Аэродисперсии

А эрозоли <0,1 мкм Аэросуспензии >0,1 мкм

Дымы Туман Грубая пыль Тонкая пыль

(твердая (жидкая (>10 мкм) (0,1-10 мкм)

фаза) фаза)

Степень дисперсности пыли является основным признаком, в значительной мере определяющим физико-химические свойства пылевых частиц: их летучесть, растворимость, химическую активность, электрические, оптические и другие свойства. От размеров частиц зависит также глубина их проникновения в органы дыхания и степень задержки в легких.

Находящаяся в дисперсном состоянии пыль приобретает ряд особых свойств:

1) Способность пылевых частиц удерживаться в воздухе во взвешенном состоянии или выпадать из него, оседая с различной скоростью, что зависит от их размеров и удельного веса. Взвешенная в воздухе пылинка подвергается воздействию 2-х противоположно направленных сил: силы трения и силы тяжести. Если сила тяжести больше силы трения (пылевые частицы размерами более 10 мкм), то частицы оседают с возрастающей скоростью. Если сила трения уравновешивает силу тяжести (частицы пыли размером 10-0,1 мкм), то они оседают с постоянной скоростью (закон Стокса). Пылевые частицы с диаметром менее 0,1 мкм, как правило, не выпадают из дисперсной системы и находятся в постоянном броуновском движении.

2) При попадании в легкие они действуют продолжительно и на ограниченных территориях. Они могут задерживаться в легких, фиксироваться на поверхности легочной ткани и действовать длительный срок, обеспечивая на площади их расположения высокую концентрацию действующего вещества. Так, в качестве антидетонатора в топливо двигателей внутреннего сгорания во многих странах добавляется тетраэтилсвинец. При этом около 98% свинца выбрасывается в атмосферу, причем 40% частиц свинца имеют диаметр 5 мкм. Такие частицы в месте их контакта с поверхностью легких создают высокую концентрацию свинца для контактирующих с ними клеток.

3) Обладая огромной активной поверхностью, они не только сами действуют, но и сорбируют на себе комплекс различных веществ (газов, паров, золей) и резко увеличивают концентрацию этих веществ на ограниченной территории. Аэродисперсии сорбируют на себе РВ, увеличивая плотность их выпадения. Если за городом плотность выпадения РВ - 1, то в парковой зоне выпадает 1,28, в жилой - в 1,57 и в промышленной зоне - в 2,2 раза больше РВ, чем за городом. Некоторые угли и сланцы могут содержать много РВ. При сгорании угля РВ концентрируются.

“Горячие частицы” (активность 10^-8 -10^-12кюри)обеспечивают очень большую активность на площади 10-16 клеток (2000 рад).

4) Аэродисперсии могут нести на себе канцерогенные и радиомиметические вещества. Сейчас насчитывается до 400 канцерогенных веществ. Наиболее активны 3,4-бензпирен, 1,2,5,6-дибензантрацен.

Подсчитано, что житель города в течение года получает 200 мкг бензперена (канцерогенная доза для мышей - 1,34 мкг). От курения еще добавляется примерно 150 мкг этого вещества.

Р адиомиметические вещества вызывают такие же изменения, как и ионизирующие излучения: угнетают деление клеток, вызывают их злокачественное перерождение, вызывают мутации. К таким веществам относятся соединения, содержащие хлорэтиловую группу - СН₂СН₂Cl (иприт), эпоксидную - СН-СН₂, этиленамидную группу N, метилтиоокси-группу - О-SO₃CH₂. О СН₂ СН₂

Характерное свойство радиомиметических веществ - способность соединяться с белками. Эти соединения способны образовывать мостики в виде клешни, соединяя 2 молекулы белков. В результате резко изменяются биологические свойства белков. Склонны считать, что эти вещества опаснее ионизирующих излучений.

Радиомиметические вещества обычно имеют органическое происхождение и большие молекулы. В организм они попадают в виде золей (туман) или сорбированными на аэродисперсиях.

5) Аэродисперсии изменяют климат населенных мест, особенно световой. Имеется прямая связь между количествами аэрозолей и туманов.

Действие аэродисперсий определяется их количеством, степенью дисперсности и химическим составом.

Степень дисперсности пыли определяет глубину проникновения пылевых частиц в дыхательные пути и степень задержки в них. Процент задержки в дыхательной системе в целом падает с уменьшением размера частиц от 5 мкм до размеров несколько меньших 1 мкм. С дальнейшем уменьшением размера частиц в область субмикроскопических величин, значение броуновского движения возрастает и степень задержки таких частиц в организме опять оказывается большей.

По форме частиц аэрозоли дезинтеграции имеют неправильную форму, это обломки. Аэрозоли конденсации имеют кристаллическую или шарообразную форму. От формы зависит скорость оседания частиц. Частицы неправильной формы оседают медленнее, так как всегда падают в положении наибольшей своей плоскости, встречающей наибольшее сопротивление воздуха. Форма влияет на сорбцию в легких: легче сорбируются частицы сферической формы. Травматизация легочной ткани острыми краями частиц неправильной формы не доказана, большинство авторов считает, что в этом отношении форма частиц не имеет значения (речь идет о частицах менее 3 мкм). Однако частицы круглой формы быстрее фагоцитирутся. Что касается крупных частиц, то частицы с острыми гранями могут вызывать микротравмы дыхательного эпителия, нарушать его барьерные функции, облегчать проникновение микроорганизмов и способствовать возникновению и развитию

пневмокониозов.

Что касается электрозаряда, то 82-99% всех пылевых частиц несет на себе положительный или отрицательный электрический заряд величиной от единиц до десятков элементарных зарядов. Величина заряда зависит и от интенсивности производственного процесса: при размоле и дроблении заряд больше, чем при распылении. Роль электрического заряда не изучена. Имеются данные, что заряженные частицы задерживаются в дыхательных путях в 2-8 раз больше, чем нейтральные.

От химического состава зависят физические свойства пыли (форма, консистенция, растворимость, взрывчатые свойства) и ее биологическая активность, в частности фиброгенность, аллергенные свойства, раздражающее действие и др.

Наиболее агрессивное фиброгенное вещество - свободный диоксид кремния, способный вызывать фиброз легких. На поверхности дыхательных путей диоксид кремния растворяется и образует кремневую кислоту, которая является протоплазматическим ядом, вызывает некроз клеток, затем пролиферацию соединительной ткани - силикоз. Вредна пыль с щелочными и кислыми свойствами. Нормально рН 6,8-7,4. Щелочная или кислая пыль вызывает сдвиг рН и нарушает работу мерцательного эпителия.

Растворимость в воде и тканевых жидкостях имеет положительное и отрицательное значение. Если пыль нетоксична и действует на ткани только механически, растворимость ее благоприятствует и способствует быстрому удалению пыли из легких. В случае токсической пыли растворимость отрицательна и способствует интоксикации организма.

Газовые молекулы располагаются на поверхности пылевой частицы и изменяют ее физические свойства, вследствие образования газовой оболочки. Такая частица более устойчива в воздухе, плохо смачивается водой, слабо флокулирует. Пылевые частицы, сорбирующие кислород, взрывоопасны. Пыль может адсорбировать ядовитые газы и в известных условиях десорбировать их. Сорбция пылевыми частицами кислорода делает их легко воспламеняющимися. Вслед за возгоранием отдельных частиц наступает волна воспламенения в результате контакта воспламенившихся частиц с соседними. Вследствие большой удельной поверхности и увеличения в связи с этим поверхностной энергии отдельных частиц вещество, из которого состоит пыль, становится более активным химически. Опасность взрыва пыли зависит от ее концентрации, дисперсности, наличия летучих веществ, зольности (т.е. наличия неорганических веществ), влажности.

Основной источник загрязнения воздуха золой и сажей - сжигание топлива. Основной ингредиент дыма - зола, количество ее зависит от зольности топлива. Иногда при сжигании 1 т каменного угля в воздух выбрасывается 120 кг золы и SO₂. Величина загрязненности воздуха золой и сажей зависит от ряда условий:

1. Влияния величины выброса. Чем больше выброс в единицу времени, тем больше загрязненность воздуха. В теплое время года загрязненность обычно снижается, но этой закономерности не

2. наблюдается в плохо обустроенных городах, так как играет роль почвенная пыль.

3. Влияние направление и скорости ветра. Чем больше скорость ветра, тем в большем объеме будут разбавляться поступающие в воздух загрязнения, тем меньше будет их концентрация.

4. Влияние температурного градиента. При температурной инверсии загрязнения не могут подниматься вверх и остаются в приземном слое, где увеличиваются концентрации. Поэтому при падении температурного градиента уменьшается дальность видимости.

5. Влияние влажности воздуха. Частички загрязнения, являясь ядрами конденсации для водяных паров, отягченные водяной оболочкой, опускаются вниз и увеличивают загрязнение воздуха.

6. Влияние расстояния от источника выброса. Чем дальше дым относится от точки выброса, тем больше сечение факела.

7. Влияние высоты выброса. Чем выше труба, тем меньше концентрация: чем выше труба, тем позднее факел касается земли и тем больше его сечение в месте соприкосновения с землей; чем выше труба, тем выше осевая линия факела, где концентрация загрязнения относительно выше; чем выше труба, тем больше скорость ветра в точке выброса и больше перемешивание загрязнения с воздухом.

Загрязнение воздуха приводит к ухудшению санитарно-гигиенических показателей: 1) увеличивается частота туманов; 2) снижается видимость; 3) снижается прозрачность для ультрафиолетовой радиации; 4) ухудшаются санитарно-бытовые условия жизни населения, загрязняются здания и сооружения; 5) отмечается отрицательное действие на растительность; 6) наблюдается негативное влияние на организм человека.

ПДК вредных веществ в воздухе рабочей зоны - это концентрации, которые при ежедневной (кроме выходных дней) работе в течение 8 ч или другой продолжительности (но не более установленной законодательством каждой страны), в течение всего рабочего стажа не могут вызывать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследований в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующих покаленей.

Максимальная разовая допустимая концентрация вредного вещества - концентрация вещества в зоне дыхания работающих, усредненная периодом кратковременного отбора проб (15 мин); среднесменная допустимая концентрация вредного вещества - это средняя концентрация, полученная при непрерывном или прерывистом отборе проб воздуха при суммарном времени не менее 75% продолжительности рабочей смены, или концентрация, средневзвешенная во времени длительности всей смены в зоне дыхания работающих на местах постоянного или временного пребывания их.

ПДК атмосферных загрязнений - это максимальная концентрация, отнесенная к определенному периоду осреднения (20-30 мин, 24ч, 1 мес, 1 год), не оказывающая при регламентированной вероятности ее появления ни прямого, ни косвенного вредного действия на организм человека, включая отдаленные последствия для настоящего и последующих поколений, ни снижающая его работоспособности и не ухудшающая его

самочувствия.

Токсиколого-гигиеническая оценка и санитарная стандартизация вредных веществ в воздухе рабочей зоны, как правило, состоят из трех основных этапов:

1. сбор соответствующей информации, первичную токсиколого-гигиеническую оценку, обоснование ориентировочных безопасных уровней воздействия (ОБУВ);

2. полная токсикологическая оценка с последующим экспериментальным обоснованием ПДК;

3. клинико-гигиенические исследования осуществляют с целью корректировки экспериментально установленных ПДК.

Основные этапы оценки токсичности и санитарной стандартизации вредных веществ в воздухе рабочей зоны:

1. Сбор первичной информации:

1.1. физико-химические свойства вещества;

1. 2. сфера производственного применения;

1.3. симптомы и механизм действия (по данным литературы о веществах, близких по структуре).

Результат: разработка ОБУВ

2. Первичная токсикологическая оценка:

2.1. разработка или выбор метода определения вещества в воздухе и биосредах;

2.2. состояние производственной среды;

2.3. специфические и отдаленные эффекты;

2.4. хроническое ингаляционное действие Lim_ch

Результат: разработка ПДК.

3. Клинико-гигиенические исследования:

3.1. гигиенические исследования на объектах, где достигнут уровень ПДК; систематический контроль уровня ПДК;

3.2. Изучение заболеваемости и состояния здоровья работающих (клиническое обследование, обобщение и статистический анализ данных заболеваемости, изучения здоровья и клинические обследования);

3.3. специфические эффекты: отдаленные эффекты хронического действия; дополнительные исследования.

Результат: корректирование ПДК.

В настоящее время методика обоснования ПДК в атмосферном воздухе включает в себя два этапа:

1. установление порога рефлекторного действия химического вещества на организм человека. При этом обычно используется порог ощущения вещества по запаху, а также наиболее чувствительные приемы, такие как световой чувствительности темно-адаптированного глаза и ЭЭГ;

2. определение порога общерезорбтивного действия в опытах на животных в условиях круглосуточных затравок.

Считается, что первый этап является основанием для установления максимально разовых ПДК, а второй - среднесуточных. Необходимо знать, что малые концентрации вредных веществ действуют на человека.

В области нормирования атмосферных загрязнений также изыскиваются пути для ускоренного обоснования ПДК. Для решения этого вопроса предлагаются следующие пути:

1. Расчет ПДК на основе анализа данных промышленной токсикологии и практического использования ПДК того или иного вещества в производственных условиях. Однако между максимальными разовыми ПДК веществ в атмосферном воздухе и их ПДК в воздухе производственных помещений существует относительно слабая связь, поскольку первые направлены на предупреждение рефлекторного влияния, а вторые - резорбтивного.

При разработке ПДК для воздуха рабочих помещений осуществляется прерывистая затравка животных, поэтому на уровень таких ПДК значительно влияет способность веществ к кумуляции. При установлении же среднесуточной ПДК атмосферных загрязнений затравка лабораторных животных проводится круглосуточно, поэтому значение способности веществ к кумуляции не принимается во внимание.

Возможны следующие виды действия атмосферных загрязнений на организм: 1) острые отравления, 2) хронические отравления; 3) метатоксическое действие; 4) промоторное действие. Хронические отравления встречаются значительно чаще, но они плохо регистрируются. ВОЗ рекомендует обращать внимание на метостатическое действие, и, особенно, учитывать заболеваемость хроническим бронхитом.

ЦЕЛЬ,ОБЪЕКТЫ И УСЛОВИЯ ХРОНИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА.

Хронический эксперимент - основа гигиенического регламентирования загрязнителей объектов окружающей среды. Основной целью хронического эксперимента являются:

1. определение зависимости доза-эффект, доза- время-эффект;

2. выяснение отдельных сторон механизма токсического действия в условиях длительного эксперимента с выявлением избирательности повреждения отдельных органов и систем организма;

3. разграничение процессов адаптации и скрытой компенсации патологического процесса.

Основной задачей проведения хронических опытов является установление пороговых концентраций вредного агента, поступающего в

организм различными путями и вызывающего гигиенически значимые изменения ряда интегральных и специфических показателей. Установление этих уровней - основная отправная точка последующего обоснования величин санитарных регламентов и гигиенических нормативов вредных загрязнителей в различных объектах окружающей среды (в том числе стандартизации сырья, синтетических и полимерных материалов, действующих веществ в составе различных препаратов, используемых в производстве и сфере быта). Хронический эксперимент - это основа разработки целой системы гигиенических мероприятий. Наряду с определением пороговых доз и/или концентраций в системе таксиметрических данных чрезвычайно существенно определение степени опасности хронического действия вредных веществ, т.е. степени их кумулятивной активности при малой интенсивности вредного агента.

Одним из основных критериев опасности вредного агента при хроническом воздействии применительно к промышленной токсикологии являются зоны хронического и биологического действия. Зона хронического яда - это отношение порога вредного действия при однократном воздействии к порогу вредного действия при хроническом воздействии Z_ch= Lim_ae/Lim _ch.

Зона биологического действия - отношение средней смертельной концентрации (дозы) вещества к пороговой концентрации (дозе) при хроническом воздействии ( Z_b.ef.=CL₅₀(DL₅₀)/Lim_ch).

Необходимо отметить, что Lim_ch, Z_ch являются наиболее значимыми показателями хронического действия яда, имеющими решающее значение при установлении ПДК вредных веществ в воздухе рабочей зоны и в других объектах окружающей среды.

ПДК в воздухе рабочей зоны ферментативных препаратов, относящихся ко 2-му и 4-му классам опасности, определяют исходя из порога их аллергического действия, который определяют при ингаляционной затравке (1 мес).

При гигиеническом нормировании микробных препаратов, основой которых составляют жизнеспособные штаммы микроорганизмов, токсичность не является критерием их вредности. Одним из лимитирующих показателей применения нового микроорганизма в качестве основы препарата является его патогенность. Патогенность - это свойство микроорганизма вызывать инфекционное заболевание. Степень патогенности определяется вирулентностью данного штамма. Средняя вирулентная доза (DV₅₀) - это доза, вызывающая гибель 50% подопытных животных при внутрибрюшинном введении взвеси штаммов микроорганизмов и в желудок. DV₅₀ определяется количеством клеток или микробных тел, введеных одному животному. Гигиеническому нормированию подлежат невирулентные штаммы микроорганизмов: 1) микроорганизмы, что не сохраняют свою жизнеспособность в макроорганизме; они реализуют свое токсическое действие через продукты метоболизма микробной клетки. При токсикологической оценке этих штаммов в первую очередь следует выявить количественную зависимость доза-эффект по отношению к их токсинам. 2) Микроорганизмы, которые сохраняют жизнеспособность в макроорганизме: выясняют места локализации и сроки пребывания их в макроорганизме, возможности реализации их биохимической активности, зависимости характера вредного действия от видовой принадлежности, физиологических и культурных свойств штаммов.

При определении опасности воздействия микроорганизмов или готовых форм препаратов уделяют внимание на порог аллергенного действия (Lim_ch^al) и порог антимикробного действия (Lim_ch^am), за который принимают наименьшее количество (концентрацию) микроорганизмов, вызвавших дисбиоз кишечника.

В основном все положения гигиенической регламентации микробиологических препаратов для воздуха рабочей зоны могут быть использованы при нормировании биологических загрязнителей в объектах

окружающей среды. При этом важное значение может иметь влияние на микроорганизмы различных химических веществ, поступающих во внешнюю среду.

Изучаемое вещество и его характеристика.

Ленинградской школой токсикологов были проведены анализ и классификация 38 констант физико-химических свойств и 5 характеристик токсичности. При рассмотрении корреляции между токсичностью и физико-химическими свойствами химических веществ наибольшее количество корреляций при r>50% и высокой степени надежности (р> 0,001) имело место с молекулярными свойствами вещества, связанными с энергией взаимодействия молекул между собой.

Установлена зависимость токсичности от термодинамической активности соединений. В докладе Комитета экспертов ВОЗ отмечено наличие тесной корреляции между опасностью и 1) молекулярной массой вещества, 2) показателем преломления; 3) температурой кипения; 4) температурой плавления; 5) давлением насыщенного пара, особенно для летучих органических соединений. Сведения о физико-химических свойствах вещества рекомендовано включать в “Токсикологический паспорт химических соединений, внедряемых в народное хозяйство и сферу быта”, а также в перечень данных по токсичности и безопасности химических веществ, предназначенных для международной торговли. В соответствии с международным научным проектом “Контроль опасности химических веществ для здоровья человека и окружающей среды” среди прочей информации, характеризующей химическое вещество, предусматриваются: 6) данные о химическом и товарном названии вещества (включая синонимы); 7) о химическом составе и процентном соотношении; 8) о степени чистоты (химическое название примесей и их процентное содержание); 9) сведения об основных физико-химических свойствах (при 20⁰С, 760 мм рт.ст.), таких, как агрегатное состояние, цвет, запах, размер частиц, концентрационные пределы взрывоопасности в воздухе (мг/м³) Кроме того, указывается на важность сведений о стабильности вещества или препарата в разных средах, о миграции, трансформации и накоплении его во внешней среде, о сорбции, адсорбции, десорбции.

К числу необходимых данных о химическом веществе должны быть отнесены: 1) температура кипения и плавления; 2) летучесть; 3) давление насыщенного пара; 4) растворимость в воде, жирах, органических растворителях. Большое значение имеет рН растворов, особенно при введении их через рот.

Метод определения содержания химических соединений или биологического препарата в воздухе рабочей зоны, например, должен обеспечивать избирательное определение содержания химического вещества или микробного начала в пробе воздуха на уровне 0,5 ПДК при длительности отбора не более 30 мин, а также быть специфичным в присутствии других веществ и микрофлоры, находящихся в воздухе рабочей зоны. Максимальная общая ошибка при определении содержания изучаемого компонента в воздухе рабочей зоны не должна превышать +_25%. Требования к отбору проб и определению содержания изучаемого компонента в воздухе изложены в ГОСТ 12.1.005-76 “Воздух рабочей зоны. Общие санитарно-гигиенинические требования” и 12.1.016-79 “Воздух рабочей зоны. Требования к методикам измерения концентраций вредных веществ в воздухе”. Среднесменную допустимую концентрацию вредного вещества определяют как среднюю, полученную при непрерывном отборе проб воздуха при суммарном времени не менее 75% продолжительности рабочей смены или как средневзвешенную за время всей смены.

Условно оценивают пригодность метода в том случае, если с его помощью селективно определить минимум 0,1 ПДК с точностью до +_10%.

В международном руководстве по тестированию химических веществ также предусматривается использование животных двух видов, но при этом предпочтение отдают исследованиям на собаках и приматах (по 4 животных обоего пола). Одновременно рекомендуется использовать в опыте грызунов (20 особей в группе).

С целью обоснования ПДК вредных веществ в атмосферном воздухе в последнее время все чаще используют принципы экстраполяции данных с учетом зависимости концентрация - время - эффект, что позволяет значительно сократить время проведения эксперимента и рекомендовать гигиенический норматив, рассчитанный на различную продолжительность воздействия (среднесуточная, среднемесячная, среднегодовая ПДК). Хронический эксперимент, планируемый для нормирования вредных веществ в указанных выше объектах, должен продолжаться не менее 1/10 жизни животного. В Международном руководстве ОЕСД для различных условий осуществления хронического эксперимента не дается различий относительно длительности воздействия, рекомендуется лишь общая продолжительность экспозиции, равная 12 мес, т.е. отсутствует дифференциация экспозиции в зависимости от целей исследования и объекта нормирования (воздух рабочей зоны, вода водоемов, атмосферный воздух и т.д.). Выяснение зависимостей доза-эффект- и доза-время-эффект, рекомендуется изучить действие не менее трех концентраций (доз), разрыв между которыми составляет обычно от 5 до 10 раз.

Выбор концентраций осуществляется с учетом ряда физико-химических и биологических свойств изучаемого вещества, а также на основании данных о сравнительной токсичности соединений соответствующих классов, близких по характеру биологического действия. В итоге выбор производят с таким расчетом, чтобы в хроническом эксперименте подобрать уровни концентраций (доз), вызывающие отчетливый, минимальный (пороговый) и подпороговый эффекты (не менее 3 уровней).