Лечебные грязи - биологический и химический состав, механизмы образования и регенерации
Лечебные грязи или пелоиды — это природные органо-минеральные коллоидальные образования (иловые, торфяные, сопочные и др.), обладающие высокой теплоемкостью и теплоудерживающей способностью и содержащие, как правило, терапевтически активные вещества (соли, газы, биостимуляторы и т. д.) и живые микроорганизмы.
Все лечебные грязи обладают выраженным терапевтическим действием и применяются в виде различных лечебных процедур-аппликаций (общих и местных), грязеразводных ванн, болтушек, суспензий, обертываний, используются в сочетании с физическими процедурами (гальваногрязь, электрофорез грязевого раствора), а также в виде различных грязевых препаратов — экстрактов, гумизолей, отжимов и мазей.
Лечебные грязи генетически подразделяются на четыре основных типа (группы): торфяные, сапропелевые, иловые сульфидные и сопочные.
Торфяные грязи представляют собой органогенные болотные отложения, образовавшиеся в результате частичного бактериального разложения растений-торфообразователей в условиях обильного увлажнения и слабого доступа кислорода. Эти грязи содержат обычно органических веществ более 50%, а степень их бактериальной переработки (степень разложения) составляет 40% и более.
Сапропелевые грязи представляют илы преимущественно пресных водоемов, богатые органическим веществом (более 10%), образовавшимся в результате многократной макро- и микробиологической переработки водных растений и животных.
Иловые сульфидные грязи представляют собой илы, главным образом соленых (минеральных) водоемов, относительно бедные органическим веществом (менее 10%) и, как правило, богатые сульфидами железа и водорастворимыми (солями.
Сопочные грязи — полужидкие глинистые образования, формирующиеся в нефтегазоносных областях в результанте разрушения и перетирания горных пород, выдавливаемых по тектоническим трещинам газами и напорными водами. Иногда к лечебным грязям ошибочно относят озокерит, парафин, различные глины и некоторые другие, применяемые в медицине вещества. В отличие от грязей они, как правило, не имеют свободной (поровой, капиллярной) воды или не содержат живых микроорганизмов, органических веществ и т. д. и образуют самостоятельные виды теплотерапии — парафинолечение, глинолечение, озокеритолечение и т. д.
Образование лечебных грязей
Образование лечебных грязей зависит от комплекса природных факторов, таких, как геолого-гидрогеологические и ландшафтно-климатические условия местности, геоморфологическое положение месторождения, его биологические особенности и т. д., и подчинено законам общей географической и гидрохимической зональности территории. Торфяные грязи формируются в зоне избыточного увлажнения, охватывающей всю лесную зону, тундру и часть лесостепи, на равнинной местности с затрудненным стоком, в результате заболачивания суходолов и зарастания озер.
Сапропелевые грязи образуются также в зоне избыточного увлажнения, в водоемах с большой биологической продуктивностью и с относительно ограниченным сносом минерального материала. При интенсивном развитии в водоемах водорослей и водных животных образуются низкозольные водорослевые или зоогеновые сапропели. Развитие процессов заболачивания приводит к накоплению низкозольных торфянистых сапропелей. При значительном сносе в водоем нерастворимых в воде силикатов, алюмосиликатов, окислов железа или малорастворимых карбонатов формируются высокозольные глинистые, железистые или известковистые сапропели. При подпитывании торфяников и сапропелевых водоемов сульфатсодержащими минеральными водами (артезианскими или морскими) торфы и сапропели могут обогащаться сероводородом и становиться сульфидными.
Иловые сульфидные грязи распространены на равнинах с аридным климатом, где величина испарения превосходит осадки. Здесь в бессточных котловинах создаются условия для накопления солей и образования минеральных озер. Наличие в озерной воде сульфатов, а в донных отложениях — органических веществ способствует деятельности сульфатредуцирующих микроорганизмов, образующих большое количество сероводорода. При сносе в озеро глинистого материала, богатого окислами железа, сероводород, соединяясь с железом, образует гидротроиллит Fe(HS)2 — сульфидный коллоидный минерал черного цвета, являющийся основным компонентом иловых сульфидных грязей. По такой же схеме образуются иловые сульфидные грязи в морских лиманах (за счет сульфитов морской воды).
Наиболее благоприятными для формирования сопочных грязей являются периклинальные учястки крупных антиклинариев, где в водоносных горизонтах СОЗДАЮТСЯ большие гидростатические давления, которые в сочетании с давлением газов нефтегазоносных месторождений прорывают вышележащие водонепроницяемые плясты и выбрасывают перетертые глинистые массы на поверхность земли в виде сопочных извержений и излияний.
Биологический состав
Биологический состав лечебных грязей четко взаимосвязан с условиями их формирования и во многом определяет как химический их состав, так и лечебные свойства.
Торфяные грязи образуются из многочисленных видов болотной растительности, подразделяемой по условиям развития на олиготрофную, требующую минимальное минеральное питание, евтрофную, произрастающую при обильном минеральном питании. Первый тип растений торфообразователей формирует низкозольные (верховые и частично переходные) торфы, а второй — среднезольные и высокозольные (низинные) торфы. Сочетания евтотрофной и олиготрофной растительности образуют переходные торфы.
Сапропелевые грязи, являясь отложениями преимущественно пресноводных водоемов, формируются за счет планктонной и бентосной фауны и флоры, приспособленных к жизни и развитию в пресных или слабосоленых водах и относимых к так называемым галофобам и галоксенам. Ведущая роль в формировании органического вещества сапропелей принадлежит водорослям. Животный мир сапропелеобразователей представлен в основном ракушечниковыми рачками (остракодами), клещами, протистами.
Иловые сульфидные грязи, в отличие от торфяных и сапропелевых, являются минеральными; содержание органических веществ в них значительно меньше и обычно составляет 1-3% от сухого вещества и редко достигает 10%. Связано это с тем, что соленые водоемы в биологическом отношении значительно беднее пресных. Чем выше минерализация озерной воды, тем однообразнее и беднее ее растительный и животный мир.
Сопочные грязи обогащаются органическим веществом нефтяного происхождения уже в «готовом» виде, и в этих грязях ни живых, ни отмерших организмов обычно не обнаруживается (за исключением бактерий).
Рассматривая биологический состав лечебных грязей, следует особо выделить роль микроорганизмов. Грязевая микрофлора играет главную роль в разрушении и переработке отмерших растений и животных, формируя групповой и элементарный состав органических веществ, способствует обогащению грязей сероводородом и другими газами, придает ей бактерицидные и адсорбционные свойства, участвует в процессах регенерации грязи. Количество бактерий, определенное методом прямого микроскопирования, может достигать в 1 г лечебной грязи нескольких миллиардов, составляя 2-6% всей ее органической массы. В лечебных грязях всегда присутствуют гнилостные аэробы — до 107 в 1 г, гнилостные анаэробы, денитрифицирующие бактерии — до 107, маслянокислые бактерии, часто сульфатредуцирующие бактерии, нитрозные бактерии — до 103, клетчаткоразрушающие аэробы — до 103 и анаэробы — до 103 и др.; актиномицеты могут составлять 104 единиц и более.
Химический состав лечебных грязей
Лечебная грязь как природное образование представляет собой ложную физико-химическую систему, отдельные компоненты которой находятся между собой в динамическом равновесии.
В структурном отношении лечебную грязь принято разделять на три основные части: грубодисперсную (остов), тонкодисперсную (коллоидный комплекс) и жидкую (грязевой раствор). Грубодисперсная часть или остов грязи представляет собой твердую основу или так называемый «скелет» грязевой массы, состоящий из частиц диаметром более 0,001 мм различного происхождения: кристаллов солей, минералов, иногда полуразрушенных остатков животных и растений. Остов грязи различается как по механическому (гранулометрическому), так и по минералогическому составу. Учитывая важность вязко-эластичных свойств грязи, преобладание в ней грубых фракций (частиц диаметром более 0,01 и 0,1 мм) нежелательно. Засоренность грязи частицами более 0,25 мм не должна превышать 2-3%. В то же время излишне тонкий состав скелета грязи делает ее чрезмерно «мягкой», текучей, неспособной «держать» форму (грязевую аппликацию, грязевую лепешку и др.).
Тонкодисперсная часть или коллоидный комплекс грязи представляет собой ее пластичную гидрофильную основу, обеспечивающую влагоемкость, а следовательно, и тепловые свойства грязи. Обычно коллоидный комплекс включает в себя в различных соотношениях гидротроиллит, разложившееся органическое вещество и минеральные (чаще глинистые) частицы, а также некоторое количество кремниевой кислоты, поглощенные ионы и др. Коллоидный комплекс может достигать 60-70% и более от сухого вещества грязи.
Грязевой раствор (отжим) представляет собой жидкую часть грязи и обычно состоит из воды и растворенных в ней минеральных солей, органических веществ и газов. Грязевой раствор является наиболее подвижной, а следовательно, и наиболее активной в терапевтическом отношении частью пелоида. Именно содержащиеся в растворе вещества способны в первую очередь оказывать раздражающее влияние на кожу и проникать через нее. Содержание солей в грязевом растворе составляет 0,01-400 и более г/л.
В вещественном составе грязи выделяют органическую и неорганическую (минеральную) ее части, находящиеся в твердом (твердая фаза), жидком (жидкая фаза) и газообразном (газовая фаза) состоянии.
Разложившееся органическое вещество (гумус, аморфный детрит и водорастворимые соединения) обычно составляет основную часть органической массы пелоидов — 80-90% и редко снижается до 60-70%. Химический состав органических веществ лечебных грязей весьма сложен и зависит от биологического состава исходного материала, характера и кратности его биологической переработки. Важнейшими компонентами органических веществ являются битумы 4-20% органической массы, воднорастворимые, легкогидролизуемые 8-52% (в том числе гемицеллюлоза 6-36%), гуминовые 17-60% (в том числе фульвокислоты 6-36%), трудногидролизуемые 2-14%, целлюлоза 1-9%, негидролизуемый остаток (лигнин) 9-31%. При наличии органических веществ нефтяного происхождения в их составе появляются нафтеновые кислоты, непредельные углеводороды, асфальтены и т.д. Разложившееся органическое вещество в большинстве своем является коллоидом, входит в гидрофильно-коллоидный комплекс и придает грязям хорошие тепловые и вязко-пластинчатые свойства. Многие органические вещества имеют большое лечебное значение (битумы, гуминовые кислоты, жирные кислоты, аминокислоты и др.).
Минеральная (зольная) часть лечебных грязей состоит из многочисленных нерастворимых в воде минералов и соединений, трудно- и легкорастворимых солей, а также других соединений. Эти минеральные вещества могут находиться в грязях в различном состоянии — в виде твердых частиц, гелей, растворенных в воде ионов и газов.
Из нерастворимых в воде веществ в минеральной части грязей преобладают глинистые породы, глинистые минералы, минералы группы кремнезема, разнообразные известняки и доломиты. Встречаются также железосодержащие руды и минералы. Соединения алюминия почти всегда присутствуют как часть глинистых пород. Кроме того, в минеральном составе грязей имеются в небольшом количестве соединения серы, марганца, фосфора, азота и в микродозах кобальт, свинец, молибден, йод, бром, уран и др. Растворимые в воде вещества (в основном, минералы й соли) могут находиться в лечебных грязях как в растворенном состоянии — в грязевом растворе, так и в виде выпавших в осадок кристаллов, порошка, прослоек.
Газы в лечебных грязях содержатся, как правило, в небольшом количестве и образуются как за счет биологических процессов, так и в результате химических реакций. Газы могут находиться в грязях в свободном состоянии (в порах и капиллярах растительных остатков, а также на поверхности твердых минеральных частиц), чаще в растворенном состоянии. Среди газов, встречающихся в грязях, следует прежде всего отметить сероводород, углекислый газ, метан, азот, кислород и др.
По содержанию органических веществ пелоиды подразделяются на органические (торфы и сапропели), где органических вещнств более 10% от сухого вещества.
По содержанию водорастворимых солей лечебные грязи подразделяют на пресновоДные, низкоминерализованные (1-15 г/л), средне-минерализованные (15-35 г/л), высокоминерализованные (35- 1150 г/л), насыщенные солями (150-300 г/л) и перенасыщенные солями (более 300 г/л). По содержанию сульфидов пелоиды подразделяются на бессульфидные (сумма сульфидов FeS менее 0,01% от естественной грязи), слабосульфидные (0,01- 0,15%), среднесульфидные (0,15-0,5%) и сильносульфидные (более 0,5%).
По реакции среды выделяют ультракислые (pH менее 2,5), кислые (pH 2,5-5), слабокислые (pH 5-7), слабощелочные (pH 7-9), щелочные (pH более 9). По компонентному составу золы различают известковистые (СаСОз более 30%), железистые (Fe203+Fe0 более 20%) и глинистые (Si02+Al203 более 50%) пелоиды.
Органические грязи подразделяют по биологическому составу неразложившихся органических остатков. Так, сапропели могут быть водорослевые, зоогеновые и торфянистые (в том числе и гумусовые), торфы низкозольные — верховые и переходные лесного, топяного, лесо-топяного состава, торфы среднезольные и высокозольные — все низинные (ольховый, березовый, тростниковый, осоковый, гипновый, сфагновый и т. д.).
Регенерация лечебных грязей
В практике многих грязелечебных учреждений часто возникают трудности с обеспечением лечебными грязями из-за малых запасов грязей или большой их отдаленности и сложности добычи. В таких случаях почти всегда становится целесообразным многократное использование лечебной грязи, возможное благодаря ее способности к регенерации. Под регенерацией грязи понимают восстановление ее физико-химических, микробиологических и санитарно-бактериологических показателей после лечебного использования при ее хранении в соответствующих условиях.
Перемещение грязи, ее подогрев, перемешивание, разбавление водой, контакт с обслуживающим персоналом и особенно с больными, принимающими процедуры, — все это неизбежно приводит к заметным изменениям физико-химических свойств лечебной грязи, ее микробиологического состава, к ухудшению ее санитарного состояния.
В физико-химическом отношении грязь становится менее вязкой и пластичной, ее сопротивление сдвигу может уменьшаться. Если удаление отработанной грязи в бассейны осуществляется путем смыва ее водой, то грязь вообще превращается в пульпу и требует для своего уплотнения значительного времени. В грязях, сформированных в восстановительной среде (сульфидных илах, торфах и сапропелях), кроме того, отмечается значительное окисление, снижающее содержание в них сероводорода и сдвигающее окислительно-восстановительный потенциал в положительную сторону на 100-200 мВ и более. Кислые разновидности пелоидов (купоросные торфы, сестрорецкие гиттиевые глины), наоборот, восстанавливают свой потенциал (на 50-100 мВ), уменьшают кислотность (pH возрастает на 0,5-1) и минерализацию грязевого раствора (на 5-10 г/ли более). В пресноводных торфах и сапропелях изменения химического состава менее заметны.
Микробиологические изменения заключаются в том, что грязевая микрофлора в результате перемешивания и прогрева грязи резко активизирует свою жизнедеятельность. Нарушается равновесное соотношение между различными группами микроорганизмов и происходит бактериальная вспышка. Увеличивается общее число сапрофитов (в сотни и тысячи раз), возрастает количество гнилостных аэробов, а иногда и анаэробов, денитрификаторов, клетчаткоразрушающих и тионовокислых бактерий, снижается количество сульфатредуцирующих бактерий. Грязь светлеет, часто приобретает неприятный гнилостный запах, начинает «бродить». Хотя такая вспышка временно ухудшает качество грязи, она является важнейшим моментом регенерации, так как способствует разложению органического вещества и пополнению легкоусваиваемых углеводов, гуминовых .кислот, битумов, а также очищает грязь от посторонних веществ, попавших в нее во время использования.
Интенсивность бактериальной вспышки и ее продолжительность зависят прежде всего от химического состава грязи и условий ее хранения после использования. Наиболее бурная и продолжительная бактериальная активность наблюдается в низкоминерализованных и пресноводных грязях, богатых органическим веществом (торфы и сапропели). Высокая концентрация солей в грязевом растворе угнетает бактериальную активность, недостаток органических веществ сокращает ее длительность. Ускоряют протекание микробиологических процессов также повышенная температура хранения грязи (25- 40 °С), надежная ее изоляция от воздуха - для всех сульфидных разновидностей (что достигается обычно хранением грязи в бассейнах под слоем воды), или, наоборот, хорошая аэрация грязи — для окисления железистых ее разновидностей.
Помимо бактериальной вспышки в сульфидных и окисленных разновидностях грязей важным моментом для регенерации является также деятельность групп сульфатредуцирующих бактерий.
Грязь, примененная для больных с гноящимися ранами, язвами, кожными болезнями, для гинекологических тампонов и т. д., повторному использованию вообще не подлежит.
Считается, что отмирание большинства видов болезнетворных и гноеродных микроорганизмов в грязевом субстрате происходит значительно раньше отмирания бактерий эшерихии и перфрингенс, т. е. оба последних вида бактерий и для лечебных грязей являются достаточно надежными контрольными санитарно-бактериологическими показателями. Следовательно, нормализация этих показателей в грязи, находящейся на регенерации, свидетельствует о ее готовности к повторному использованию.
Надежных же показателей обнаружения человеческих экскретов в грязи нет. Определяемые в таких случаях аммиак, нитраты и нитриты могут исказить реальность, так как часто образуются в грязи за счет обычных биохимических процессов, и их наличие тогда не связано с внешним загрязнением. Основная часть попавших в лечебную грязь человеческих выделений разрушается микроорганизмами. Поэтому чем интенсивнее бактериальная вспышка в грязи после ее использования, тем быстрее очищается грязь. В грязях, богатых растворенными солями, происходит и химическая минерализация инородных органических веществ. В кислых купоросных грязях под воздействием серной кислоты разрушение этих веществ осуществляется еще быстрее. В пресноводных же пелоидах, богатых органическими веществами, экскреты человека могут сохраняться длительное время, из-за чего сроки их регенерации даже при быстром восстановлении химических и бактериологических показателей обычно увеличивают до 2-3 лет и более или их повторное использование вообще не рекомендуют.
Таким образом, сущность регенерации лечебных грязей заключается в восстановлении физико-химических свойств грязи, в наличии бактериальной вспышки с последующим ее угасанием до восстановления первоначального количественного и качественного состава основных физиологических групп организмов и, наконец, в нормализации санитарно-бактериологических показателей. Причем требования в отношении санитарно-бактериологических показателей для регенерируемой грязи остаются такими же, как и для свежедобытой.
Сроки регенерации грязи могут колебаться от 2-3 месяцев до нескольких лет и зависят от химического и биологического состава грязей, способа их подготовки и использования, от начального санитарного загрязнения и условий регенерации (температуры, объемов регенерационных бассейнов, минерализации покровной воды и др.). Поэтому сроки обычно определяются опытным путем для каждой разновидности грязи в конкретных условиях определенного грязевого хозяйства.
