Оценка влияния дезинфектантов на суммарную мутагенную активность питьевой воды

Обеспечение населения качественной питьевой водой — глобальная проблема всего мирового сообщества (Онищенко Г. Г., 2003; WHO, 2003; Рахманин Ю. А. и соавт., 2004). Анализ состояния питьевого водоснабжения в РФ свидетельствует об ухудшении качества питьевой воды вследствие увеличения антропогенной нагрузки на водоисточники, недостаточнойбарьерной роли традиционных методов водоподготовки в отношении биологического и химического загрязнения (Рахманин Ю.А. и соавт., 1995; Михайлова Р. И., 1999; Авчинников А. В., 2002). Одним из путей улучшения качества воды при водоподготовке является использование химических дезинфектантов и окислителей.

В течение многих лет хлор был единственным дезинфектантом воды, применяемым для предупреждения инфекционных заболеваний. В начале 70-х годов было установлено, что при взаимодействии хлора с естественными органическими соединениями поверхностных вод, образуется множество галогенсодержащих соединений (ГСС) (Красовский Г. Н. и соавт. 1987; Худолей В. В., Мизгирев И. В., 1996, ЕНС 216, 2000), многие из которых оказывают отрицательное токсическое, и в том числе канцерогенное воздействие на человека. Эпидемиологические исследования показали значимую связь потребления человеком хлорированной питьевой воды с частотой рака почек, мочевого пузыря и толстой кишки (Ильницкий А.П. и соавт., 1993; Moms, 1995; Kovivusalo, 1998 и др.), что обусловило необходимость контроля за наличием и образованием канцерогенных соединений в воде. В то же время длительная экспозиция организма к действию даже следовых количеств хлорорганических соединений, содержащихся в питьевой воде, может усилить действие канцерогенов, поступивших в организм другим путем (Луков А.Н., 2000). Все это, а также опасность транспортировки и хранения хлора (Абрамов В.М. и соавт., 1999; Подковыров В. П., Привен Е. М., 2004) ставят вопрос о частичной или полной замене хлора в процессе водоподготовки на другие дезинфектанты, в связи с чем, рассматривается вопрос о более широком внедрении озонирования, обработки воды двуокисью хлора и введении в ряде случаев йодирования (Рахманин Ю.А. и соавт., 2002; ATSDR, 2004).

Эти способы водоподготовки уже используются в различных странах мира, но риск, связанный с образованием побочных продуктов менее изучен, чем при хлорировании. Спектр химических соединений, образующихся в процессе водоподготовки, существенно различается для разных дезинфектантов и при их комбинированного применении (А.Г. Малышева, Л. Ф. Кирьянова, 2001; Е. Е. Полякова, Н. А. Зайцев, 2004;), варьируя в зависимости от сезонности и состояния самого водоисточника. Все это затрудняет оценку токсических, в том числе и мутагенных, эффектов побочных продуктов дезинфектантов.

Поэтому, наряду с физико-химическим анализом отдельных веществ, для оценки мутагенного эффекта побочных продуктов дезинфекции, необходимо определять их суммарную мутагенную активность (СМА). Это позволяет контролировать в целом мутагенную активность химических загрязнений воды, не определяя отдельных мутагенов. Наиболее эффективным интегральным биоиндикатором загрязнения воды канцерогенами и мутагенами является анализ её суммарной мутагенной активности (СМА) в тесте Salmonella/микросомы (тест Эймса), который позволяет регистрировать мутагенное влияние комплекса нелетучих v органических соединений (Meier J.R. et al., 1988; Cerna М. et al., 1991; Журков B.C., 1993; Абилев C.K., 2003), образующихся в процессе дезинфекции воды поверхностных водоисточников.

Использованию этого подхода при внедрении новых технологий обеззараживания мешает отсутствие методических схем проведения исследований, четких показателей оценки эффективности методов водоподготовки в отношении снижения мутагенности воды.

Исходя из выше изложенного, целью данной работы явилась оценка влияния дезинфектантов на суммарную мутагенную активность (СМА) питьевой воды, для достижения которой были поставлены и решались следующие задачи:

1. Разработать систему показателей для оценки влияния дезинфектантов на СМА воды.

2. Изучить СМА питьевой воды на водопроводных станциях, использующих воду поверхностных водоисточников и применяющих первичное и вторичное хлорирование при водоподготовке.

3. Оценить влияние разных режимов озонирования, применяемого изолированно и в комбинации с хлорированием, на СМА воды поверхностных источников.

4. Оценить влияние комбинации двуокиси хлора и хлорирования на СМА воды поверхностного водоисточника.

5. Оценить влияние разных режимов йодирования на СМА хлорированной питьевой воды.

Научная новизна. Впервые:

• предложена система показателей оценки влияния дезинфектантов на СМА воды, включающая: количество индуцируемых колоний ревертантов на 1 л воды (ИКР) — величину, обратную удваивающему объему воды (1/УО) — долю снижения СМА питьевой воды при использовании альтернативного дезинфектанта или его комбинации с хлорированием по сравнению со стандартным хлорированием (Кикр);

• установлено существенное снижение СМА воды поверхностного водоисточника при применении озонирования до или после хлорирования. Определены оптимальные дозы озона для снижения СМА хлорированной воды;

• показана высокая эффективность озоносорбционной технологии водоподготовки в снижении мутагенных соединений в воде по сравнению с традиционной схемой, предусматривающей первичное и вторичное хлорирование;

• выявлено, что использование двуокиси хлора до или после хлорирования воды поверхностного водоисточника существенно снижает СМАвпервые показано, что йодирование существенно снижает мутагенную активность хлорированной водопроводной воды. Определены оптимальные дозы йода и рН воды, при которых происходит максимальное снижение СМА хлорированной питьевой воды.

Практическая значимость.

Показана необходимость экспериментальной оценки СМА воды при внедрении новых дезинфектантов изолированно и в комбинации с хлорированием в технологию водоподготовки или кондиционировании питьевой воды. Предложены схемы экспериментальных исследований для сравнительной оценки дезинфектантов в отношении образования побочных продуктов дезинфекции, обладающих мутагенной активностью при внедрении конкретных технологий водоподготовки или кондиционирования питьевой воды. Предлагаемые исследования будут способствовать выбору оптимальных технологий водоподготовки в отношении мутагенной и канцерогенной безопасности.

Материалы работы учтены при подготовке СанПиН 2.1.4.1116−02. «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды, расфасованной в емкости. Контроль качества».

Результаты оценки СМА использованы МГП «Мосводоканал» при выполнении комплексной оценки применения диоксида хлора в процессе водоподготовки и отработке режимов озоносорбционной технологии (Справка о внедрении № В-1/37 от 28.01.2002 г.).

Работа выполнена в лаборатории генетического мониторинга в рамках плановых тем ГУ НИИ ЭЧиГОС им. А. Н. Сысина РАМН (№№ госрегистрации: 01.9 070 002 123- 01.20.689- 01.20.691), а также договора с МГП «Мосводоканал» № 11−81/97. Работа проведена совместно с Мосводоканал НИИ проектом и МГП «Мосводоканал», а также с сотрудниками лаборатории гигиены питьевого водоснабжения ГУ НИИ ЭЧиГОС им. А. Н. Сысина РАМН.

Апробация работы. Материалы диссертации представлены на: международном конгрессе «Вода: экология и технология», Москва, 17−21 сентября 1996 г.- международных конгрессах ЭКВАТЕК (Москва, 1996, 2000, 2002 гг.) — 1-ом съезде токсикологов России (Москва, 1998 г.) — 29 ежегодном совещании Европейского общества по мутагенам окружающей среды (Копенгаген, Дания, 1999 г.) — 16-ом ежегодном совещании Общества по мутагенам окружающей среды стран Северной Европы (Вильнюс, 1999 г.) — втором Российском съезде медицинских генетиков (Курск, 2000 г.) — 2-ом съезде Вавиловского общества генетиков и селекционеров (Санкт-Петербург, 2000 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, из них 3 в центральной печати.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, шести глав собственных исследований, обсуждения результатов, выводов, списка литературы и приложений. Текст изложен на 130 страницах машинописи, иллюстрирован 17 таблицами и 12 рисунками. Указатель литературы содержит 199 источников, из них 61 отечественных и 138 иностранных авторов.

ВЫВОДЫ.

1. Разработана система показателей, характеризующих количественно и качественно СМА воды при обработке ее дезинфектантами, включающая: величину, обратную удваивающему объему, в л, для пробы воды в целом и для отдельных штаммов S. typhimuriumколичество индуцируемых колоний ревертантов на 1 л воды для каждого штаммакоэффициент, характеризующий степень изменения СМА при исследуемом режиме обеззараживания по сравнению со стандартным хлорированием.

2. Выявлена СМА во всех пробах питьевой воды, прошедшей на двух водопроводных станциях стандартный режим водоподготовки, включающий первичное и вторичное хлорирование. Установлена положительная корреляция СМА питьевой воды с интегральными показателями, характеризующими степень загрязнения воды поверхностных водоисточников органическими соединениями (цветность, окисляемость) и с дозой хлора при первичном хлорировании.

3. Анализ воды поверхностных водоисточников г. Москвы показал отсутствие СМА воды после обработки озоном в режиме озонированияотсутствие мутагенной активности органических продуктов озонирования в режиме озонофлотации при дозе озона 0,5 мг/л и слабую мутагенную активность исходной воды в режиме озонофлотации при дозах озона 3 и 4 мг/л, уровень которой был значительно ниже, чем при хлорировании.

4. Сравнительная оценка озонирования в сочетании с хлорированием со стандартным первичным и вторичным хлорированием воды поверхностных водоисточников позволила установить:

• эффективное снижение уровня СМА (до 100%) хлорированной воды поверхностного водоисточника при последующем озонировании в диапазоне доз от 3,0 до 4,5 мг/л;

• более эффективное снижение уровня СМА хлорированной питьевой воды (дозы хлора 4 и 6 мг/л) озоном (дозы 0,5 и 3,0 мг/л) в режиме озонирования по сравнению с озонофлотацией.

• снижение СМА питьевой воды поверхностного водоисточника с увеличением дозы озона (от 1,02 до 4,78 мг/л) перед хлорированием (диапазон доз хлора от 1,3 до 2,3 мг/л);

• оптимальный уровень снижения СМА воды при обработке озоном в режиме озонирования в комбинации с хлорированием — в дозе 1 мг/л и выше;

• высокую эффективность озоносорбционной технологии в снижении мутагенных продуктов дезинфекции в питьевой воде.

6. Обеззараживание воды поверхностных водоисточников двуокисью хлора и хлором в разных сочетаниях приводило к существенному снижению СМА питьевой воды по сравнению со стандартным хлорированием. Оптимальной является схема, включающая первичную обработку воды поверхностного водоисточника двуокисью хлора в дозе 1 мг/л и вторичное хлорирование.

7. Установлено, что технология йодирования значимо снижала СМА хлорированной водопроводной воды с увеличением дозы йода от 0,5 до 4,0 мг/л при рН близком к нейтральному (7,3−7,5). Минимальная эффективная доза йода для снижения СМА хлорированной водопроводной воды для всех штаммов S. typhimurium и вариантов опыта составила 1 мг/л. При йодировании хлорированной водопроводной воды в слабо щелочной среде (рН 9,0) СМА не обнаружена.

8. Контроль суммарной мутагенной активности воды рекомендуется в системе гигиенических исследований при оценке безопасности новых технологий обеззараживания и режимов водоподготовки, а также систем кондиционирования питьевой воды.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Анализ ряда показателей, используемых в настоящее время для характеристики суммарной мутагенной активности воды, выявил некоторые ограничения их использования для сравнения уровней мутагенности водоисточников и питьевой воды. Это привело к необходимости разработки и определения набора основных показателей для экспериментальной оценки СМА воды в тесте Эймса. Нами разработана система, включающая следующие показатели:

1. (ИКР) — количество индуцируемых колоний ревертантов на 1 л воды — показатель, который информативен при сравнении эффективности режимов обработки в пределах одного эксперимента для каждого штамма и варианта метаболической активации и позволяет оценить статистическую значимость изменения СМА сравниваемых в опыте проб воды в пределах конкретного штамма/варианта;

2. (1/УО) — величина, обратная удваивающему объему воды — т. е. объему воды в л., удваивающему число колоний ревертантов на чашку в опыте над контролем. Показатель 1/УО не зависит от спонтанного уровня колоний ревертантов на чашку, вследствие чего более адекватен для сравнения мутагенности проб воды для разных штаммов Salmonella typhimurium и вариантов опыта, может говорить о характере влияния способа обработки на СМА воды;

3. Коэффициент Кцкрхарактеризующий степень снижения СМА исследуемого режима водоподготовки по сравнению со стандартным хлорированием и определяемый по формуле:

Кикр = [(ИКР (С1) — ИКР (С, — D)): ИКР (С0] * 100%- где ИКР (С1) — ИКР для режима со стандартным хлорированиемИКР (С1 — D) — ИКР для режима с альтернативным дезинфектантом или комбинирования хлорирования и альтернативного дезинфектанта.

Этот, предложенный нами показатель, позволяет оценивать долю снижения СМА (в %) для исследуемого режима дезинфекции альтернативным дезинфектантом или его комбинации с хлорированием по сравнению только с хлорированием (или в • экспериментах по кондиционированию воды по сравнению с СМА водопроводной воды). Кикр информативен для сравнения различных технологий водообработки по результатам нескольких экспериментов.

Использование этих показателей в наших экспериментах позволило, на примере двух поверхностных водоисточников, оценить уровни СМА исходной и питьевой воды, обработанной по традиционной схеме водоподготовки, включающей первичное и вторичное хлорирование, и сравнить их с уровнем СМА при использовании альтернативных дезинфектантов. В ходе исследований определена мутагенность питьевой хлорированной воды, которая определялясь во всех вариантах экспериментов с проявлением максимального уровня мутагенного эффекта на штамме ТА 100 без активации и в меньшей степени на штамме ТА 98 без активации, что характерно для продуктов трансформации органических соединений природного и антропогенного происхождения, образующихся при хлорировании воды поверхностных водоисточников.

При анализе СМА воды поверхностных водоисточников после введения различных доз озона (Глава 6.1.) в режиме озонирования выявлено отсутствие мутагенного действия озона в дозах 0,5 — 4,5 мг/л. Озонофлотация.

1 9 барбатирование озоно-воздушной смесью 0,1 м /м час) при дозе озона 0,5 мг/л также не индуцировала значимое образование мутагенов в воде. В эксперименте при дозах озона 3 и 4 мг/л в режиме озонофлотации отмечен слабый мутагенный эффект концентратов воды, который на штамме ТА 100 при СМ-был в 6,4 раза ниже, чем СМА воды при стандартном хлорировании.

Оценка влияния на СМА воды озонирования после первичного хлорирования (доза хлора от 2,0 до 6,0 мг/л) показала (Глава 6.2.), что озон в режиме озонирования существенно снижал СМА воды по сравнению с хлорированием: при дозах озона в диапазоне от 3,0 до 4,5 мг/л степень снижения СМА воды по показателю КИкр составила от 65% до 100%. При дозе озона 0,5 мг/л эффект снижения был менее выражен и составлял для штамма ТА 100 при СМдо 46%. В изученном диапазоне доз хлора (2−4 мг/л) и озона (0,53,8 мг/л) отмечено снижение СМА воды с увеличением дозы озона при одинаковой дозе хлора и повышение СМА воды с увеличением дозы хлора при одинаковых дозах озона.

Следует отметить, что озон в режиме озонирования более эффективно снижал СМА хлорированной воды поверхностного водоисточника (доза хлора 4 и 5,5 мг/л), чем в режиме озонофлотации. Этот эффект отмечался при разных дозах озона — 0,5 и 3,0 мг/л.

Эксперименты по изучению СМА воды после озонирования с последующим хлорированием (Глава 6.3.) проведены на пилотной установке водопроводной станции волжского водоисточника, технологическая схема водоподготовки которой включала следующие этапы: озонирование (дозы озона от 1,02 до 4,78 мг/л в режиме озонирования) — хлорирование (дозы хлора от 1,3 до 2,3 мг/л) — коагуляцию — отстаивание — фильтрацию через двухслойный песчаный фильтр. На экспериментальной установке водопроводной станции москворецкого водоисточника (при дозах озона и хлора на уровне 1,6 мг/л) хлорирование проводилось после этапа фильтрации.

Во всех экспериментах с озонированием и последующим хлорированием выявлена мутагенная активность органических загрязнений воды, хотя исходная вода была не мутагенна. Однако СМА этих проб была существенно меньше, чем СМА пробы воды после первичного и вторичного хлорирования, применяемого на станции в этот период.

Уровень СМА воды снижался с увеличением дозы озона при постоянной дозе хлора и с уменьшением дозы хлора при одинаковой дозе озона. Этот эффект отмечен для всех штаммов/вариантов, но наиболее выражен на штамме ТА 100 при СМ-.

В настоящее время для повышения качества питьевой воды внедряется озоносорбционная технология (Глава 6.4.), сочетающая озонирование, фильтрацию через гранулированный активированный уголь (ГАУ), заключительное хлорирование. На экспериментальной установке были испытаны дозы озона от 0,5 до 2,5 мг/л, а также проведены исследования по оценке эффективности доочистки воды на ГАУ в зависимости от срока его эксплуатации. Заключительное хлорирование проводилось гипохлоритом натрия в дозе 2,4 мг/л.

В эксперименте с ГАУ в начале эксплуатации выявлен слабый мутагенный эффект коцентратов воды только при дозе озона 0,5 мг/л на штамме ТА 98 при СМ+. После 2 месяцев эксплуатации ГАУ при дозе озона 0,5 мг/л мутагенный эффект концентрата воды был в 3 раза ниже, чем при стандартном двойном хлорировании на штаммах ТА 100 при СМи СМ+ и ТА 98 при СМ-, а при дозе озона 2,0 мг/л приблизительно в 6 раз ниже на штамме ТА 100 при СМи отсутствовал в других вариантах. Следует отметить, что в этом случае уровень СМА хлорированной питьевой воды был выше и наблюдался во всех вариантах эксперимента, в отличие от СМА питьевой воды в период проведения эксперимента с новым ГАУ.

Исследования, проведенные на пилотной установке фирмы «Degremont», показали, что предокисление озоном в дозе 1,0 мг/л и вторичное озонирование (0,8 мг/л) перед фильтрацией на ГАУ не вызывало мутагенности проб воды, как до заключительного хлорирования, так и после.

Результаты, полученные в экспериментальных исследованиях, были подтверждены в условиях промышленных испытаний озоносорбционной технологии при дозе озона 2,5 мг/л.

Таким образом, эксперименты по изучению СМА воды с использованием озона показали: отсутствие или слабую мутагенную активность побочных продуктов озонирования воды поверхностных водоисточниковсущественное снижение по сравнению с хлорированием СМА водопроводной воды после разных вариантов сочетанной обработки озоном и хлоромвысокую эффективность озоносорбционной технологии в снижении содержания мутагенных продуктов дезинфекции в питьевой водеснижение СМА воды с увеличением дозы озона и оптимальный уровень снижения СМА воды при обработке дозами озона на уровне 1 мг/л и выше.

Двуокись хлора.

При первичном хлорировании (гипохлорит натрия в дозе 2,0 мг/л) воды с последующей обработкой двуокисью хлора (СЮ2) в дозе 1 мг/л отмечено отсутствие СМА, выявляемой на штамме ТА 100 при СМ-. В то же время уровень СМА воды, определяемый на штамме ТА 98 при СМи СМ+ был сходен с уровнем СМА пробы воды после первичного и вторичного хлорирования (Глава 7.).

Первичная обработка воды двуокисью хлора с последующим вторичным хлорированием гипохлоритом натрия в дозе 1,2−1,3 мг/л не приводила к образованию мутагенных соединений. Отмеченный эффект не зависел от дозы двуокиси хлора (1 и 4 мг/л).

Результаты экспериментов выявили значительное снижение СМА воды поверхностных водоисточников при обработке двуокисью хлора в вариантах до и после хлорирования по сравнению с вариантом с первичным и вторичным хлорированием. Полученные данные позволяют предположить, что комбинация хлорирования и двуокиси хлора приводит к существенному снижению образования мутагенных галогенорганических соединений при использовании дозы двуокиси хлора 1 мг/л, рекомендуемой для использования при водоподготовке.

Иодирование.

В экспериментальных исследованиях проведена оценка возможного образования побочных продуктов при йодировании по показателю СМА в зависимости от дозы йода и величины водородного показателя воды. Исследования по технологии йодирования не выявили мутагенной активности концентратов исходной речной воды до и после введения йода в дозах 4 и 10 мг/л. В то же время хлорирование воды этого водоисточника приводило к образованию мутагенных соединений во всех пробах .

Установлено снижение уровня СМА хлорированной водопроводной воды с увеличением дозы йода (0,5−4,0 мг/л), при этом минимальная эффективная доза йода в отношении снижения СМА воды по данным всех экспериментов была на уровне 1 мг/л (Глава 8.2.).

В последние годы интенсивно изучается влияние рН воды на образование побочных продуктов дезинфекции. В связи с этим изучено влияние йодирования на уровень СМА хлорированной водопроводной воды при разных значениях водородного показателя (рН. 6,0- 7,3 и 9,0) дозой йода 1 мг/л (Глава 8.3.). Исследования хлорированной водопроводной воды выявили ее мутагенность на штаммах ТА 100 и ТА 98 в варианте без метаболической активации. Йодирование при рН 6,0 практически не изменило СМА водопроводной воды. При повышении рН до 7,3 (рН водопроводной воды) мутагенная активность воды снижалась. В щелочной среде (рН 9,0) СМА йодированной водопроводной воды не выявлена.

В эксперименте при более низком значении СМА водопроводной хлорированной воды (ИКР 13,7 кол/л) йодирование в дозах 0,5 и 1,0 мг/л при рН 7,5 и 9,0 приводило к отсутствию мутагенной активности питьевой воды.

Йодирование воды поверхностных водоисточников, по-видимому, в отличие от хлорирования не приводит к образованию мутагенных соединений, а йодирование мутагенных соединений в хлорированной воде при определенных условиях, по-видимому, приводит либо к их разрушению, либо к образованию не мутагенных соединений. По результатам данных экспериментов наиболее оптимальная для снижения СМА хлорированной воды была доза йода 1 мг/л.

Таким образом, оценка СМА питьевой воды двух поверхностных водоисточников Московского региона, показала отсутствие или существенное снижение уровня мутагенности при использовании альтернативных дезинфектантов изолировано и в сочетании с хлорированием по сравнению с хлорированием.

Следует отметить, что используемая нами методика оценки СМА воды не позволяет регистрировать возможный мутагенный эффект образующихся при обработке воды поверхностных водоисточников броматов, хлоритов и хлоратов. Мутагенная и возможная канцерогенная активность этих соединений обсуждается в ряде работ (ЕНС 216, 2000; IARC, 2002; ATSDR, 2004b). Контроль за образованием этих продуктов трансформации в воде при использовании в технологии водоподготовки двуокиси хлора должен проводится химико-аналитическими методами. Тест Эймса (с приведенной в данной работе пробоподготовкой) эффективен для контроля образования комплекса нелетучих органических продуктов трансформации, образующихся при дезинфекции в процессе водоподготовки. Однако эффективность контроля образования мутагенных соединений напрямую зависит от правильного планирования проведения экспериментов по сравнительной оценке СМА проб воды, что включает: обязательный анализ СМА воды проб водоисточника параллельно с анализом СМА проб воды после стандартного хлорирования, применяемого на водопроводной станции в исследуемый период, поскольку вода, особенно поверхностных водоисточников, может быть загрязнена мутагенными соединениямиоценку СМА водопроводной воды из распределительной сети водопроводной станции, использующей воду поверхностного водоисточника и применяющей при водоподготовке первичное и вторичное хлорирование при выборе оптимальных режимов применения реагентов при кондиционировани питьевой водыпроведение исследовании (по крайней мере, на начальном этапе) следует на стандартных штаммах салмонеллы (ТА 100 и ТА 98) в вариантах без и в присутствии системы метаболической активации с испытанием не менее 4 доз концентратов проб воды для оценки минимально-эффективных доз и зависимости эффекта от дозыанализ результатов СМА воды для качественной и количественной характеристики влияния дезинфектантов и их комбинаций на СМА воды с использованием предложенной нами системы показателей.

Эти эксперименты позволят успешно решать задачи, касающиеся определения оптимальных условий водоподготовки при выборе новых технологий дезинфекции, и контролировать наличие комплекса нелетучих органических продуктов трансформации, образующихся в процессе обработки воды различными дезинфектантами.