Вода как один из факторов, оказывающих влияние на здоровье населения, может рассматриваться как с положительной, так и с негативной стороны. При этом негативная сторона, связанная с возрастающим техногенным загрязнением не только рек и водоемов, но и подземных вод, на сегодняшний день вызывает все большее беспокойство. Вода для человека является жизненно важным ресурсом, доступ к которому способствует социально-экономическому развитию территорий и определяет уровень жизни населения, заболеваемость которого может быть обусловлена качеством воды [1]. Об этом свидетельствуют данные экспертов ВОЗ, по которым около 80 % заболеваний прямо или косвенно связаны с особенностями водного фактора. На территории Ямало-Ненецкого автономного округа около 20 % населения использует для хозяйственно-питьевых нужд воду, не отвечающую санитарным нормам. Как известно, на севере Западной Сибири сосредоточены огромные запасы углеводородного сырья, активная добыча которого способствует социально-экономическому развитию территорий. Однако увеличивающаяся с каждым годом антропогенная нагрузка, вызванная интенсивным освоением арктических территорий Западной Сибири, несомненно, оказывает влияние на все компоненты окружающей среды, в том числе и на природные воды, где нефть (в том числе и нефтепродукты – фенолы, полиароматические соединения) является одним из основных загрязнителей, поступление которых происходит главным образом при аварийных разливах из трубопроводов [2, 3].
Активная добыча углеводородов, заболоченность, климатические изменения, наличие многолетнемерзлых пород – все это, несомненно, оказывает влияние на химический состав природных вод данной зоны. Кроме того, многолетнемерзлые породы осложняют доступ населения к питьевым пресным подземным водам, которые являются наиболее приоритетными при организации хозяйственно-питьевого водоснабжения в силу своей защищенности от возможного антропогенного загрязнения. Следует также отметить, что коренное население Арктики ведет кочевой образ жизни и употребляет «сырую» воду (без какой-либо водоподготовки) непосредственно из рек и водоемов [4]. В этой связи целью исследования является изучение химического состава подземных вод, а также озерных и речных вод, которые могут использоваться населением в качестве возможных источников питьевых вод; проверка данных химического анализа вод на соответствие нормативам качества; оценка неканцерогенного риска для здоровья, обусловленного употреблением вод с высокими концентрациями содержащихся в них компонентов.
Материалы и методы исследования
В 2020–2022 гг. на территории Ямало-Ненецкого автономного округа (ЯНАО) сотрудниками ТФ ИНГГ СО РАН были проведены комплексные гидрогеохимические исследования, результаты которых положены в основу данной работы. В результате проведенных экспедиционных работ из водозаборных скважин глубиной от 5 до 244 м было отобрано 25 проб подземных вод, также в качестве возможных источников питьевых вод дополнительно были отобраны пробы из 13 рек и 6 крупных озер (рис. 1).
В каждой точке опробования проводились измерения быстроменяющихся показателей: температуры, рН, электропроводности, окислительно-восстановительного потенциала. На базе лаборатории ТФ ИНГГ СО РАН были определены содержания основных макрокомпонентов (SO42–, Cl–, Ca2+, Mg2+, Na+, K+) и биогенных соединений (NH4+, NO3–, NO2–, PO43–) методом капиллярного электрофореза («Капель-205», Люмэкс, Россия); концентрации HCO3– определены методом титрования. Содержание растворенного органического углерода (Сорг) определено методом высокотемпературного каталитического окисления (TOC-6000, Shimadzu, Япония) в Лаборатории георесурсов и окружающей среды г. Тулузы (GET, Франция), концентрации микроэлементов определены методом IСP-MS (Agilent 7500, Agilent Technologies, США).
Рис. 1. Схема отбора проб природных вод на территории ЯНАО
Наименование химического типа воды дано с учетом содержания макрокомпонентов более 25 мг-экв% в порядке убывания их концентрации. При оценке содержания в воде компонентов использовали гигиенические нормативы, утвержденные СанПиН 1.2.3685-21 [5].
Оценка риска для здоровья проведена с учетом развития неканцерогенных эффектов при воздействии химических веществ, загрязняющих источники водоснабжения. Неканцерогенные эффекты выражаются в отсутствии опасности развития злокачественных новообразований при воздействии факторов окружающей среды. Оценку риска развития неканцерогенных эффектов при длительном употреблении вод в питьевых целях проводили на основе расчета коэффициента опасности (HQ) отдельно для каждой пробы воды как для взрослого, так и для детского населения (в возрасте до 6 лет) согласно Р 2.1.10.1920–042 [6], по формуле
HQ = I / RfD,
где I – средняя суточная доза при пероральном поступлении химического вещества с питьевой водой, мг/(кг ∙ день); RfD – референтная (безопасная) доза при хроническом пероральном поступлении химического вещества с питьевой водой, мг/(кг ∙ день). Среднесуточную дозу поступления химического вещества (I) оценивали по формуле
,
где Cw – концентрация вещества в воде, мг/л; V – величина водопотребления, л/сут (для взрослых – 2, для детей – 1); EF – частота воздействия, дней/год (350); ED – продолжительность воздействия, лет (для взрослых – 30, для детей – 6); BW – масса тела, кг (для взрослых – 70, для детей – 15); AT – период осреднения экспозиции, лет (для взрослых – 30, для детей – 6). При HQ < 1 вероятность развития у человека вредных эффектов при ежедневном поступлении вещества в течение жизни несущественна, такое воздействие характеризуется как допустимое. Если же HQ > 1, вероятность возникновения вредных эффектов у человека возрастает пропорционально увеличению значения данного коэффициента. Характеристика неканцерогенного риска проводится по результатам расчетов HQ в соответствии с принятой в [7] классификацией уровней риска.
Результаты исследования и их обсуждение
Поверхностные воды являются ультрапресными с минерализацией от 10 до 140 мг/л (табл. 1).
Таблица 1
Основные физико-химические показатели состава природных вод
|
Компонент, ед. изм. |
Поверхностные воды |
Подземные воды |
ПДК [5] |
||
|
Озерные |
Речные |
Четвертичный ВК |
Эоценолигоценовый ВК |
||
|
рН |
4,9–6,1 5,7 |
5,52–7,9 6,8 |
5,5–7,9 6,2 |
5,6–7,4 6,8 |
6–9 |
|
Минерализация, мг/л |
10,2–27,8 16,6 |
14–140 55 |
28–287 115 |
41–357 131 |
1000 |
|
Сорг*, мг/л |
8,7–44,2 20,8 |
1,3–21,3 10 |
0,4–12,7 2,1 |
0,6–9,5 4,1 |
5 |
|
HCO3–, мг/л |
4,3–22,0 11,0 |
4,8–87,8 35,6 |
17,7–210,0 71,6 |
26,8–204,0 94,0 |
|
|
SO42–, мг/л |
1,0–2,1 1,8 |
0,9–10,8 3,8 |
< 0,5–25,7 8,3 |
< 0,5–4,2 1,3 |
500 |
|
Cl–, мг/л |
0,1–0,6 0,3 |
0,1–15 2,7 |
< 0,5–18,0 2,7 |
< 0,5–86,7 1,3 |
350 |
|
Ca2+, мг/л |
0,4–3,0 1,3 |
1,3–15,2 6,3 |
2,6–30,7 14,1 |
1,8–32,9 11,3 |
|
|
Mg2+, мг/л |
0,1–1,3 0,6 |
0,9–6,2 2,4 |
0,6–26,5 4,2 |
1,2–16,1 4,9 |
50 |
|
Na+, мг/л |
0,3–2,1 0,8 |
0,3–16,6 3,5 |
1,2–13,4 2,6 |
2,1–83,8 4,7 |
200 |
|
К+, мг/л |
< 0,5–2,0 0,4 |
< 0,5–1,8 0,5 |
0,5–4,0 0,7 |
< 0,5–3,0 1,5 |
|
|
NH4+, мг/л |
< 0,5–2,1 0,7 |
< 0,5–1,5 0,4 |
< 0,5–1,7 0,8 |
< 0,5–4,6 0,8 |
1,5 |
|
NO3–, мг/л |
< 0,2–1,7 0,87 |
< 0,2–0,7 0,18 |
0,34–24,1 1,1 |
< 0,2–0,48 0,25 |
45 |
|
PO43–, мг/л |
< 0,25 |
< 0,2–0,9 0,2 |
< 0,25–2,8 – |
< 0,25–4,4 0,7 |
3,5 |
|
Fe общ, мг/л |
0,2–1,4 0,6 |
0–1,8 0,8 |
0,01–14,8 2,4 |
1,4–9,1 3,6 |
0,3 |
|
Mn, мкг/л |
0–90,1 18 |
0–59,9 14 |
1,1–1394,7 453,7 |
154,7–918,7 364,3 |
100 |
|
Li, мкг/л |
0–1 0,3 |
0–2,4 0,6 |
0,5–3,4 1,1 |
0,5–7,7 2,4 |
30 |
|
B, мкг/л |
0–4,1 1 |
0–18,3 3,6 |
0,9–92,9 9,2 |
4,8–342,5 55,5 |
500 |
|
Al, мкг/л |
0–235,7 62,6 |
0–228,5 28,7 |
2,6–38,3 7,9 |
0,2–63,3 6,5 |
200 |
|
Ni, мкг/л |
0–1,8 0,48 |
0–2,7 0,45 |
0,2–35,9 5,1 |
0,03–1,2 0,25 |
20 |
|
Zn, мкг/л |
0–14,2 2,7 |
0–2,8 0,5 |
2,2–645,6 9,6 |
0,4–28,1 3,6 |
5000 |
|
As, мкг/л |
0–0,9 0,3 |
0–1,3 0,2 |
0,02-3,9 0,7 |
0,07–9,3 1,0 |
10 |
Примечание: в числителе – пределы содержаний, в знаменателе – среднее; ПДК – предельно допустимая концентрация компонента.
Значения рН варьируют в широком диапазоне от 4,9 до 7,9, но преимущественно характерна нейтральная и слабокислая среда. В анионном составе преобладает гидрокарбонат ион, в катионном – главным образом кальций и магний. Озерные воды характеризуются минимальными значениями минерализации (от 10 до 28 мг/л) и рН (4,9–6,1), при этом в них отмечены максимальные концентрации органических веществ (Сорг от 8,7 до 44,2 мг/л). Кроме того, в озерных водах отмечены высокие концентрации иона аммония, содержания которого характеризуются сильной положительной корреляцией со значениями Сорг. Воды рек по сравнению с озерными водами более минерализованные (до 140 мг/л), с более высоким показателем рН: воды ручьев и малых рек являются слабокислыми (5,5–6,0), воды крупных рек – слабощелочными (до 7,9). Концентрация Сорг снижается и изменяется в пределах от 1,3 до 21,3 мг/л.
Опробованные подземные воды приурочены к двум водоносным комплексам (ВК) – четвертичному и эоцен-олигоценовому, которые являются основными источниками водоснабжения на территории исследований. Четвертичный ВК, имеющий повсеместное распространение на территории ЯНАО, в качестве источника водоснабжения используется в основном в г. Салехарде. Среднее значение величины pH вод составляет 6,2, варьируя в пределах от 5,5 до 7,9. Воды являются ультрапресными с минерализацией от 28 до 287 мг/л, низкие содержания солеобразующих элементов Ca2+ и Mg2+ характеризуют воды как очень мягкие. Эоцен-олигоценовый ВК пользуется широким распространением в центральной части ЯНАО и является основным источником водоснабжения в г. Ноябрьск, Муравленко, Тарко-Сале и пос. Уренгой (рис. 1). Воды данного ВК являются нейтральными, ультрапресными с минерализацией от 41 до 357 мг/л, очень мягкими. По химическому типу воды эоцен-олигоценового ВК, так же как и воды четвертичного ВК, как правило, являются гидрокарбонатными кальциево-магниевыми. При сравнении с озерными и речными водами исследуемой территории, подземные воды характеризуются минимальными содержаниями растворенных органических веществ, максимальные концентрации которых достигают 12,7 мг/л (по Сорг) в неглубоко залегающих водах четвертичного ВК, ниже с глубиной концентрации Сорг снижаются (рис. 2). Бόльшая часть органических веществ в природных водах представлена гуминовыми кислотами, которыми воды обогащаются при их вымывании из почв и торфов, а также в процессе разложения остатков растений. При проведенном более детальном анализе состава растворенных органических веществ было установлено наличие органических соединений, источниками которых является нефть. Так, в водах рек Обь, Пур и Надым были обнаружены гопаны, но максимальная их концентрация установлена в подземных водах четвертичного ВК, отобранных в п. Харп (0,2275 мкг/л). На присутствие нефтяного загрязнения вод также указывают циклогексаны, обнаруженные в водах р. Пур.
В целом же анализ результатов химического состава природных вод на несоответствие гигиеническим нормативам показал, что по элементам макрокомпонентного состава, а также по обобщенным показателям качества вод, как правило, превышений относительно ПДК не обнаружено. Лишь в единичных случаях встречаются незначительные превышения по NH4+ и PO43–.
Рис. 2. Зависимость содержаний Сорг в природных водах от глубины
Стоит отметить, что высокие концентрации органического углерода, источниками которого в основном является торф и нефтяные углеводороды, характерны не только для поверхностных вод (озер и малых рек), но и в некоторых пробах подземных вод его содержание превышает норматив (5 мг/л) в несколько раз, что может свидетельствовать о наличии гидравлической связи как с поверхностными водами, так и с нижележащими пластовыми водами.
Среди элементов микрокомпонентного состава в поверхностных водах наблюдается повсеместное превышение относительно установленных нормативов [5] для Fe общ (табл. 1), в подземных водах – для железа и марганца, причем максимальные концентрации характерны для неглубоких (5 м) вод, отобранных вблизи г. Надыма, относящихся к четвертичному ВК, что, вероятнее всего, обусловлено наличием торфов, проницаемых песчаных отложений, и заболоченных территорий, способствующих обогащению вод растворенным органическим веществом и накоплению данных элементов.
На основе данных о содержании в водах Fe общ и Mn и стандартных значений факторов экспозиции были рассчитаны средние суточные дозы веществ при пероральном поступлении с питьевой водой для детской и взрослой возрастных групп. Полученные результаты и значение референтной дозы (RfD) использовали для расчета коэффициента опасности (HQ) (табл. 2).
По данным, приведенным в табл. 2, видно, что максимальные значения коэффициента опасности для марганца не превышают единицы, а для железа – варьируют в широком диапазоне. При этом максимальные величины HQ для детской возрастной группы отличаются бóльшими значениями (в два раза) по сравнению со взрослой возрастной категорией, что объясняется большей дозой токсического вещества, поступающей в организм, на единицу массы тела ребенка по сравнению со взрослым человеком.
По результатам расчетов HQ в соответствии с классификацией, приведенной в руководстве по комплексной профилактике экологически обусловленных заболеваний на основе оценки риска [7], установлено, что ситуация по марганцу не вызывает опасения, так как значения коэффициента опасности для данного компонента укладываются в диапазон минимального и допустимого уровней риска для обеих возрастных групп (табл. 3). В отличие от марганца, для железа небольшой процент проб попадает в настораживающий уровень риска, а для детской возрастной группы – даже в высокий уровень риска, однако такая ситуация отмечается в единичном случае (около г. Надыма, частная скважина глубиной 5 м), что наглядно иллюстрируется зависимостью, приведенной на рис. 3.
Таблица 2
Результаты расчетов коэффициента опасности по возрастным группам
|
Компонент |
RfD |
HQ для возрастных групп |
|||
|
Дети |
Взрослые |
||||
|
Минимум |
Максимум |
Минимум |
Максимум |
||
|
Feобщ |
0,3 |
0,0 |
3,16 |
0,0 |
1,35 |
|
Mn |
0,14 |
0,0 |
0,64 |
0,0 |
0,27 |
Таблица 3
Распределение результатов расчета HQ по уровням риска в % от общего числа опробованных вод
|
Компонент |
Уровень риска |
|||||||
|
Минимальный (< 0,1) |
Допустимый (0,11–1,0) |
Настораживающий (1,1–3,0) |
Высокий (> 3) |
|||||
|
Дети |
Взрослые |
Дети |
Взрослые |
Дети |
Взрослые |
Дети |
Взрослые |
|
|
Feобщ |
22,7 |
50 |
63,6 |
45,5 |
11,4 |
4,5 |
2,3 |
0 |
|
Mn |
63,6 |
84,1 |
36,4 |
15,9 |
0 |
0 |
0 |
0 |
Рис. 3. Зависимость значений HQ от содержания железа общего в природных водах
На данном рисунке также видно, что для речных и озерных вод коэффициент опасности для обеих возрастных групп находится в диапазоне допустимого уровня риска. В подземных водах эоцен-олигоценового ВК значения HQ для детской возрастной группы соответствуют настораживающему уровню риска. Максимальные значения коэффициента опасности, попадающие в диапазон высокого уровня риска, рассчитаны для детской возрастной группы для вод четвертичного ВК, но такая ситуация отмечена для единичного случая. Таким образом, опираясь на результаты, полученные при расчетах, можно сделать вывод, что основным фактором риска для здоровья населения ЯНАО при использовании вод в питьевых целях является железо, накопление и распространение которого на региональном уровне, как правило, связано с геохимическими условиями территории.
Необходимо также отметить, что на территории ЯНАО существует проблема вторичного загрязнения питьевой воды в связи с неудовлетворительным санитарно-техническим состоянием распределительных сетей [8], в связи с чем вероятен риск фиксирования и более высоких концентраций железа в воде. Это, в свою очередь, повышает риск неблагоприятного прогноза в отношении развития заболеваний, которые могут возникнуть в результате хронического употребления вод с высоким содержанием железа. В частности, речь идет о таких заболеваниях неинфекционного характера, как болезни кожи и подкожной клетчатки, болезни мочеполовой системы, болезни крови и кроветворных органов [9], органов пищеварения (гастрит, дуоденит, колит) [9, 10], болезни эндокринной и костно-мышечной систем [9, 11], нейродегенеративные заболевания (болезнь Альцгеймера) [11] и некоторые другие.
Употребление озерных и речных вод, содержащих высокие концентрации растворенных органических веществ, ведет к снижению водопотребления населением и формированию питьевых привычек ограничения употребления воды. Проведенное исследование [4] показало, что употребление жителями Арктики речной воды способствует развитию артериальной гипертонии. Традиционное потребление ультрапресной талой воды (льда и снега) может способствовать развитию патологических изменений в организме человека, вести к нарушению обменных процессов с изменением свертываемости крови (повышается риск тромбозов), сгущением жидких сред организма (желчнокаменной и мочекаменной болезни), нарушению функционирования суставов (формирования артрозов и артритов). Нельзя также не отметить негативного влияния высоких концентраций растворенных органических веществ, а также и железа, на органолептические свойства воды, которые строго регламентированы. «Невкусная» мутная или «цветная» вода способствует развитию болезней желудка и кишечника, сопровождающихся моторными и секреторными нарушениями.
Заключение
Таким образом, результаты изучения основных физико-химических показателей состава природных вод территории ЯНАО показывают, что общий природный гидрогеохимический облик изучаемых вод определяют главным образом такие компоненты, как гидрокарбонат-ион, кальций и магний. Воды являются ультрапресными, с высоким содержанием растворенных органических веществ, концентрации которых с глубиной уменьшаются.
При анализе данных химического состава на соответствие нормативам качества вод установлено, что основным элементом, содержание которого повсеместно превышает нормы ПДК, является железо. Высокие содержания данного элемента в водах могут объясняться как природными условиями формирования их химического состава, так и вторичным загрязнением самих водопроводных систем, а также особенностями водоподготовки на водозаборных станциях.
Основной неканцерогенный риск для здоровья населения ЯНАО создает железо. Для выбранной детской возрастной группы риск значительно выше, чем для взрослой. При употреблении в питьевых целях вод с высоким содержанием в них железа существует опасность возникновения патологий неинфекционного характера.
При оценке рисков возникновения заболеваний у населения, обусловленных качеством питьевой воды, необходимо учитывать не только макро- и микрокомпонентный состав вод, но и групповой состав содержащегося в них растворенного органического вещества, поскольку некоторые соединения и продукты их деградации обладают канцерогенными и мутагенными свойствами, оказывающими негативное влияние на здоровье человека.