О.С.ГАБРИЕЛЯН, Т.Н.ПОПКОВА,
Г.А.СИВКОВА, С.А.СЛАДКОВ

Вода в нашей жизни

Учебно-методическое пособие к элективному курсу
для 9 класса основной школы или 10–11 классов
базового уровня средней школы

Продолжение. Начало см. в № 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14/2009

§ 11. МИНЕРАЛЬНЫЕ ВОДЫ

Цель. Расширить представления учащихся о химическом составе основных минеральных вод России, пояснить их физиологическое значение и роль в профилактике заболеваний. Познакомить учеников с профессиями и специальностями, связанными с использованием минеральных вод в пищевой отрасли промышленности и медицине.

Форма занятия. Урок-конференция. Демонстрационный эксперимент.

Оборудование. Образцы минеральных вод и аннотации к ним.

План занятия

Становление бальнеологии.

Классификация минеральных вод.

Химический состав минеральных вод.

Минеральные вещества и микроэлементы минеральных вод.

Газовый состав минеральных вод.

Воды такие, как почвы, через
которые они проходят.
Аристотель

Председатель конференции. Эпиграфом к работе нашей конференции могут быть слова великого Аристотеля. Любой современный ученый подтвердит их правоту. Природные воды всегда извлекают из почвы те или иные вещества. Например, минеральными водами называют природные, обычно подземные воды, характеризующиеся повышенным содержанием биологически активных компонентов. Они обладают определенными химическим составом и физико-химическими свойствами, благодаря которым оказывают лечебное действие.

Раздел медицины, изучающий происхождение и свойства минеральных вод, методы их использования с лечебно-профилактической целью, называется бальнеологией (от лат. balneum – баня, купание).

Cообщение «Становление бальнеологии»

Становление бальнеологии как науки относится к V в. до н.э., когда древнегреческий ученый Геродот разработал способы применения и показания к назначению минеральных вод. О лечении речной, соленой и морской водой упоминается в сочинениях Гиппократа (V–IV вв. до н.э.).

Римский врач Архиген (I в.) впервые классифицировал минеральные воды. В XV в. Дж.Савонарола выпустил «Трактат об итальянских минеральных водах», содержащий указания о пользовании минеральными ваннами. Итальянский врач Г.Фаллопий в XVI в. опубликовал «Семь книг о теплых водах», в которых сделал попытку проанализировать химический состав минеральных вод.

Основу научной бальнеологии в ее современном понимании заложил немецкий ученый Ф.Гофман (1660–1742), впервые установивший химический состав минеральных вод, в частности, присутствие в них солей угольной кислоты, поваренной соли, сульфата магния и др.

В России первый курорт минеральных вод был создан Петром I в Заонежье на Марциальных водах, и сам царь неоднократно лечился там. Специальным указом императора Александра I в 1803 г. район Кавказских Минеральных Вод был объявлен лечебной местностью. По традиции было принято лечиться в Пятигорске «мертвой» водой на его серных источниках, затем в Железноводске «живой» водой. Курс завершался в Кисловодске лечением нарзаном, в переводе с тюркского его название (нарт санэ) означает «напиток богатырей».

Имеются воспоминания А.С.Пушкина, дважды побывавшего на Кавказских минеральных водах (в 1820 и 1829 гг.): «…ванны находились в лачужках, наскоро построенных. Источники, большей частью в первобытном своем виде, били, дымились и стекали с гор по разным направлениям, оставляя после себя белые и красноватые следы. Мы черпали кипучую воду ковшиком из коры или дном разбитой бутылки».

С тех пор много воды утекло, в том числе и минеральной, курорты Кавказа превратились в современные здравницы. На протяжении двух веков изучался состав источников, они обустраивались. Научные исследования о влиянии минеральных вод на организм человека начали проводиться еще в ХIХ в. В частности, русский химик Г.И.Гесс (1825), русский врач Г.А.Захарьин и многие другие направили свои усилия на изучение вопросов, связанных с физиологическим воздействием водолечения.

Сообщение «Классификация минеральных вод»

(Демонстрация минеральных вод и аннотаций к ним.)

Минеральные воды с давних времен использовали в качестве лечебного средства. С тех пор миллионы людей убедились, что минеральные воды – богатство, подаренное нам природой, которое дарует здоровье и долголетие.

Лечебные свойства минеральных вод определяются их химическим составом: минералами и солями, в них содержащимися, наличием газов и органических веществ, а также температурой воды. Разнообразие природных минеральных вод зависит от соотношения этих факторов.

• Температура минеральных вод зависит от глубины, на которой происходит их образование, – чем глубже, тем они горячее. Температура доходит до 80–100 °С в районах вулканов и гейзеров. Минеральные воды делят по температурному показателю следующим образом:

холодные – ниже 20 °С,

теплые – 20–30 °С,

горячие – 35–42 °С,

очень горячие – выше 42 °С.

Чем выше температура воды, тем больше в ней солей, которые вымываются из окружающих пород, а растворимость газов, напротив, в горячих водах меньше, чем в холодных.

К холодным водам относятся: Ямаровка (2 °С), Кука (0,7 °С), Дарасун (3 °С), Шиванда (0,4 °С), Молоковка (0,5 °С), Ургучан (до 4 °С), Ессентуки (14 °С), Аршан (8 °С), Шмаковка (8 °С).

Теплые воды (слаботермальные): Пятигорск (22–32 °С), Мацеста (30 °С), Нальчик (27 °С), Горячий Ключ (29 °С).

Горячие (термальные): Железноводск (38 °С), Талги (38 °С), Рычал-Су (38 °С), Белокуриха (35–40 °С), Цхалтубо (35 °С), Боржоми (35–38 °С).

Очень горячие (высокотермальные): Талая (90 °С), Джермук (90 °С), Исти-Cу (90 °С).

Содержание растворенных солей зависит от природных условий, в которых происходит образование подземных минеральных вод. Границей между пресной и минеральной водой считается содержание минеральных химических соединений в количестве 1 г/л, в то же время максимальная минерализация подземных вод достигает 350–400 г/л.

• По своему назначению минеральные воды делят на столовые, лечебно-столовые и лечебные. К природным столовым относятся воды, минерализация которых не превышает 1 г/л и в составе которых не содержатся биологически активные компоненты, оказывающие специфическое лечебное действие на организм человека. Их используют для утоления жажды. В качестве столовых вод широко известны Нарзан и Ессентуки № 20.

Воды с общей минерализацией от 2 до 8 г/л – это лечебно-столовые воды, иногда в их состав входят биологически активные компоненты. В таких водах чаще представлены соединения железа, мышьяка, бора, кремния, брома, йода в количествах от 5–50 мг/л, а также и некоторые органические вещества.

Лечебно-столовые воды применяются по назначению врача, а также используются в качестве столового напитка (не систематическое употребление). Наиболее известной из них является Боржоми.

Воды с общей минерализацией от 8 до 12 г/л относятся к лечебным, нередко они включают биологически активные компоненты. В качестве лечебных вод широко известны сероводородные источники в районе курорта Мацеста.

• По общей минерализации минеральные воды для внутреннего употребления делятся на три группы:

• малой минерализации (2–5 г/л); такие воды обладают мочегонным действием;

• средней минерализации (5–15 г/л; основная группа лечебных вод, они используются для питьевого лечения, промываний желудка и кишечника, ингаляции и других процедур;

• высокой минерализации (15–25 г/л); при внутреннем применении оказывают слабительное действие, например воды Баталинского источника, общая минерализация которого достигает 21,4 г/л.

Сообщение «Химический состав минеральных вод»

Химики-аналитики, эксперты, экологи приложили немало усилий по изучению химического состава более 200 видов минеральных вод России и ближнего зарубежья. Врачи, используя эти научные данные, прописывают пациентам водолечение.

По наличию главного компонента лечебные минеральные воды распределены на группы.

1. Лечебные без специфических компонентов и свойств. Их действие определяется основным ионным составом и общей минерализацией, из газов преобладают азот и углекислый газ.

2. Углекислые. Лечебное значение связывается с наличием в этих водах растворенного углекислого газа (свыше 500 мл/л), а также общим составом и минерализацией. Углекислые воды широко распространены, используются для внутреннего и наружного применения. Они повышают щелочные резервы организма, нормализуют работу желудка, применяются для лечения гастритов.

Углекислые воды положительно действуют также на желчеотделение, они участвуют в белковом обмене, помогают при инфекционных заболеваниях. К этой группе относятся: Арзни (Армения), Боржоми (Грузия), Дарасун (Читинская область), Ессентуки № 4 и 17, Смирновская и Славяновская, Баталинская, Нарзан (доломитный и сульфатный), Машук.

3. Сульфидные (сероводородные) воды. Название этих вод свидетельствует о наличии в них свободного сероводорода, ионов водорода и сульфид-анионов. К сульфидным водам относятся: Мацеста (Сочи) – группа источников, выведенных буровыми скважинами с глубины от 400 до 1500 м, их вода сходна по солевому составу, но различается по содержанию сероводорода (от 80 до 400 мг/л).

По химическому составу эти воды хлоридно-натриевые, общая минерализация их – 26,7 г/л, температура – от 34 до 38 °С. Высоко ценятся лечебные свойства вод Талги (Дагестан) – они теплые, высококонцентрированные. Содержание сероводорода составляет от 350 до 650 мг/л, по химическому составу вода хлоридно-гидрокарбонатно-натриевая. С успехом лечит гинекологические и кожные заболевания, а также заболевания опорно-двигательного аппарата.

4. Железистые воды содержат железа не менее 20 мг/л. К ним относятся Марциальные воды с содержанием железа 67 мг/л и Полюстровские – 33 мг/л. В минеральных водах Ставрополья железо обнаружено в сульфатном нарзане Кисловодска (17 мг/л), в скважине № 33 Пятигорска (15,6 мг/л).

5. Мышьяковистые воды, с высоким содержанием мышьяка, марганца, меди и других элементов. Благодаря высокой биологической активности эти воды энергично действуют на многие функциональные системы. Много мышьяка накапливается в щитовидной железе. Однако, если его содержание в любых водах выше, чем 0,2 мг/л, они становятся токсичными и применять их внутрь нельзя. С особой осторожностью и в малой дозировке применяются Синегорские воды (Сахалин) и Верхне-Кармадонские (Северная Осетия).

Воды с оптимальным содержанием мышьяка благотворно влияют на процесс кроветворения, улучшают состояние печени.

6. Бромные, йодные воды встречаются довольно часто, в них содержится не менее 5 мг/л йода и 25 мг/л брома. Они способны активизировать окислительно-восстановительные процессы, используются для лечения заболеваний нервной и эндокринной систем. Это знаменитые источники Трускавца (вода Нафтуся), Краснодарского края (Семигорская и Хадыженская).

7. Кремнистые термы. В эту группу включают термальные воды, содержащие 50 мг/л кремниевой кислоты, при температуре более 35 °С. К ним относятся, например, минеральные воды Джермук (Армения), в которых содержится 83 мг/л кремниевой кислоты, сходный состав и на курортах Карловы Вары (Чехия), Исти-Су (Азербайджан), Нальчика (Кабардино-Балкария).

Сообщение «Минеральные вещества и микроэлементы минеральных вод»

Потребителю, даже если он имеет слабые химические знания, важно ориентироваться в составах лечебных вод, которые приводятся на этикетках.

Основными составляющими компонентами минеральных вод являются: хлор, сульфаты, гидрокарбонаты, калий, натрий, кальций, магний. Реже содержатся железо и алюминий. По этим главным составным частям водам присваиваются свои названия.

Среди минеральных вод особую ценность имеют воды, содержащие гидрокарбонат-ионы (). Такая вода лучше усваивается организмом; попадая в желудок, она реагирует с желудочным соком и выделяет углекислоту, чем стимулирует секреторную деятельность желудка.

Хлорид-ионы (Cl^–) усиливают секрецию желудочного сока и выделительную функцию почек. Хлоридные воды можно употреблять при заболеваниях дыхательных путей, нарушениях обмена веществ, болезнях сердечно-сосудистой системы.

Сульфат-ионы () встречаются чаще в питьевых минеральных водах в сочетании с кальцием (Краинка, Кисловодский, Славяновский и Смирновский источники и др.). В водах типа баталинских представлены сульфаты в сочетании с натрием и магнием. Они способны снижать желудочную секрецию, извлекать избыточную жидкость из тканей

Ионам калия и натрия (K, Na) принадлежит главная роль в водном обмене организма, они наиболее часто встречаются в составе питьевых минеральных вод. Натрий хорошо всасывается в пищеварительном тракте. По некоторым наблюдениям соли натрия задерживают воду в организме. При недостатке, а равно и при передозировке калия, в сердце и центральной нервной системе развиваются патологические явления. Калий и натрий поддерживают необходимое давление в тканевых и межтканевых жидкостях организма.

Кальций (Са) довольно часто присутствует в питьевых водах, иногда в незначительных количествах, его много в кисловодских нарзанах. Воды с большим содержанием кальция, попадая в организм, усиливают сократительную силу сердечной мышцы, активируют ряд ферментов, повышают устойчивость организма к инфекциям.

Ионы кальция снижают проницаемость клеточных мембран за счет их уплотнения. Кальций обладает противовоспалительным действием, обезвоживает ткани, влияет на рост костей. Горячие кальциевые воды типа железноводских с успехом применяют при лечении язвенной болезни, а также гастрита с повышенной секрецией и нарушением двигательной функции желудка.

Магний (Mg) встречается в питьевых минеральных водах реже и в меньших количествах, однако его лечебное значение особенно велико при заболеваниях печени и желчевыводящих путей. Магний хорошо усваивается организмом, способствует уменьшению спазмов желчного пузыря, снижает уровень холестерина в крови и в желчи, при этом благотворно влияет на нервную систему. В бо'льшем количестве сернокислый магний вызывает слабительный эффект, с учетом этого нельзя увлекаться значительными количествами вод типа кисловодских, баталинских, а также крымским нарзаном.

Очень часто в минеральных водах обнаруживают те микроэлементы, которые содержатся в организме и человека, и животных в очень малых количествах, но имеют большое физиологическое значение. Обычно их определяют в тысячных долях процента (миллипроцент). Когда же количество их составляет десятитысячные или даже стотысячные доли процента, применяют соответственно термин ультрамикроэлементы.

Минеральные воды могут включать до 50 микроэлементов. Это – йод, бром, железо, алюминий, цинк, медь, кремний, фтор, бор, литий, стронций и другие. Для части микроэлементов еще не до конца выяснены их физиологические функции. В состав гемоглобина входит железо, в некоторые гормоны – цинк, в витамины – кобальт. Установлено, что работа ферментных систем невозможна без железа, марганца, меди, молибдена.

В составе крови животных обнаружено 24 микроэлемента, их накопление в эндокринных железах влияет на многие органы. Например, избыток брома препятствует накоплению йода в щитовидной железе.

Обычно необходимое количество микроэлементов человек получает с пищей. Очень хорошо усваиваются в организме микроэлементы, входящие в состав минеральных вод, хотя в водах их значительно меньше, чем в пищевых продуктах.

Рассмотрим наиболее важные и чаще других встречающиеся микроэлементы.

Йод является одним из важных элементов, входящих в состав организма. Его находят в тканях мозга, щитовидной железы, печени, почек и в некоторых эндокринных железах (гипофизе, надпочечниках, яичниках). Йод играет большую роль в окислительно-восстановительных процессах. Он обладает бактерицидным действием, усиливает процессы рассасывания и восстановления, активирует функцию щитовидной железы.

Бром занимает важное место среди средств, действующих на нервную систему, он усиливает тормозные процессы, нормализуя функцию коры головного мозга.

Фтор в минеральных водах встречается в сочетании с другими элементами. Отсутствие фтора, равно как и избыточное поступление его в организм, ведет к выраженным нарушениям, особенно отчетливо проявляющимся в заболеваниях костей и зубов.

Марганец является жизненно важным элементом и участвует в окислительно-восстановительных процессах. Благоприятно влияет на половое развитие и усиливает обмен белков. Марганцевые воды оказывают положительное действие при лечении женских и многих детских заболеваний.

Медь участвует в процессах перевода всасывающегося из кишечника железа в гемоглобин.

Железо – составная часть структуры гемоглобина, играющего активную роль в передаче кислорода тканям. Его недостаток в организме ведет к анемии и ряду серьезных заболеваний.

Кобальт и мышьяк участвуют в кроветворении, оказывают положительное действие на кроветворные органы. Мышьяк, тормозя окислительные процессы, ведет к увеличению массы тела. Интересно, что при этом улучшается общее состояние, кожа становится более эластичной.

Цинк и бор играют немаловажную роль в обменных процессах. Цинк обнаруживается в ферментах, обеспечивающих нормальный обмен углекислоты и кислорода в тканях, оказывает влияние на деятельность половых желез и гипофиза.

Сообщение «Газовый состав минеральных вод»

Чаще всего в минеральных водах встречаются углекислота, сероводород, метан, азот и радон. Перед разливом в бутылки столовые минеральные воды обычно дополнительно насыщают углекислым газом до концентрации 3–4 %. В подземные воды газы попадают различными путями. Азот и кислород – газы воздушного происхождения, они поступают в горные породы вместе с атмосферными водами. Углекислый газ, сероводород, водород и другие газы выделяются из вулканической магмы и горных пород под действием высоких температур. Азот, метан, углекислый газ и сероводород образуются также вследствие разложения микроорганизмов, органических веществ и минеральных солей.

В результате геологических процессов из недр земной коры выделяется гелий, а также радон и некоторые другие радиоактивные газы. Они придают минеральным водам специфические свойства. Кратко остановимся на основных свойствах, значении и влиянии на организм некоторых газов при приеме минеральной воды.

Углекислый газ поступает в организм из окружающей нас атмосферы и образуется в результате обменных процессов в тканях и внутренних органах. В крови углекислый газ находится как в растворенном виде, так и в химически связанном состоянии.

Дыхательный центр обладает исключительной чувствительностью к углекислоте, поэтому она является для него основным раздражителем и оказывает большое влияние на сердечно-сосудистую, пищеварительную, нервную и другие физиологические системы.

Углекислые минеральные воды при внутреннем и наружном применении действуют на обмен веществ, улучшая его. Установлено, что под их влиянием повышается уровень молочной кислоты, что приводит к целому ряду других изменений – к временному уменьшению количества выделяемой мочи и накоплению воды в организме.

В первый момент пребывания человека в ванне с углекислой водой отмечается кратковременное сужение капилляров кожи, оно вскоре сменяется их расширением. После выхода из ванны количество «занятых» капилляров уменьшается, но через некоторое время оно вновь увеличивается, причем на более длительный срок. Таким путем устанавливается повышенное кровоснабжение кожи. Такие же изменения происходят при приеме внутрь углекислых вод.

Под влиянием воды с растворенным в ней углекислым газом происходит расширение капилляров печени. Это способствует кровоснабжению слизистой желудка и кишечника, к усиленной секреторной деятельности желез. Всосавшаяся из желудочно-кишечного тракта углекислота улучшает дыхательную деятельность, повышает общий тонус мускулатуры, в теле появляется легкость.

Сероводород представляет собой легкорастворимый в воде газ, в минеральных водах встречается довольно часто – самостоятельно или в сочетании с другими газами. Содержание его в натуральных сероводородных водах чаще всего небольшое, в пределах 5–70 мг/л. Очень высокое содержание сероводорода в мацестинских минеральных водах – до 457 мг/л. В источниках курортов Талги и Краснокаменска соответственно 630 и 1000 мг/л.

Существуют границы, в которых сероводородная вода оказывается пригодной для питья. Нижнюю границу содержания сероводорода в водах для внутреннего применения считают 10 мг/л, а предельно допустимые концентрации сероводорода в питьевых минеральных водах – не выше 50 мг/л, т.к. более высокие концентрации могут оказать токсическое действие.

Чаще всего сероводородные воды используют в виде ванн, организм чрезвычайно чувствителен к сероводороду, который интенсивно влияет на сосуды. Это воздействие зависит от непосредственного контакта со стенками сосудов, а также от влияния особых веществ, образующихся под действием сероводорода.

И при приеме сероводородной воды внутрь, и при наружном действии раздражаются нервные окончания, что влияет на центральную нервную систему, а через нее – на весь организм. Сероводород активизирует железы, вырабатывающие гормоны, в частности, влияет на гипофиз, надпочечники и щитовидную железу. Отмечено его положительное влияние на некоторые процессы обмена веществ. Немаловажным является сочетание сероводорода с углекислотой. Такие воды с успехом применяются при лечении желудочно-кишечных заболеваний и диабета, например, в Пятигорске и на других курортах.

Радоновые воды. В пределах России разведано более 80 месторождений радоновых вод. Наибольшей известностью пользуются радоновые воды Белокурихи (Алтайский край) и Пятигорска, их применяют в виде ванн, купаний в бассейне, а также ингаляций, душа и для питьевого лечения.

Все чаще и чаще минеральная вода используется в качестве столового напитка, т.к. она обладает приятным вкусом и рядом неоспоримых преимуществ перед обычной пресной водой. При обильном потоотделении организм теряет значительное количество солей. Пресная вода не возмещает этих потерь, поэтому может наступить обеднение организма солями. К тому же минеральная вода, разлитая в бутылки, проходит строгий санитарный контроль.

Минеральные воды употребляют как столовые лишь при невысокой минерализации, поскольку излишнее количество минеральных солей, поступивших с водой в организм, может способствовать образованию камней в печени и почках. При разумном употреблении минеральные воды благоприятно влияют на организм и помогают предотвратить многие болезни пищеварительной системы.

Председатель конференции. В завершение следует отметить, что все докладчики подготовили содержательные выступления. Владея данной информацией, мы будем более внимательно и ответственно относиться к своему здоровью. Для того, чтобы минеральные воды оказались на нашем столе, потрудились люди разных профессий: гидрогеологи, бурильщики, водители, химики-аналитики, технологи пищевых производств, работники санитарно-эпидемиологического контроля и многие другие.

Из докладов мы узнали, что химический состав лечебных минеральных вод очень разнообразен, и они должны назначаться в определенной дозировке медицинским работником. Только при таком продуманном подходе можно нормализовать работу органов и систем организма.

Л и т е р а т у р а

Сербина Е. Книга о минеральной воде. М.: Вече, 1998; Грачева С., Сартакова М. Кавказские Минеральные Воды. М.: Вокруг света, 2006; Авдеев Я.Г., Авдеева Е.В., Свиткин Н.И., Толкачева Т.К. Минеральная вода – чудесный дар природы. Химия в школе, 2007, № 2; Широкова В.А. Пресные и минеральные воды Сарепты. Природа, 2006, № 8; Зуев Е.Т., Фомин Г.С. Питьевая и минеральная вода. Требования мировых и европейских стандартов к качеству и безопасности. М.: Протектор, 2003.

Продолжение следует