ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПРИРОДНОЙ ВОДЫ

По своему химическому составу природные воды являются весьма разнообразными, в них содержится большинство известных химических соединений. Количество тех или иных химических веществ в воде зависит от многих условий, например, геологических, физико-географических и т.п.

По значению для организма человека химические вещества, встречающиеся в природной воде, можно разделить "на четыре основные группы.

К первой группе следует отнести вещества, являющиеся показателями возможного загрязнения воды патогенными микроорганизмами. К таким веществам относятся азотсодержащие соединения; органические вещества, обусловливающие так называемую окисляемость; хлориды, фосфаты, растворенный кислород и биохимическая потребность воды в кислороде (БПК), сероводород, показатель концентрации водородных ионов (рН).

Азот в воде может присутствовать в виде как органических, так и неорганических соединений. Органические соединения представлены так называемым альбуминовым азотом (низшие пептиды, аминокислоты, мочевина и т.п.). Однако, определение его в воде не нашло широкого распространения из-за сложности методики и трудности дифференцирования азота животного происхождения и растительного. На практике широко используется определение неорганических соединений азота: ионов аммония (NН₄), ионов азотистой (NО₃) и азотной (NО₃) кислот. Они появляются в воде, главным образом, в результате конечного распада веществ белкового происхождения. Причем вначале образуется аммиак, затем под действием ферментов нитрифицирующих бактерий в присутствии достаточного количества кислорода аммиак окисляется до азотистой и азотной кислот.

Химический состав органических веществ весьма сложен и разнообразен. Они образуются в воде за счет жизнедеятельности водных организмов и растений, а также в результате их распада после отмирания. Органические вещества могут попадать в воду с атмосферными, ливневыми, хозяйственно-бытовыми и техническими сточными водами. Суммарное содержание органических веществ определяется по количеству миллиграммов кислорода, пошедшего на окисление в 1 л воды всех веществ, способных окисляться (окисляемость воды). Чистые подземные воды имеют окисляемость 1-2 мг/л О₂; грунтовые воды - 2-4 мг/л и воды поверхностных водоисточников 6-8 мг/л О₂.

Источником кислорода в природных водах является атмосфера и жизнедеятельность некоторых водных организмов.

Содержание кислорода в воде зависит от площади соприкосновения поверхности ее со свободной атмосферой, от температуры, давления, интенсивности биологических и биохимических процессов.

Подземные воды практически не содержат кислород. В поверхностных водах при слабом развитии биологических и биохимических процессов кислород находится в пределах 6-8 мг/л летом и 8-10 мг/л - зимой.

При интенсивно протекающих биологических процессах, сопровождающихся фотосинтезом, может иметь место перенасыщение воды кислородом (до 120-130 % от максимально возможного насыщения при данной температуре). И, наоборот, при интенсивно развитых биологических процессах окислительного характера содержание кислорода может снижаться до ничтожно малых величин.

Очень чистой считается вода, в которой количество кислорода за 5 суток уменьшилось на 1 мг в литре, чистая вода — 2 мг/л, довольно чистая — 3-4 мг/л, загрязненная - 4-5 мг/л и очень грязная - более 5 мг/л.

Соединения фосфора могут попасть в воду из земной коры, за счет распада органических веществ белковой природы и за счет смыва атмосферными водами фосфатных удобрений с полей. Однако большое количество фосфора может поступать с хозяйственно-бытовыми и техническими сточными водами. К примеру, в суточной моче человека содержится от 2 до 2,5 г фосфора, а в каловых массах - около 8 % от всего сухого содержимого. В связи с этим обстоятельством фосфорные соединения рассматриваются как один из показателей загрязнения воды экскрементами.

В большинстве природных вод сероводород отсутствует, значительное его количество (до 40 мг/л) может встречаться в некоторых водах глубокого грунтового происхождения. Гигиеническое значение сероводорода заключается в его влиянии на запах воды. Концентрация порядка 0,28 мг/л является крайним пределом переносимости. Источником появления сероводорода в воде могут служить органические вещества белковой природы.

Хлориды встречаются практически во всех природных водах в виде анионов хлора, соединенных с одним из катионов, чаще всего с натрием. Они попадают в воду из почвы, а также с хозяйственно-бытовыми и промышленными стоками. С одной стороны, они влияют на вкусовые свойства воды, с другой- могут служить показателем возможного загрязнения ее указанными выше стоками. Допускается содержание хлоридов в воде централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения до 350 мг/л.

Основными веществами, определяющими реакцию воды (рН), является угольная кислота и ее соли. Обычная величина рН природных вод колеблется от 6,5 до 8,5.

Гигиеническое значение рН заключается в том, что значительные колебания рН от обычных величин могут происходить вследствие попадания в воду промышленных и бытовых стоков, а в экстремальных ситуациях - различного рода химических веществ, в том числе сильнодействующих и отравляющих.

Ко второй группе относятся вещества, в известных концентрациях оказывающие вредное действие на организм человека. К этой группе относятся такие вещества, присутствие которых в воде во всех случаях нежелательно или должно быть строго ограничено. Одни из них имеют природное происхождение, другие представляют собой продукт производственной и бытовой деятельности людей.

К числу природных веществ отнесены бериллий, молибден, мышьяк, нитраты, свинец, селен, стронций и фтор. Сюда же можно отнести и радиоактивные природные вещества, обусловливающие фоновую радиоактивность воды. Конечно же, все эти вещества могут быть и хозяйственно-бытового происхождения. Продукты производственной деятельности людей включают большое количество органических и неорганических соединений, а также большую группу радиоактивных неприродных веществ.

К третьей группе относятся вещества, имеющие положительное биологическое значение. Сюда относятся некоторые минеральные вещества, присутствие которых в воде желательно в определенных концентрациях. К ним принадлежат фтор, железо, медь, йод, цинк, марганец, кремний, кобальт, молибден, селен, хром, никель, олово и ванадий. Конечно же, основным источником поступления их в организм является пища. Роль же воды известна лишь в отношении фтора, отчасти йода, в какой-то мере железа, марганца, меди, цинка и кремния.

Содержание фтора в природных водах колеблется от сотых долей до 5 и даже 12 мг/л. Кроме природного происхождения, фтор может попадать в водоисточники с промышленными стоками.

Физиолого-гигиеническое значение фтора определяется его влиянием на формирование костного аппарата и, в первую очередь, на ткани зубов. Недостаток поступления фтора в организм приводит к кариесу зубов. Избыточное количество фтора в воде свыше 2-5 мг/л также нежелательно. Считается, что в этих случаях могут возникать очаговые разрушения эмали зубов, а в дальнейшем всего зуба. Однако, в последние годы, американские исследователи пришли к выводу, что данная патология вызывается другими факторами, в частности, недостатком полноценных белков, кальция, магния и витаминов в пище. Ион фтора, наоборот, уменьшает вероятность проявления этого заболевания.

При недостаточном поступлении в организм йода у человека появляется зоб, называемый эндемическим, так как заболевание связано с определенной местностью. Основным поставщиком йода является пища, с водой в организм человека он поступает в количестве 4-5%. В то же время вода играет роль показателя обеспеченности йодом данной местности и вероятности возникновения зоба среди населения.

Содержание железа в поверхностных водах обычно небольшое, несколько больше его содержится в подземных водах (до десятков мг/л).

Биологическое значение железа очень велико. Оно входит в состав гемоглобина, ферментов, участвующих в тканевом дыхании, в состав клеточных ядер. Основным поставщиком железа является пища, с питьевой водой поступает 10-15 % от его общего количества. Токсическим действием железо почти не обладает. Длительное потребление его в количестве 300 мг в день вызывало лишь явления легкого гастроэнтерита.

Присутствие больших количеств (более 1 мг/л) железа в воде считается нежелательным, главным образом, из-за ухудшения физических свойств воды и вяжущего привкуса.

Значение марганца для человека установлено сравнительно недавно, в 1972 году. При его недостатке наблюдается задержка развития костного аппарата, умственная отсталость, стерильность, гипохромазия волос и другие расстройства. В больших количествах (более 0,5 мг/л) марганец изменяет окраску воды, придает ей вяжущий привкус и вызывает появление коричневых пятен на белье при его стирке. Токсичность марганца при пероральном потреблении очень незначительна.

В природных водах медь содержится в пределах от 20 до 400 мкг/л. Медь стимулирует созревание эритроцитов, гормональную активность передней доли гипофиза, способствует переходу железа из неорганических молекул в железо-парафины. При дефиците меди возникает анемия, остеопороз, атаксия, альбинизм, слабоумие, потеря эластичности стенок крупных сосудов.

К истинному биоэлементу относится также цинк, который входит в состав многих ферментов, гормона поджелудочной железы, обладает липотропным и антихолистеринемическим действием, усиливает толерантность к инфекциям и способствует усвоению белков. При его недостатке возникает потеря обоняния и вкуса, затрудняется имплантация зародышей, замедляется рост. Употребление воды, содержащей до 30 мг/л цинка никакого отрицательного действия на людей не оказывает. Токсическое действие наступает при концентрациях порядка сотен и тысяч мг/л.

К четвертой группе относятся химические вещества индифферентные и даже полезные для организма. К этой группе веществ относятся такие, отсутствие или наличие которых не сказывается на качестве воды, и только по достижении определенных концентраций они ухудшают органолептические (вкус, запах) или физические (прозрачность, цветность) свойства воды. К таким веществам принадлежат: сульфаты, карбонаты и гидрокарбонаты, ионы кальция, магния, натрия, калия, свободная углекислота, гумусовые вещества, коллоидные взвеси кремния и окиси алюминия, а также сухой остаток и показатель общей минерализации.