XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Влияние качества питьевой воды на развитие мочекаменной болезни (МКБ) у жителей Кемеровской области

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы

Чекушина М.Р. 1

---

1МБОУ "Гимназия 71" ("Радуга"), город Кемерово

Иванова Л.А. 1Чекушин Р.Х. 2

---

1МБОУ "Гимназия 71" ("Радуга"), город Кемерово

2Медицинский центр "АМР-Мед"

Работа в формате PDF

706.5 KB

Введение

Качество питьевой воды – глобальная экологическая проблема современного человечества. Вода – источник жизни, а качество ее определяет уровень здоровья человека.

Вода необходима для нормального функционирования организма, так как участвует во всех жизненных процессах: доставке к клеткам кислорода и питательных веществ, переработке пищи в энергию, выведении шлаков и продуктов распада, регулировке температуры тела и других.

Для того, чтобы вода приносила пользу человеку, она должна быть безопасной и безвредной по химическому составу.

Около 90% всех болезней человечества по данным Всемирной Организации здравоохранения (ВОЗ) вызвано применением для питья именно некачественной воды.

В нашем регионе основным источником питьевого водоснабжения является река Томь и ее притоки. Кемеровская область является крупнейшим промышленным центром в Западной Сибири с развитой химической и угледобывающей отраслями, в результате деятельности которых зачастую происходит загрязнение атмосферы и водных ресурсов. В результате чего, питьевая вода зачастую не соответствует гигиеническим требованиям.

Наиболее остро на качество воды реагирует мочевыделительная система человека. Употребление в пищу и для питья воды с высоким содержанием солей ведет к образованию мочекаменной болезни (МКБ).

Показатели заболеваемости МКБ по Сибирскому Федеральному округу, в состав которого входит Кемеровская область, выше, чем средние показатели по России.

По данным регионального Министерства здравоохранения за 2020 - 2024 годы количество пациентов с диагнозом МКБ в Кузбассе, установленном впервые в жизни, выросло на 15,7% и имеет четкую тенденцию к дальнейшему росту. В структуре прироста пациентов значительную долю занимают жители сельской местности, тогда как жители города Кемерово сохраняют стабильность.

Актуальность: проблема качества питьевой воды актуальна как в глобальном масштабе, так и для нашего региона. Меня заинтересовало – соответствует ли питьевая вода современным требованиям качества. Зависит ли динамика прироста пациентов с МКБ именно сельской местности от качества употребляемой ими питьевой воды.

Проблема: высокие показатели заболеваемости МКБ в нашем регионе, влияние деятельности промышленной и добывающей отраслей на загрязнение окружающей среды, в том числе на водно-биологические ресурсы, зависимость роста заболеваемости от деятельности промышленных и добывающих предприятий.

Цель: исследование качества питьевой воды в водопроводной системе города Кемерово и Кемеровского района; установить зависимость формирования МКБ от качества питьевой воды жителей города Кемерово и Кемеровского района; разработать рекомендации по профилактике МКБ в зависимости от качества питьевой воды.

Гипотеза: заболеваемость МКБ напрямую зависит от качества питьевой воды.

Задачи: 1. изучить роль воды в жизни человека;

2. изучить понятие качество воды (жёсткость и окисляемость, виды жёсткости, единицы её измерения);

3. изучить процесс влияния качества воды на формирование МКБ;

4. изучить способы умягчения воды;

5. отобрать пробы воды для анализа из водопроводной системы города Кемерово и населенных пунктов Кемеровского района (пос. Новостройка, пос. Березово, деревня Смолино, пос. Береговая, пос. Смирновка);

6. исследовать экспериментальным путем жёсткость питьевой воды в отобранных пробах;

7. исследовать экспериментальным путем жёсткость питьевой воды в отобранных пробах после применения фильтров различных конструкции;

8. сравнить результаты опытов, сделать выводы;

9. разработать рекомендации по методам профилактики МКБ.

Объект исследования: питьевая вода - пробы воды для анализа из водопроводной системы города Кемерово и населенных пунктов Кемеровского района (пос. Новостройка, пос. Березово, деревня Смолино, пос. Береговая, пос. Смирновка).

Предмет исследования: качество питьевой воды.

Методы исследования: теоретические - анализ литературы, обобщение, систематизация; практические - эксперимент, сравнение.

Новизна: в нашем регионе такая работа проводилась впервые.

Практическая значимость: мониторинг качества питьевой воды и осведомленность населения, позволяют профилактировать развитие МКБ и ее повторных случаев (рецидивов).

Исследования проводились с сентября 2024 по февраль 2025 года.

Роль воды в жизни человека

Общеизвестно, что вода – источник жизни. Для жизни человека, вода, наряду с воздухом, занимает одно и важнейших мест в поддержании жизни и здоровья. Человек, как и любой живой организм, состоящий из воды более, чем на 70%, прожить без нее может очень короткое время. Вода нужна всему живому – животным, птицам, растениям и даже микроорганизмам. Не будет воды – не будет жизни на земле; в том числе и по причине отсутствия продуктов питания, так как не вырастут и не выживут без воды растения, вода необходима сельскохозяйственным животным и птице, не говоря уже о том, что рыба живет только в воде. Таким образом, человеку вода нужна не только сама по себе, но еще и как средство для производства продуктов питания.

На поверхности нашей планеты, как и в атмосфере, содержится большое количество воды, но, к сожалению, пригодной для питьевых целей воды не так уж и много (вода в морях и океанах содержит большое количество солей и без опреснения ее пить практически невозможно, а процесс опреснения очень трудоемок и финансово затратен), да и распределена она на земном шаре неравномерно.

К счастью, территория Российской Федерации имеет достаточные запасы пресной воды.

Вода необходима для нормального функционирования организма, так как участвует во всех жизненных процессах: доставке к клеткам кислорода и питательных веществ, переработке пищи в энергию, выведении шлаков и продуктов распада, регулировке температуры тела и других. Несмотря на то, что вода не имеет энергетической ценности (в ней отсутствуют белки, жиры, углеводы) она необходима для всех жизненно важных процессов, протекающих в организме человека.

Что такое жёсткость воды

В воде содержатся ионы кальция и магния. Повышенное их содержание придаёт воде отрицательное качество, которое называется жёсткостью. Содержащиеся в природе нерастворимые в воде карбонаты магния MgCO3 и кальция CaCO3 под воздействием воды и содержащегося в воздухе углекислого газа превращаются в хорошо растворимые в воде гидрокарбонаты, которые вызывают карбонатную или почти полностью устраняемую кипячением, временную жёсткость. При повышении температуры воды гидрокарбонаты распадаются с образованием угольной кислоты, и выпадает в осадок карбонат кальция и гидроксид магния. Присутствие в воде сульфатов, хлоридов магния и кальция и некоторых других солей, обусловливают некарбонатную жёсткость – постоянную, не устраняемую кипячением. Общая жёсткость – это сумма карбонатной (временной) и некарбонатной (постоянной) жесткости. 

Природа происхождения жесткости воды объясняется тем, что проходящая через атмосферу вода в виде снега или дождя, поглощает оксид углерода (СО₂), достигает земли в виде слабокислотного раствора СО₂ + Н₂О = Н₂СО₃, называемого угольной кислотой. Выпадающая на землю вода, обычно обессолена и имеет малую жесткость. По мере прохождения воды через почву, содержащую известняк, гипс, она взаимодействует с ними, образуются соли, которые распадаются на ионы кальция (Ca²⁺) и магния (Mg²⁺).Таким образом, жёсткость воды не зависит ни от состояния водопровода, ни от коммунальных хозяйств - все дело в особенностях географической территории.

В мире используется несколько единиц измерения жёсткости. В РФ с 2014 года для измерения жёсткости воды принята единица – градус жёсткости (°Ж). В 1 градусе жесткости содержится 0,5 милли/моль ионов металла на литр. 1 градус жёсткости = 20,04 мг Ca²⁺или 12,15 Mg²⁺ в 1 дм³ воды. Также применяется особая единица миллиграмм-эквивалент на литр (мг-экв/л). Российский градус жёсткости равен 1 мг-экв/л.

Таблица 1. Единицы измерения жёсткости

Согласно нормативным документам РФ (СанПиН 2.1.4.1074-01 и ГН 2.1.5.1315-3) питьевая вода должна иметь жёсткость не более 7°Ж, для кальция норматив не установлен, для магния – не более 50 мг/л.

Также в качестве методики исследования жесткости воды используют TDS-метрию.

Принцип работы TDS-метра основан на электропроводности воды. При погружении электродов устройства в воду, они создают электрическую цепь. Растворенные в воде вещества, такие как минералы, соли и другие химические соединения, имеют заряды ионов. Эти ионы позволяют проводить электрический ток через воду.

Солемер (TDS метр) измеряет электрическую проводимость воды и преобразует ее в показатель TDS – общая растворенность твердых частиц. Чем выше этот показатель, тем больше растворенных веществ (солей) содержится в воде.

Нормальными (пригодными для питья) принято считать показатели от 50 до 200 мг/литр.

Влияние качества воды на формирование МКБ

Мочекаменная болезнь (МКБ) – заболевание, развивающееся вследствие воздействия факторов внешней среды и характеризующееся образованием камней в мочевыводящих путях. Данное заболевание поражает около 14% населения планеты и является одним из самых распространенных патологий в урологии. Результаты эпидемиологических исследований, проведенных в ряде развитых стран, показали, что распространенность МКБ повсеместна, имеет четкую тенденцию к росту и напрямую зависит от качества употребляемой воды.

Камнеобразование – это результат множественных процессов, происходящих в мочевых путях. До настоящего времени единой концепции образования камней не существовало.

Однако в последнее время прослеживается прямая зависимость качества (жесткости) воды и процессом образования камней.

Показатели заболеваемости МКБ по Сибирскому Федеральному округу, в состав которого входит Кемеровская область, выше, чем средние показатели по России.

По данным регионального Министерства здравоохранения за 2020 - 2024 годы количество пациентов с диагнозом МКБ в Кузбассе, установленном впервые в жизни, выросло на 15,7% и имеет четкую тенденцию к дальнейшему росту. В структуре прироста пациентов значительную долю занимают жители сельской местности, тогда как жители города Кемерово по этим показателям сохраняют стабильность.

Способы умягчения воды

Существует несколько простых способов снижения жёсткости воды.

1. Термоумягчение - термический метод умягчения воды - один из наиболее простых и распространенных способов снижения её жесткости. Этот метод основан на кипячении воды, при этом термически нестойкие гидрокарбонаты кальция и магния разлагаются с образованием накипи. С помощью этого способа умягчения можно значительно снизить содержание в воде солей жесткости. Этим методом можно устранить только временную – карбонатную жёсткость. Недостаток этого метода - при кипячении образуется осадок, который будет необходимо удалять.

2. Заморозка - наиболее эффективный метод, вода не меняет своей структуры, а смягчение происходит постепенно, но приготовить большой объем такой воды затруднительно.

3. Реагентные методы умягчения - для этого метода применяют вещества, способные связывать имеющиеся в жесткой воде ионы Ca²⁺и Mg² и превращать их в нерастворимые соединения, которые выпадают в осадок. В качестве таких веществ (реагентов) для умягчения воды, в зависимости от её состава, может применяться известь, кальцинированная сода, едкий натр, синтетические реагенты или даже обычная пищевая сода.

4. Отстаивание

5. С использованием различных фильтров.

Материалы и методика исследований

Материалы: стеклянные банки 0,5 л, 1л и 3 л; пластиковые бутылки 1 л; стеклянные стаканы; стеклянные трубки, дистиллированная вода; TDS – метр; мерный шприц; фильтр-кувшин; «фильтр Гейзер Престиж» с системой обратного осмоса, электрический чайник.

Методы исследования: биоиндикация с применением методики электрической проводимости воды с TDS солемером.

Определение жёсткости воды можно при помощи прибора TDS 3 - солемера. Работа прибора основана на возможности воды проводить электрический ток. Прибор производит электроны, которые создают в воде электрическое поле. Он фиксирует количество ионов солей и других веществ, так как именно они влияют на силу тока в жидкости. Значения исследования отображаются на дисплее. Прибор измеряет минерализацию в американских единицах измерения ppm (partspermillion), что эквивалентно 1 мг/л, или общему количеству растворённых в воде частиц солей на один миллион частиц воды. В России принята единица миллиграмм-эквивалент на литр, мг-экв /л. Для определения жесткости раствора надо измеренное TDS метром значение разделить на 17,6. Оценка общей жёсткости воды производится путём преобразования минерализации в единицу жёсткости: 1 мг-экв /л = 50,05 ррmCaCo3. В России мягкой считается вода, имеющая не более 2º жёсткости, высокую жёсткость имеет вода с 10º жёсткости и более. От 2º жёсткости до 10º жёсткости имеет вода со средними показателями этого параметра.

В таблице 2 представлена концентрация солей и жёсткость воды в разных единицах.

Таблица 2. Жёсткость воды в разных единицах

Оптимальной считается вода от 50 до 200 ppm - мягкая и среднежёсткая.

Результаты исследований

Исследования проводились с сентября 2024 по февраль 2025 года.

Изъятие проб воды для исследования

Для исследования брались: питьевая вода - пробы воды для анализа из водопроводной системы города Кемерово и населенных пунктов Кемеровского района (пос. Новостройка, пос. Березово, деревня Смолино, пос. Береговая, пос. Смирновка).

Забор проб воды осуществлялся по всем правилам, предъявляемых данному процессу.

Перед отбором водопроводной воды пропускали воду сильным напором в течение 10 минут. Тара для набора– это пластиковые бутылки объёмом 1 литр, новые. «Вторичная» тара не годится. Не допускается мойка ёмкостей чистящими и моющими средствами. Не подходит ёмкость, в которой ранее хранились любые напитки. Бутылки наполняла с максимальной осторожностью, давая струе медленно стекать по одной из стенок, что снижает риск насыщения пробы воды кислородом и не позволяет воде менять свой химический состав. Начинала отбор пробы с ополаскивания ёмкости не менее трёх раз, той водой, которая будет взята на анализ. Вода набиралась до краёв горла и сразу закрывалась. Пробы отбирала в день проведения исследования, для того чтобы срок хранения пробы воды не превышал 24 часов.

Были взяты пробы воды:

Водопроводная вода Ленинского района г. Кемерово, и населенных пунктов Кемеровского района (пос. Новостройка, пос. Березово, деревня Смолино, пос. Береговая, пос. Смирновка).

Результаты исследований:

Определение жесткости воды при помощи прибора TDS 3 метра

Все замеры проводила троекратно и определяла среднее значение (Приложения 1,2,3,4).

В ходе работы мной были получены результаты анализа воды, представленные в таблице 3.

Таблица 3. Результаты анализа жесткости воды

Из таблицы видно, что наиболее мягкой оказалась вода в водопроводной системе города Кемерово.

Водопроводная вода во всех населенных пунктах Кемеровского района оказалась сверхжёсткая.

Снижение жёсткости воды после кипячения.

Вода всех источников кипятилась 15 минут. Затем проводился анализ жесткости воды.

Водопроводная вода г. Кемерово, Ленинский район – с 117,3 понизилась до 086 ppm. Жёсткость воды после кипячения понизилась на 21%.

Водопроводная вода пос. Новостройка – с 354,3 понизилась до 312,8 ppm. Жёсткость воды после кипячения понизилась на 14%.

Водопроводная вода пос. Березово – 406,6 понизилась до 361 ppm. Жёсткость воды после кипячения понизилась на 11,5%.

Водопроводная вода дер. Смолино – 631 понизилась до 582,3 ppm. Жёсткость воды после кипячения понизилась на 9,5%.

Водопроводная вода пос. Береговая – 534,66 понизилась до 481,9 ppm. Жёсткость воды после кипячения понизилась на 10,5%.

Водопроводная вода пос. Смирновка – 578,6 понизилась до 504,3 ppm. Жёсткость воды после кипячения понизилась на 12,2 %.

Вывод: кипячение воды уменьшает жесткость водопроводной воды на 13,2%.

Далее проводилась фильтрация испытуемой воды при помощи фильтра кувшинного типа (Приложения 5,6).

Снижение жёсткости воды после фильтрации

Таблица 4. Результаты анализа жесткости воды после фильтрации с применением фильтра типа кувшин

Таблица 5. Результаты анализа жесткости воды после фильтрации с применением фильтра «Гейзер Престиж» с системой обратного осмоса

Вывод: после фильтрации жёсткость воды всех районов заметно понизилась. Система обратного осмоса «Гейзер Престиж» качественнее осуществляет фильтрацию воды, чем фильтр-кувшин.

Заключение, выводы

Важным показателем качества воды является жёсткость, характеризующаяся содержанием растворённых солей кальция и магния. В домашних условиях можно определить жёсткость воды.

В результате проведенных исследований сделаны следующие выводы:

1. узнала, что представляет собой жёсткость воды, каковы её виды, в каких единицах измеряется жёсткость воды в разных странах;

2. узнала, как влияет жёсткость воды на организм человека и формирование МКБ;

3. познакомилась с методами снижения жёсткости воды в домашних условиях;

4. определила, что вода из источников водоснабжения г. Кемерово является соответствующей нормам;

5. определила, что вода из источников водоснабжения населенных пунктов Кемеровского района является сверхжесткой;

6. узнала, что снижать жесткость воды, используемой в быту, необходимо и вполне возможно. Для этого существуют различные методы. Кипячение снижает жёсткость воды в среднем на 12,5%. Фильтрация снижает жёсткость воды лучше, чем кипячение.

7. наиболее эффективным методом снижения жесткости воды является фильтр с системой обратного осмоса «Гейзер Престиж»;

8. для профилактики образования МКБ рекомендуется использование для употребления в пищу воды, после обработки фильтрами различных конструкций.

Результатами своих исследований я поделилась с одноклассниками, учащимися школы и учителями.

Список использованной литературы:

1. Астауров В. И. Основы химического анализа. - М.: Дрофа, 1977;

2. Васильев В. П. Аналитическая химия – М.: Дрофа, 2002;

3. Голубева Р. М., Мансуров Г. Н. Открой для себя мир химии – М.: Дрофа, 2004;

4. Дж. Кемпбел Современная общая химия – М.: Мир, 1985;

5. Зайцев О. С. Исследовательский практикум по общей химии. – Издательство Московского университета, 1994;

6. Новиков Ю. В. Экология, окружающая среда и человек - М.: «Гранд», 1998;

7. Радченко Н. М. Методы биондикации в оценке состояния окружающей среды/ Н. М.Радченко, А. А.Шабунов. – Вологда: Издательский центр ВИРО, 2006, -148 с.;

8. Фролов В. И. Практикум по общей и неорганической химии – М.: Дрофа, 2002;

9. Хмырева Н.А., Игнатова А.Ю., Макаревич Е.А. Мониторинг качества питьевой воды г. Кемерово /Вестник КузГТУ. 2010, №6;

10. Шереметьев. И. Аквариум начинающим и не только. М. :Эксмо, 2004, 448с;

11. Саенко В. С., Газимиев М. А., Песегов С. В. Место минеральных вод в метафилактике мочекаменной болезни, Урология № 2. 2016 с. 56 – 64.;

12. Каприн А. Д., Аполихин О. И., Сивков А. В., Заболеваемость мочекаменной болезнью в Российской Федерации. Экспериментальная и клиническая урология. № 2, 2022, с. 10 – 17.

Приложения

Приложение 1.

Знакомлюсь с принципом работы TDS-метра (солемером).

Приложение 2.

Определяю жёсткость воды из разных источников с помощью TDS-метра (солемера).

Приложение 3.

Определяю жёсткость воды из пос. Береговая с помощью TDS-метра (солемера).

Приложение 4.

Подготовка воды к исследованию.

Приложение 5.

Подготовка воды к исследованию после кипячения.

Приложение 6.

Подготовка воды к исследованию после фильтрования.