1- مقدمه

آب مهم‌ترین جزء اکوسیستم در کره‌زمین است و حیات همه جانداران به آن بستگی دارد. محدود بودن منابع آب‌های زیرزمینی و نیاز روز افزون به آن‎ها، جوامع علمی و صنعتی را بر آن داشته تا به مطالعه و توسعه روش‌های کارآمد برای تصفیه آب و حذف آلاینده‌های موجود در منابع آبی بپردازند. امروزه بسیاری از کشورها دسترسی محدودی به منابع آبی سالم دارند و بیماری‌های مزمنی در آن‎ها در حال شیوع است. شکل 1 توزیع مشکلات آبی کشورهای جهان را از نظر دسترسی شهروندان به آب سالم نشان می‌دهد. همانطورکه مشاهده می‎شود، در برخی از کشورها، منابع آبی، به‌طور فیزیکی در دسترس نیست و در بسیاری دیگر، هزینه بالای آب سالم، دسترسی مردم به آن را محدود کرده است. در این بین، کشور ایران، به‌دلیل دسترسی فیزیکی محدود به منابع طبیعی آب، از این معضل بزرگ محیط‌زیستی رنج می‌برد. همین امر باعث شده است تا مطالعه بر روی چالش‌های آب و محیط‌زیست در کشور ما، تبدیل به یک ضرورت شود و تحقیقات آتی بر روی این موضوع مهم متمرکز شوند. اصلی‎ترین رویکرد برای مقابله با مشکل دسترسی محدود به منابع آبی، استفاده بهینه از آن و تصفیه منابع آلوده است. منظور از تصفیه آب، حذف آلاینده‌های مخربی است که حضور آن‎ها در آب موجب بیماری‌های خاص می‌شود. در مقاله حاضر، مهم‌ترین آلاینده‌های آبی معرفی و عوارض جانبی آن‌ها مورد ارزیابی قرار خواهند گرفت.   

شکل 1- نقشه جامعی از دسترسی کشورهای جهان به منابع آبی سالم: در مناطق قرمز، به‌دلیل دسترسی فیزیکی محدود به منابع آبی، و در نقاط نارنجی، به‌دلیل هزینه بالای آب، شهروندان کمتر می‌توانند از منابع آبی سالم استفاده کنند. این در حالی است که در نقاط آبی، مشکل دسترسی به آب سالم محدود بوده یا اصلاً وجود ندارد.

2- منابع آب آشامیدنی

برای اینکه بتوان سازوکار ورود آلاینده‌ها به منابع آب آشامیدنی را بهتر درک کرد، باید منابع طبیعی آب آشامیدنی را به‌خوبی شناخت. در حالت کلی، آب آشامیدنی از دو منبع اصلی تأمین می‌شود: (الف) آب‌های سطحی، و (ب) آب‌های زیرزمینی. غلظت بالای نمک در آب دریا و هزینه بالای شیرین‌سازی آن، استفاده از آن را غیرممکن ساخته است. آب‌های سطحی تنها 0.3 درصد از منابع آبی جهان را تشکیل می‌دهند و بخش اعظم منابع آبی (98.5 درصد)، در اعماق سطح زمین قرار دارد. به منابع آبی زیرسطحی، «آب زیرزمینی یا سفره‌های زیرزمینی» (groundwater or aquifers) گفته می‌شود. منابع سطحی آب نیز از رودها، برکه‌ها و ذخایر کوهستانی برف و یخ تشکیل می‌شوند. اغلب چرخه منظمی بین منابع آبی سطحی و زیرزمینی وجود دارد، بدین صورت‌که با تابش نور خورشید، آب‌های سطحی تبخیر و در قالب باران و برف وارد اقیانوس‌‌ها و سفره‌های زیرزمینی می‌شوند. مقدار آبی که از منابع سطحی و زیرزمینی مورد استفاده قرار می‌گیرد، منطقه به منطقه متفاوت است. به‌طور معمول، آب‌های زیرزمینی سالم‌تر هستند و به مراحل کمتری برای تصفیه نیاز دارند، در حالی‌که دسترسی به آب‌های سطحی بسیار آسان‌تر است.            

3- آلاینده‌های آبی

اگرچه استاندارد خاصی برای تقسیم‌بندی آلاینده‌های آبی وجود ندارد، اما منابع علمی و برخی از سازمان‌های جهانی، دسته‌بندی‌های خاصی را برای این منظور ارائه کرده‌اند. یکی از این دسته‌بندی‌ها، آلاینده‌های آبی را به سه گروه «مواد جامد معلق در آب»، «پاتوژن‌های آبی» (pathogen)، و «آلاینده های شیمیایی» تقسیم‌بندی می‌کند. با این حال، سازمان بین‎المللی حفاظت از محیط‌زیست، مواد یاد شده را از نظر جنس ماده و محصولات جانبی، به چند دسته اصلی زیر تقسیم می‌کند: (الف) آلاینده‌های آلی، (ب) آلاینده‌های غیرآلی، (ج) محصولات جانبی گندزداها (disinfectants)، (د) میکروارگانیسم‌ها، و (ه) ایزوتوپ‌های رادیویی. اگرچه این دسته‌بندی‌ها هم‌پوشانی قابل‌ملاحظه‌ای با یکدیگر دارند، اما در این مقاله، برای حفظ جامعیت موضوع، کلیه موارد فوق مورد مطالعه قرار می‌گیرند.  

1-3- آلاینده‌های آلی

آلاینده‌های آلی اغلب از طریق مواد شیمیایی سنتزی، کودهای کشاورزی و محصولات صنعتی مانند گریس‌ها، رنگ‌ها و فرآورده‌های نفتی وارد منابع آبی می‌شوند. یکی از مهم‌ترین این مواد، ترکیبات فنولی است که در داروها، رنگدانه‌ها و مواد آنتی‌اکسیدان وجود دارد. این ترکیبات، طعم ماهی و آب آشامیدنی را تغییر می‌دهند و موجب آلوده شدن آن‎ها می‌شوند. هیدروکربن‌های آروماتیک چندحلقه‌ای، مثال معروف دیگری از این آلاینده‌ها هستند.  

2-3- آلاینده‌های غیرآلی

آلاینده‌های غیرآلی شامل فلزات سنگین، نمک‌های فلزی و سایر ترکیباتی است که فاقد عنصر کربن باشند. فلوراید یکی از رایج‌ترین آلاینده‌های غیرآلی است. اگرچه این ماده برای جلوگیری از پوسیدگی دندان به آب اضافه می‌شود، اما مقادیر بالای آن عوارض جانبی بسیاری مانند لکه لکه شدن دندان را در پی دارد. فلزات سنگین نیز درصورت مصرف مداوم، در داخل بافت‌های بدن تجمع می‌کنند و منجر به آثار نامطلوب فیزیولوژیکی می‌شوند. سرب و مس از رایج‌ترین فلزات سنگینی هستند که در اثر خوردگی لوله‌های انتقال آب، وارد آب‌های شهری می‌شوند.     

3-3- میکروارگانیسم‌ها یا پاتوژن‌ها

منظور از میکروارگانیسم‌ها، آلودگی‌های بیولوژیکی هستند و در ادبیات عامیانه، از آن‎ها به میکروب یا آلاینده‌های میکروبیولوژیکی یاد می‌شود. از مهم‌ترین میکروارگانیسم‌ها می‌توان به ویروس‌ها، باکتری‌ها، انگل‌ها، قارچ‌ها و موجودات تک‌سلولی (Protozoans) اشاره کرد. تحقیقات نشان می‌دهند که حتی در صورتی‌که از کلر به‌عنوان عامل گندزدا استفاده شود، ممکن است فیلم نازکی از میکروارگانیسم‌ها موسوم به فیلم‌های زیستی میکروبی (microbal biofilms) در سیستم‌های توزیع آب شهری (به‌ویژه اگر فرسوده باشند) تشکیل شود. این فیلم‌های زیستی، از میکروارگانیسم‌های خاصی از جمله پروتئوباکتریا (Proteobacteria)، اکتینوباکتریا (actinobacteria) و فیرمیکوت‌ها (Firmicutes) تشکیل می‌شوند. علاوه‌بر فیلم‌های زیستی، میکروارگانیسم‌های دیگری نیز می‌توانند وارد آب شوند؛ میکروارگانیسم‌هایی که موجب بیماری‌های گوارشی یا ضعف سیستم ایمنی بدن می‌شوند. پاتوژن‌های باکتریایی رایج در آب‌های آشامیدنی شامل Vibrio cholera، Legionella pneumophila، Salmonella، Shigella، E.coli و Yersinia هستند. از آنجایی‌که بسیاری از پاتوژن‌ها به‌درستی قابل کشت و شناسایی نیستند، تعداد زیادی از منابع علمی، دلیل شیوع برخی از بیماری‌ها را به پاتوژن‌های ناشناخته نسبت می‌دهند. شایع‌ترین بیماری‌های حاصل از فعالیت پاتوژن‌ها در آب آشامیدنی عبارتند از التهابات روده و معده، بیماری‌های ریوی، آنفولانزا، عفونت‌های مجاری ادرار، تب و اسهال خونی. تأثیر هر کدام از میکروارگانیسم‌ها در تولید بیماری‌ها به میزان کمینه عفونت‌زایی (minimal infective dose or MID) آن‎ها بستگی دارد. MID به کمترین تعداد پاتوژن‌های مورد نیاز برای تولید یک عفونت قابل شناسایی گفته می‎شود. برای مثال، MID باکتری E. Coli و انگل‌های تک‌سلولی به‌ترتیب 10-100 گزارش شده است.

4-3- محصولات جانبی گندزداها

معمولاً برای پاکسازی آب از میکروارگانیسم‌ها، از گندزداهای قوی مانند کلر استفاده می‌شود. با این حال، برخی از میکروارگانیسم‌ها مانند کریپتوزپوریدیوم (cryptosporidium)، مقاومت بسیار بالایی در برابر گندزداها از خود نشان می‌دهند. چالش مهم‌تر این است که برخی از گندزداها با میکروارگانیسم‌ها واکنش می‌دهند و منجر به تولید محصولات جانبی سمی و نامطلوب می‌شوند. در این حالت، گندزدا آلودگی را از بین می‌برد ولی آلودگی جدیدی را به آب تحمیل می‌کند. به‌عبارت دیگر، آلودگی ثانویه می‌‌تواند ناشی از شکستن مواد سمی یا واکنش ماده گندزدا با مواد غیرهدف باشد.

5-3- آلاینده‌های رادیواکتیو

آلاینده‌های رادیواکتیو عناصری هستند که به‌دلیل تعداد غیر برابر پروتون‌ها و نوترون‌ها، از نظر انرژی، حالت ناپایداری دارند و از خود پرتوهای پرانرژی یونیزه‌کننده ساطع می‌کنند. مصرف آبی که حاوی مقادیر بسیار کمی رادیوم یا اورانیوم است می‌تواند در کوتاه‌مدت منجر به سرطان شود.

6-3- جامدات معلق در آب

مواد جامد معلق (Total suspended solids or TSS) به ذرات ریزی گفته می‌شود که اندازه آن‎ها توزیع پهنی داشته و اغلب از مواد غیرقابل حل در آب مانند گل و لای، مواد حاصل از تجزیه گیاهان یا حیوانات، شن و ماسه، و گرد و خاک تشکیل شده‌اند. اندازه اکثر مواد TSS، کمتر از 62 میکرومتر است. وجود این ذرات در آب موجب کدر شدن آن می‌شود و می‌تواند سلامتی جانداران آبی را نیز تهدید کند. از طرف دیگر، ذرات TSS اغلب به‌عنوان حاملی برای میکروارگانیسم‌های مختلف عمل می‌کنند. این ذرات از نظر ترکیب شیمیایی می‌توانند کلوئیدی، آلی یا معدنی باشند.

7-3- آلاینده‌های شیمیایی

آلاینده‌های شیمیایی ممکن است محلول در آب یا غیرقابل حل باشند، آلی یا غیرآلی باشند و سمیت‌شان به محیط و فرد بستگی دارد. کودهای شیمیایی و نیترات از مهم‌ترین آلاینده‌های شیمیایی هستند، به‌طوری‌که مصرف مداوم نیترات در آب آشامیدنی موجب سندروم کودک آبی (blue baby syndrome) می‌شود. کلر مثال رایج دیگری از آلاینده‌های شیمیایی است که مصرف بیش از حد آن برای گندزدایی، موجب فلورزدگی (fluorosis) دندانی یا استخوانی می‌شود.

8-3- آلاینده‌های مغذی (nutrients)

منظور از آلاینده‎های مغذی، موادی هستند که می‌توانند میکروارگانیسم‌های مضر را تغذیه کنند و یا به طریقی چرخه زیست‌بوم طبیعت را به هم بزنند. این چالش زمانی حادتر می‌شود که آلاینده‌های مغذی مانند یون‌های نیترات با بار منفی (^-NO₃) و یون‌های سولفاته (⁺H₃₊₁PO₄) به‌آسانی توسط خاک جذب شوند و به اعماق آب‌های سطحی انتقال یابند. نقش اصلی این ترکیبات، ایجاد اختلال در چرخه زیستی آبزیان دریایی است. از سایر آسیب‌های جدی ترکیبات نیتراته می‌توان به یرقان دوران کودکی، سقط جنین و سرطان معده اشاره کرد. برخی از مطالعات نشان می‌دهند که هرگاه ترکیبات نیترات به نیترید احیا شوند، می‌توانند با آمین‌ها و آمیدهای موجود در مواد غذایی واکنش داده و ترکیبات N-nitoso مانند N-nitrosodimethylamine را تولید کنند. ترکیبات به‌وجود آمده به‌شدت سرطان‌زا هستند. به همین دلیل، سازمان بین‌المللی حفاظت از محیط‌زیست، بیشینه حد مجاز برای ترکیبات نیتراته در آب را 45 میلی‌گرم در لیتر عنوان کرده است.

برخلاف ترکیبات نیتراته، فسفر و نیتروژن، مواد سمی برای انسان محسوب نمی‌شوند، اما به رشد و اشاعه جلبک‌های آبی کمک می‌کنند. با رشد جلبک‌ها میزان اکسیژن آب کاهش می‌یابد و موجب خفه شدن آبزیان دریایی و مرگ آن‎ها می‌شود. 

9-3- فلزات سنگین

فلزات یا یون‌های سنگین در گروه آلاینده‌های شیمیایی دسته‌بندی می‌شوند. فراوانی این عناصر در سنگ‌ها و پوسته کره زمین منجر به ورود پرحجم این مواد به آب‌های سطحی شده است. برای مثال، معادن بسیاری وجود دارند که ترکیباتی مانند سولفیدهای غنی از فلزات سنگین از آن‎ها استخراج می‌شود. رایج‌ترین فلزات سنگین عبارتند از مس، آرسنیک، کادمیوم، کروم، روی، سرب و جیوه. این مواد پایدارتر از ترکیبات آلی (مانند کودها و محصولات جانبی نفت) در محیط‌زیست هستند و برای سالیان سال در طبیعت باقی می‌مانند. همچنین عناصر سنگین بسیار متحرک هستند و بسته به pH خاک و نوع یونیزه شدن فلز در آن، می‌توانند از خاک نفوذ کرده و خود را به آب‌های سطحی برسانند. مصرف فلزات سنگین در آب احتمال بروز سرطان را افزایش داده و در اکثر موارد منجر به اختلالات متابولیکی، بیماری‌های عصبی، قلبی-عروقی، و اختلالات کلیوی می‌شوند.   

10-3- پسماندهای بیمارستانی

به پسماندهای بیمارستانی، آلاینده‌های نوظهور (new-emerging pollutants) نیز گفته می‌شود. از مهم‌ترین روش‌های مرسوم برای پاکسازی پسماندهای بیمارستانی از آب‌های سطحی می‌توان به فیلتراسیون، اکسیداسیون، کریستالیزاسیون، شناورسازی، ته‌نشین‌سازی، رسوب‌گذاری، سانتریفیوژ، اسمز معکوس، روش‌های تبادل یونی، جذب و الکتروشیمیایی اشاره کرد. جدول 1 مهم‌ترین آلاینده‌های بیمارستانی و غلظت رایج آن‎ها در منابع آبی را نشان می‌دهد. بهترین ابزارها برای ارزیابی سمیت آلاینده‌های بیمارستانی استفاده از معیارهایی مانند «ارزیابی خطرات زیست محیطی (ERA)» (Environment risk assessment) و «وابستگی کمی کنش و ساختار (QSARs)» (Quantitative structure activity relationships) هستند.

جدول 1- فهرستی از مهم‌ترین آلاینده‌های بیمارستانی و غلظت رایج آن‎ها در منابع آبی

 4- استانداردهای رایج در اندازه‌گیری آلاینده‌های آب

سازمان بین‌المللی حفاظت از محیط‌زیست برای اندازه‌گیری میزان آلاینده‌های آب، معیار خاصی موسوم به «سطح بیشینه آلاینده» (Maximum contaminant level or MCL) پیشنهاد کرده است. MCL به بیشترین مقدار یک آلاینده گفته می‌شود که منجر به عوارض جانبی خاص در بلند مدت نمی‌شود. جدول 2 فهرست کوتاهی از مهم‌ترین آلاینده‌های آبی رایج در ایران و MCL مربوط به آنها را نشان می‌دهد. همان‎طور که مشاهده می‌شود، حضور برخی از آلاینده‌ها تا مقادیر بالاتر در آب مجاز است اما موادی مانند آلاینده‌های رادیواکتیو به‌طور مطلق نباید در آب آشامیدنی حضور داشته باشند.

جدول 2- فهرستی از آلاینده‌های آبی رایج در ایران و MCL مربوط به آن‎ها

نتیجه‌گیری

امروزه یکی از بزرگ‎ترین چالش‌های بشر، دستیابی به آب آشامیدنی سالم است. به‌دلیل محدودیت دسترسی به منابع سالم آبی و توسعه جوامع بشری، نیاز روزافزون به تصفیه و پاک‎سازی منابع طبیعی آب بیش از پیش احساس می‌شود. از این رهگذر، روش‌های مختلفی برای حذف آلاینده‌های آبی ارائه شده است که هر کدام از آن‎ها، معایب و مزایای خاص خود را دارند. در مقاله حاضر، مهم‌ترین آلاینده‌های موجود در آب‌های زیرزمینی، آب‌های سطحی و آب‌های آشامیدنی معرفی شدند و آثار مخرب هر کدام از آن‎ها بر روی سلامت انسان و چرخه طبیعی اکوسیستم کره‌زمین مورد بررسی قرار گرفتند. همان‎طور که گفته شد، استاندارد خاصی برای دسته‌بندی آلاینده‌های آبی وجود ندارد اما سازمان بین‌المللی حفاظت از محیط‌زیست، این مواد را به چند گروه اصلی تقسیم کرده است: (الف) آلاینده‌های آلی؛ (ب) آلاینده‌های غیرآلی، (ج) میکروارگانیسم‌ها یا پاتوژن‌ها، (د) محصولات جانبی گندزداها و (ه) آلاینده‌های رادیواکتیو. با این حال، برخی از منابع علمی از آلاینده‌های شیمیایی، آلاینده‌های مغذی، فلزات سنگین و پسماندهای بیمارستانی نیز یاد کرده‌اند. گفته شد که استانداردهای خاصی برای تعیین سطح مجاز آلاینده‌های آب آشامیدنی توسعه یافته است که از مهم‌ترین آن‎ها می‌توان به «سطح بیشینه آلاینده» (Maximum contaminant level or MCL) اشاره کرد. MCL به بیشترین مقدار یک آلاینده گفته می‌شود که منجر به عوارض جانبی خاص در بلند مدت نمی‌شود. مصرف بیش از حد مجاز آلاینده‎ها می‌تواند منجر به سرطان، بیماری‌های قلبی-عروقی، عصبی، کلیوی و کبدی شود.