Лаборатория в бассейне

Мало кто знает, что любой бассейн — и в аквапарке, и в клубах, и спортивный для тренировок — настоящая химическая лаборатория, в которой протекает множество реакций. Более того, немало реагентов в эти лаборатории приносим мы сами.

Многие из нас любят плавать. А те, кто не умеет, не прочь залезть в воду, чтобы расслабиться, поплескаться или остудить тело после физических нагрузок. Увы, большей части соотечественников реки и озера доступны один-два месяца в году — такое короткое «наше северное лето, карикатура южных зим», к тому же многие водоемы, только успев прогреться до тех градусов, когда можно не опасаться переохлаждения среднестатистическому человеку, немедленно зацветают. Остальное время любителям воды приходится принимать водные процедуры в бассейнах.

Круговорот воды

Всем известно, что воду в бассейне дезинфицируют и на это идет большое количество химических реагентов. Если сэкономить на средствах для обеззараживания, то вместе с пловцами в бассейне будут резвиться патогенные бактерии Escherichia coli и Salmonella enterica или протозои — Cryptosporidium parvum и Giardia lamblia. Однако вещества, применяющиеся для дезинфекции воды, не только убивают болезнетворные микроорганизмы, но и реагируют с органическими веществами, находящимися в воде, образуя побочные продукты. Органические вещества (помимо фрагментов уничтоженных микроорганизмов) — это пот, моча, лосьоны и прочие косметические средства. Какие именно соединения образуются в результате таких реакций, известно, но спор о том, насколько они опасны для здоровья человека, еще продолжается.

С побочными продуктами дезинфекции контактирует любой посетитель бассейна — они есть и в воде, и в воздухе над ней. Причем над закрытыми бассейнами их гораздо больше, чем над теми, что под открытым небом. Исследования, посвященные качеству питьевой воды, позволяют утверждать, что побочные продукты дезинфекции довольно токсичны, однако, поскольку из плавательных бассейнов пить воду не принято, неясно, какая концентрация этих веществ может стать проблемой для здоровья. Единственное, о чем можно говорить с уверенностью, — в наибольшей степени их воздействию подвергаются те, кто проводит в бассейне много времени: профессиональные пловцы и обслуживающий персонал.

Чаще всего для дезинфекции плавательных бассейнов используют хлор и его производные — оксид хлора (IV), гипохлориты. Воду также можно обрабатывать бромом, озоном или облучать ультрафиолетом. Реагенты или фотохимическая активация изменяют строение биомолекул, необходимых для жизнедеятельности микроорганизмов, главным образом — разрушая их клеточные стенки. Иногда приходится сочетать несколько способов. Например, паразиты криптоспоридии (Cryptosporidium), чаще всего вызывающие заболевания желудочно-кишечного тракта у посетителей бассейнов, устойчивы к действию различных хлорсодержащих средств дезинфекции, но чувствительны к ультрафиолетовому излучению — оно, правда, не убивает их, а препятствует размножению. Комбинация химической обработки и ультрафиолета эффективна и против других микроорганизмов.

В процессе эксплуатации бассейна (рис. 1) часть воды из него сливается и обрабатывается, то есть ее чистят от механических примесей, обрабатывают ультрафиолетом, повторно хлорируют и при необходимости корректируют уровень рН. Источник ультрафиолетового излучения приходится размещать внутри систем рециркуляции и фильтрования воды — в бассейне они были бы опасны для здоровья пловцов. После всех этих операций вода возвращается обратно. Что она несет людям?

1. Круговорот воды в бассейне. Воду фильтруют, добавляют в нее дезинфицирующие вещества и корректируют значение pH. Поскольку ежедневно за счет испарения и других процессов теряется около 1% воды, приходится регулярно добавлять свежие порции. Большая часть воды в бассейне циркулирует около 100 дней («Environmental Science & Technology»)

УФ-облучение очень эффективно, но у него есть и недостатки — оно разрушает связи азот–хлор в некоторых побочных продуктах дезинфекции, способствуя их превращению в более токсичные химические вещества — например, хлорциан, опасный для органов дыхания и слизистой («Environ. Sci. Technol»). То есть с микробиологической точки зрения вода в бассейне однозначно улучшается, а вот с точки зрения химии облучение ультрафиолетом способствует понижению концентрации одних веществ и повышению других, причем чаще в бассейне накапливаются именно те вещества, о которых стоит беспокоиться.

Есть еще одна проблема: со временем концентрация побочных продуктов дезинфекции увеличивается. Как правило, вода в бассейне движется по замкнутому циклу, поэтому органические вещества могут накапливаться в бассейнах неделями и месяцами. Свежие порции воды, поступающие в бассейн, только пополняют объем, который теряется за счет испарения и в ходе промывки гравий-песчаного фильтра. По европейским стандартам в бассейн ежедневно добавляют 30 литров свежей воды в расчете на одного купальщика, по стандартам США — 15 литров. Щедрее всего Россия — в ней предусмотрено добавление целых 50 литров свежей воды на посетителя в сутки (если бассейн дезинфицируют с помощью хлорирования) или 30 литров (если бассейн озонируют). По оценкам, даже при большом наплыве посетителей ежедневно обновляется не более 1% воды в бассейне, следовательно, на полную замену воды в бассейне потребуется не менее ста дней.

Источник грязи

Возникает резонный вопрос: что же служит сырьем для образования побочных продуктов дезинфекции? Конечно, некоторые «строительные блоки» уже есть в водопроводной воде, которую подают в бассейн, — это органические вещества, образовавшиеся из клеток убитых дезинфекцией микроорганизмов. Однако гораздо больше органики, как уже говорилось, попадает в бассейн с посетителями: частички омертвевшей кожи, грязи, химических веществ, входящих в состав лосьонов, дезодорантов, кремов и, конечно, пота. Однако самый значительный источник органических веществ, реакции с которыми загрязняют бассейны, — это моча (см. также «Химию и жизнь» 2015 №3).

По результатам опроса, проведенного в США в 2009 году («International Journal of Aquatic Research and Education»), 17% участников признались, что хотя бы раз мочились в бассейн, а 78% опрошенных верили, что это делают другие. Вероятно, 17% — число заниженное: во-первых, не все найдут в себе силы признаться, а во-вторых, мочеиспускание в воде может произойти случайно, и человек его просто не заметит. По некоторым оценкам, в обычном бассейне может содержаться от 30 до 80 миллилитров мочи на посетителя, а в бассейнах, где тренируются профессиональные пловцы или игроки в водное поло, гораздо больше — тренировки могут продолжаться часами, а в короткие перерывы спортсмены обязательно пьют воду (метаболизм при этом никто не отменял). Люди, профессионально занимающиеся водными видами спорта, и сами признают, что бывает, только делают подобные заявления, естественно, неофициально, а не в интервью для СМИ.

В моче есть мочевина (NH₂)₂C=O, азотсодержащее соединение, которое с хлором образует трихлорамин NCl₃. Именно трихлорамин, а не хлор ответствен за запах, характерный для закрытых бассейнов, и он же — причина неприятных ощущений. Трихлорамин один из наиболее распространенных летучих побочных продуктов дезинфекции, к тому же он наиболее существенно влияет на организм человека. Из-за того что степень окисления атомов хлора в трихлорамине положительная, это вещество — сильный окислитель. Он раздражает дыхательные пути, слизистые оболочки, может вызвать проблемы с кожей и даже внести вклад в поражение сердечно-сосудистой системы. Трихлорамин даже способствует быстрой коррозии металлов (в том числе и нержавеющей стали), находящихся поблизости от бассейнов. Конечно, это еще не показатель его опасности для организма, но трихлорамин действительно неполезен.

Еще один источник мочевины — пот. Интенсивность потоотделения зависит от двух факторов — температуры бассейна и интенсивности физических нагрузок. В бассейне с температурой воды 26°С и ниже ни любители, ни профессионалы практически не потеют, поскольку вода эффективно охлаждает тело и в дополнительном охлаждении нет нужды. Однако при 27°C и выше человек начинает потеть, и чем теплее вода, тем сильнее. Посетители, которые не планируют ставить рекорды, вносят небольшой вклад в образование побочных продуктов дезинфекции, на них расходуется всего лишь 5–10% хлора, содержащегося в воде. Профессиональные пловцы потеют гораздо больше — на реакцию с компонентами пота спортсменов расходуется до 40% хлора («Water Research»).

Прилипшие к телу пыль и грязь органического происхождения, в том числе и приставшие к телу микроорганизмы, вносят в образование побочных продуктов постоянный вклад, независимый от температуры бассейна и интенсивности нагрузок. Не помылись в душе перед плаванием? Нет проблем — в воде грязь смоется за минуту. И на эти частички пыли и грязи израсходуется около 30% хлора. Вместе с тем исследования доказывают, что простейшая гигиеническая процедура «минута в душе» — и грязь в бассейн не попадет («Water Research»). Причем если вы около открытого бассейна играете в подвижные игры или загораете с книгой, то кожа снова пачкается и выделяет новые порции пота. Это означает, что душ надо принимать не перед первым погружением в бассейн, а перед каждым.

Персоналу, обслуживающему бассейн, приходится ежедневно поддерживать баланс, подавая в систему такое количество реагентов, чтобы уничтожить патогены и не навредить людям. Избыток хлора тоже вреден — он может увеличить количество образующихся побочных продуктов дезинфекции. Зачастую, чтобы выдержать «золотую середину», дозировку реагентов меняют ежедневно. Норму вычисляют на основе математических моделей, учитывающих число посетителей, и по результатам анализа воды бассейна на содержание микроорганизмов и органических соединений.

Лаборатория в действии

Несмотря на все предосторожности, побочные продукты дезинфекции в воде образуются. Общее количество молекул, которое каждый год обнаруживают в бассейнах с помощью все более чувствительных и точных методов анализа, главным образом хромато-масс-спектрометрии, исчисляется сотнями или даже тысячами. Среди этих веществ больше всего галогенметанов (в первую очередь это трихлорметан, также известный как хлороформ), галогенуксусных кислот и хлораминов. Галогенуксусные кислоты не летучи, они остаются в воде бассейна, однако подавляющее большинство побочных продуктов дезинфекции летучи. Одиннадцать из них (включая тригалогенметаны, хлорамины и галогенцианы) практически всегда можно обнаружить в воде любого плавательного бассейна или в воздухе около него (рис. 2).

2. Одиннадцать летучих побочных продуктов дезинфекции, которые можно обнаружить в образце воды из любого плавательного бассейна или в образце воздуха, взятого возле бассейна («Environmental Science & Technology»).

Судя по научной литературе, таких галогенсодержащих органических соединений становится все больше. Прежде всего из-за увеличения чувствительности анализа — скорее всего, эти вещества образовывались при хлорировании бассейнов всегда, просто раньше мы о них не знали. Однако среди органических веществ, загрязняющих бассейны, появляются и новые. Причина — новые лекарственные препараты, метаболиты которых попадают в воду бассейна с потом и мочой пловцов, а также и средства личной гигиены, смывающиеся водой с кожи. Например, в 2013 году при анализе воды плавательных бассейнов обнаружили восемь галогенбензохинонов в концентрациях от 19 до 299 нанограммов на литр, что значительно больше, чем содержание этих веществ в водопроводной воде («Environ. Sci. Technol.»). Появление галогенбензохинонов объяснили окислением и хлорированием производных с фенильными группами, содержащихся в солнцезащитных кремах и лосьонах.

Результаты токсикологических исследований, полученные для клеток, показывают, что галогенированные бензохиноны опаснее хинонов, проявляющих канцерогенные свойства. Галогенбензохиноны вызывают образование в клетках активных кислородсодержащих радикалов, повреждающих молекулы нуклеиновых кислот и белков. Конечно же ученые исследуют влияние побочных продуктов дезинфекции на здоровье человека в тех концентрациях, в которых их находят в бассейнах и в воздухе около него. В первую очередь то, как они действуют на группы риска — людей, профессионально занимающихся водными видами спорта, обслуживающего персонала бассейнов и детей. Увы, пока здесь больше вопросов, чем ответов.

Медицинская статистика утверждает, что процент заболеваемости астмой среди пловцов высок. Но непонятно, что здесь причина, а что следствие. С одной стороны, летучие побочные продукты дезинфекции вполне могут быть факторами, вызывающими заболевания органов дыхания, а с другой — плавание врачи часто рекомендуют людям, страдающим от бронхиальной астмы. С влиянием побочных продуктов дезинфекции на здоровье детей еще меньше ясности. Например, опубликованы результаты исследований, утверждавшие, что занятия плаванием с детского возраста повышают риск развития заболеваний органов дыхания и астмы («Environmental Health Perspectives»). Другие исследовательские группы получили противоположный результат — плавание с раннего возраста снижает риск развития бронхиальной астмы. Пока ясно только одно: содержание побочных продуктов дезинфекции увеличивается в организме человека через сорок минут интенсивной физической активности в бассейне. И чем интенсивнее и длительнее нагрузка, тем больше продуктов хлорирования органических веществ попадает в организм («Environmental Research»). Правда, неизвестно, насколько это опасно для здоровья.

Можно ли уменьшить содержание побочных продуктов дезинфекции в бассейне? Да, и это мало связано с водоподготовкой и модернизацией систем рециркуляции воды в бассейне. Надо изменить культуру нашего посещения бассейнов. Если перед заплывом принимать душ (даже тогда, когда мы считаем себя чистыми), если не путать бассейн с туалетом, это, хотя и не сведет концентрацию побочных продуктов дезинфекции в бассейне до нуля, значительно уменьшит их содержание.

Конечно же вся эта информация — не повод отказываться от плавания. Ведь это один из немногих видов физкультуры, которым можно заниматься с возраста нескольких месяцев до глубокой старости и который не травмирует связки и суставы. С другой стороны, при пробежке или велосипедной поездке вдоль проезжей части наш организм получит более существенную дозу опасных веществ от выхлопных газов по сравнению с аналогичной по времени тренировкой в бассейне. Впрочем, если география проживания или финансовые возможности позволяют вам плавать в открытой воде круглый год, то, бесспорно, это гораздо полезнее, чем в бассейне.

Кандидат химических наук
А.И. Курамшин