CC BY
36
УДК 613.32; 628.19
СПОСОБЫ ОЦЕНКИ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОТРЕБЛЯЕМЫХ ПИТЬЕВЫХ ВОД НА ЗДОРОВЬЕ ДЕТСКОГО НАСЕЛЕНИЯ И ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ ИХ КАЧЕСТВА
© 2016 Ю.А. Тунакова, С.В. Новикова, А.Р. Галимова
Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева
Статья поступила в редакцию 02.05.2016
Приводятся методические основы по разработке адресных рекомендаций для адекватной до-очистки питьевой воды в условиях полиметаллического загрязнения и установленного высокого уровня канцерогенного риска для здоровья детского населения при ее потреблении, с использованием методов кластерного анализа и вероятностных подходов.
Ключевые слова: питьевая вода, доочистка, риск здоровью, вероятность, кластеризация.
ВВЕДЕНИЕ
Согласно Государственным докладам «О состоянии санитарно-эпидемиологического благополучия населения в Российской Федерации» в 2013-15 гг. в настоящее время около 40% населения городов обеспечено питьевой водой низкого качества, обусловленным, в том числе, и плохим санитарно-техническим состоянием использующихся водопроводных сетей. Таким образом, по мере продвижения по водоводам и разводящим путям питьевая вода загрязняется вторично, что требует ее доочистки в конечной точке потребления. Так, водоразводящие сети г. Казани находятся в неудовлетворительном состоянии, их износ составляет 60% и более, что обуславливает вторичное загрязнение водопроводной воды [13]. В этой связи является актуальным изучение катионного состава питьевой воды, доходящей до потребителей [3-4].
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
С этой целью пробы питьевой воды отбирались нами в конечной точке потребления (домах и квартирах). В качестве аналитического метода определения полиметаллического загрязнения питьевых вод выбран метод атомно-абсорбцион-ной спектрометрии (AAS), как один из наиболее точных, воспроизводимых, селективных и быстрых методов анализа. Методом AAS проведено определение шести присутствующих в питьевой воде г. Казани катионов металлов (Pb, Cu, Zn, Cr, Sr, Fe) по 11 зонам обслуживания детских поликлиник в течение трех лет. Всего было проведено Тунакова Юлия Алексеевна, доктор химических наук, заведующая кафедрой общей химии и экологии. E-mail: [email protected].
Новикова Светлана Владимировна, доктор технических наук, профессор кафедры прикладной математики и информатики. E-mail: [email protected]. Галимова Алина Раисовна, старший преподаватель кафедры общей химии и экологии. E-mail: [email protected]
более 800 определений содержаний катионов металлов. Статистическая обработка полученных результатов проведена с помощью статистического пакета «STATISTICA ^6.0». Для оценки степени опасности поступления установленных концентраций катионов металлов с питьевой водой, определяют превышения измеряемыми значениями некоторого порога.
В настоящее время исследователи и практикующие экологи признают соблюдение нормативов ПДК не обеспечивающими безопасность для населения. В последние годы оценка риска используется для определения степени воздействия неблагоприятных факторов окружающей среды на здоровье населения, особенно самого чувствительного к внешним воздействиям детского населения. Оценка риска в данной предметной области необходима для определения эффективности мероприятий по доочистке питьевых вод [5-10, 13].
Расчет неканцерогенного и канцерогенного риска здоровью детского населения при полиметаллическом загрязнении питьевых вод был проведен по зонам обслуживания детских поликлиник для более легкого внедрения последующих адресных рекомендаций. В результате расчетов по регламентированной методике Р 2.1.10.192004 [10] установлено наличие высокого уровня канцерогенного риска для детского населения во всех зонах исследования при поступлении с питьевыми водами катионов хрома и свинца, обладающих канцерогенным потенциалом [11].
С помощью современных фильтров можно довести степень очистки воды до высочайшего уровня, снизив риск здоровью до минимума, однако возникает проблема подбора системы очистки, наиболее эффективной в конкретных условиях или выбора наиболее эффективного материала для доочистки. Результатом проведенных исследований должно являться обоснование адресных рекомендаций для доочистки питьевых вод с использованием современных химико-аналитических методов и математического аппа-
рата в условиях действия множества факторов, формирующих состав питьевых вод, доходящих до потребителей [12].
Нами предлагается для разработки адресных рекомендаций по доочистке питьевых вод оценивать не только непосредственный риск здоровью уже поступивших катионов хрома и свинца с питьевой водой, но и риск поступления высоких доз данных катионов металлов. Предлагается методика оценки вероятности превышения верхнего квартиля доз, определяемых фактически, с принятым зонированием территории.
Для оценки вероятности превышения верхнего квартиля были рассчитаны дозы (мг/л (концентрация) * л (объем жидкости в сутки) / кг (вес) = мг/ кг веса в сутки) поступления ионов, содержание которых определялось нами в каждой из зон исследования, с питьевой водой. Референтные дозы (ЯБО) не имеют осреднения на сутки, но также выражаются в мг на кг веса детей до 6 лет (табл.1).
Таблица 1. Референтные дозы для рассматриваемых ионов
Ион RFD, мг/кг
Fe (II) 0,3
Cu (II) 0,019
Pb (II) 0,0035
Sr (II) 0,6
Cr (VI) 0,005
Цинк 0,3
Нами оценивалась на основе теоремы Бай-еса апостериорная вероятность превышения верхних квартилей доз катионов металлов, по зонам обслуживания детских поликлиник (ЯМеп+). Относительная вероятность, определяемая с помощью теоремы Байеса, указывает на вероятность признака в одной зоне, при определенной вероятности в другой и при обязательном присутствии признака хотя бы в одной из зон. В качестве порогов, определяющих присутствие признака, нами использовались верхние квартили вариационных рядов данных, ограничивающие 25% их наиболее высоких при данном наборе значений доз. Рассчитывалась кратность превышения этих порогов фактическими до-
зами, что позволяет задать дискретность в непрерывном ряду данных и характеризуется как проявление события. Кроме того, использование таких относительных критериев, как кратность превышения, позволяет рассматривать все дозы поступающих катионов металлов с питьевой водой комплексно, в виде единого фактора.
Для применения теоремы Байеса к нашей задаче сформулированы соответствующие события. Пусть событие Q- превышение верхнего квартиля всего ряда доз конкретной дозой (то есть, событие О произойдет при кратности превышения >1), а событие Data.- превышение, произошедшее в зоне обслуживания поликлиники i. Тогда p(Data)=n/N, где N - сумма всех n(N=n1+n2+... n), а p(0\Data)=1 [14-15]. Результаты определения максимальных доз и их верхнего квартиля показаны в табл.2.
Вероятность признака при конкретных условиях равна отношению произведения доли признака при данных условиях с долей относительного числа наблюдений в этих условиях к сумме всех таких произведений при всех возможных условиях. Математическое ожидание всех наблюдаемых кратностей превышения заданного предела, является величиной, характеризующей относительную вероятность такого превышения во всей совокупности текущих наблюдений, а плотность этих вероятностей, которую трактуют как риск, охватывается экспоненциальными функциями вида: R = 1 - exp(-IP) ,где EP - совокупность вероятностей различных кратностей превышения [15].
Таким образом, проводился расчет кратности превышения (КП) для каждого катиона металла верхней квартили вариационного ряда всех ранжированных значений доз. Затем оценивалась Байесова вероятность индексов КП > 1 по зонам обслуживания поликлиник, то есть вероятность того, что поступающая доза будет выше верхнего квартиля значений для каждого катиона металла. Затем сводились частные вероятности по каждому катиону металла в обобщенный показатель (RMe"+ ).
Для выработки рекомендаций по доочистке были сгруппированы зоны обслуживания детских поликлиник по значениям выбранных в качестве основания для доочистки показателей в ограниченное число групп.
При проведении кластерного анализа в качестве индикаторов выбирались показатели
Таблица 2. Характеристики повышенных доз для рассматриваемых катионов металлов
Ионы Sr Cu Pb Zn Cr Fe
Максимальные дозы (мг/кг) 0,0476 0,0006 0,0016 0,0028 0,0015 0,0079
Верхний квартиль доз 0,0114 0,000115 0,0011 0,0014 0,0003 0,0064
канцерогенного и неканцерогенного рисков и вероятности превышения верхнего квартиля ранжированного ряда, поступающих к потребителям доз катионов металлов с питьевой водой [15]. Анализ проводился методом иерархической кластеризации с объединением кластеров по методу одиночной связи [16]. В качестве меры расстояния была выбрана Евклидова метрика [17].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты объединения наглядно представляет рис. 1.
Для расстояния объединения менее 0,25 выделено 3 кластера следующего состава:
Кластер 1 - Содержит шесть зон -№1, №3, №5, №6, №7 и №9;
Рис. 1. Дендрограмма объединения зон обслуживания детских поликлиник на территории г. Казани в кластеры
Таблица 3. Средние показатели по кластерам
Кластер 1 Кластер 2 Кластер 3
К-Бг-сред 0,0207 0,0344 0,0162
К-Си-сред 0,0087 0,0065 0,0084
К-РЬ-сред 0,5832 0,8310 0,6265
К^п-сред 0,0049 0,0060 0,0061
К-Сг-сред 0,0443 0,1577 0,1407
К-Бе-сред 0,0214 0,0213 0,0200
ШБк-РЬ-сред 0,000027 0,00003 0,00002
ШБк-Сг-сред 0,000029 0,00007 0,00006
ЯБг-сред 0,0433 0,1187 0,1920
ЯСи-сред 0,027 0,1627 0,1750
ЯРЬ-сред 0,0235 0,1840 0,1535
RZn-cpeд 0,0266 0,1363 0,2155
ЯСг-сред 0,0185 0,1576 0,2080
ЯБе-сред 0,0433 0,1116 0,2025
ЯМе-сред 0,0275 0,1463 0,1725
Кластер 2 - Содержит три зоны -№2, №8 и №10;
Кластер 3 - Содержит две зоны -№4 и №11.
Средние значения выбранных показателей для оценки полиметаллического загрязнения питьевой воды, доходящей до потребителей, по кластерам показаны в табл. 3.
В результате анализ по кластерам позволил обосновать предлагаемые адресные рекомендации по доочистке питьевых вод (рис. 2). Предлагаемые рекомендации по доочистке питьевых вод формировались на основании тестирования представленных на потребительском рынке бытовых сорбционных, ионообменных и обратного осмоса фильтров и предлагаемого подхода по определению необходимой степени их до-очистки - до уровня приемлемого риска здоровью детского населения [10].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Кластер 1 (зоны №1, №3, №5, №6, №7 и №9) характеризуется минимальными показателями как канцерогенных, так и неканцерогенных рисков, а также наименьшими вероятностями превышения верхнего квартиля доз катионов металлов, поступающих с питьевой водой. Однако, по значениям канцерогенного риска, обусловленного наличием катионов свинца и хрома в питьевой воде, есть превышение приемлемого уровня риска, рекомендованного ВОЗ. Поэтому в данных зонах требуется очистка бытовыми фильтрами, содержащими катионитные сорбенты, например, «Аквафор Модерн» или « Водолей Пре-
миум». Такие фильтры снижают канцерогенный риск в зонах этого кластера в 2,8-4,3 раза, доводя его значение до приемлемого уровня.
Кластер 2 (зоны №2, №8и № 10) имеет средние (по вероятностям превышения верхнего квартиля доз катионов металлов, поступающих с питьевой водой) и высокие (по неканцерогенным рискам) показатели. Однако уровни канцерогенного риска достигают на данном кластере своих максимумов, что требует для зон, входящих в данный кластер, избирательную доочистку питьевой воды от катионов свинца и хрома фильтрами, имеющими в своем составе обратноосмотические мембраны, такие как протестированные нами «WiseWaterOsmos» и <^а1егтакег 5» Их эффективность позволяет снизить канцерогенный риск в зонах данного кластера в 8,8-10,6 раз при использовании «WiseWaterOsmos» и в 19,2-24,7 раз при использовании «Watermaker 5» и довести его до приемлемого уровня.
Кластер 3 (зоны №4 и №11) имеет средние и выше среднего значения показателей по всем исследуемым признакам. В связи с чем, для зон, образующих данный кластер, недостаточно использование представленных на потребительском рынке ионообменных фильтров, можно рекомендовать доочистку питьевых вод с использованием сертифицированной [18] для до-очистки питьевых вод ионообменной смолы КУ 2-8чС, которая снижает риск здоровью в зонах этого кластера в 8,3-9 раз и доводит до рекомендованного ВОЗ значения 0,00001.
Таким образом, предлагаемый подход с оценкой вероятности поступления катионов металлов
Е&-005 до 12е-С&5 (7е-005 до 9в-С05 | >>11: д. 7е-С05 3&4М5 до 5е-№5 I |2е-005 то Зе-№5 11Мев+
1013 до 0,18В Ш0Д46 до 0Д& 10,033 до 0,116 до 0,035
[¡3530,003 до о.озб
Рис. 2. Распределение канцерогенных и неканцерогенных рисков и вероятностей поступления катионов металлов по территории г. Казани.
с питьевой водой, в сочетании с расчетом уровней канцерогенного и неканцерогенного риска здоровью детского населения позволяет обосновать более адекватные адресные рекомендации по доочистке в условиях полиметаллического загрязнения поступающих к потребителям питьевых вод на территории мегаполиса.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. О состоянии санитарно-эпидемиологического благополучия населения в Российской Федерации в 2014 году: Государственный доклад. М.: Федеральная служба по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека, 2015. 206 с.
2. Журба Н.Г. Очистка и кондиционирование природных вод : состояние, проблемы и перспективы развития // Водоснабжение и сан. техника. 2002. №5. С. 2-8.
3. ГалимоваА.Р., ТунаковаЮ.А. Поступление, содержание и воздействие высоких концентраций металлов в питьевой воде на организм // Вестник технологического университета. 2013. №20. С. 165-169.
4. Оценка качества питьевой воды, поступающей к потребителям на территории г. Казани / Ю.А. Тунакова, Р.И. Файзуллин, В. С. Валиев, Г.Н. Габдрахманова // Сборник трудов Elpit (пятый международный экологический конгресс). Т. 4 Самара: Изд-во СНЦ, 2015. С. 263-267.
5. РевичБ.А., АвалианиС.Л., ТихоноваГ.И. Экологическая эпидемиология: Учебник для высш. учеб. заведений. М. : Издательский центр «Академия»; 2004.
6. Investigation of toxicity of waste water of «AVTOVAZ» Company by using biological testing methods / A.V. Vasilyev,L.R.Khamidullova, V.V.Podurueva, S.G. Solovyov// Safety of Technogenic Environment. 2012. № 2. С. 72-75.
7. Управление окружающей средой на основе методологии анализа риска. Учебное пособие / С.Л. Авалиани, Дж. Балбус, А.А. Голуб, Н.Г.Давыдова, Е.Б.Струкова, Г.В.Сафонов. М.: Теис, 2010.
8. Проблемы гармонизации нормативов загрязнений и пути их решения / С.Л. Авалиани, С.М. Новиков, Т.А. Шашина, Н.С. Скворцова, В.А. Кислицын, А.Л. Мишина // Гигиена и санитария. 2012. № 5. С. 5-8.
9. Общие подходы к биоиндексационной оценке во-
дных экосистем по степени токсичности / А.В. Васильев, В.В. Заболотских, Ю.П. Терещенко, В.А. Васильев // В сборнике: ELPIT-2013. Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов: сборник трудов IV Международного экологического конгресса (VI Международной научно-технической конференции). Научный редактор: А.В. Васильев. 2013. Т. 4. С. 55-61.
10. Руководство P 2.1.10.1920-04 Руководство по оценке риска для здоровья населения при воздействии химических веществ, загрязняющих окружающую среду. Москва, 2004.
11. Галимова А.Р., Тунакова Ю.А.,Мухаметзянова Э.Р. Повышение эффективности очистки питьевых вод на территории города Казани // Вестник Казан. технолог. ун-та. 2015.Т.18. № 6. 260-263.
12. Оценка риска здоровью детского населения при потреблении водопроводной воды с учетом ее вторичного загрязнения / Ю.А. Тунакова, Р.И. Файзуллин, В.С. Валиев, А.Р. Галимова // Гигиена и санитария. 2015. № 8 (8-15). С. 72-76.
13. Информационно-аналитическая система оценки рисков здоровью населения в условиях урбанизированных территорий / А.В. Васильев, В.В. Заболотских, И.О. Терещенко, Ю.П. Терещенко // Экология и промышленность России. 2013. № 12. С. 29-31.
14. Тунакова Ю.А., Файзуллин Р.И., Валиев В.С. Расчет вероятности поступления металлов в организм с потребляемой питьевой водой // Гигиена и санитария. 2015. № 5 (5-15). С. 62- 65.
15. Tunakova J., Galimova A., Fajzullin R., and Valiev V. Assessment of Health Risks of the Child Population in the Consumption of Drinking Water, Taking Into Account Secondary Pollution on the Example of Kazan // Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences, January - February 2016 RJPBCS 7(1) Page No. 1114. Jain A., Murty M., Flynn P. Data Clustering: A Review // ACM Computing Surveys. 1999. Vol. 31, no. 3.
16. Peter D. Sasieni and Joanna Adams. Standardized Lifetime Risk // American Journal of Epidemiology . 1999; 149; 9: 869-875.
17. Кулаичев А. П. Методы и средства комплексного анализа данных. М: ИНФРА-М, 2006.
18. ГОСТ 20298-74. Смолы ионообменные. Катиониты. Технические условия (с Изменениями N 1-5).
METHODS OF ASSESSING THE IMPACT OF THE CONSUMED DRINKING WATER ON THE HEALTH OF THE CHILD POPULATION AND A SUBSTANTIATION OF WAYS OF INCREASE OF THEIR QUALITY
© 2016 Yu. A. Tunakova, S. V. Novikov, R. A. Galimova
Kazan National Research Technical University named after. A.N. Tupolev
Presents methodological framework for the development of targeted recommendations for adequate drinking water treatment in the conditions of polymetallic contamination and the established high level of carcinogenic risk for children's health in its consumption, using methods of cluster analysis and probabilistic approaches. Keywords: drinking water, tertiary treatment, health risk, probability, clustering.
Yulia Tunakova, Ph. D., Head at the General Chemistry and Ecology Department. E-mail: [email protected] Svetlana Novikova, Ph. D., Professor, of Applied Mathematics and Informatics Department. E-mail:[email protected]. Alina Galimova, Senior Lecturer at the General Chemistry and Ecology Department. E-mail: [email protected]
