Фтор в біосфері - гігієнічні проблеми фторування питної води

глава I
Фтор в біосфері і його надходження в організм людини
I, 1. властивості фтору
Міграція фтору в біосфері і його біологічну дію залежать від будови атома і хімічних властивостей. Стабільний ізотоп 19F належить до VII групі галогенів, у всіх своїх сполуках одновалентен. Малі розміри атомів дозволяють фтору щільно розташовуватися навколо атомів інших елементів.
Атом фтору має два електронних шару: у внутрішньому (К-шарі) міститься 2, а в зовнішньому (L- шарі) -7 електронів. Це повідомляє фтору виражені електронегативні властивості, він є акцептором валентних електронів. Сили, що ведуть до заповнення зовнішнього електронного шару до восьміелектронной конфігурації, у фтору виключно великі. Тому з хімічної боку фтор може бути охарактеризований як самий реакціоіноспособний металоїд. Це обумовлено тим, що атом фтору має максимальне спорідненість до електрона і високий потенціал іонізації. Висока реакціоіноспособность фтору (і фтор-іона) пояснює його виняткову біологічну активність і стійкість багатьох його сполук [26]. Зі сказаного видно, що фтор по праву називають елементом дивовижних властивостей: самим електронегативним, самим реакционноспособним і агресивним, неприступним, руйнівним, елементом несподіваних реакцій і дуже своєрідним. Через високу реакціоіноспособності фтор не існує в природі у вільному стані, тому було б точніше замість терміна фтор вживати терміни фторид або фтор-іон. Однак в літературі, по аналогії з йодом, широко застосовують термін фтор, розуміючи під ним все форми цього елемента - іонізовані, здатні до іонізації, і неіонізовані.

2. Кругообіг фтору в біосфері

Основними джерелами фтору для біосфери є вивержені породи, в яких виявлено понад 100 фторсодержащих мінералів. З них найбільше значення мають фтор-апатит (ЗСа3 [Р04] г CaF2- до 4,2% F), флюорит (CaF2- 48,7% F), кріоліт (3NaFAlF3- 54,3% F) і корінні фосфорити, що представляють собою апатит, хімічно пов`язаний в різних пропорціях з фосфатом кальцію (ЗСаз [Р04] 2Сар2 + пСаз [Р04] 2 від 0,1 до 6% F). Джерелами фтору також є вулканічні гази (до 2,5% HF) і глибинні термальні води (зазвичай 10--25 мг / л, в окремих випадках до 6 г / л). Фторсодержащие мінерали зазвичай знаходяться в гірських породах і грунтах в розсіяному стані, але зустрічаються і в вигляді родовищ. Гео- і біогеохімічні процеси, а також виробнича і побутова діяльність людей обумовлюють міграцію, розсіювання і концентрацію фтору в біосфері. Тому фтор в ній всюдисущий, він міститься не тільки в гірських породах (зазвичай від 300 до 800 мг / кг) і грунтах (зазвичай від 30 до 320, в середньому 200 мг / кг), але в прісних (здебільшого від 0,01 до 0,8 мг / л, рідше від 0,8 до 20 мг / л і більше) і морських (0,7-1,4 мг / л) водах, атмосферному повітрі (від 2-10-6 до 4 -10 -4 мг / м), тканинах рослинних (здебільшого від 0,05 до 3 мг / кг) і тварин (м`які тканини 0,05-3 мг / кг, тверді 100-800 мг / кг і більше) організмів. Нижче представлена схема кругообігу фтору в біосфері [26].

I. 3. Вміст фтору у воді

Міграція фтору з гірських порід в воду залежить від пористості гірської породи, утримання в ній фтористих мінералів і їх розчинності, а також від фізико-хімічних властивостей води, розчинність (при 18 ° С) сполук фтору значно варіює: CaF2- 16 мг / л, MgF2 -760, SrF2 -117. BaF2- 1590 A1F3-1614, Na2SiF6-5700, кріоліту - 391, NaF - 40 540, фосфоритів 400-1000, фторапатитов 200- 500 мг / л. Таким чином, навіть найменш розчинний CaF2 здатний довести концентрацію фтору у воді до 8 мг / л. Це певною мірою визначає максимальну концентрацію фтору в природних водах, зазвичай містять кальцій. Спостерігаються в них більш високі концентрації фтору (до 100 мг / л і більше) часто є причиною наявності у воді (при невисокому вмісті кальцію) великих кількостей натрію (утворюється добре розчинний NaF). Розчинності сполук фтору також сприяють збільшення вмісту сульфатів, гідрокарбонатів, підвищення pH і температури води.

Схема 1. Кругообіг фтору в біосфері. М. Г. Коломійцева, Р. Д. Габович [68].

В якому ж вигляді присутня фтор в природних водах? Фтористий кальцій дисоціює в воді наступним чином: 1) CaF2 = f * Ca +++ 2F-- 2) F ~ + H + 3t * HF- 3) HF + F ^ HF2 ~. Таким чином, у воді можуть бути присутніми F-, HF і HF2_- при нейтральній і лужної реакції і розбавленому розчині (яким зазвичай є природна вода) майже весь фтор присутній у вигляді фтор-іона F-. При кислій реакції зменшується кількість (F- і зростає вміст HF2 і недиссоциированной HF. Як показали спеціальні дослідження, аналогічно CaF2 диссоциируют Na2SiF6 і NaF, якими найчастіше фторують воду [37]. Тому хіміки вважають, що протиставлення деякими особами фізіологічної дії фтору «натуральної »води дії« штучно збагаченої »фтором води не має реальних підстав [154], що підтвердилося багатьма експериментальними і натурними спостереженнями [37, 160].
Узагальнені дані декількох тисяч робіт, виконаних майже у всіх країнах світу, свідчать про те, що концентрація фтору в джерелах, що використовувалися для водопостачання, варіює від 0,01 до 20-100 (Кенія) мг / л. Однак майже у всіх країнах світу більшість джерел мають концентрацію фтору у воді до 0,5 мг / л. Так, в США (1964) в 10506 муніципальних водопроводах вода містила до 0,7 мг / л F-, в 524 - від 0,7 до 0,99, в 424 - від 1 до 1,44, в 170 - від 1 , 5 до 1,99, в 171 - від 2 до 2,99, в 112 - від 3 мг / л і більше.
Таблиця 1
Зміст фтор-іона в водах СРСР

Джерел водопостачання: річках, озерах, водосховищах (див. Табл. 1). Концентрації F до 1 мг / л спостерігаються в сильно мінералізованих водах окремих річок і водосховищ в південних районах СРСР. Низький вміст F- в поверхневих водоймах має велике практичне значення, оскільки понад 85% води в містах подається річковими водопроводами. Слід врахувати також, що після освітлення води коагуляцією зміст F ~ в ній знижується на 8-30%. Концентрація F вниз за течією річки трохи зростає (на 0,1-0,3 мг / л) - у таких же межах знаходяться сезонні коливання. Концентрація F ~ в водах річкового басейну стійка протягом багатьох років. Незначна кількість поверхневих водойм з концентрацією F- від 1 до 3,5 мг / л виявлено у Таджикистані, Азербайджані, Якутії, Іркутській і Читинської областях. Багато подібних водойм в Казахстані, де в річкових водах концентрація F ~ досягає 1,5 мг / л, а в озерах -до 6-11 мг / л [71]. Це пояснюється значною участю в їх харчуванні трещинних вод, що протікають в палеозойських гранитоидах, багатих фторвмісними мінералами (до 1,7% F_), а також випарним концентрування води в безстічних озерах цієї посушливої зони [71]. В СРСР описані окремі випадки забруднення водойм фторвмісними стічними водами суперфосфатних і кріолітовий заводів [37] - концентрація F ~ в забруднених ділянках водойм зростала до 3-6 і навіть 21 мг / л.
З табл. 1 видно, що підземні води, особливо артезіанські, багатше F-, ніж поверхневі, і серед них частіше зустрічаються джерела з оптимальною або підвищеною концентрацією F-.
Характерні для кожного водоносного горизонту закономірності в просторовому зміні концентрації F- дозволяють в даний час з достатньою точністю прогнозувати зміст F ~ під проектуються артезіанських свердловинах [37]. У більшості з них концентрація F- стабільна, сезонні коливання від середньорічної концентрації не перевищують ± 0,05-0,1 мг / л.
Сільське населення широко користується водою шахтних колодязів, які експлуатують грунтові води, в яких також зустрічаються високі концентрації F. Сезонні коливання концентрації фтору в них (з максимумом в кінці літа і взимку) досягають ± 20-30% від середньорічної величини. Цікавим є, що в одному і тому ж селі можуть бути значні коливання в змісті F- в воді колодцев- в одному селі зі складним рельєфом місцевості ми спостерігали концентрації F- від 0,4 до 3,6 мг / л (найбільш глибокі колодязі) . Тому в населених пунктах з місцевим водопостачанням ендемія флюорозу може мати своєрідний, гніздову характер і відрізнятися великою строкатістю щодо тяжкості ураження зубів.
Треба думати, що назрів час скласти по кожній республіці атлас змісту F- в водоносних горизонтах, що використовуються і потенційні джерела водопостачання. Це дозволить: 1) цілеспрямовано планувати заходи щодо фтор-профілактиці каріозної хвороби зубов- 2) визначити гідрогеохімічні провінції з високими концентраціями F ~ в воді, в яких потрібне проведення оздоровчих заходів-3) використовувати дані про зміст F- в процесі попереджувального санітарного нагляду за водоснабженіем- 4) вивчати вплив вод з різною концентрацією F ~ на здоров`я населення в різних кліматичних та інших умовах.