«Вода как компонент биосферы. Роль загрязнителей в возникновении инфекционных и соматических заболеваний»

Вода – химическое соединение водорода и кислорода (Н₂О) –жидкость без запаха, вкуса, цвета (в толстых слоях голубоватая); плотностью 1,000 г/см³ при температуре 3,98 °С. При О °С вода пре­вращается в лед, при 100°С – в пар. Молекулярная масса воды 18,0153. По В.И.Вернадскому, химический состав воды может быть представлен формулой Н₂О со значением п, равным 1-6. Не все молекулы воды одинаковы: наряду с обычными молекулами, име­ющими массу 18, присутствуют молекулы с молекулярной массой 19,20,21 и даже 22.

Вода – уникальное вещество по своим физическим и химичес­ким свойствам. Полярность молекул воды и наличие между ними «водородных» связей определяет уникальные свойства. Наиболь­шая плотность воды при температуре 3,98°С, дальнейшее охлаж­дение приводит к переходу ее в лед и сопровождается уменьшени­ем плотности. Уменьшение объема вместо расширения происходит при плавлении (таянии) льда. Летучесть воды небольшая. У нее аномально высокие теплота плавления и удельная теплоемкость, при плавлении льда теплоемкость увеличивается более чем вдвое. Теплоемкость воды с повышением температуры до 27°С умень­шается, а затем вновь начинает возрастать. Вязкость воды (при температуре от 0 до 30°С) уменьшается с повышением давления.[1]

Вода – наиболее распространенное на Земле вещество. В приро­де она находится в трех фазах: газообразной (пары воды), жидкой и твердой. Различают воду атмосферную, поверхностную (гидро­сфера) и подземную.

Вода встречается в парообразном состоянии в воздушной обо­лочке, окружающей Землю, в капельножидком – в облаках, туманах и в виде дождя, твердом – в виде сне­га, града и кристалликов льда в высоких облаках.

В жидком состоянии вода пребывает в гидросфере: вода океанов, морей, озер, рек, болот, прудов и водохранилищ. В твердом состоянии вода в виде льда и снега находится у полюсов планеты, на горных вершинах, зимой покрывает во­доемы на значительных площадях. В гор­ных породах литосферы она присутствует в различных состояниях: пленочная, гиг­роскопическая, гравитационная, капил­лярная, кристаллизационная, а также в виде пара (Рис. 1). Запасы воды и соот­ношение их видов приведены в табл. 1.

Наибольшие запасы поверхностных вод сконцентрированы в Мировом океа­не, который занимает 361 млн. км³, или 70,8% поверхности Земли. Общая площадь океанов и морей в 2,5 раза боль­ше площади суши. Воды их соленые.

Относительно большие запасы поверх­ностных вод сосредоточены в ледниках, озерах и реках.

Ледники Земли являются важным ак­кумулятором воды, они расположены в основном в приполюсных районах: в Ан­тарктиде, на арктических островах и в горных районах. Воды ледников пресные.

Из всех видов поверхностных пресных вод речной сток имеет приоритетное практическое значение. По объему речно­го стока Россия стоит на втором месте по­сле Бразилии. Реки являются основой водного фонда. Почти 65% крупных городов России (Москва, Санкт-Петербург, Нижний Новгород, Екатеринбург, Пермь и др.) используют для питьевых и технических нужд поверхностные, в ос­новном речные воды.[2]

Подземные воды также входят в основу водного фонда. Подзем­ные воды так называемой зоны активного водообмена пресные и ис­пользуются для питьевых и хозяйственных целей. Минеральные ле­чебные подземные воды используются санаторно-курортными и оз­доровительными учреждениями, а также заводами розлива, тепло­энергетические (с температурой от 35 до 200°С) подземные воды – для теплоснабжения и получения электрической энергии.

Таблица 1.

Запасы воды и соот­ношение их видов

Вода постоянно находится в движении – циркуляции. Перемеще­ние ее происходит в результате механического движения (потоки в ре­ках, течения в толще океана) и изменения фазового состава, когда во­да испаряется и попадает в атмосферу посредством диффузионных, конвективных потоков, характерных для почв и горных пород. В се­верных районах существует сравнительно редкий способ передвиже­ния воды путем возгонки. Снег испаряется (твердая фаза воды), сра­зу превращается в пар и попадает в атмосферу. Без энергетических затрат вода передвигается только вниз и только под действием сил гравитации (силы тяжести). В остальных случаях при изменении тем­пературы и давления на передвижение воды затрачивается много энергии, в основном солнечной. Ежегодно земная поверхность полу­чает от Солнца около 13,4-10²⁰ ккал тепла. Из них 22% всей дости­гающей поверхности Земли энергии, или 3 × 10²⁰ ккал, расходуется на испарение (с поверхности воды, суши, почвы, растительности и др.).[3]

Приобретая такую огромную энергию, вода повышает свою эн­тропию. Находясь в неустойчивом равновесии, она стремится вер­нуться в исходное состояние. Таким образом, происходит непрерыв­ный замкнутый процесс циркуляции воды на Земле, именуемый кру­говоротом или влагооборотом. Различают малый, большой и вхо­дящий в него внутриматериковый круговороты (рис. 2).

Вода, испарившаяся с поверхности океанов, большей частью кон­денсируется и возвращается в виде атмосферных осадков обратно в океан (малый, или океанический, круговорот), а частично перено­сится воздушными течениями на сушу. Атмосферные осадки, выпав­шие на сушу, частично просачиваются в почву и зону аэрации, создавая запасы почвенной влаги. Проникшие глубже атмосферные осад­ки образуют подземные воды: грунтовые, пластовые и воды глубо­ких горизонтов. Часть атмосферных осадков стекает по земной по­верхности в виде ручьев и рек, а остальная часть снова испаряется. В конце концов вода, принесенная воздушными течениями на сушу, снова достигает океана, завершая так называемый большой круго­ворот воды на земном шаре. Из большого круговорота может быть выделен еще местный, или внутриматериковый, круговорот, при ко­тором вода, испарившаяся с поверхности суши, вновь выпадает на су­шу в виде атмосферных осадков. Небольшая часть воды из общего объема, участвующего в круговороте, порядка 7,7 тыс. км³/год, совер­шает круговорот в пределах бессточных областей.

Ежегодно в круговороте на поверхности Земли участвует более 1 млн. км³ воды, что составляет около 0,1% объема вод активного водообмена. С поверхности морей и океана ежегодно испаряется при­мерно 510 тыс. км³ воды, а с поверхности суши – около 70 тыс. км³. Обратно на поверхность океана выпадает 90% испарившейся с нее влаги и 1% возвращается в океан в виде речных, подземных и лед­никовых вод. На сушу в виде атмосферных осадков выпадает око­ло 120 тыс. км³ воды, из которых 58% идет на испарение, а 42% стекает обратно в моря и океаны.[4]

Необходимо обратить внимание на описанную выше подвиж­ность и «вездесущность» воды, которая служит накопителем и транс­портером многих веществ, в том числе опасных для живых организ­мов и человека взвешенных и растворенных в ней компонентов.

Вода играет исключительно важную роль в природе. Температу­ра воды в жидком состоянии наиболее благоприятна для жизнен­ных процессов. Для огромной массы организмов она является сре­дой обитания. Уникальные свойства воды являются ценными для организмов и, казалось, созданы специально для их жизнедеятель­ности. Вода в водоемах замерзает сверху вниз, что имеет большое значение для обитающих в них организмов.

Аномально высокая удельная теплоемкость воды благоприятст­вует аккумуляции колоссального количества тепла, способствует мед­ленному нагреванию и охлаждению. Обитающие в воде организмы предохранены от резких спонтанных колебаний температуры и со­става, приспосабливаясь к медленным ритмическим колебаниям – суточным, сезонным, годовым и т.д. Вода в атмосфере оказывает смягчающее влияние на погодно-климатические условия. Она по­стоянно перемещается во всех сферах Земли. На большие расстоя­ния она переносится циркуляционными потоками атмосферы. Цир­куляция воды в океане (морские течения) приводит к планетарно­му тепло-, массо- и влагообмену.

Известна роль воды как мощного геологического фактора. Эк­зогенные геологические процессы на Земле, в частности, обуслов­лены деятельностью воды как эродирующего агента. Размыв и раз­рушение горных пород, эрозия почв, перенос и отложение веществ – важные геологические процессы, связанные с водой.

Большинство органических веществ биосферы представляют со­бой продукты фотосинтеза – процесса, при котором растения ис­пользуют световую энергию для соединения углекислого газа с во­дой. Без воды не может происходить фотосинтез. Вода – единствен­ный источник кислорода, выделяемого в атмосферу при фотосин­тезе. Она необходима для биохимических и физиологических про­цессов, происходящих в организме. Живые организмы, в том чис­ле человек, состоящий на 80% из воды, не могут обойтись без воды. Потеря 10-20% воды приводит к их гибели.[5]

Вода играет огромную роль в жизнеобеспечении человека. Она используется им непосредственно для питья и хозяйственных нужд, как средство передвижения и сырье для получения промышленных и сельскохозяйственных продуктов, имеет эстетическое и рекреаци­онное значение.

Сейчас потребление воды в народном хозяйстве в количествен­ном отношении превышает суммарное использование всех иных природных ресурсов. Это определяется сложившимися особеннос­тями производства в основных отраслях промышленности, при ко­торых затрачивается огромное количество пресной воды. Напри­мер, для переработки 1 т нефти необходимо около 60 т воды, для изготовления 1 т условной тканевой продукции – 1100 т, синтети­ческого волокна – до 5000 т воды. Для выращивания и получения 1 т зерна пшеницы нужно 2 т воды, 1 т риса – свыше 25 т воды.[6]

Вода превращается в самое драгоценное сырье, заменить которое невозможно. Запасы и доступность водных ресурсов определяют раз­мещение новых производств, а проблема водоснабжения становится одной из важных в жизни и развитии человеческого общества.

Потребление воды одним городским жителем южных районов России составляет: в доме без канализации – 75 л/сут, в доме с кана­лизацией – 120, с газовым водонагревателем – 210 и со всеми удобст­вами – 275 л/сут. Для города в средней полосе Европейской России нормы потребления воды согласно «Нормам хозяйственно-питьево­го потребления для населенных пунктов» (СНиП-П.31-74) таковы: в домах без ванн – 125-160, с ваннами и нагревателями – 160-230 и при централизованном горячем водоснабжении – 250-350 л/сут.[7]

Пресные воды составляют ничтожную (около 2% гидросферы) долю от общих запасов воды в природе. Пресная вода, доступная для использования, находится в реках, озерах и подземных водах. Ее доля от всей гидросферы составляет 0,3%. Ресурсы пресной во­ды распределены крайне неравномерно, часто обилие воды не сов­падает с районами повышенной хозяйственной деятельности. В этой связи возникает проблема недостатка и истощения водных ресурсов и особенно пресной воды. Она усугубляется все возрастающими объемами ее использования.

Проблема истощения водных ресурсов возникает по нескольким причинам, главные из которых: неравномерное распределение во­ды во времени и пространстве, рост ее потребления человечеством, потери воды при транспортировке и использовании, ухудшение ка­чества воды и как крайний случай – ее загрязнение.

Основные антропогенные причины истощения и загрязнения пресной воды – это отбор поверхностных и подземных вод; водо­отлив из шахт, штолен; разработка месторождений твердых полез­ных ископаемых, нефти и газа, промышленных вод, выплавка серы; урбанизация: жилая застройка, энергетические объекты (АЭС, ТЭЦ). Сильно загрязняют пресные воды предприятия промышлен­ности: химической, пищевой, целлюлозно-бумажной, черной и цвет­ной металлургии, нефтеперерабатывающей, строительных матери­алов, машиностроительной.

Ухудшение качества и загрязнение воды связано с попаданием как непосредственно в воду рек и другие поверхностные водоемы, подземные воды, так и через атмосферу и почвы загрязняющих ве­ществ, продуктов деятельности человека. Этот вид истощения прес­ных вод наиболее опасен и становится все более угрожающим для здоровья людей и состояния жизни на Земле. Его крайнее проявле­ние – катастрофическое загрязнение вод.

Естественные изменения, в том числе ухудшение качества воды, связанные с соприкосновением с водой и переносом различных ве­ществ, происходят постоянно. Они носят циклический, реже спон­танный, характер: они бывают при извержениях вулканов, земле­трясениях, цунами, наводнениях и других катастрофических явле­ниях. В антропогенных условиях такие изменения состояния воды имеют однонаправленный характер: инородные вещества, попав­шие в воду, накапливаются в ней, ухудшая органолептические, фи­зические и химические свойства. Когда количество содержащихся в воде инородных веществ, особенно тех, которые оказывают небла­гоприятное влияние на человека, животных и растения, достигает критических значений, вода из блага может превратиться в зло.

За последнее время боль­шую тревогу вызывает загрязнение вод морей и Мирового океана в целом (фоновое загрязнение). Основными источниками их загряз­нения служат бытовые и промышленные сточные воды (в прибрежных районах находится 60% крупных городов), нефть и нефтепродукты, радиоактивные вещества. Особую опасность представляют загрязне­ния нефтью и радиоактивными веществами. Предприятия примор­ских городов выбрасывают в море тысячи тонн различных, как пра­вило, неочищенных отходов, в том числе канализационные стоки. В моря выносятся загрязненные речные воды. Нефть и нефтепродук­ты попадают в воду в результате промывки цистерн, емкостей, в ко­торых транспортируется нефть. Огромное количество нефти оказы­вается в водах океанов и морей при авариях танкеров, нефтепроводов на нефтепромыслах, при разведке и эксплуатации нефтяных место­рождений в зоне материковых шельфов. При авариях нефтяных сква­жин в море выбрасываются многие тысячи тонн нефти.[8]

Загрязнение воды является причиной гибели морских животных: ракообразных и рыб, водоплавающих птиц, тюленей. Известны слу­чаи гибели около 30 тыс. морских уток, массовой гибели морских звезд в начале 1990-х годов в Белом море. Нередки случаи закрытия пляжей в связи с опасными концентрациями загрязняющих ве­ществ в морской воде, вызванными многочисленными авариями су­дов, которые перевозят нефть и нефтепродукты. Весьма опасны для окружающей среды несанкционированные или аварийные сбросы промышленных и хозяйственных отходов (Черное море в районе Одессы, 1999 г.; р. Тиса, Румыния, 2000 г.; р. Амур, Хабаровск, 2000 г.). В результате подобных аварий происходит быстрое загряз­нение речных вод вниз по потоку. Загрязненные канализационные воды могут попасть в водозаборные сооружения.

Загрязнение вод Мирового океана радиоактивными вещества­ми происходит в результате испытаний атомного оружия. Площадь заражения после испытаний может достигать 2,5 млн. км². Аварии атомных подводных лодок, судов с атомными реакторами, без со­мнения, также служат причинами радиоактивного заражения значи­тельных площадей морей и океанов. В 1980-е годы практиковалось захоронение радиоактивных отходов в контейнерах, которые сбра­сывали в наиболее глубокие участки океана. Мировая обществен­ность противостояла этому довольно успешно. Загрязнение морской воды в дальнейшем приводит к концентрации радиоактивных ве­ществ в растениях и животных по цепям питания. Известны случаи, когда концентрация радиоактивных веществ на вершинах трофиче­ских пирамид превышала фоновую более чем в 50 тыс. раз.

          Объективные данные о том, какое воз­действие, например зараженные осадки, оказывают человека.  Загрязненные осадки попадают и в водо­емы. Там кислоты взаимодействуют с име­ющимися в донной почве металлами (алю­минием, кадмием, ртутью, свинцом и др.), заражают ими воду, а через нее и рыбу. Исследования, проведенные в США, Кана­де, Англии, Норвегии, Швеции, Финляндии, стран вода чрезмерно насыщена кислота­ми, а в тысячах озер рыба уже почти полностью исчезла.   Попадая в водопроводы, кислоты способ­ствуют вымыванию вредных металлов из труб, что загрязняет питьевую воду. Такие явления в США и Швеции после выпадения кислотных дождей наблюдались.    Особенно тяжелое положение складывается в городах. Город с миллионным населением ежегодно выбрасывает в атмосферу не менее 10-11 млн. т. водяных паров, 1,5-2 млн. т окиси углерода, 0,25 млн. т сернистого ангидрида, 0,3 млн. т окислов азота и большое количество иных загрязнений, тоже небезразличных для здоровья человека и окружающей его среды.[9]

          Конечно, осадки – не единственный ис­точник загрязнения воды. В водоемы сбра­сываются промышленные, транспортные и бытовые отходы, причем в таких количест­вах, что воду многих рек и озер существу­ющими средствами очистить уже не удает­ся. Теряют естественную чистоту даже грунтовые воды, находящиеся на относи­тельно небольшой глубине. В них просачи­ваются фосфаты из бытовых отходов, нит­раты, которые повсеместно используются в качестве удобрений, и другие вредные вещества. В процессе очистки вредные при­меси полностью не ликвидируются, они лишь количественно уменьшаются до такой концентрации, которая условно считается безвредной. Но и при таком подходе во многих регионах испытывается острый не­достаток питьевой воды, ее там даже про­дают в бутылках.

          Не лучше обстоит дело и с поливной водой. Ее химический состав во многом определяет качество сельскохозяйственных продуктов. А в них теперь тоже увеличи­лось содержание нитратов, фосфатов, ме­таллов. В странах с высоким уровнем тех­нологической дисциплины примесей допу­скается относительно немного, в других странах – больше. И стремление повышать урожайность, как правило, приводит к ухуд­шению качества продуктов.

Итак, круг замкнулся: люди портят сре­ду, среда укорачивает им жизнь. Так у мужчин РФ средняя продолжительность жизни составляла 63,8 лет в 1961-1965 гг., 65 лет в 1987 г. и 57 лет в 1994 г.[10] Детская смертность во многих регионах России перестала снижаться, а в некоторых – даже начала расти. Все чаще появляются новые болезни. Поэтому  закономерно, что  здоровье населения  страны с каждым  годом ухудшается.  Самое страшное,  что речь  идет в первую очередь о здоровье  молодого поколения.  Будущий гражданин России во многих случаях еще  до рождения  обречен на болезнь. В  последние годы,  например, 70%  беременных женщин имеют отклонения в состоянии здоровья. До 20% возросла доля  новорожденных  с  физическими  и  неврологическими нарушениями.  При этом  за последние  5 лет  заболеваемость их увеличилась в 2,5 раза. Важнейшим индикатором  здоровья народа  и социального  благополучия общества  является уровень младенческой смертности. В России этот показатель  за последние 5 лет увеличился на 15%. Резко снизилось общее состояние здоровья  молодежи.  Сегодня  лишь  20%   юношей  призывного возраста могут служить в армии.[11]

Степень и характер загрязнения природных вод определяют по показателям загрязнения, среди которых различают: физические (степень мутности, запах, рН); химические (растворенный О₂, био­химическая потребность в кислороде (ВПК), химическая потреб­ность в кислороде (ХПК), окисляемость, количество аммонийного азота); бактериологические (титр кишечной палочки и наличие па­тогенных микроорганизмов), гидробиологические (видовой состав гидробионтов: соотношение сапробных и олигосапробных орга­низмов) и т.д.