ионов кальция ионами стронция из костной ткани. В результате повышается ломкость костей, развивается остеопороз. ПДК стронция в воде равна 7 мг/л, однако в случае уровской болезни биологическое значение играет не столько избыток стронция в природной воде, сколько его баланс с кальцием. Болезнь возникает при малых значениях отношения Ca/Sr в природной среде (менее 100).

Мышьяк. Избыток мышьяка вызывает эндемический арсеноз, или болезнь «черной стопы», которая проявляется поражением периферических сосудов со спонтанной гангреной пальцев ног, стоп, пальцев рук. Показатель частоты распространенности этого заболевания увеличивается с возрастом и зависит от содержания мышьяка в воде и продолжительности потребления загрязненной воды. ПДК мышьяка в воде составляет 50 мкг/л. Вызванные мышьяком поражения периферических сосудов ног отмечались еще в конце XIX в. у виноградарей Силезии. Болезнь «черных стоп» известна на Тайване, где концентрации мышьяка в воде составляют 400-600 мкг/л, на севере Чили, где эти концентрации достигают 600 мг/л.

Питьевая вода из неглубоких артезианских колодцев в дельте р. Ганг (Индия) содержит до 2000 мкг/л мышьяка (т. е. превышает ПДК в 40 раз) и вызывает у местных жителей увеличение печени, селезенки, гиперпигментацию кожи, характерные для отравления мышьяком.

В Китае есть районы, в которых вода и почвы обогащены хромом, никелем и ванадием. У людей, проживающих в этих районах, очень часто встречается рак желудка.

Избыток селена в окружающей среде ведет к отравлениям, тогда как его недостаток приводит к появлению болезни Кешана, которая характеризуется появлением множества очагов некроза миокарда. В России это заболевание отмечалось в Забайкалье и на юго-западе Карелии.

Многие регионы отличаются низким содержанием селена в почвах: Северо-Запад России, Забайкалье, Иркутская область, Белоруссия, Прибалтика, Поволжье. Селен — жизненно важный ультрамикроэлемент, активно участвующий в регуляции антиоксидантной защиты организма, детоксикации токсинов в печени и питании мышц. Недостаточность селена чаще всего проявляется в виде заболеваний кожи, волос, ногтей, иммунодефицитных состояний, воспалительных заболеваний суставов, аллергозов, дистрофических изменений в миокарде и мышцах в целом, снижении бело- ксинтезирующей и дезинтоксикационной функции печени. Недостаточность селена также может отразиться на синтезе гормонов щитовидной железы, склонности к новообразованиям, катаракте, снижению остроты зрения, регенерации поврежденных тканей.

Горные породы — граниты и базальты являются источником естественной радиоактивности воды и почвы, связанной с содержанием в них радона. Обширные провинции радоновых вод, где содержание радона в воде превышает

100 Бк/л, характерны для Карельского перешейка и Карелии. Это повышает риск возникновения онкологических заболеваний у населения. И хотя в целом радоновая опасность изучается достаточно подробно, этого нельзя сказать об опасности, которая связана с радоновыми водами.

Также пока слабо изучено физиологическое влияние гидрохимических провинций с повышенным содержанием макрокомпонентов, т. е. различных соляных вод (хлористых, сульфатных, гидрокарбонатных). Сегодня известны лишь общие положения, в частности, что избыток солей нарушает водно-солевой обмен и сказывается на функции сердечно-сосудистой системы.