Мутагенність питної води і можливі шляхи її Утилізації
А.Фединяк*, Ю.Козуб*, О.Дуган**, Л.Боднар*, Л.Лебединець*, I.Бариляк**
*Львівський національний університет імені Івана Франка
вул. Грушевського, 4, 79005. Львів, Україна
**Український науковий гігієнічний центр МОЗ України
вул. Попудренка, 51, Київ, Україна
Якiсть питної води оцiнюють за хiмiчними та бактерiологiчними показниками. Вивченню хімічного складу питної води шляхом дезінфекції окисниками присвячено чимало праць, переважно закордонних авторів [8-10]. Результатом цих досліджень була ідентифікація кількох сотень хімічних сполук - продуктів реакції дезінфікуючих речовин з органічними сполуками, які утворюються в процесі водопідготовки. Однак, незважаючи на успіх в ідентифікації таких продуктів, кількість ідентифікованих сполук становить лише незначну частину від їхньої загальної кількості. Пошук способів подолання обмежених можливостей виявлення продуктів водопідготовки (крім удосконаленння методів хімічного аналізу) привів до спроб використання різних біологічних тест-систем з метою визначення якості застосування дезінфектанту за здатнiстю "букета" хімічних сполук, виділених з певного об,єму питної води, спричиняти рiзноманiтнi несприятливi генетичнi ефекти в тест-організмів. Незважаючи на те, що питну воду на сумарну мутагенність перевіряють ще iз середини 70-х, в Україні ця проблема почала розроблятися лише у 90-х роках.
Ми досліджували мутагенну активність води в основному технологічному ланцюгу водопідготовки Львівського водопроводу , її залежнiсть вiд способу дезiнфекцiї та можливi шляхи утилiзацiї фонiв.
Матеріалами досліджень були зразки води, відібрані на різних етапах водопідготовки питної води на Львівському водопроводi. Львів розташованиий на європейському вододілі басейнів Чорного і Балтійського морів, позбавлений близької наявностi річок, здатних забезпечити його водою. Споживання води можливе тiльки з підземних джерел. Нині Львівський водопровід охоплює 17 водозаборів i складається з 174 діючих свердловин, якi розкидані по території області на відстані від 20 до 110 км, 27 помпових станцій (п/с), близько 1600 км водопроводів.
З метою визначення ефективностi застосування рiзних способiв дезiнфекцiї, якi використовуються на територiї Захiдної України, дослiджували питну воду з трьох областей - Закарпатської, Рiвненської та Львiвської.
Джерелом водопостачання зразкiв з розвiдної мережi ст. Чоп і Мостиська-2 є поверхневi водойми (р.Латориця та р.Вишня вiдповiдно). Джерелом постачання води cт. Мукачеве, Брюховичi, Сарни, Дубровиця є пiдземнi води. У випадку поверхневого водопостачання воду додатково очищають шляхом коагуляцiї та фiльтрацiї. Для знезараження застовують як рiдкий хлор, так i хлорне вапно, а також ультрафiолет.
Ми використовували такi тести: тест Еймса iз застосуванням гістидинзалежних штамів Salmonella typhimurium ТА 98 і ТА 100, для фіксації генних мутацій [6]; ана-телофазний аналіз меристемних клітин корінців Allium cepa, для виявлення хромосомних аберацій [4]; тест на соматичні мутації і рекомбінацію у Drosophila melanogaster [12] у системі y w ct f/+ + + + (Oregon). Вони дали змогу одержати реальну картину забруднення об,єктів довкілля та можливої загрози для здоров,я людей.
Таблиця 1
Рівень мутагенної активності води в технологічних ланках одного з
водогонів Львівського водопроводу
Зразок | Тест-штам | Кількість колоній His+-ревертантів | Мутагенність у балах | ||
№1 №2 №3 №4 №5 №6 ДМСО К2Cr2O7 (200 мкг/г) | ТА 98 | 40 151 42 35 41 35 21 1400 | 40 138 36 28 41 34 31 1368 | 43 145 42 31 44 37 39 1240 | 1 - - - - - |
№1 №2 №3 №4 №5 №6 ДМСО NaN3 (10 мкг/ч) | ТА 100 | 55 52 65 63 67 77 47 2224 | 47 92 47 63 74 87 61 1976 | 54 69 72 84 60 63 49 2130 | - - - - - - |
№1 - п/с Плугів; №2 - п/с Винники; №3 - п/с Кривчиці; №4 - п/с Довга; №5 - мережа (колонка, вул.Дубова); №6 - мережа (водопровідний кран, вул. Грушевського, 4).
У випадку тесту Еймса попередньо концентрували зразки методом адсорбції на неіонному пористому сорбенті Полісорб-1. Для ана-телофазного аналізу та тесту на соматичний мозаїцизм використовували нативні зразки води.
У табл. 1 наведено результати, отримані у процесi дослідження одного з водогонів Львівського водопроводу в тестi Еймса. Зразки питної води, відібрані з артезіанських свердловин, не індукували збільшення частоти ревертантів у тестерних штамів ТА 98 і ТА 100 Salmonella typhimurium, що свідчило про те, що мутагенного ефекту немає.. Хлорування води з метою дезінфекції в окремих випадках приводило до підвищення спонтанного мутагенезу [3]. Наприклад, зразок води з п/с Винники викликав збільшення кількості ревертантів у 2,7 раза на тест-штамі ТА 98. Це означало слабку мутагенну активність і оцінювалося 1 балом. На штамі ТА 100 кількість колоній залишилась на рівні контрольних показників.
Отже, зразок води з п/с Винники містив мутагени, які спричиняють генні мутації типу зсуву рамки зчитування. Зразки питної води, відібрані на наступних етапах водопідготовки аж до надходження води в мережу, не виявили мутагенного ефекту.
В ана-телофазному тесті зразок води з п/с Винники не викликав збільшення кількості хромосомних аберацій. На підставі аналізу цитологічних препаратів корінців цибулі, пророщених на зразках води з iнших хлораторних помпових станцій інших водогонів Львівського водопроводу, виявили індукцію хромосомних мутацій. Проби відбирали в різні пори року (весною, влітку, восени). На діаграмі (рис.1)
Рис.1. Рівень хромосомних аберацій зразків води з деяких п/с Львівського водопроводу: 1 - Збойск; 2 - Карачинів; 3 - Винники; 4 - Сокільники; 5 - Будзень -3; К - контроль.
зображено, як змінюється мутагенна активність залежно від сезону. Найвищий процент хромосомних аберацій у клітинах корінців Allium cepa отримали у весняний період. У трьох зразках (п/с Збойск, Карачинів і Сокільники) із чотирьох проаналiзованих виявили мутагенний ефект. Процент аберацій становив 6,8, 5,8 і 3,5% відповідно, при 1,3% у контролі. На тимчасових препаратах головно виявляли одинарні мости, які є результатом хроматидних транслокацій (54-100% від усіх типів аберацій). У літній період мутагенна активність у зразках дещо знижувалася. Статистичну достовірну відмінність від спонтанного рівня мутування виявили у зразках з п/с Збойск (3,8%) і п/с Карачинів (4,2%)(див.рис.1). Що стосується спектра аберацій, то тут простежували значну кількість як хроматидних транслокацій, так і хроматидних делецій, які виявляються у вигляді окремих фрагментів. Загалом утворення хроматидних аберацій характерне у випадку переважаючої дії хімічних факторів мутагенезу. Восени мутагенна активність зразкiв питної води дещо пiдвищувалась порiвняно з літнiм перiодом. Мутагенний ефект виявили проби з п/с Збоїща, Карачинів, Будзень-3. Процент аберантних клітин у два-чотири рази перевищував контрольні показники. Як і у весняниий період, переважали хроматидні транслокацiї. Проте траплялися ще й інші види аберацій. Зокрема, хроматидні і хромосомні делеції, хромосомні транслокації, сепарації, мікроядра. Вони становили не більше як 48% усіх аберацій. В окремих випадках генотоксичність простежували і в пробах, відібраних з водорозподільної мережі.
Рекомбіногенну активність мала вода, знезаражена рiдким хлором. Максимальну кількість мозаїків виявили, обстежуючи зразок води з п/с Глинна Наварія. У гетерозиготних самок найчастіше реєстрували мутантні ознаки ct і f, які фенотипово виявляли як обрізаний край крила й обпаленi щетинки. Вода з п/с Карачинiв та Винники, а також з водорозподільної мережі не мала рекомбіногенних властивостей.
Концентрація хлору в зразках з помпових станцій коливалася в межах 0,5- 0,7 мг/л. З огляду на допустиму норму 0,3-0,5 мг/л, перевищення іноді становили 1,4-2,0 рази. Кореляції між рівнем хромосомних аберацій і концентрацією хлору у воді не виявили. Це описали й іншi дослідники, зокрема Нестман [8].
Отже, мутагенність зразків зумовлена не просто іонами хлору, а більш складними органічними сполуками, які утворюються в результаті взаємодії з хлором. Відомо, що мутагенність хлорованої води зумовлена нелеткими хлороорганічними сполуками, які утворюються в результаті реакції хлору з гуміновими та фульвокислотами , і леткими тригалометанами.
На підставі газохроматографiчного аналiзу з метою iдентифiкацiї хiмiчних сполук у зразках води виявили два пiки iндивiдуальних речовин. Вони з`являлися на хроматограмах пiсля хлорування води (п/с Винники) i простежувалися на всiх наступних етапах вiдбору води. Тобто вода з артезiанських свердловин не мiстила цих хiмреагентiв. Вони утворювалися внаслiдок хлорування води. Один з пiкiв був iдентифiкований - це хлороформ.
Отже, на підставі виконаних досліджень можна зробити висновок, що вода з артезіанських свердловин має добру, з генетичного погляду, якість і не містить мутагенно активних речовин. Хлорування приводить до утворення мутагенних сполук, здатних викликати як генні, так і хромосомні мутації, а також до рекомбіногенних ефектів. У процесі проходження в технологічному ланцюгу мутагенність зменшується.
Не лише застосування хлору, як дезiнфектанту питної води, спричиняє утворення генетично активних сполук, але й iншi, з вiдомих способiв знезараження є не менш шкiдливими. Зокрема, D. M. De Marini та інші. [7], дослiджуючи спектр мутацій у сальмонел, індукованих органічними екстрактами хлорованої, хлорамінованої та озонованої питної води, виявили, що екстракти озонованої води мають найбільшу (72%) частоту мутацій типу зсуву рамки зчитування. K Schenk та інші [11] вивчали вплив хлорування , озонування на мутагенну активність води. Суттєвих відмінностей у рівні мутагенної активності між озонованою та хлорованою водою не виявили. K.Patterson та інші [10], на підставі аналізу ефективності застосування хлору, рідкого та газоподібного діоксиду хлору та хлораміну дiйшли висновку, що найбільшого виходу мутантів досягають шляхом застосування хлору. Мутагенність у варіантах з газоподібним чи рідким діоксидом хлору і потім чистим хлором була дещо нижчою. Використання хлораміну після діоксиду хлору зумовлювало дворазове зниження мутагенності питної води.
З метою визначення ефективностi застосування рiзних способiв дезiнфекцiї, якi використовуються на територiї Захiдної України, щодо їхнього мiнiмального впливу на генетичний апарат обстежували зразки питної води цього регiону. Незалежно вiд способу знезаражування та очищення, джерела водопостачання, мiсця вiдбору зразкiв, жодна iз проб з розвiдної мережi не iндукувала збiльшення кiлькостi мутантiв у тестерних штамiв Salmonella typhimurium ТА - 98 i ТА - 100 в тестi Еймса. Кiлькiсть His-ревертантiв у всiх випадках залишалось на рiвнi контрольних показникiв (табл. 2). Результати облiку хромосомних аберацiй у клiтинах меристемних корiнцiв Allium cepa, пророщених на цих зразках, зображенi на рис.2. Пiдвищений рiвень хромосомних аберацiй простежували у зразках питної води з ст. Мостиська - 2 та Дубровиця. Процент аберантних ана-телофаз становив 5,6 i 6,1 % проти 2,1 % у контролi. Iншi зразки не виявили мутагенної активностi у цьому тестi. Порiвнюючи зразки, що вiдрiзняються джерелами водопостачання, але в обох
Таблиця 2
Мутагенність зразків питної води з розвідної мережі на Львівській залізниці
в тесті Еймса
Тест-штам | Зразок | Кількість колоній-ревертантів | xg/xк | |||
х1 | х2 | х3 | х | |||
ТА 98 | Чоп Мукачеве Брюховичі Мостиська-2 Сарни Дубровиця ДМСО К2Cr2O7 (200мкг/ч) | 40 33 51 41 30 46 54 1100 | 52 60 26 37 31 56 28 980 | 64 34 59 36 40 54 41 1020 | 52 42 46 38 34 55 41 1033 | 1,27 1,02 1,12 0,93 0,83 1,24 |
ТА 100 | Чоп Мукачеве Брюховичі Мостиська-2 Сарни Дубровиця ДМСО NaN3 (10 мкг/ч) | 72 55 50 48 70 34 55 1200 | 30 58 48 45 84 52 30 1220 | 60 54 66 45 77 54 53 1350 | 54 56 55 46 77 47 46 1257 | 1,17 1,22 1,19 1,00 1,67 1,02 |
х1,х2,х3 - кількість колоній - ревертантів на чашках;
х - середнє значення кількості колоній;
хg/xk - відношення кількості колоній на дослідних чашках до контрольних показників.
Рис.2. Індукція хромосомних аберацій зразками питної води з розвідної мережі Львівської залізниці.
К- контроль; 1 - Чоп; 2 - Мукачеве; 3 - Мостиська-2; 4 - Дубровиця
випадках знезаражуються хлорним вапном ( Мукачеве i Мостиська-2), виявили, що мутагенну активнiсть мала вода, взята з поверхневої водойми (Мостиська-2). У випадку застосування рiзних дезiнфектантiв (рiдкий хлор i хлорне вапно), коли однаковими були очищення та джерела водопостачання (Чоп i Мостиська-2), мутагеннi ефекти мала питна вода, знезаражена хлорним вапном. Газохроматографiчний аналiз виявив наявнiсть у водi великої кiлькостi хлороформу. Усi експериментально визначенi концентрацiї хлороформу перевищували ГДК у 54 (Мостиська-2), 14 (Брюховичi) i 19 (Мукачеве) разiв. Найбiльше хлороформу є в питнiй водi, джерелом водопостачання якої є природна водойма, а саме р.Вишня . У питної води з артезiанських свердловин, у три-чотири рази менший вмiст хлороформу.
Отже, пiдземнi води є ліпшими джерелами водопостачання, оскiльки хiмiчне забруднення їх мiнiмальне. Поверхневi ж води в результатi господарської дiяльностi людини значною мiрою забрудненi токсичними хiмiчними речовинами. Обробка цих вод окисниками додатково привносить новi мутагеннi речовини.
Зменшення концентрації хлороформу, інших хлороорганічних сполук у питній воді можна досягнути завдяки попередній фільтрації її через пісок, гранульоване активоване вугілля та інші природні сорбенти. Кожен з них має свої переваги та недолiки, i пошук дешевих та ефективних сорбентiв природного походження для поліпшення процесу водопiдготовки триває.
Ми досліджували можливості використання як сорбенту для поліпшення якості питної води глауконiту - мінералу групи гідрослюд. Наявнiсть у його структурi обмiнних катiонiв i здатних до набрякання шарiв зумовили широкий спектр сорбцiйних властивостей цього мiнералу. Дослiджено [1, 2, 5], що глауконiт є активним поглиначем радiонуклiдiв, важких металiв, органiчних сполук. У роботi використовували незбагачену i неактивовану породу - глауконiтiт з вмiстом глауконiту приблизно 60 %.
Таблиця 3
Утилізація мутагенного фону питної води глауконітами
Тест-штам | Проба | Кількість колоній-ревертантів | xхg/хк | Наявність мутагенного ефекту | |||
хх1 | хх2 | хх3 | х | ||||
ТА 98 | п/с Будзень мережа п/с Будзень-3+ глауконіт ДМСО | 52 52 10 18 | 45 46 16 15 | 69 48 0 29 | 56 49 15 21 | 2,67 2,33 0,71 | + + - |
ТА 100 | п/с Будзень мережа п/с Будзень-3+ глауконіт ДМСО | 186 240 12 66 | 173 264 18 69 | 179 253 16 63 | 179 253 15 63 | 2,71 3,82 0,23 | + + - |
х1,х2,х3 - кількість колоній ревертантів на чашках;
х - середнє значення кількості колоній;
хg/xk - відношення кількості колоній на дослідних чашках до контрольних показників.
Глауконiт застосували у тих випадках, коли була точно зафіксована мутагенна активність водних зразків. Сорбент вносили дозою 5% від об,єму, зразки збовтували і залишали відстоюватись протягом 24 год. Супернатант відбирали для аналізу. Екперименти виявили, що глауконіт здатний знімати мутагенний ефект питної води. Наприклад, зразки (табл.3), відібрані з хлораторної станції Будзень-3 та мережі, в тесті Еймса індукували збільшення колоній мутантів на обох тестерних штамах. На штамi ТА-100 кiлькiсть ревертантiв у 3-4 рази перевищувала контрольнi показники, на штамi ТА-98 - у 2,0-2,5 раза. Це свідчить про слабку мутагенну активність. Після обробки цих зразкiв глауконiтом мутагенність не виявлялась. Кількість ревертантiв на чашках коливалась у межах спонтанного рівня.
Отож отримані результати свідчать про можливість застосування природного глауконіту для поліпшення якості питної води, завдяки його здатності утилізувати мутагенні ефекти водопровідної води.
Отже, виконані нами дослiдження свiдчать про те, що артезiанськi свердловини є ліпшими джерелами водопостачання, з генетичного погляду, оскiльки вони не виявляють мутагенної активностi. Поверхневi ж води, в результатi господарської дiяльностi людини, значною мiрою забрудненi хiмреагентами. Дезiнфекцiя води рiдким хлором чи хлорним вапном призводить до нагромадження хлороорганiчних сполук, якi в свою чергу можуть викликати у тест-органiзмiв мутацiї рiзного типу. Природний сорбент глауконiт здатниий усувати мутагеннi фони водопровiдної води, якщо застосовувати його в процесi водопiдготовки.
___________________
1. Дистанов У.Г., Михайлов А.Г., Конюхова Т.П. и др. Природные сорбенты СССР. М., 1990.
2. Козуб Ю.Б., Матковський О.I., Сеньковський А.Ю., Федоришин Ю.I. Глауконiти Подiлля - сорбенти радiонуклiдiв // Вiсн. Львiв. ун-ту. Сер. геол. 1998. Вип. 13. С. 139-142.
3. Мацях А.В., Боднар Л.С., Дуган О.М. Мутагеннiсть питної води з артезiанських свердловин Львiвського водопроводу // Питання бiоiндикацiї та екологiї: Матер. мiжнар. конференцiї. Запорiжжя, 1998. С. 182.
4. Паушева З.П. Практикум по цитологии растений. М., 1988.
5. Феношин У.I., Цьонь О.В., Ольховик Ю.О. та iн. Глауконiти - природнi сорбенти радiоiзотопiв стронцiю та цезiю // Минерал. журн. 1995. Вип. 17, №3. С.97-103.
6. Аmes B.N., Durston W.E., Yamasabi and F.D.Lee. Carcinogens are mutagens: Simple test system combining liver homogenate for activation and bacteria for detection // Proc. Nat. Acad. Sci USA.1973. № 70. P. 2281-2285.
7. De Marini D.M., Shelton M.L., Patterson K.S. Mutation spectra in Salmonella of MX and organic extracts of chlorinated, chloraminated, or ozonated drinking water // Environ. and Mol. Mutagenes. 1995. Vol.25. № 25. P.11.
8. Nestmann E.R. Correlation of water quality paarameters with mutagenicity of drinking water extracts // Water Chlorination: Environmental Impact and Health Effects/ Ed. (R.L. Jolley et al. Editors). Ann Arbor Sei. Publ., Ann Arbor Mich, 1983. Vol. 4.
9. Noot D.K., Anderson W.D., Daignault S.A. et al. Evaluatig treatment processes with the Ames mutagenicity Assay // Journal AWWA. 1989. Vol. 81. № 9. P. 87-102.
10. Patterson K., Schenck, Garner L. et al.. Mutagenicity of drinking water samples pre-disinfected with chlorine dioxide // Environ. and Mol. Mutagenes. 1993. Vol.21. № 22. P.62.
11. Schenck K., Miller R., Ringhand H., Lykins B. Mutagenicity of drinking water samples following pre-disinfection and filtration // Environ. and Mol. Mutagenes. 1992. Vol.19. № 20. P. 55.
12. Wurgler F.E., Vogel E.W. In vivo mutagenicity testing using somatic cells of Drosophila melanogaaster // Chemical Mutagens. 1986. Vol. 10. P. 1-72.