Veekriis ja vee elutähtis olemus

Mis on vesi? Sellele küsimusele vastab tavaliselt iga õppinud koolijüts: vedelik lihtsa keemilise valemiga H2O. Vesi on inimesele elulise tähtsusega aine ning selle teadvustamiseks tähistatakse iga aasta 22. märtsil ülemaailmset veepäeva, kirjutab keemiainsener Rein Munter ajakirjas Horisont.

Ometi oleme praegu olukorras, kus üha sagedamini räägitakse veekriisist.

Tänapäeval puudub umbes miljardil inimesel ligipääs puhtale ja ohutule joogiveele. Miljonid inimesed Sudaanis, Venezuelas, Zimbabwes, Tuneesias, Kuubal jm on sunnitud joogiks tarbima rohkem või vähem saastatud vett. Maailma terviseorganisatsiooni (WHO) andmetel on 80% kõigist haigustest tingitud ebakvaliteetsest joogiveest. Praeguse arengutendentsi jätkudes kannatab kaks kolmandikku maailma rahvastikust aastaks 2025 mõõdukat kuni tõsist veepuudust. Kui inimkonna juurdekasv jätkub praeguse tempoga, on UNESCO (ühinenud rahvaste hariduse, teaduse ja kultuuri organisatsioon, ingl k United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization) hinnangul aastaks 2050 juba kõik maailma regioonid veepuuduses. Seega on põhjust üha tõsisemalt rääkida globaalsest veekriisist.

Üha teravnevate veekriiside prognoosid

Lõuna-Aafrika vabariigi pealinn Kaplinn vaevles alles hiljuti pika põua tõttu veepuuduses ning seal loeti päevi nn nullhetkeni, mil kraanid linnas päris kinni keeratakse. Erinevate meetmetega suudeti seekord nullpäeva siiski vältida, kuid mitmed teadustööd ja raportid viitavad, et sellise olukorraga tuleb maailmas silmitsi seista aina sagedamini.

Maailma ressursside instituut (World Resources Institute, WRI) on koos Hollandi valitsuse ja teiste koostööpartneritega loonud USA ja Euroopa kosmoseagentuuride NASA ja ESA satelliitide abil süsteemi, mis jälgib rohkem kui 500 000 maailma veehoidlat. Satelliitidega saab jälgida nende veetaseme muutusi ning selle põhjal prognoosida teatud piirkonda ohustavaid sotsiaalmajanduslikke probleeme.

Meie planeedi pinnast veega kaetud veidi üle 71%. Veevarudest 97% moodustavad ookeanidja mered ning ainult 2,5% on tinglikult magevesi – vesi, mille soolsus on väiksem kui 0,5 promilli. Mageveest omakorda ligi 69% asub liustike ja jääkattena maakera poolustel ning 33% paikneb maapõues. UNESCO andmetel moodustab põhjavesi ligi 20% kogu maailma veekasutusest. Maapinnalt – jõgedest, järvedest jm – on kättesaadav vaid 0,26% kogu mageveevarust. Foto: Horisont

Praeguseks on maailmas kaardistatud neli riskikohta, kus veepuuduse oht on väga suur. Kõige drastilisem on olukord Marokos, mille suuruselt teine veehoidla Al Massira on viimase kolme aasta jooksul kahanenud peaaegu 60% võrra. Seda põhjustavad pidev põud, aina suurenenud niisutusvee kasutamine ja lähedal asuva riigi suurima linna, Casablanca rahvaarvu kasvamine. Kuigi hiljuti piirkonnas siiski sadas vihma, on veetase ikka aastakümne madalaim. Olukorda raskendas seegi, et 2019. aasta teises pooles pidi Al Massira toitma ka riigi teist suurlinna Marrakechi.

Globaalseid kliimamudeleid ja sotsiaalmajanduslikke arengustsenaariume kasutades on WRI pannud 167 pinnavett kasutavat riiki tulevikus tõenäoliselt toimuvate veekriiside järgi pingeritta. Üllatuslikult leiame Eesti selles järjestuses üsna kõrgel, 36. kohal, mis tähendab, et kui meie majandus kasvab senise hooga, siis oleme juba aastaks 2040 silmitsi tõsise veekriisiga. Taoline asjade käik pole siiski kuigi usutav, sest Eestis kasutatakse joogivee allikana peamiselt põhjavett (erandid on siin vaid Tallinn ja Narva). Seepärast tundub, et WRI kasutatud metoodika ei ole arvestanud meie tegelikke olusid. Sellegipoolest peame oma veeressursside haldamisel jätkuvalt ettevaatlikud olema.

WRI prognoosi järgi on aastaks 2040 Euroopas meist hullemas veepuuduses vaid Hispaania ja Kreeka. Kõige rängem veekriis ootab sel ajal tõenäoliselt ees Bahreini, Kuveiti, Katari, San Marinot, Singapuri ja Araabia Ühendemiraate.

Teatav ohusignaal andis endast märku möödunud aasta juulis Kesk-Euroopas, kui sai teatavaks, et veepuudus kimbutab tõsiselt 38 miljoni elanikuga Poolas, kus on pikkamööda ära kuivanud sadu jõgesid. Eriti suur põud oli seal 2018. aasta suvel, mil kasutatav veeressurss langes kuni 1100 m³-ni inimese kohta aastas. Säärane näitaja vastab juba teravale veepuudusele. Lähiaastatel peab Poola valmis olema tõsiseks veekriisiks.

Vaatleme nüüd nende süngete prognooside kõrval lähemalt käesoleva artikli peategelase ehk vee enda olemust.

Vee erilised omadused ning roll elu tekkimises Maal

Kuni 18. sajandi lõpuni arvati, et vesi on ühtne, jagamatu aine. Aastal 1781 tõestas Henry Cavendish Inglismaal, et vesi koosneb kahest elemendist, ja aastatel 1783–1785 nimetas Antoine Lavoisier need kaks elementi – vesiniku ja hapniku – ning sünteesis nendest vett. Vee molekul on «polaarne», hapniku aatomil on kergelt negatiivne laeng jagamata elektronide paari tõttu ning vesiniku aatomitel kergelt positiivne laeng.

Vesiniksidemed hapniku aatomiga on 104,45º nurga all ning pikkusega 95,84 pikomeetrit (üks pikomeeter ehk pm on 10^-12 m). Täpsemalt öeldes võivad vee molekuli moodustumises osaleda vesiniku isotoobid 1H ja 2H ning hapniku isotoobid ¹⁶O, ¹⁷O ja ¹⁸O, andes veele erinevaid keemilisi, füüsikalisi ja bioloogilisi omadusi. Tuntakse ka rasket vett ehk deuteeriumi D₂O, mida on tavalises vees vähe (0,017%), kuid mille sisaldust on võimalik vee elektrolüüsiga tõsta. Kuna raske vesi reageerib kergest veest palju aeglasemalt, on seda kasutatud tuumareaktorites neutronite aeglustajana.

Vee molekuli ehitus. Punasena on kujutatud kergelt negatiivse laenguga (punase ümbritseva väljaga) hapniku ja valgena kaht kergelt positiivse laenguga (sinise ümbritseva väljaga) vesiniku aatomit. Foto: Horisont

Antoine de Saint-Exupéry on öelnud: «Vesi pole mitte eluks vajalik, vaid vesi on elu ise». Öeldust võib mõista, et vesi on bioloogilise elu kandja. Kuidas sellest aru saada?

Vesi esineb Maal üheaegselt kolmes olekus: gaasilises (aur), vedelas (vesi) ja tahkes (jää). Teisi samaaegse kolmefaasilise olekuga aineid ei ole teada. Vähem teatakse seda, et vett on teatavatel tingimustel (temperatuur 647 kelvinit, rõhk samal ajal 218 atmosfääri) võimalik viia ka neljandasse, superkriitilisse olekusse, kus kaob erinevus vedela ja gaasilise faasi vahel, ning selles olekus on vee tihedus väike (0,32 g/cm³). Superkriitiline vesi lahustab erinevalt tavalisest veest hästi just orgaanilisi saasteaineid, mistõttu kasutatakse seda reovete superkriitilise oksüdatsiooni läbiviimiseks.

Tahkete kehade tihedus on alati suurem igasuguse vedeliku tihedusest ning seetõttu upub tahke keha vedelikus. Vesi on siin harvanähtav erand – jäätükid ujuvad vee pinnal, kuna nende tihedus (0,92 g/cm³) on väiksem vee omast (4°C juures 1 g/cm³). Kui see poleks nii, siis kõik veekogud külmuksid talvel alati läbi ning kõik vees elavad organismid (sh kalad ja muud veeloomad) hukkuksid. Sel juhul poleks elu saanud Maal tekkidagi.

2001. aastal tegid NASA uurijad koos Santa Cruzi ülikooli teadlastega huvitava katse. Nad jahutasid vee, metanooli, süsihappe ja süsinikdioksiidi segu peaaegu absoluutse nullini (–263,26 ºC) ning kiiritasid seda UV-kiirtega samas lainepikkuste piirkonnas, mis on omane Päikesesüsteemile. Segu hilisemal uurimisel avastati ligikaudu 10 mikromeetri suurusi mullikujulisi rakke, orgaanilisi ehk iseorganiseeruvaid struktuure.

Vee molekul on üks väiksemaid ja kergemaid molekule, mis mängib tähtsat osa kõigis bioloogilistes protsessides, täites nn elu maatriksi rolli. Elusorganismides on 50–99% vett, inimeses umbes 70%. Kõik vee omadused (pindpinevus, läbipaistvus, tihedus, sulamissoojus, soojusmahtuvus, aurustumissoojus) on seotud elu säilimise ja edasikandumisega Maal.

Vee keemispunkt õhurõhul (100 ºC) on üsna kõrge, kuna veemolekulide üleminekuks aurufaasi on vaja lõhkuda vesiniksidemed. Samal põhjusel on veel ka suur aurustumissoojus (41 kJ/mol). Elu Maal mõjutab vee aurustumisprotsess – troopilistes piirkondades palju soojust neelanud vesi kannab seda auruna mujale ning ühtlustab jahtudes ja vihmana alla sadades planeedi temperatuuri. Suur aurustumisssoojus takistab ka organismi kuivamist ning liigset jahtumist.

Vee suur soojusmahtuvus (4,19 kJ/kg ∙ deg) tähendab, et palju soojust neelates muutub selle temperatuur vähe, käitudes nõnda termilise puhvrina. Suur soojusmahtuvus, kõrge soojusjuhtivus ning väga kõrge veesisaldus tagavad organismi vajaliku soojusregulatsiooni, vältides lokaalseid temperatuurikõikumisi. Teada-tuntud on ka vee suur pindpinevus 75,6 kg/s² (0 ºC juures), mis võimaldab väikestel lindudel ja veeputukatel selle pinnal kõndida. Kindlasti on vee üks olulisemaid funktsioone Maal osalemine fotosünteesis.

Tänu molekulide väiksusele ja polaarsusele on vesi ideaalne lahusti eeskätt polaarsetele, ioniseerunud ainetele, sooladele ja gaasidele. Veel on unikaalsed hüdratatsiooniomadused bioloogiliste makromolekulide (valgud, nukleiinhapped) suhtes.

Vee molekulid moodustavad klastreid

Oluline pole mitte ainult vee keemiline koostis, vaid ka selle struktuur. Varem oli teada, et vedelas vees tekivad vesiniksidemed ühe veemolekuli vesiniku aatomi ja teise vee molekuli hapniku aatomi vahel ning viimased 20 aastat on arvatud, et tekkivate sidemete arv on keskmiselt 3,5 (st 3–4). Nüüd on leitud, et vesiniksidemed tekivad ja purunevad kiirusega üks pikosekund (s.o üks triljondik sekund). Vesiniksidemete teke põhjustab suuremate veekogumite, nn klastrite moodustumise.

Oslo ülikooli keemia instituudi professor Einar Uggerud on vee olemuse kohta tõdenud: „Vee füüsika ja keemia pole mitte ainult olulised elu ja meie eksistentsi seisukohast, vaid ka erakordselt huvitavad omaette teaduslikud uurimisobjektid. Teadlased murravad seniajani pead mitmete tuntud anomaaliate üle vedela ja tahke vee omadustes. Vaatamata ühe isoleeritud veemolekuli H₂O näivale lihtsusele ei ole seni suudetud leida seletust molekulide suurte komplekside (klastrite) tekkele ja käitumisele.”

Mõned aastad tagasi toimus vee struktuuri mõistmises siiski üsna suur läbimurre. USA Stanfordi ülikooli teadlased avastasid koostöös Rootsi Stockholmi ülikooli ja Linköpingi ülikooli ning Hollandi Utrechti ülikooli spetsialistidega, et vee molekulid grupeeruvad palju lõdvemalt, kui seni arvatud. 3–4 sideme asemel tehti kindlaks ainult kahe sideme olemasolu. See tähendab, et vee molekulid võivad kergesti moodustada mitte ainult sirge ahela, vaid ka suletud ringi.

Enam-vähem teatakse nüüd, kuidas need klastrid tekivad, kuid keegi ei oska seni täpselt öelda, miks need tekivad. Kas erinevad keemilised reagendid (näiteks kloor ja osoon) võivad erinevalt mõjutada vee struktuuri? Kuidas mõjutaks see omakorda vee kvaliteeti? Need ja paljud teised küsimused on seni lõpliku vastuseta.

Ruumiline pilt veeklastrist numbriga H3O+ ehk (H2O)20. USA Pittsburghi ülikooli keemiaprofessor Kenneth Jordan avaldas hiljutise uurimistöö tulemusena veemolekuli uudse struktuuri pildi. Pildil on näha, et kakskümmend veemolekuli on omavahel seotud vesiniksidemetega dodekaeedri- ehk kaksteisttahukakujuliseks veeklastriks. Üks veemolekul (lilla) asub selle keskel ning üks liigne prooton on seotud H3O+-iooniga (sinine) klastri pinnal. Seda tüüpi klastrit peetakse kõige stabiilsemaks, kuid seejuures on siin võimalikud veel 1020 erinevat konfiguratsiooni. Selline vee molekuli struktuur oli seni tundmatu. Ehkki juba umbes kolmkümmend aastat tagasi pakuti vee molekulide paigutuse mudelina dodekaeedrit, mis koosnes kahekümnest omavahel ühendatud vee molekulist, ei teatud siis, kus paikneb üks liigne ehk hüdrateeritud prooton – kas keskel ühe H2O molekuli juures või klastri pinnal. Jordan selgitas välja, et see asub klastri pinnal Foto: Wikipedia

Milline peaks olema tervislik joogivesi?

Inimese organismis on vett ligemale kaks kolmandikku keha massist. Vesi tagab kõigi keharakkude normaalse toimimise, toitainete imendumise rakkudesse ning kahjulike jääkainete eraldumise, hoides organismi tasakaalus. Toiduta võib inimene vastu pidada 3–4 nädalat, joogiveeta ainult 3–4 päeva. Rakkudes kulgeb normaalne osmoosiprotsess – madalama soolasisaldusega vedelik liigub läbi raku poolläbilaskva membraani suurema soolasisaldusega vedeliku sisse, tagades nõnda raku ainevahetuse.

Milline peaks olema tervislik joogivesi? Esmapilgul võib tunduda, et see peaks olema hästi puhas vedelik, mis koosneb ainult veemolekulidest H₂O ning mingeid teisi aineid ei sisalda. Sellist vett saaksime loodusliku vee destilleerimisel, pöördosmoosseadme abil või ioonivahetusprotsesse kasutades. Sellises demineraliseeritud vees on väga vähe lahustunud aineid (mineraalsoolade sisaldus on alla 1 mg/l). Kuna vesi on vere oluline koostisosa, aga veri on mitmete oluliste elementide (naatriumi, kaaliumi, kaltsiumi, magneesiumi) sisalduse poolest väga sarnane mereveega, siis on demineraliseeritud vesi organismile väga mürgine. Pealegi on sellisel veel mitmeid teisi halbu omadusi: näiteks rikub see kergesti veeseadmeid ja -torustikku, on väga halva maitsega ning sellise vee joomisel tekib kehale vajalike elementide kadu. Joogiveel on vastuvõetav maitse, kui selles lahustunud mineraalsoolade sisaldus on vähemalt 50 mg/l.

Artikli teist osa joogivee puhastusvõimalustest saab lugeda järgmisest Horisondist.

Rein Munter (1936) on keemiainsener, Tallinna tehnikaülikooli emeriitprofessor. Teadustöös on ta tegelenud peamiselt nii joogi- kui reovee puhastustehnoloogiatega. Seejuures on talle kõige südamelähedasem uurimisteema olnud osoon ja sellega seotud oksüdatsiooniprotsessid veepuhastuses.

Originaalartikkel ilmus ajakirjas Horisont.

Foto: Horisont