Способы оценки воздействия потребляемых питьевых вод на здоровье детского населения и обоснование способов повышения их качества

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].

более 800 определений содержаний катионов металлов. Статистическая обработка полученных результатов проведена с помощью статистического пакета «STATISTICA v.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 P 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 оцени -вать 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 (RFD) 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 Байеса апостериорная вероятность превышения верхних квартилей доз катионов металлов, по зонам обслуживания детских поликлиник (RMen+). 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 Q произойдет при кратности превышения >1), а событие Data i - превышение, произошедшее в зоне обслуживания поликлиники i . Тогда p(Data i )=n/N, где N - сумма всех n(N=n+n+... n), а p(QIData)=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(- 2 P), где 2 P - 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 (RMen+).

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;

Метод одиночной связи Евклидово расстояние

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
K-Sr-сред	0,0207	0,0344	0,0162
K-Cu-сред	0,0087	0,0065	0,0084
K-Pb-сред	0,5832	0,8310	0,6265
K-Zn-сред	0,0049	0,0060	0,0061
K-Cr-сред	0,0443	0,1577	0,1407
K-Fe-сред	0,0214	0,0213	0,0200
Risk-Pb-сред	0,000027	0,00003	0,00002
Risk-Cr-сред	0,000029	0,00007	0,00006
RSr-сред	0,0433	0,1187	0,1920
RCu-сред	0,027	0,1627	0,1750
RPb-сред	0,0235	0,1840	0,1535
RZn-сред	0,0266	0,1363	0,2155
RCr-сред	0,0185	0,1576	0,2080
RFe-сред	0,0433	0,1116	0,2025
RMe-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 доочистки - 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 «Watermaker 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 доочистки 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

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.