Обеззараживание воды: о необходимости взаимосвязанного анализа и решения фундаментальных и прикладных проблем

7. Halpern D. Mental health and the built environment. London; Taylor and Francis; 1995.

8. Stafford M., Chandola T., Marmot M. Association between fear of crime and mental health and physical functioning. Am. J. Publ. Health. 2007; 97: 2076-81.

9. Foster S., Giles-Corti B. The built environment, neighbourhood, crime and constrained physical activity: An exploration of inconsistent findings. Prev. Med. 2008; 47(3): 241-51.

10. Lim S.S., Vos T., Flaxman A.D., Danaei G., Shibuya K., Adair-Rohani H. et al. A comparative risk assessment of burden of disease and injury attributable to 67 risk factors and risk factor clusters in 21 regions, 1990-2010: a systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2010. Lancet. 2013; 380(9859): 2224-60. doi:10.1016/S0140-6736(12)61766-8

11. DEFRA. Air quality strategy for England, Scotland, Wales and

Northern Ireland (2007). Department for Environment, Farming and Rural Affairs, London.

12. WHO. Burden of disease from environmental noise (2011c). Copenhagen: World Health Organization regional Office for Europe. Available at: http://www.euro.who.int/ data/assets/pdf file/0008/136466/e94888.pdf (accessed 15 May 2013).

13. WHO. Our cities, our health, our future. Acting on social determinants for health equity in urban areas. Geneva: World Health Organization; 2008. Available at: http://www.who.or.ip/knusp/ KNUS final report.pdf (accessed 17 March 2012).

14. Peden M., Oyegbite K., Ozanne-Smith J., Hyder A.A., Branche C., Rahman A.K.M.F. et al.World Report on Child Injury Prevention (2008). World Health Organization, UNICEF. Available at: http://whqlibdoc.who.int/publications/2008/9789241563574 eng.pdf (accessed 17 May 2013).

Поступила 16.07.13

© А.В. МОКИЕНКО, 2014 УДК 613.31:628.16

А.В. Мокиенко

ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЕ ВОДЫ: О НЕОБХОДИМОСТИ АНАЛИЗА И РЕШЕНИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПрИКЛАдНЫХ ПрОБЛЕМ

Государственное предприятие «Украинский НИИ медицины транспорта» Министерства здравоохранения Украины, г. Одесса, 65039, Украина

В работе представлен анализ гигиенических и медико-экологических аспектов обеззараживания воды на примере хлора и диоксида хлора (ДХ). Предложены концепция персистирующе-мультивариантного риска водных патогенов, собственное видение механизма формирования хлоррезистентности бактерий под влиянием биоцидов на основе двустадийного процесса информационно-пространственного взаимодействия рецептора и субстрата, гипотеза о горметическом стимулирующем влиянии остаточного активного хлора (в комплексе с другими факторами) на рост водных патогенов. Обоснована аггравация значимости галогенсодержащих соединений (ГСС) как побочных продуктов хлорирования воды с точки зрения их потенциальной опасности как токсикантов и канцерогенов. Анализ гигиенических и медико-экологических аспектов применения диоксида хлора как средства обеззараживания воды позволил обосновать химизм его биоцидного действия и механизмы бактерицидного, вирулицидного, протозооцидного, спороцидного, альгацидного действия, удаления биопленок, образования побочных продуктов обеззараживания. Показано, что диоксид хлора обеспечивает эпидемическую безопасность питьевой воды вследствие высокого вирулицидного, бактерицидного и мико-цидного действия и является токсикологически безвредным как в контексте влияния на организм лабораторных животных, так и по отношению к гидробионтам при сбросе обеззараженных сточных вод. Обоснована необходимость тесной взаимосвязи фундаментальных и прикладных исследований при проведении первых в контексте глубокого изучения микробиологических, молекулярно-генетических и эпидемиологических проблем обеззараживания (хлорирования) воды и реализации вторых путем внедрения альтернативных, в том числе комбинированных, технологий очистки и обеззараживания воды.

Ключевые слова: вода, обеззараживание, резистентность, хлор, диоксид хлора.

A.VMokienko - DISINFECTION OF WATER: ON THE NEED FOR ANALYSIS AND SOLUTION OF FUNDAMENTAL AND APPLIED PROBLEMS

The Ukrainian Scientific-Research Institute of Transport Medicine , Odessa, Ukraine, 65039

In the paper there is presented an analysis of hygienic - medical and environmental aspects of water disinfection as exemplified of chlorine and chlorine dioxide (CD). The concept ofpersistent multivariate risk for aquatic pathogens, the own vision of the mechanism offormation of chlorine resistance of bacteria under the influence of biocides based on a two-step process of information and spatial interaction of the receptor and the substrate, the hypothesis of hormetic stimulating effect of residual active chlorine (in the complex with other factors) on the growth of aquatic pathogens have been proposed. The aggravation of the significance of halogen containing compounds (HCC) as byproducts of water chlorination in terms of their potential danger as toxicants and carcinogens has been substantiated. Analysis of hygienic and medical and environmental aspects of the use of chlorine dioxide as a means of disinfection of water allowed to justify chemism of its biocidal effect and mechanisms of bactericidal, virucidal, protozoocidal, sporicidal, algacidal actions, removal of biofilms, formation of disinfection byproducts. Chlorine dioxide was shown both to provide epidemic safety of drinking water due to its high virucidal, bactericidal and mycocidal action and to be toxicologically harmless in the context of the influence on the organism of laboratory animals as well as in relation to aquatic organisms under the discharge of disinfected wastewater. There has proved the necessity of the close relationship offundamental and applied research in performing the first in terms of depth study of microbiological, molecular genetic and epidemiological problems of disinfection (chlorination) of water and the implementation of the latters by means of the introduction of alternative, including combined, technologies for water treatment and disinfection.

Key words: water; disinfection; resistance; chlorine; chlorine dioxide.

15

[гиена и санитария 1/2014

Введение

По данным ВОЗ, 25% населения в мире рискуют заболеть в результате использования недоброкачественной питьевой воды, а каждый десятый человек в связи с этим болеет. На V Всемирном водном форуме (Стамбул, 2009) ВОЗ приводились данные, согласно которым порядка 3 млн жителей развивающихся стран ежегодно умирают вследствие употребления загрязненной питьевой воды. По этим же причинам каждые 17 секунд в мире умирает один ребенок [1].

Санитарно-эпидемическая ситуация, сложившаяся на территории Украины, свидетельствует: употребление питьевой воды как централизованных, так и децентрализованных систем водоснабжения становится дополнительным фактором риска для здоровья населения. За последние 5 лет в стране вследствие вспышек острых кишечных инфекций с водным путем передачи возбудителя пострадало свыше 5000 человек, 3000 из которых - дети. По уровню заболеваемости вирусным гепатитом А, для которого водный фактор передачи является определяющим, Украина занимает одно из лидирующих мест в Европе [1].

Таким образом, назрела необходимость решения некоторых фундаментальных и прикладных проблем, связанных с обеззараживанием воды, и определения основных направлений их реализации, что и явилось целью настоящей работы.

Результаты и обсуждение

Главный парадокс водоочистки - является ли обеззараженная питьевая вода безопасной для здоровья в связи с почти неминуемым появлением в ней побочных продуктов дезинфекции [2]. Вместе с тем, по мнению

N. J. Ashbolt (2004), водные патогены более важны при оценке риска для здоровья по сравнению с побочными продуктами обеззараживания [3].

Ранее мы высказали концепцию персистирующе-мультивариантного риска водных патогенов, основывающуюся на единстве природы резистентности и значимости воды как идеальной среды для формирования субстратов (биопленок) [4].

В развитие этой идеи нами предложена концепция природы хлоррезистентности микроорганизмов различных классов, суть которой сводится к двустадийному процессу информационно-пространственного взаимодействия рецептора и субстрата [5].

Основываясь на фундаментальной биомедицинской парадигме гормезиса, согласно которой малые дозы вызывают стимуляцию, а большие - ингибирование биологических показателей, в том числе у вирусов и бактерий [6], мы предположили, что хлор в остаточных концентрациях в комплексе с другими факторами оказывает горметическое стимулирующее влияние на рост водных патогенов, внося свой вклад в персистенцию их циркуляции в водной среде и питьевой воде [7-10]. Подтверждением нашей гипотезы являются, в частности, результаты исследований C. Bodet и соавт. [11]: хлор в сублетальных дозах при воздействии на Legionella pneumophila вызывает экспрессию синтеза белков, вовлеченных в клеточные механизмы защиты против окислительного стресса, в результате чего формируется адаптация или резистентность к хлору. Аналогичное явление обнару-

Для корреспонденции: Мокиенко Андрей Викторович, gigie-na@kurort.odessa.net

жено S. Wang и соавт. у Escherichia coli O157H7 [12], Salmonella enterica Enteritidis и Typhimurium [13].

Обобщение данных зарубежных и отечественных исследователей по влиянию галогенсодержащих соединений (ГСС) как побочных продуктов хлорирования воды, традиционно считающихся опасными для здоровья, показывает следующее. ГСС как потенциальные токсиканты и канцерогены могут вызвать токсический или отдаленный эффект, только если: а) попадут в питьевую воду в значительных концентрациях; б) проникнут в адекватно чувствительный организм в результате питья или приема водных процедур (главным образом ингаля-ционно); в) достигнут органа-мишени; г) будут обладать активными молекулами или радикалами; д) смогут преодолеть системы антиоксидантной защиты организма; е) будут способны вызвать повреждение мембранных и цитоплазменных структур клетки; е) необратимость повреждения запустит механизмы токсических эффектов и генетических трансформаций [14].

Анализ гигиенических и медико-экологических аспектов применения диоксида хлора как средства обеззараживания воды показал следующее [15].

Благодаря непарному числу электронов ДХ является молекулой-радикалом, акцептором электронов и окислителем, в водных растворах присутствует как молеку-лярно растворимый газ.

Инактивация бактерий диоксидом хлора обусловлена его высокой окислительной способностью и мономолекулярным состоянием, вследствие чего он легко проникает через мембрану, нарушая трансмембранный градиент и проницаемость за счет ингибирования фос-фаттрансферазы и глюкозооксидазы [16].

При инактивации вирусов ДХ нарушает репликацию вируса за счет повреждения генома и вызывает деструкцию протеинов вирусного капсида [17].

Протозооцидная эффективность диоксида хлора сопоставима с таковой для озона: 90% инактивация C. parvum oocysts при концентрации 1,3 мг/дм3 за 60 мин и 1 мг/дм3 за 5 мин соответственно [18]. Поскольку энергия активации для диоксида хлора на шесть единиц превосходит значения для озона [19], можно предположить идентичность уровней инактивации C. parvum oocysts диоксидом хлора и озоном.

Главный механизм инактивации диоксидом хлора бактериальных спор состоит в повреждении внутренней мембраны. Это обусловливает нарушение проницаемости плазматической мембраны проросшей споры, предшественником которой является внутренняя мембрана [20]. Споры, обработанные диоксидом хлора, напоминают споры после обработки перекисью водорода [21].

Альгацидный эффект диоксида хлора объясняется повреждением фотосинтетического аппарата, экстра-целлюлярным выведением внутриклеточного содержимого и его последующим окислением [22].

Диоксид хлора является более эффективным биоцидом в борьбе с биопленками, чем хлор [23]. Вместе с тем это связано с необходимостью поддержания его остаточной концентрации в распределительных системах для контроля послероста суспендированных и присоединенных бактерий [24].

Из данных литературы следует: при окислении диоксидом хлора образуются в основном нестойкие побочные продукты окисления, а не хлорирования, что можно считать преимуществом в сравнении с проблемой ГСС. Наряду с этим разложение природного органического вещества (NOM) под воздействием диоксида хлора со-

16

провождается образованием значительного количества органических биоразлагаемых побочных продуктов (альдегидов и карбоновых кислот) [25]. Эти соединения представляют собой питательный субстрат для роста микрофлоры и могут существенно повлиять на стабильность микробиологических показателей питьевой воды при ее длительном пребывании в распределительной сети.

Интегральные исследования показали: диоксид хлора обеспечивает эпидемическую безопасность питьевой воды вследствие высокого биоцидного действия и токсикологически безвреден как для организма лабораторных животных, так и для гидробионтов при сбросе обеззараженных сточных вод [4].

Выше отмечалось, что состояние качества воды на Украине, от ее ресурсов до поступления потребителям, неоднократно называлось критическим и потому не требует комментариев. Мы объясняем это тем, что основные пути преодоления данной проблемы четко не сформулированы.

Прежде всего необходимо определение этиологии воднообусловленных болезней (подробно изложенной в последних руководствах ВОЗ: Guidelines for drinking water quality, 2004, 2011), особенно малоизученных: Campylobacter spp., диареегенные Escherichia coli, Nontuberculous mycobacteria, Cyanobacteria spp., вирус гепатита E, астровирусы, Cryptosporidium parvum, Giardia intestinalis.

Поскольку наша гипотеза относительно адаптивностимулирующего влияния хлора (преобладающего средства обеззараживания воды) на микроорганизмы в регламентированных остаточных концентрациях (0,3-0,5 мг/ дм3) базируется на фундаментальных молекулярногенетических исследованиях зарубежных ученых, целесообразно проверить ее правильность. Подразумевается следующее: а) микробиологическая оценка воды на этапах водоподготовки и в системах централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения с учетом сублетальности хлора, изменения вследствие этого культуральных, биохимических и вирулентных свойств санитарно-показательных, условно патогенных и патогенных микроорганизмов и их реактивации; б) эпидемиологические исследования взаимосвязи воднообусловленной заболеваемости населения с потреблением воды, отвечающей нормативным требованиям по остаточному активному хлору и санитарно-микробиологическим показателям; в) молекулярно-генетическое типирование обеззараженных хлором лабораторных и «диких» штаммов микроорганизмов; г) вирусологические исследования возможного влияния хлора на реассортацию (перегруппировку) генов у эпидемически опасных кишечных вирусов (гепатит А, ротавирус, энтеровирус, норовирус, аденовирус и др.).

Следует также иметь в виду, что повсеместное использование хлора для обеззараживания воды, а также хлорсодержащих (и других) биоцидов в быту - типичный пример отрицательного антропогенного прессинга на биосферу, следствием чего выступает рост (количественный и качественный) генетически модифицированной, в том числе оппортунистической и патогенной, микробиоты. Из-за принципиального отличия темпов эволюции микроорганизмов от макробиоты (человек на индивидуальном и популяционном уровне) происходит значительный дисбаланс в биосфере, в том числе с точки зрения неизвестных инфекционных болезней, повышающих рост генетических трансформаций среди людей, например, орфанных патологий.

Сформулированные векторы исследований микробиологического качества воды имеют определенную практическую направленность. В результате решения этих вопросов мы можем получить дополнительное обоснование необходимости внедрения более эффективных технологий обеззараживания воды и/или комбинирования хлора с другими окислителями (например, диоксидом хлора) [26].

Полагаем, оптимальное решение проблемы качества воды и ее обеззараживания на современном научнометодическом уровне возможно с созданием межведомственного референтного национального центра воды как консолидирующего органа по привлечению научного потенциала к решению многих задач, от гидробиологии до внедрения технологий под конкретные проблемы водоснабжения и водоотведения. Подобный орган призван способствовать развитию гигиены и экологии водоснабжения и водоотведения, внедрению в практику современных методов очистки и обеззараживания воды с опорой на фундаментальные исследования ее химических, физических и биологических свойств. Результатом всех усилий в этом направлении должно стать законодательное и нормативное регулирование всех вопросов качества воды.

Заключение

Следует признать настоятельную необходимость тесной взаимосвязи фундаментальных и прикладных исследований при условии проведения первых в контексте глубокого изучения микробиологических, молекулярногенетических и эпидемиологических проблем обеззараживания (хлорирование) воды и реализации вторых путем внедрения альтернативных, в том числе комбинированных, технологий обеззараживания воды.

Литература

1. Прокопов В. О. Ппешчш проблема водопостачання в Украгт. У кн.: Досвщ та проблеми наукового супроводу проблем гтешчно! науки i практики. Кшв, 2011: 106-32.

4. Мокиенко А. В. Эколого-гигиенические основы безопасности воды, обеззараженной диоксидом хлора: Дис. ... д-ра мед. наук. Киев; 2009.

5. Моюенко А. В., Петренко Н. Ф., Гоженко А. I. Стшюсть бактерш як мiждисциплiнарна проблема. Мехашзм форму-вання адаптивно! мультирезистентностг бактерш до бiоцидiв iз погляду фундаментальних основ супрамолекулярно! хжи. Вкннк нацюнально! академй наук Украгни. 2010; 8: 49-56.

6. Шафран Л. М., Мокиенко А. В., Петренко Н. Ф., Гоженко А. И., Насибуллин Б. А. К обоснованию гормезиса как фундаментальной биомедицинской парадигмы (обзор литературы и результатов собственных исследований). Современные проблемы токсикологии. 2010; 2-3: 13-23.

7. Мокиенко А. В., Петренко Н. Ф. Обеззараживание воды: к анализу вклада в эволюцию адаптивной мультирезистентности водных патогенов. Схдаоевропейський журнал гро-мадського здоров’я. 2011; 1 (13): 160-1.

8. Мокиенко А. В. Гормезис и мультирезистентность бактерий: к анализу вклада в эволюцию эпидемического процесса. У кн..: Тези доповщей XV з’гзду мжробюлогтв, етдемюлопв, паразитолопв Украгни «Проблеми та еволющя епiдемiчного процесу i паразитарних систем провщних шфекцш сучасносл». Харюв; 2011: 46.

9. Мокиенко А. В., Петренко Н. Ф. Гормезис как пусковой механизм регуляторных мутаций и его роль в формировании мультирезистентности бактерий. Современные проблемы токсикологии. 2011; 5: 47.

17

[гиена и санитария 1/2014

10. Мотемко А. В., Гоженко А. I., Петренко Н. Ф. Хлоруван-ня води: знезараження або адаптившсть, шактиващя чи стимуляцы? Вгсник национально! академй наук Украгни. 2012; 11: 32-40.

14. Мокиенко А. В., Петренко Н. Ф., Гоженко А. И. Обеззараживание воды. Гигиенические и медико-экологические аспекты. т. 1. Хлор и его соединения. Одесса; 2011.

15. Мокиенко А. В., Петренко Н. Ф., Гоженко А. И. Обеззараживание воды. Гигиенические и медико-экологические аспекты. т. 2. Диоксид хлора. Одесса; 2012.

26. Петренко Н. Ф. Особливосп дослщження i впровадження послвдовно! комбшовано! ди дюксиду хлору та хлору для знезараження питно! води. Ппена населених мгсць. 2011; 58: 116-22.

References

1. Prokopov V.O. Hygienic problems of water supply in Ukraine. In: Experience and problems of scientific support problems hygiene science and practice. Kyi’v, 2011: 106-32 (in Ukrainian).

2. Huck P. M. The Past, Present and Future of Water Treatment -A Conceptual Perspective. In: Water supply and Water Quality: Proc. 4th Int. conf. Krakow, 2000: 23-8.

3. Ashbolt N. J. Risk analysis of drinking water microbial contamination versus disinfection by-products (DBPs). Toxicology. 2004; 198: 255-62.

4. Mokienko A.V. Ecological-and-Hygienic Foundations of Safety of the Water Disinfected with Chlorine Dioxide. Diss. Kyi’v; 2011 (in Ukrainian).

5. MokijenkoA.V., PetrenkoN.F., GozhenkoA.I. Bacteria resistence as an interdisciplinary problem The mechanism of formation of the adaptable multiresistance of bacteria to biocides with the points of view of fundamental bases of supramolecular chemistry. Visnyk Nacional’noi’ akademii’ nauk Ukrai’ny. 2010; 8: 49-56 (in Ukrainian).

6. Shafran L.M., Mokienko A.V., Petrenko N.F., Gozhenko A.I., Nasibullin B.A. To the substantiation of hormesis as fundamental biomedical paradigm (review of literature data and results of own researches). Sovremennye problemy toksikologii. 2010; 2-3: 13-23 (in Russian).

7. Mokienko A.V., Petrenko N.F. Water disinfection: to the analysis of the contribution to evolution of adaptive multiresistance of water patogens. Shidnojevropejs’kyj zhurnal gromads’kogo zdorov’ja. 2011; 1(13): 160-1 (in Russian).

8. Mokienko A.V. Hormesis and multiresistance of bacteria: to the analysis of the contribution to evolution of epidemic process. In: Abstracts of the XV Congress of microbiologists, epidemiologists, parasitologists of Ukraine “Problems and evolution of the epidemic process and parasitic infections of the leading contemporary”, Harkiv. 2011: 46 (in Russian).

9. Mokienko A.V., Petrenko N.F. Hormesis as the starting mechanism regulating mutations and its role in formation of multiresistance of bacteria. Sovremennye problemy toksikologii. 2011; 5: 47 (in Russian).

10. Mokijenko A.V., Gozhenko A.I,. Petrenko N.F. Water chlorination: disinfection or adaptability, inactivation or stimulation? Visnyk

Nacional’noi’ akademii’ nauk Ukrai’ny. 2012; 11: 32-40 (in Ukrainian).

11. Bodet C., Sahr T., DupuyM. Buchrieser C., Hechard Y. Legionella pneumophila transcriptional response to chlorine treatment. Water Research. 2012; 46 (3): 808-16.

12. Wang S., Deng K., Zaremba S., Deng X., Lin C., Wang Q. [et al.] Transcriptomic response of Escherichia coli O157:H7 to oxidative stress. Applied and Environmental Microbiology. 2009; 75 (19): 6110-23.

13. WangS., Phillippy A.M., DengK. RuiX., Li Z., TortorelloL. [etal.] Transcriptomic responses of Salmonella enterica serovars Enter-itidis and Typhimurium to chlorine-based oxidative stress. Applied and Environmental Microbiology. 2010; 76 (15): 5013-24.

14. Mokienko A.V., Petrenko N.F., Gozhenko A.I. Water disinfection. Hygienic and medical and ecological aspects. V. 1. Chlorine and its compounds. Odessa; 2011 (in Russian).

15. Mokienko A.V., Petrenko N.F., Gozhenko A.I. Water disinfection. Hygienic and medical and ecological aspects. V. 1. Chlorine dioxide. Odessa; 2012 (in Russian).

16. Huang J., Wang L., Ren N., Ma F., Juli Disinfection effect of chlorine dioxide on bacteria in water. Water Research. 1997; 31 (3): 607-13.

17. Li J. W, Xin Z. T, Wang X. W., Zheng J. L., Chao F. H. Mechanisms of inactivation of hepatitis A virus in water by chlorine dioxide. Water Research. 2004; 38 (6): 1514-19.

18. Korich D.G., Mead J.R., Madore M. S. Sinclair N. A., Sterling C. R. Effects of Ozone, Chlorine Dioxide, Chlorine, and Monochloramine on Cryptosporidium parvum Oocyst Viability. Applied and Environmental. Microbiology. 1990; 56 (5): 1423-8.

19. Rennecker J. L., Marinas B. J., Owens J. H., Rice E. W. Inactivation of Cryptosporidium parvum oocysts with Ozone. Water Research. 1999; 33 (11): 2481-8.

20. Young S.B. Setlow P. Mechanisms of killing of Bacillus subtilis spores by hypochlorite and chlorine dioxide. Journal of Applied Microbiology. 2003; 95: 54-67.

21. Melly E., Cowan A., Setlow P. Studies on the mechanism of killing of Bacillus subtilis spores by hydrogen peroxide. Journal of Applied Microbiology. 2002a; 93: 316-25.

22. SukenikA., Teltch B., Wachs A. W., Shelef G., Nir I., Levanon D. Effect of oxidants on microalgal flocculation. Water Research. 1987; 21 (5): 533-9.

23. MayackL. A., SоraссоR. J., WildeE. W., PopeD. H. Comparative effectiveness of chlorine and chlorine dioxide biocide regimes for biofouling control. Water Research. 1984; 18 (5): 593-9.

24. Cagnon G.A., Rand J.L., O’Leary K.C., RygelA.C., Chauret C., Andrews R.C. Disinfectant efficacy of chlorite and chlorine dioxide in drinking water biofilms. Water Research. 2005; 39 (9): 1809-17.

25. Swietlik J., Dabrowska A., Raczyk-Stanislawiak U., Nawrocki J. Reactivity of natural organic matter fractions with chlorine dioxide and ozone. Water Research. 2004; 38 (3): P. 547-58.

26. Petrenko N.F. Features of research and introduction of the consecutive combined action of chlorine dioxide and chlorine for potable water disinfection. Gigijena naselenyh misc’. 2011; 58: 116-22 (in Ukrainian).

Поступила 12.02.13

18