Доцент Университета Калифорнии в Витерби Дэниел Маккарри, студентка Мередит Хуанг и магистрант Шиянг Хуанг подтвердили химическое вещество, ответственное за образование канцерогена N-нитрозодиметиальмина, или NDMA, в переработанных сточных водах. Они начали свое исследование после того, как в сообществе исследователей окружающей среды появились противоречивые выводы, вызвавшие колебания в принятии методов вмешательства NDMA на очистных сооружениях.
Их работа была опубликована в журнале Environmental Science and Technology Letters в качестве мартовского исследования.«Недавняя засуха в Калифорнии и последующая уязвимость к водным ресурсам повысили интерес к повторному использованию воды», — сказала Мередит Хуанг, первый автор исследования. «Однако побочные продукты дезинфекции, такие как NDMA, образующиеся в процессе очистки сточных вод, вредны для людей и создают некоторые проблемы, когда целью является повторное потребление».
В конце 90-х годов высокие концентрации NDMA были обнаружены в чрезвычайно чистых переработанных сточных водах, которые в большинстве штатов сбрасываются в реки, которые используются в качестве источников питьевой воды. Это открытие положило начало многолетним исследованиям, проводившимся несколькими лабораториями по выяснению того, как образуется вредное химическое соединение.«Концентрация NDMA, о которой мы беспокоимся, очень и очень низкая», — сказал МакКарри, который работает в Департаменте гражданского строительства и охраны окружающей среды Сонни Астани. «В отличие от многих органических загрязнителей в питьевой воде, где нормативный предел может находиться в диапазоне микрограммов на литр, для NDMA нормативные нормы во многих местах колеблются от 10 нанограммов на литр до 100 нанограммов на литр.
Таким образом, от трех до четырех порядков значительно ниже по концентрации, потому что это просто сверхмощный канцероген ».Большая часть переработанных сточных вод, которые будут использоваться в качестве питьевой воды в процессе, известном как повторное использование для питья, сначала попадает в землю, прежде чем попадет на завод по производству питьевой воды. Почва действует как фильтр, удаляя химические вещества и разлагая вредные соединения, такие как NDMA.
Но высокая стоимость закачки воды в землю и из нее привела к повышенному интересу к прямому повторному использованию питьевой воды, когда переработанные сточные воды направляются непосредственно на завод по производству питьевой воды.«NDMA — одно из основных препятствий для прямого повторного использования питьевой воды, потому что действительно трудно избавиться от тщательных традиционных процессов обработки», — сказал МакКарри. Вместо этого проще и доступнее снизить концентрацию NDMA, удалив молекулы, ответственные за его образование.
Первоначально исследователи обнаружили, что NDMA является результатом стадии хлорирования в процессе очистки рециркулируемых сточных вод. В частности, дихлорамин, второстепенный компонент смеси хлора, вызывает образование NDMA. Эти открытия привели к тому, что очистные сооружения начали манипулировать химией хлора, чтобы снизить концентрацию дихлорамина и, в конечном итоге, уменьшить образование NDMA.Однако исследователи все еще не знали, с чем дихлорамин взаимодействует с образованием NDMA, пока пять лет назад исследователи в Торонто не обнаружили, что некоторые фармацевтические препараты, такие как антацид Zantac, могут образовывать NDMA при хлорировании в условиях, подобных сточным водам.
Впоследствии другие исследователи начали изучать механизм образования химикатов, подобных Zantac.«Они решили, что это был монохлорамин, в отличие от нескольких практических исследований, показывающих, что минимизация содержания дихлорамина в реальных рециркулируемых сточных водах сводит к минимуму образование NDMA», — сказал Маккарри. «Они пришли к неправильному выводу, потому что монохлорамин и дихлорамин взаимопревращаемы. Таким образом, экспериментально их довольно сложно разделить».
Помня об этом, Маккарри и его команда тщательно разработали свой эксперимент, чтобы избежать превращений между двумя молекулами, используя гораздо более низкие дозы. Затем, систематически применяя ряд доз монохлорамина и дихлорамина к фармацевтическим предшественникам, они смогли определить, какая молекула является основной причиной образования NDMA.Результаты, достиженияЧтобы проверить свой подход, они сначала использовали молекулу-предшественник с хорошо известной реакцией, диметиламин, и сравнили свои экспериментальные результаты с результатами программы компьютерного моделирования перед тестированием четырех других предшественников.
Модель, которая не включает реакцию монохлорамина и диметиламина с NDMA, совпала с их экспериментальными результатами и доказала, что образование NDMA из монохлорамина либо не существует, либо не имеет значения.«Наша статья показала, что дихлорамин отвечает за образование NDMA из этих фармацевтических предшественников.
И мы смогли увидеть, что вы получаете все больше и больше NDMA по мере увеличения количества монохлорамина, но это только из-за того, что монохлорамин превращается в дихлорамин», — Маккарри сказал. «Итак, наши результаты фундаментальной химии подтверждают практическое наблюдение, что минимизация дихлорамина сводит к минимуму образование NDMA».Хотя их исследование подтверждает идентичность соединения, ответственного за образование NDMA, и побуждает очистные сооружения продолжать применять методы вмешательства, их работа далека от завершения. Шиянг Хуанг в настоящее время работает над моделью, которая подробно покажет полный механизм формирования NDMA.
«Наши результаты основаны на экспериментах по выходу NDMA, которые учитывают только конечные продукты реакций. Точный путь от предшественников к NDMA еще не обнаружен», — сказал Шиянг Хуанг. «Понимание всего механизма даст нам больше информации, чтобы объяснить, какой фактор — pH, температура, другие химические вещества — будут влиять на образование NDMA на практике».