Трансформация химических веществ в водной среде

В водной среде химические вещества под влиянием различных физико-химических и биологических воздействий могут подвергаться изменениям и превращениям, т.е. трансформации. К факторам, которые могут вызвать трансформацию химических веществ, относятся: температура воды, концентрация водородных ионов, водная микрофлора, растворенный кислород, УФ-лучи и др.

Сложные и многообразные по своей природе, промежуточными стадиями и конечному результату процессы трансформации химических веществ в воде не только выступают как причина снижения их исходной концентрации, что имеет положительное значение, но и приводит к коренным изменениям структуры веществ.

В результате трансформации образуются новые вещества, отличающиеся от исходных по химическому составу и физико-химическим свойствам, а также по характеру и степени влияния на органолептические свойства воды, процессы естественного самоочищения водоемов и биологической активности: способности к кумуляции, проявлению отдаленных и специфических эффектов действия.

Как правило, трансформация химических веществ в водной среде приводит к образованию менее токсичных и опасных продуктов, а также к снижению их концентрации. Однако в процессе трансформации в ряде случаев могут образовываться более опасные по сравнению с исходными веществами продукты.

В химических реакциях, связанных с превращением металлов при участии гидробионтов, особое место занимает их метилирование, т.е. образование метилсодержащих соединений металлов. Метилирование представляет собой неферментативный процесс, проходящий с участием метилкобаламина (витамина В₁₂, несущего метильную группу). Метилирование ртути с образованием метил- и диметилртути проходит активнее с участием микрофлоры, особенно эффективно – в анаэробных условиях. ПДК для ртутьорганических соединений в 5 раз ниже, чем для металлической ртути.

В настоящее время в Мировом океане накопилось почти 121 тыс т ртути, в том числе 16,2 тыс т – в донных отложениях. Общая скорость образования метилированной ртути в океане составляет около 492 т/год.

Полагают, что, помимо ртути, возможно метилирование олова, кобальта, селена, таллия, хрома, меди, кадмия.

Широкий круг превращений в водной среде проходит мышьяк. В морской среде происходит его восстановление и метилирование с образованием монометиларсониевой и диметиларсиновой кислот. Причем скорость превращения коррелирует с первичной продукцией экосистемы. В высокопродуктивных экосистемах до 80% общего мышьяка находится в превращенных формах. В процессе метилирования мышьяка могут образовываться чрезвычайно токсичные ди- и триметиларсины.

В значительной степени на качество питьевой воды оказывает процесс хлорирования, предназначенный, как известно, для повышения гигиенического и бактериологического качества воды. В результате хлорирования изменяется химический состав и реактивность присутствующих в исходной воде веществ. Образующиеся при этом хлорорганические соединения обладают повышенной токсичностью, канцерогенностью и аллергенностью.

Одним из наиболее типичных представителей летучих хлорорганических веществ является хлороформ. Хлороформ – это вещество с отчетливым сладковатым запахом, обладает нефротоксическим и кардиотоксическим действием; потенциальный канцероген для человека. При хлорировании воды хлороформ образуется за счет взаимодействия свободного хлора с органическими соединениями природного (продукты распада гумуса) и антропогенного происхождения. На долю хлороформа приходится до 80% образующихся в воде хлорсодержащих углеводородов. Содержание хлорированных углеводородов в воде колеблется в пределах 1…100 мкг/л. Хлороформ может поступать в организм человека не только с питьевой водой, но и во время купания в бассейне или ванне. Избыточное хлорирование воды в закрытых бассейнах приводит к поступлению хлороформа в воздух, вместе с которым он будет попадать в организм при дыхании. Практически экспозиции хлорорганическими соединениями подвергаются все, кто пользуется услугами нынешней системы питьевого водоснабжения, однако существуют значительные различия в степени экспонирования в зависимости от таких факторов, как местная очистка воды, особенности потребления воды и разнообразие систем очистки и распределения.

При окислении гуминовых веществ образуются канцерогенные соединения, химическое строение большинства из которых не установлено до сих пор. Некоторые органические вещества могут превращаться в хлорорганические соединения, напоминающие по биологическому действию пестициды. Фенолы ухудшают органолептические свойства воды, причем запах образующегося хлорфенола ощущается даже тогда, когда исходная концентрация фенола ниже порогового уровня (определяемого по запаху). В ходе окисления 3,4-бензпирена образуются такие токсичные продукты, как 5-монохлор-3,4-бензпирен и 3,4-бензпирен-хинон; при этом хлор окисляет лишь 13…20% присутствующего в воде 3,4-бензпирена.

Устойчивость хлорсодержащих органических соединений к процессам распада повышается с увеличением содержания хлора. Устойчивость негалогенированных соединений повышается с увеличением разветвленности углеродных цепей.

При хлорировании воды, содержащей примеси растворенных метаболитов сине-зеленых водорослей, эти примеси в первые часы их анаэробного разрушения могут трансформироваться в токсичные соединения. В частности, присутствующая в хлорируемой воде аминокислота триптофан превращается в дурно пахнущие индол (до 3 мг/л) и скатол (около 2 мг/л).

Подобным образом происходит трансформация содержащихся в воде липидов и их производных. В хлорируемой воде обнаружено до 10-ти жирных кислот, из которых образуются соединения, обладающие как ароматичностью, так и высокой токсичностью.

Гидролиз в водной среде малотоксичного уротропина приводит к образованию формальдегида, обладающего высокой токсичностью (канцероген) и цитогенетической активностью. ПДК по формальдегиду составляет 0,05 мг/л, а для уротропина – 0,5 мг/л.

В илистых отложениях водоемов реакции проходят в других условиях. Независимо от того, протекают реакции с участием биологических процессов или нет, они носят восстановительный характер. При этом хлорсодержащие соединения частично или полностью теряют хлор, а нитрогруппы могут восстанавливаться до аминогрупп.

При хлорировании горячей воды в системе может идти реакция:

Если токсичность роданида калия сравнительно невелика, (ПДК=1 мг/л, в крови человека содержится около 1,3 мг KCNS в 100 мл), то хлорциан – это ОВ, его раздражающая концентрация равна 0,002 мг/л, непереносимая – 0,06 мг/л, а концентрация 0,4 мг/л в течение 10 мин вызывает смертельный исход.