المخاطر البيولوجية والكيميائية المرتبطة بالماء

مقدمة حول المخاطر البيولوجية والكيميائية المرتبطة بالماء:

تمثل قضايا جودة المياه تحدياً كبيراً يواجهه البشرية في القرن الحادي والعشرين، كما أن هناك المجموعات الرئيسية للملوثات المائية وتأثيراتها على صحة الإنسان وأساليب التخفيف من تلوث موارد المياه العذبة، كما يتم التركيز على التلوث الكيميائي وخاصة على الملوثات الدقيقة غير العضوية والعضوية بما في ذلك المعادن السامة والفلزات، وكذلك مجموعة كبيرة ومتنوعة من المواد الكيميائية العضوية الاصطناعية.

أيضاً سوف يتم مناقشة بعض جوانب الأمراض المنقولة بالمياه والحاجة الملحة لتحسين الصرف الصحي في البلدان النامية، بحيث تتناول المراجعة التطورات العلمية الحالية للتعامل مع التنوع الكبير للملوثات، كما يتم تنظيمه على طول المقاييس الزمنية والمكانية المختلفة لتلوث المياه العالمي.

أيضاً أثرت الملوثات العضوية الثابتة على أنظمة المياه على نطاق عالمي لأكثر من خمسة عقود؛ وخلال ذلك الوقت، كانت الملوثات الجيولوجية وعمليات التعدين ومواقع النفايات الخطرة هي المصادر الأكثر صلة بتلوث المياه الإقليمي والمحلي على المدى الطويل، كما أن المواد الكيميائية الزراعية ومصادر مياه الصرف لها تأثيرات قصيرة المدى على النطاقات الإقليمية والمحلية.

لا شك بأن العديد من المشكلات الرئيسية التي تواجه البشرية في القرن الحادي والعشرين ترتبط بكمية المياه أو قضايا جودة المياه، لذلك سوف تتفاقم هذه المشاكل في المستقبل بسبب تغير المناخ، مما يؤدي إلى ارتفاع درجات حرارة المياه وذوبان الأنهار الجليدية وتكثيف دورة المياه ومع احتمال حدوث المزيد من الفيضانات والجفاف.

وفيما يتعلق بصحة الإنسان؛ فإن التأثير المباشر والأكثر خطورة هو الافتقار إلى الصرف الصحي المحسن، كما ويرتبط بذلك نقص المياه الصالحة للشرب؛ والذي يؤثر حالياً على أكثر من ثلث سكان العالم، حيث تشمل التهديدات الإضافية، على سبيل المثال التعرض لمسببات الأمراض أو المواد السامة الكيميائية عبر السلسلة الغذائية (على سبيل المثال، نتيجة ري النباتات بمياه ملوثة والتراكم البيولوجي للمواد الكيميائية السامة بواسطة الكائنات المائية بما في ذلك المأكولات البحرية والأسماك) أو أثناء الاستجمام (على سبيل المثال، السباحة في المياه السطحية الملوثة).

تتناول هذه المراجعة تلوث موارد المياه العذبة؛ بما في ذلك البحيرات والأنهار والمياه الجوفية، وذلك نظراً لظهور العديد من الدراسات مؤخراً؛ والتي تغطي الجوانب المختلفة للأمراض المنقولة بالمياه بطريقة شاملة، كما يتم التركيز بشكل أكبر على التلوث الكيميائي.

أيضاً يتم استخدام أكثر من ثلث المياه العذبة المتجددة التي يمكن الوصول إليها على كوكب الأرض بشكل استهلاكي للأغراض الزراعية والصناعية والمنزلية؛ ونظراً لأن معظم هذه الأنشطة تؤدي إلى تلوث المياه بمواد كيميائية طبيعية اصطناعية وجيولوجية متنوعة، فلا عجب أن التلوث الكيميائي للمياه الطبيعية أصبح مصدر قلق عام رئيسي في جميع أنحاء العالم تقريباً.

الملوثات الدقيقة ذات التعقيد الكيميائي:

يعتمد التقييم المناسب لأي تلوث كيميائي للمياه الطبيعية على خمسة عناصر:

• معرفة نوع وأصل الملوثات.

• توافر الطرق التحليلية لتقدير التباين الزماني والمكاني في تركيزات المادة الكيميائية.

• فهم عميق للعمليات التي تحدد انتقال ومصير المادة (المواد) الكيميائية في النظام المدروس.

• نماذج النقل والمصير الرياضية ذات التعقيد المناسب لتصميم استراتيجيات أخذ العينات المثلى والتنبؤ بالتطورات المستقبلية لحالة تلوث معينة.

• طرق القياس الكمي للآثار الضارة للمواد الكيميائية على الحياة المائية وصحة الإنسان.

والجدير بالذكر أن نفس الأدوات التحليلية والمعرفة العملية هي أيضاً محورية لتصميم وتشغيل تقنيات المعالجة وإجراءات العلاج في الموقع في ما يلي، حيث نتناول بعض الجوانب الأساسية المتعلقة بهذه العناصر الخمسة لتقييم التعرض للملوثات الدقيقة.

بالنظر إلى العدد الكبير من الملوثات الدقيقة المتنوعة هيكلياً؛ والتي قد تخضع لتفاعلات عديدة مع الأنواع والمواد الكيميائية الأخرى الطبيعية أو البشرية المنشأ أو الذائبة أو الجسيمية (على سبيل المثال، المواد العضوية الطبيعية والأسطح المعدنية وأنواع الأكسدة النشطة) مع الضوء، وحتى مع الكائنات الحية؛ وعادة ما يكون تقييم التعرض للملوثات المائية الدقيقة مهمة صعبة للغاية وتتطلب نهجاً واسعاً متعدد التخصصات.

بالنسبة للملوثات غير العضوية بما في ذلك المعادن الثقيلة (على سبيل المثال Cr ،Ni ،Cu ،Zn ،Cd ، Pb  Hg ،U ،Pu) والمعادن (على سبيل المثال، Se ،As)، كما يرتبط التحدي الرئيسي في تقييم المخاطر البيئية بتناقضها.

السلوك تحت ظروف الأكسدة والاختزال المختلفة، كما أن هذه العناصر لا تخضع للتحلل مثل العديد من الملوثات العضوية، حيث تشمل العمليات الرئيسية التي تحدد نقلها وتوافرها البيولوجي الأكسدة والاختزال والتعقيد والامتصاص وتفاعلات الترسيب والذوبان.

كما تظهر معظم العناصر المعدنية قابلية ذوبان مختلفة على نطاق واسع في وجود الأكسجين وتحت ظروف الاختزال، وفي ظل ظروف الأكسدة؛ فإن أكثر المعادن حساسية للأكسدة والاختزال مثل الحديد والمنغنيز، حيث تشكل جزيئات أكسيد مشتتة بدقة؛ والتي تمتص بشدة المعادن الثقيلة والفلزات.

عندما يتم استنفاد الأكسجين، تخضع جزيئات الأكسيد هذه للتحلل المختزل وإطلاق حمولتها السامة الممتصة، كما أنه غالباً ما يتم التحكم في ترسيب هذه الجسيمات التفاعلية وانحلالها في البيئة بواسطة الكائنات الحية الدقيقة ولا يزال تحليل مسارات ومعدلات تشتت الحديد والمنغنيز في ظل الظروف البيئية مهمة صعبة للغاية.

إن التنوع الكبير في الأطوار المعدنية المختلفة والتفاعلات المحتملة بين المواد المذابة، خاصةً ذات الصلة بعمليات الامتزاز، حيث تعقد التقييم البيئي للتلوث المعدني وتأثيراته الصحية، حيث كان التقدم السريع في التحليل الطيفي للأشعة السينية مفيداً في توضيح بنية الأيونات المعدنية الممتصة على الأسطح المعدنية؛ لأن الطريقة تسمح بتحديد الجيران الجزيئي المحدد للأيونات المعدنية في البيئات المعدنية المعقدة.

تساعد هذه المعلومات على المستوى الجزيئي في تطوير فهم العوامل التي تؤثر على حركة أيونات المعادن السامة، كما أن الشرط المسبق للعمل البيولوجي هو القدرة المحتملة للأيونات المعدنية على عبور أغشية الخلايا، وعادةً ما تمنع الروابط القوية للجزيئات المعدنية والمجمعات الجزيئية المستقرة الامتصاص.

نتيجة لذلك؛ تم تطوير طرق مباشرة لتقييم التنقل والتوافر البيولوجي للملوثات المعدنية في الوسائط المعقدة، مثل التربة أو الرواسب، وذلك لتحديد مصير وتوزيع المعادن في البيئة، حيث يمكن بعد ذلك توسيع نطاق الرؤى المستمدة من الدراسات على المستوى الجزيئي والملاحظات الميدانية في الموقع باستخدام نماذج تفاعل ونقل بسيطة أو أكثر تعقيداً؛ والتي تجمع بين الفيزيائية والكيميائية والدقيقة.

العمليات البيولوجية تتناول الخطوة الأخيرة من إجراء التقييم آثار الامتصاص البيولوجي، كما يقدم تحليل الآثار المحتملة للجسيمات النانوية مثالاً توضيحياً في السنوات الأخيرة، بحيث تسبب الاستخدام المتزايد بسرعة للجسيمات النانوية المهندسة للتطبيقات الصناعية والتجارية في قلق بشأن الآثار البيولوجية لهذا النوع من الملوثات البشرية الجديدة على البيئة المائية وصحة الإنسان.

كما يوجد الآن دليل أولي على أن هذه الجسيمات لا تطلق معادن سامة بمعدلات ثابتة فحسب؛ بل يمكنها أيضاً إحداث تأثيرات ضارة محددة ومباشرة؛ والتي تتطلب مزيداً من البحث حتى الآن، تم إحراز تقدم كبير في توضيح الآليات الجزيئية والتفاعلات الجيوكيميائية والميكروبية ذات الصلة.