Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Обзор литературы 7
1.1 Анализ влияния изменения структурного состояния
воды на процессы, протекающие в живых системах 7
1.2 Анализ процессов, приводящих к структурному изменению воды
1.2.1 Роль водородных связей в коллективизации молекул воды
1.2.2 Фазовые переходы в системах связанных атомов 15
1.2.3 Метастабильные состояния жидкости (воды) 18
1.2.4 Электромагнитная динамика ассоциированнойводы 19
1.2.5 Физическая сущность активации жидкофазных систем 22
1.2.6 Анализ методов оценки состояния воды после физической обработки
ГЛАВА 2 Объем, объекты и методы исследования 32
ГЛАВА 3 Разработка методики оценки структурированности воды на основе криофизического метода 43
ГЛАВА 4 Гигиеническая оценка качества вод обработанных различными физическими методами с измененным структурным состоянием 54
4.1 Изучение физических характеристик питьевых вод с измененной структурой 54
4.2 Гигиеническая оценка питьевых вод, с измененной структурой
ГЛАВА 5 Изучение биологического влияния вод с измененным структурным состоянием в отношении водных организмов и растений 66
ГЛАВА 6 Изучение влияния вод с различным содержанием доли структурированной фазы на организм теплокровных животных
6.1 Изучение биологической активности вод с различной степенью структурированности в хроническом эксперименте
6.2 Изучение влияния вод с различной степенью структурированности на специфический иммунологический показатель
6.3 Изучение влияния вод с различной степенью структурированности на неспецифические факторы защиты (лизоцим) 93
ГЛАВА 7 Механизм действия активированной воды на клеточный метобализм 96
Заключение 100
Выводы 106
Список литературы
- Анализ процессов, приводящих к структурному изменению воды
- Электромагнитная динамика ассоциированнойводы
- Гигиеническая оценка питьевых вод, с измененной структурой
- Изучение влияния вод с различной степенью структурированности на специфический иммунологический показатель
Введение к работе
В последние годы в гигиене питьевых вод, наряду с дальнейшим развитием работ по гигиеническому регламентированию химического и биологического загрязнения, все большую актуальность приобретают исследования, связанные с проблемой гигиенической оценки физических способов водоподготовки, которые изменяют структурное и энергетическое состояние воды [1-8].
Согласно современным представлениям биологически значимой компонентой воды является так называемая связанная или структурированная вода [9, 6, 10], которая способна концентрировать в себе электроны из окружающей среды в процессе ее физической обработки. В исследованиях ряда авторов было показано, что изменение физических параметров воды может приводить к изменению метаболических процессов в организме [11-13] и искажению структуры белковых [14, 15]. Потребление структурированной воды способствует повышению проницаемости клеточных мембран желудочно-кишечного тракта и активности гистоминазы в тканях печени и кишечника [16], а длительное потребление деструктурированной воды приводит к усилению гипацидного состояния и анафилактических реакций в организме [11]. Однако дозированное потребление вод с измененной структурой оказывает положительное влияние на показатели иммунореактивности организма, состояние липидного и углеводного обмена [17, 18].
Вместе с тем в настоящее время в системе контроля качества и безопасности питьевой воды отсутствует методическая база, позволяющая учитывать структурные и энергетические изменения в воде, полученной с использованием физических методов водообработки, и не определены приоритетные нормативные показатели, оценивающие ее биологическую активность. Введение таких показателей выдвигает необходимость решения ряда приборно-методических проблем, связанных с разработкой методов оценки структурных и энергетических параметров воды, прошедшей соответствующую обработку.
Учитывая вышеизложенное, целью работы явилась гигиеническая оценка вод с различным содержанием связанной фазы по физико-химическим показателям и биологическому действию. Для ее достижения сформулированы следующие задачи:
1. Разработка метода определения содержания связанной (структурной) фазы в воде.
2. Гигиеническая оценка качества питьевых вод, полученных с использованием различных физических методов, по физико-химическим, органолептическим, микробиологическим, паразитологическим и радиологическим показателям.
3. Изучение влияния питьевых вод с различным содержанием структурированной фазы на биотестовые организмы.
4. Изучение биологического действия вод с различным содержанием структурированной фазы на организм теплокровных животных в условиях подострого (на модели иммунизации животных белковым агентом) и хронического экспериментов.
Научная новизна работы. Показано, что в зависимости от технологии обработки одной и той же по уровню минерализации воды содержание в ней структурированной фазы может изменяться в пределах от 0,074 до 8 %. При этом обработка различных по минеральному составу вод с использованием одной технологии также приводит к различным изменениям в содержании структурированной фазы воды. Установлено, что в зависимости от минерального состава исходной воды и технологии обработки стабильность содержание структурированной фракции в обработанных водах может иметь разнонаправленную динамику (в сторону повышения или понижения).
Установлено, что повышение (более 0,778%) и понижение (менее 0,553%) содержания связанной фазы в воде приводит к достоверному изменению биологической активности вод по отношению к различным биотестовым организмам.
В экспериментальных исследованиях с учетом зависимости «доза -время - эффект» показано, что повышение содержания связанной фазы в воде при длительном ее потреблении теплокровными животными приводит к изменениям морфофункциональных, специфических иммунологических и цитогенетических показателей.
Предложена схема механизма влияния структурированной фазы воды на метаболические процессы в клетке, основанная на теоретических представлениях о взаимодействии электромагнитных вихрей в связанных состояниях воды.
Практическая значимость работы. Разработан криофизический капиллярный метод оценки содержания связанной (структурированной) фазы в воде с погрешностью определения не превышающей 10%. Разработанная методика внедрена в практику в виде методических рекомендаций.
Внедрение результатов. Результатов исследований приведенные в работе использованы для разработки проекта методических рекомендаций по контролю структурного и энергетического состояния воды при обработке ее различными физическими технологиями.
Анализ процессов, приводящих к структурному изменению воды
Сложившиеся в мировой практике методологические подходы к изучению коллективных явлений в воде основаны на микроскопическом исследование межмолекулярных взаимодействий.
Поляризуемость воды, в основном, связывается с центрами поляризации, к которым можно отнести атомы, связи (изотропная и анизотропная поляризация) и зарядовые включения в дефектах решетки водного каркаса. Изменение зарядового состояния обусловлено как тепловыми эффектами, так и флуктуациями положения места локализации заряда [45-47].
С ковалентных позиций поляризуемость среды рассматривается как проявление фаз волн де Бойля «замороженных» электронов, которые нелокальны в пространстве и времени [48-52].
Однако в предлагаемых в настоящее время компьютерных и математических, структурных моделях [53-55] воды учитывается, в основном, вклад в поляризуемость только центров на атомах и связях в структуре. В работе [56] установлено существование в воде локального градиента поля напряженностью до 10 В/см вдоль вектора дипольного момента (//ж), и на основании этого сделан вывод о зависимости водородных связей от электронного строения атомов. Это указывает на то, что водородные связи являются специфической функцией межатомного расстояния (г эн) и углов связей, а не электростатического взаимодействия.
Наличие зависимости поляризуемости молекул воды от геометрических параметров межмолекулярного взаимодействия указывает на существование в воде их различных структурно - энергетических состояний. Так, Poole Р.Н [57] на основании результатов моделирования предположил, что в воде присутствуют два состояния водородных связей (НС): сильные и очень слабые. Энтропия образования одного моля сильных НС составляет 21,51ккал/моль. На основании рентгеноструктурных данных в работе [58] констатируется существование в воде, по крайней мере, смеси двух состояний связи между молекулами воды. Результаты последующего моделирования, [59] позволили выявить четко выраженный дополнительный максимум на кривой функции радиального распределения g00(r) при г =3,4А, который увеличивался при давлении Р=4000 бар и сильно возрастал при Р=12000 бар. В то же время расстояние г =3,4lA относится к постоянной-решетки льда-VI [60], отсюда результаты моделирования структуры воды соответствуют структурным характеристикам сетки водородных связей для льда- VI.
Наличие двух состояний водородных связей следует также из данных о времени их жизни тнс, которое по результатам моделирования находится в интервале от 0,05 до Юпс [61]. Исследования методом фемтосекундной лазерной спектроскопии позволили установить биэкспоненциальныи характер времен релаксации возбуждений в воде с временами 0,7 и 13пс [62], что подтверждает выводы, полученные на основе структурного моделирования. Подобный биэкспоненциальныи характер времени релаксации возбуждений отмечается и для органических соединений, имеющих молекулярные водородные связи [63].
Однако такие же явления наблюдаются и для соединений, не имеющих в своей структуре водородных связей, таких как диметилформамид [64].
Следовательно, изменения в свойствах жидкофазных систем под действием излучения связаны не изменением энергии водородных связей, а с коллективным поведением молекул в связанных фазах вещества.
Херрингтон и др. [65] с помощью метода молекулярной динамики подтвердили сосуществование двух жидких фаз воды при низкой температуре. В [66] делается заключение, что воду при нормальных условиях можно рассматривать как смесь состояний с высокой и низкой плотностью.
Надмолекулярная структура воды проявляется и при изменении поверхностных состояний (на границе раздела фаз). Так, при свободном испарении воды в процессе остывания четко видны границы раздела связанных состояний воды [67].
Структурное распределение ион-кристаллических ассоциатов в воде имеет ориентацию вдоль наибольшего размера в объеме сосуда. Формируемые во льду газовые полости ориентированы в том же направлении. Это указывает на взаимосвязь поверхностных состояний с внутренней структурой связанной фазой воды. Кроме того, возникновение температурных аномалий в поверхностных слоях воды вызвано не структурой конвективных потоков, а наличием термодинамических свойств в воде.
Полученные положительные результаты структурно - динамического моделирования позволили авторам [68] предположить, что вероятный ключевой момент всех аномалий воды связан с изменчивостью состояния водородных связей НС в воде во внешних полях. Основываясь на данном предположении в литературе появилось значительное количество моделей, использующих поляризационные свойства молекул, учитывающих эффекты коллективного поведения [69,70].
Электромагнитная динамика ассоциированнойводы
Электрофизические процессы в жидких диэлектриках, в первую очередь в воде, являются предметом пристальных исследований [89], что обусловлено практической значимостью окислительно - восстановительных процессов в живых организмах в связи с транспортом электронов в открытой геофизической системе и его влиянием на жизнедеятельность организмов и человека в условиях техногенных факторов среды.
Для описания состояний электрона в полярных средах наиболее приемлемым оказался подход, основанный на теории полярона [90]. Состояние среды - температура и концентрация электронов - определяют условия возникновения в ней коллективного явления - неустойчивости однородного распределения сольватированных электроновм [91]. Границы
устойчивости исходного однородного, распределения электронов связаны с существованием собственных колебаний системы взаимодействующих электронов. Трансляционные колебания электронов приводят к возмущению в распределении, зависящем от времени, что создает неустойчивости в системе.
Неоднородное распределение сольватированных электронов в среде устойчиво, так как внутренняя энергия лежит ниже по шкале энергий по сравнению с однородным распределением. Такое периодическое распределение электронов автоматически приводит к периодическому распределению потенциала и обуславливает микроскопические параметры гетерогенности жидкофазных структур вещества, являющихся носителями сверхтекучих электронов.
Теоретический аппарат, учитывающий квантовую нелокальность волн де-Бройля, предложенных в работе [92], может служить базисом для описания эффектов туннелирования протонов в связанных состояниях воды.
Редукция волнового пакета электрона в сопряженной среде возможна при наличии квантово-механических условий (потенциальных ям), определяемых пространственно-временным распределением гравитации, магнитного векторного потенциала, градиента магнитного поля и граничных условий[93, 94].
В жидкости таким условиям соответствуют граница раздела фаз с двумерным состоянием электронов, находящихся под действием о статического потенциала (-10 В/см), с плоскостью сопряжения , имеющей водород с -состоянием связей.
Известно, что связанная фаза воды на границе раздела имеет проводящие слои. Слои в силу своей близости друг к другу обеспечивают условия для магнитного взаимодействия между свободными электронами. Это приводит к термодинамически обусловленному спариванию последних.
В силу слоистости проводящих слоев ассоциированной воды и их близости друг другу в процессах туннельного переноса в водной среде сохраняется условие магнитного взаимодействия между свободными электронами, обеспечивающее к их термодинамически обусловленное спаривание.
В результате в проводящих слоях жидкости возникают электромагнитные вихри, несущие на себе квант магнитного потока Ф. Вихри жестко закреплены на связанных фазах воды (ассоциатах). Существует две направленности перемещения вихрей в ассоциатах — с левым (БГ) и правым (КҐ) вращением, которые взаимодействуют между собой, находясь в поле действия сил Лоренца, пропорциональных производной по направлению магнитного потока.
Следовательно, формируемые в жидкости электромагнитные вихри способны неконтактно переносить пакеты электронов из одной среды в другую, при этом в среде поступления электронов осуществляется их концентрирование в результате, которого изменяют ее электрические свойства, и происходит образование активных кислородных форм [6].
При воздействии на воду электромагнитного поля ее окислительно-восстановительный потенциал испытывает резкие перепады в область отрицательных значений, которые в последующем монотонно повышаются. Это указывает на то, что в воде периодически происходят процессы переноса макроскопических пакетов электронов с последующим постепенным образованием в воде активных форм кислорода.
Квантованность сигнала хемилюминесценции свидетельствует о пакетном характере образования ОН -радикалов в среде, что, в свою очередь, связано с пакетным характером отбора электронов генератором из аква-ассоциатов водной системы люминола [6]. При этом величина переносимого пакета электронов значительно превышает 107 электронов/импульс, что превосходит суммарный заряд одиночного ассоциата. Очевидно, что генератор промотируется импульсный перенос макроскопических пакетов электронов из окружающей среды или воды с последующим их концентрированием в нагрузке устройства физической обработки воды.
Гигиеническая оценка питьевых вод, с измененной структурой
При воздействии на воду низкоинтенсивных факторов внешней среды и в результате ее физической обработки изменяется физико - химическое состояние воды. Основная причина подобных изменений заключается в изменении зарядового состояния воды, влияющее на содержание структурированной фазы в объемной воде, тип носителей заряда (ион -радикалы, сольватированный электрон) и внутреннее давление в жидкости. В свою очередь, изменение внутреннего давления в жидкости приводит к понижению энтропии системы, сдвигу частоты основных колебаний молекул и уменьшению диэлектрическая проницаемость объемной воды. Однако основные изменения протекающие в состоянии структурированной воды, связаны с ее наноструктурной организацией, обусловленной параметрами локального геомагнитного поля, изменяющегося как под воздействием естественных факторов, так и искусственных полей.
Исследования по влиянию физических методов кондиционирования воды на структурное и зарядовое состояние воды проводились на одиннадцати типах вод, подвергшихся физической обработке с использованием различных типов генераторов. Оценка изменений, происходящих в воде после обработки, осуществлялась с использованием электрохимических методов (изменение водородного показателя, окислительно-восстановительного потенциала и электропроводности воды), криофизического метода (содержание связанной фазы в структуре воды) и по изменению вязкостных характеристик воды (степень уплотнения среды). Полученные результаты сравнивались с водами, не подвергавшимися-обработке. На рисунке 11 представлено изменение содержания связанной фазы в воде после ее физической обработки с использованием различных технологий. оказателем общей минерализации приводите получению вод с различной степенью структурированности. Так, при обработке московской водопроводной воды ИК-излучением степень структурированности возрастала на 20%, а при обработке алмазным порошком - в 2 раза. В то же время обработка артезианской воды ИК-излучением приводила к снижению степени ее структурированности на 35%, а при обработке алмазным порошком структурированность возрастала в 3,5 раза. Следовательно, степень структурированности воды после физической обработки зависит не только от применяемой технологии, но и от ее исходного минерального состава.
Известно, что степень структурированности воды определяется ее зарядовым состоянием. Исходя из этого, исследована зависимость степени структурированности от содержания в ней сверхтекучих электронов, которые оказывают влияния на изменение электрохимических показателей изучаемых вод после их обработки. На рисунках 13, 14 приведены зависимости изменения электрохимических показателей воды от степени ее структурирования. показателем общей минерализации приводит к получению вод с различной степенью структурированности. Так, при обработке московской водопроводной воды ИК-излучением степень структурированности возрастала на 20%, а при обработке алмазным порошком - в 2 раза. В то же время обработка артезианской воды ИК-излучением приводила к снижению степени ее структурированности на 35%, а при обработке алмазным порошком структурированность возрастала в 3,5 раза. Следовательно, степень структурированности воды после физической обработки зависит не только от применяемой технологии, но и от ее исходного минерального состава.
Известно, что степень структурированности воды определяется ее зарядовым состоянием. Исходя из этого, исследована зависимость степени структурированности от содержания в ней сверхтекучих электронов, которые оказывают влияния на изменение электрохимических показателей изучаемых вод после их обработки. На рисунках 13, 14 приведены зависимости изменения электрохимических показателей воды от степени ее структурирования.
Изучение влияния вод с различной степенью структурированности на специфический иммунологический показатель
Анализируя данные, приведенные на рисунке 20, можно отметить, что наилучшее развитие данного вида гидробионта достигается на водах, имеющих среднее значение степени структурированности (0,631 и 0,746). Для остальных значений данного показателя развитие инфузорий значительно ниже, чем для стандартного контроля. Такое различие в действии исследованных вод на жизнедеятельность Tetrahymena periformis, вероятно, связано с резонансной передачей энергии воды при этих значениях структурированности.
Изучение влияния вод с различной степенью структурированности, полученных с использованием физических технологий, на интенсивность свечения бактерий «Эколюм» (рисунок 21) показало, что данная зависимость характеризуется наличием нескольких «всплесков» свечения, что указывает на более сильную связь люминесценции бактерий со структурированностью воды. Следовательно основное воздействие на метаболические процессы бактерий оказывает энергетическое распределение в структурированной фазе воды, которое влияет на процессы стимулирования и подавления транспорта электронов, вследствие этого в цепи сопряжения появляются люминесцирующие триплетные состояния биомакромолекул .
Установлено, что повышение (от 0,746%) и понижение (до 0,632% и ниже) содержание связанной фазы в воде приводит к достоверному изменению ее биологической активности по отношению к исследуемым биотестовым организмам (рисунок 19 -21), в отличие от вод, со средней степенью структурированности (0,668 и 0,701 %), к которым относится и МВВ.
Развитие бактерий «Эколюм» лучше происходило в водах с низкой степенью структурированности (интенсивность свечения в 55 раз выше, чем в контрольной группе) и несколько хуже в водах, имевших высокие параметры структурированности (интенсивность свечения в 45 раз выше контроля). Развитие инфузорий Tetrahymena pyriformis изменялось практически одинаково как в высоко-, так и низкоструктурированных водах
(в 2 раза больше, чем в контроле). Аналогичные результаты получены и при тестировании исследованных вод на низших ракообразных Daphnia magna.
Комплексная оценка исследованных вод показала, что воды с низкой и высокой степенью структурированности, в отличие от вод со средней степенью структурированности, благоприятно воздействуют на исследованные тест - объекты.
Как следует из результатов оценки структурного состояния воды, приведенной в главе 3-й, в зависимости от технологии, используемой для физической обработки вод, она может содержать в своем составе разное количество связанной фазы. Изменение структурно - энергетического состояния воды в процессе обработке сопровождает и изменением ее электрохимических показателей. Так, повышение структурированности воды приводит возрастанию ее водородного показателя, при снижение окислительно—восстановительного потенциала, что указывает на концентрирование электронов в связанных фазах воды в виде протониевых и гидроксониевых ион - радикальных соединений. И наоборот снижение содержания структурированной фазы в воде способствует уменьшению ее зарядового состояния (повышение Eh и снижение рН) и соответственно реструктуризации водного каркаса.
Вместе с тем, как было показано в ряде исследований [17, 25 - 30], изменение структурного- и энергетического состоянии, которое может оказывать значительное влияние на метаболические процессы в организме. В связи с этим проведено экспериментальное исследование по изучению длительного биологического влияния питьевых вод, прошедших физическую обработку. Полученные данные соотносились с содержанием в воде структурированной фазы.
![Гигиеническая оценка влияния факторов окружающей среды на систему мать - плод и методические принципы использования антропометрических показателей при рождении в системе социально-гигиенического мониторинга [Электронный ресурс]](/i/i/4415/184480.png "Гигиеническая оценка влияния факторов окружающей среды на систему мать - плод и методические принципы использования антропометрических показателей при рождении в системе социально-гигиенического мониторинга [Электронный ресурс] Константинова Юлия Алексеевна")
![Гигиеническая оценка влияния антропогенных факторов окружающей среды на здоровье детей и подростков промышленного города [Электронный ресурс]](/i/i/4471/177037.png "Гигиеническая оценка влияния антропогенных факторов окружающей среды на здоровье детей и подростков промышленного города [Электронный ресурс] Михайлова Елена Вячеславовна")
