2.3. Вредные химические вещества

Вредные химические вещества окружающей сре­ды, как и любые другие, можно разделить на две группы: естественные (природные) и антропоген­ные (попадающие в окружающую среду в связи с деятельностью человека).

Для организма человека разнообразие химичес­ких веществ имеет неравноценное значение. Одни из них индифферентны, то есть безразличны для организма, другие оказывают на организм вредное действие, третьи обладают выраженной биологичес­кой активностью, являясь либо строительным ма­териалом живого вещества, либо обязательной со­ставной частью химических регуляторов физиоло­гических функций: ферментов, пигментов, витами­нов. Последние получили название биологически активных элементов (или биогенных элементов). Все биогенные элементы в зависимости от их про­центного содержания в организме человека разде­лены на две группы:

— макроэлементы — О, С, Н, N, CI, S, P, Ca, Na, Mg, содержание которых в организме человека со­ставляет 10^-3% и более;

• микроэлементы — I, Си, Со, Zn, Pt, Mo, Mn и др., содержание которых в организме достигает 10^-3— 10^-12%;

• следовые элементы, обнаруживаемые в орга­низме человека в количествах, не превышающих 10^-12%.

Качественное и количественное содержание хи­мических элементов определяется природой орга­низма, при этом внутренняя и внешняя среда представляет собой единую, целостную систему, находящуюся в динамическом равновесии с окружа­ющей средой.

Необходимо отметить однако, что физиологичес­кие возможности процессов уравновешивания внут­ренней среды организма с постоянно меняющейся внешней средой ограничены. Расстройство равно­весия, выражающееся в нарушении процессов жиз­недеятельности или в развитии болезни, может на­ступать при воздействии чрезвычайного по величи­не или необычного по характеру фактора внешней среды. Такого рода ситуации могут иметь место на определенных территориях вследствие естественного неравномерного распределения химических элемен­тов в биосфере: атмосфере, гидросфере, литосфере.

На этих территориях избыток или недостаток оп­ределенных химических элементов наблюдается в местной фауне и флоре. Такие территории были на­званы биогеохимическими провинциями, а наблю­даемые специфические заболевания населения по­лучили название геохимических заболеваний. Так например, если того или иного химического элемен­та, скажем йода, оказывается недостаточно в почве, то понижение его содержания обнаруживается в растениях, произрастающих на этих почвах, а также в организмах животных, питающихся эти­ми растениями. В результате пищевые продукты как растительного, так и животного происхожде­ния оказываются обедненными йодом. Химический состав грунтовых и подземных вод отражает хими­ческий состав почвы. При недостатке йода в почве его недостаточно оказывается и в питьевой воде. Йод отличается высокой летучестью. В случае по­ниженного содержания в почве, в атмосферном воз­духе его концентрация также понижена. Таким об­разом, в биогеохимической провинции, обедненной йодом, организм человека постоянно недополучает йод с пищей, водой и воздухом. Следствием являет­ся распространение среди населения геохимическо­го заболевания — эндемического зоба.

В биогеохимической провинции, обедненной фто­ром, при содержании фтора в воде источников во­доснабжения 0,4 мг/л и менее, имеет место повы­шенная заболеваемость кариесом зубов.

Существуют и другие биогеохимические провин­ции, обедненные медью, кальцием, марганцем, ко­бальтом; обогащенные свинцом, ураном, молибде­ном, марганцем, медью и другими элементами.

Неоднородная на различных территориях при­родная геохимическая обстановка, определяющая поступление в организм человека химических ве­ществ с пищей, вдыхаемым воздухом, водой и через кожу, может изменяться также в значительной сте­пени в результате деятельности человека. Появля­ется такое понятие, как антропогенные химичес­кие факторы среды обитания. Они могут появляться как в результате целенаправленной деятельнос­ти человека, так и в результате роста народонасе­ления, концентрации его в крупных городах, хи­мизации всех отраслей промышленности, сельско­го хозяйства, транспорта и быта.

Безграничные возможности химии обусловили получение взамен естественных, синтетических и искусственных материалов, продуктов и изделий. В связи с этим постоянно возрастает уровень заг­рязнения внешней среды:

• атмосферы — вследствие поступления промышленных выбросов, выхлопных газов, продук­тов сжигания топлива;

• воздуха рабочей зоны — при недостаточной герметизации, механизации и автоматизации про­изводственных процессов;

• воздуха жилых помещений — вследствие дес­трукции полимеров, лаков, красок, мастик и др.;

• питьевой воды — в результате сброса сточных вод;

• продуктов питания — при нерациональном ис­пользовании пестицидов, в результате использова­ния новых видов упаковок и тары, при неправиль­ном применении новых видов синтетических кормов;

• одежды — при изготовлении ее из синтетичес­ких волокон;

• игрушек, бытовых принадлежностей — при изготовлении с использованием синтетических материалов и красок.

Все это предопределяет возникновение неадекватной процессам жизнедеятельности химической обстанов­ки, опасной для здоровья, а иногда и для жизни человека. В этих условиях проблема охраны природы и защита населения от опасного воздействия вредных химических факторов становится все актуальней.

Невозможно не допустить поступления разнооб­разных химических веществ в окружающую среду и организм человека. Но количественно это поступ­ление должно быть ограничено пределом, при ко­тором вредные вещества становятся индифферент­ными как для организма человека, так и для био­сферы в целом.

Широкое развитие химизации обусловило приме­нение в промышленности и сельском хозяйстве ог­ромного количества химических веществ — в виде сырья, вспомогательных, промежуточных, побочных продуктов и отходов производства. Те химические вещества, которые, проникая в организм даже в не­больших количествах, вызывают в нем нарушения нормальной жизнедеятельности, называются вред­ными веществами. Вредные вещества или промыш­ленные яды в виде паров, газов, пыли встречаются во многих отраслях промышленности. Например, в шахтах присутствуют вредные газы (окислы азота, окись углерода), источником которых являются взрывные работы. В металлургической промышлен­ности, кроме издавна известных газов (окиси угле­рода и сернистого газа) появляются новые токсичес­кие вещества (редкие металлы), применяемые для получения различных сплавов (вольфрам, молибден, хром, беррилий, литий и др.). В металлообрабаты­вающей промышленности широко распространены процессы травления металлов кислотами, гальвани­ческое покрытие, цианирование, кадмирование, азотирование, покрытие красками и др., при которых возможно выделение в воздух вредных газов и паров органических растворителей. Значительным источником вредных веществ в окружающей среде является химическая промышленность — основная химия, коксохимия, анилино-красочная промышлен­ность, производство синтетических смол, пластмасс, каучука, синтетических волокон. В сельском хозяй­стве основным источником вредных веществ явля­ется применение ядохимикатов.

По степени потенциальной опасности воздей­ствия на организм человека вредные вещества под­разделяются на 4 класса в соответствии с ГОСТ 12.1.007-76 с изменением №1 от 01.01.82 г.: 1 — чрезвычайно опасные, 2 — высокоопасные, 3 - умеренноопасные, 4 — малоопасные. Критериями при определении класса опасности служат ПДК, сред­няя смертельная доза, средняя смертельная концен­трация и др. Определение проводится по показате­лю, значение которого соответствует наиболее вы­сокому классу опасности.

Токсическое действие ядовитых веществ много­образно, однако установлен ряд общих закономер­ностей в отношении путей поступления их в орга­низм, сорбции, распределения и превращения в орга­низме, выделения из организма, характера действия на организм в связи с их химической структурой и физическими свойствами.

Пути поступления вредных веществ в организм

Вредные вещества могут поступать в организм тремя путями: через легкие при вдыхании, через желудочно-кишечный тракт с пищей и водой, че­рез неповрежденную кожу путем резорбции.

Поступление вредных веществ через органы ды­хания является основным и наиболее опасным пу­тем. Поверхность легочных альвеол при среднем их растяжении (то есть при спокойном, ровном ды­хании) составляет 90—100 м², толщина же альвео­лярной стенки колеблется от 0,001—0,004 мм, в связи с чем в легких создаются наиболее благопри­ятные условия для проникновения газов, паров, пыли непосредственно в кровь. Поступают хими­ческие вещества в кровь путем диффузии, вслед­ствие разницы парциального давления газов или паров в воздухе и крови.

Распределение и превращение вредного вещества в организме зависит от его химической активности. Различают группу так называемых нереагирующих газов и паров, которые в силу своей низкой химической активности в организме или не изменяются или изменяются очень медленно, потому они достаточно быстро накапливаются в крови. К ним относятся пары всех углеводородов ароматическо­го и жирного ряда и их производные.

Другую группу составляют реагирующие веще­ства, которые легко растворяются в жидкостях организма и претерпевают различные изменения. К ним относятся аммиак, сернистый газ, окислы азота и другие.

Вначале насыщение крови вредными вещества­ми происходит быстро вследствие большой раз­ницы парциального давления, затем замедляется и при уравнивании парциального давления газов или паров в альвеолярном воздухе и крови насыщение прекращается. После удаления пострадав­шего из загрязненной атмосферы начинается де­сорбция газов и паров и удаление их через лег­кие. Десорбция также происходит на основе зако­нов диффузии.

Опасность отравления пылевидными веществами не меньше, чем парогазообразными. Степень от­равления при этом зависит от растворимости хи­мического вещества. Вещества, хорошо раствори­мые в воде или в жирах, всасываются уже в верх­них дыхательных путях или в полости носа, напри­мер, вещества наркотического действия. С увеличе­нием объема легочного дыхания и скорости крово­обращения сорбция химических веществ происхо­дит быстрее. Таким образом, при выполнении фи­зической работы или пребывании в условиях повышенной температуры воздуха, когда объем ды­хания и скорость кровотока резко увеличиваются, отравление наступает значительно быстрее.

Поступление вредных веществ через желудочно-кишечный тракт возможно с загрязненных рук, с пищей и водой. Классическим примером такого по­ступления в организм может служить свинец: это мягкий металл, он легко стирается, загрязняет руки, плохо смывается водой и при еде или курении легко проникает в организм. В желудочно-кишечном трак­те химические вещества всасываются труднее по срав­нению с легкими, так как желудочно-кишечный тракт имеет меньшую поверхность и здесь проявля­ется избирательный характер всасывания: лучше всего всасываются вещества, хорошо растворимые в жирах. Однако, в желудочно-кишечном тракте ве­щества могут под действием его содержимого измениться в неблагоприятную для организма сторону. Например, те же соединения свинца, плохо раство­римые в воде, хорошо растворяются в желудочном соке и поэтому легко всасываются. Всасывание вред­ных веществ происходит в желудке и в наибольшей степени в тонком кишечнике. Большая часть хими­ческих веществ, поступивших в организм через же­лудочно-кишечный тракт, попадает через систему воротной вены в печень, где они задерживаются и в определенной степени обезвреживаются.

Через неповрежденную кожу (эпидермис, по­товые и сальные железы, волосяные мешочки) мо­гут проникать вредные вещества, хорошо раство­римые в жирах и липоидах, например, многие ле­карственные вещества, вещества нафталинового ряда и др. Степень проникновения химических ве­ществ через кожу зависит от их растворимости, величины поверхности соприкосновения с кожей, объема и скорости кровотока в ней. Например, при работе в условиях повышенной температуры возду­ха, когда кровообращение в коже усиливается, ко­личество отравлений через кожу увеличивается. Большое значение при этом имеют консистенция и летучесть вещества: жидкие летучие вещества быстро испаряются с поверхности кожи и не успе­вают всасываться; наибольшую опасность представ­ляют маслянистые малолетучие вещества, они дли­тельно задерживаются на коже, что способствует их всасыванию.

Знание путей проникновения вредных веществ в организм определяет меры профилактики отравлений.

Распределение, превращение и выделение ядов из организма

Поступившие в организм вредные химические вещества подвергаются разнообразным превраще­ниям, почти все органические вещества вступают в различные химические реакции: окисления, восста­новления, гидролиза, дезаминирования, метилирования, ацетилирования, образования парных соеди­нений с некоторыми кислотами. Не подвергаются превращениям только химически инертные веще­ства, например, бензин, который выделяется из организма в неизменном виде.

Неорганические химические вещества также под­вергаются в организме разнообразным изменениям. Характерной особенностью этих веществ является способность откладываться в каком-либо органе, чаще всего в костях, образуя депо. Например, в ко­стях откладываются свинец и фтор. Некоторые не­органические вещества окисляются: нитриты — в нитраты, сульфиды — в сульфаты.

Результатом превращения ядов в организме боль­шей частью является их обезвреживание. Однако имеется исключение из этого правила, когда в ре­зультате превращения образуются более токсичные вещества. Например, метиловый спирт окисляется до формальдегида и муравьиной кислоты, которые очень токсичны.

Знание процессов превращения химических ве­ществ в организме дает возможность вмешатель­ства в эти процессы с целью предупреждения нару­шения процессов жизнедеятельности.

Важное значение имеет соотношение между по­ступлением вредного вещества в организм и его вы­делением. Если выделение вещества и его превра­щение в организме происходит медленнее, чем по­ступление, то вещество накапливается в организме или кумулирует и может длительно действовать на органы и ткани. Такими типичными веществами являются свинец, ртуть, фтор и др. Вещества, хо­рошо растворимые в воде и крови, медленно накап­ливаются и также медленно выделяются из орга­низма. Летучие органические вещества (бензин, бен­зол) быстро сорбируются и также быстро выде­ляются не накапливаясь.

Комбинированное действие вредных веществ

В настоящее время, в связи с развитием промышленности и нарастанием процессов урбанизации, создаются условия поступления в организм человека одновременно нескольких или многих вредных химических веществ. В связи с этим появилось та­кое понятие, как комбинированное действие хими­ческих веществ на организм.

Возможны три основных типа комбинированною действия химических веществ: синнергизм, когда одно вещество усиливает действие другого; антаго­низм, когда одно вещество ослабляет действие дру­гого; суммация или аддитивное действие, когда дей­ствие веществ в комбинации суммируется. Накоп­ленные токсикологическими исследованиями данные свидетельствуют о том, что в большинстве случаев промышленные яды в комбинации действуют по типу суммации, то есть действие их складывается. Это важно учитывать при оценке качества воздушной среды. Например, если в воздухе присутствуют пары двух веществ, для которых установлена ПДК 0,1 мг/л для каждого, то в комбинации они окажут такое же воздействие на организм, как 0,2 мг/л вещества.

Для оценки воздушной среды при условии ком­бинированного действия химических веществ, А.В.­Аверьяновым предложена формула:

,

где а₁, а₂, а₃ — обнаруженные в воздухе концентрации вредных веществ;

х₁, х₂, х₃ — предельно допустимые концентрации этих веществ.

Если сумма в левой части больше 1, состояние воздушной среды оценивается как неудовлетвори­тельное.

Возможность аддитивного действия химических веществ в комбинации учитывается при оценке воз­душной среды и при проектировании промышлен­ных предприятий.

Принципы нормирования химических веществ в окружающей среде

Каков же предел содержания химических веществ в окружающей среде, где количественные границы этого предела для безопасности жизнедеятельнос­ти? В связи с этой проблемой и возникло понятие предельно допустимых концентраций (ПДК).

Один из ведущих токсикологов И.В. Саноцкий в 1971 году предложил наиболее точную формули­ровку ПДК применительно к любым участкам био­сферы (для атмосферного воздуха, воздуха рабочей зоны, воды, почвы и т. д.):

«Предельно допустимой концентрацией химичес­кого соединения во внешней среде называют такую концентрацию, при воздействии которой на организм периодически или в течение всей жизни, прямо или опосредованно через экологические системы, а так­же через возможный экономический ущерб, не воз­никает соматических или психических заболеваний (скрытых или временно компенсированных) или из­менений в состоянии здоровья, выходящих за преде­лы приспособительных физиологических колебаний, обнаруживаемых современными методами исследо­вания сразу или в отдаленные сроки жизни настоя­щего и последующих поколений ».

Предельно допустимые концентрации в виде са­нитарных нормативов являются юридической основой для проектирования, строительства и эксп­луатации промышленных предприятий, планиров­ки и застройки жилья, создания и применения ин­дивидуальных средств защиты.

Обоснованию предельно допустимых концентраций должно уделяться большое внимание, исследования должны быть выполнены тщательно, так как малейшие ошибки могут привести либо к ущербу для здо­ровья, либо к значительным экономическим потерям.

Известный парадокс Гадамера гласит: «Ядов как таковых не существует». Как правило, причиной ядо­витости является количество, сообщающее веществу в определенных условиях качественно новые свойства. Здесь уместно напомнить знаменитую формулировку Парацельса: «Все есть яд, ничто не лишено ядовитос­ти, одна лишь доза делает яд незаметным».

По мнению токсикологов, ядом называется хи­мический компонент среды обитания, поступающий в организм в количестве (реже в качестве), не соот­ветствующем врожденным или приобретенным свойствам организма, и поэтому несовместимый с жиз­нью. Яды могут оказывать на организм как общетоксическое так и специфическое действие: сенсибилизирующее (вызывающее повышенную чувствительность), бластомогенное (образование опухолей), гонадотропное (действие на половые железы), эмбриотропное (действие на зародыш и плод), тератогенное (вызывает уродства), мутагенное (действие на генетический аппарат). Яды могут вызывать как острые, так и хронические отравления.

Острые отравления носят преимущественно бы­товой, а хронические — профессиональный харак­тер. Острое отравление — это такое, симптомокомплекс которого развивается при однократном по­ступлении большого количества вредного вещества в организм. Хроническим называют отравление, возникающее постепенно при повторном или многократном поступлении вредного вещества в орга­низм в относительно небольших количествах.

При установлении предельно допустимых концентраций химических веществ в окружающей среде решаются следующие задачи:

1. Разработка методики обнаружения и количественного определения вредного химического компонента и установление его физико-химических свойств.

2. Предварительная оценка токсичности и уста­новление ориентировочного безопасного уровня воз­действия (ОБУВ).

3. Моделирование взаимодействия организма с исследуемым химическим веществом и изучение реакции организма на его воздействие; качественная и количественная оценка реакции организма; обоснование рекомендуемой ПДК, а также других мероприятий, направленных на предупреждение заболеваний и поддержание оптимального самочув­ствия человека.

4. Внедрение ПДК в практику и проверка ее эффективности на основании изучения состояния здо­ровья и самочувствия лиц, контактирующих с ис­следуемым химическим веществом.

Исходя из поставленных задач становится оче­видным, что организация столь разностороннего ис­следования требует больших материальных затрат и привлечения большого круга специалистов раз­личного профиля: химиков, токсикологов, биохи­миков, гистологов, врачей, экономистов.

Важное значение при изучении токсичности лю­бого компонента окружающей Среды имеет изуче­ние его физико-химических свойств, которые по­зволяют по имеющимся в распоряжении химиков и токсикологов формулам рассчитать ОБУВ, даю­щий первоначальные представления о токсичнос­ти вещества и который может быть использован на стадии разработки технологического процесса или опытной установки. Имеется около 20 формул для расчета ОБУВ, чем больше формул использо­вано для расчета, тем точнее полученная величина ОБУВ. В качестве примера может служить следую­щая формула:

lgOBУB(мг/л)=0,921gS + lgM - 1g - 3,15,

где S — растворимость химического вещества

М — молекулярный вес вещества

— коэффициент распределения вещества между водой и воздухом.

Рекомендуется производить расчет по всем име­ющимся константам (физико-химическим свой­ствам), довести до логарифма ОБУВ и взять число по среднему логарифму из всех логарифмов ОБУВ, рассчитанных по разным константам.

Следующим этапом исследования является опре­деление токсичности вещества путем воздействия на лабораторных животных в однократных опытах для изучения острого действия вещества и при повтор­ном введении вещества различными путями для изу­чения возможности хронического отравления.

В токсикологических экспериментах обычно ис­пользуются лабораторные животные, реакция которых на воздействие химических веществ наибо­лее близка к реакции организма человека. Необ­ходимо использовать не менее двух видов лабора­торных животных. Чаще всего используются бе­лые мыши, белые крысы, кошки, кролики, морс­кие свинки и другие животные. Немаловажное зна­чение имеет фактор стоимости — более крупные животные стоят дороже. Если учесть, что для пол­ного обоснования ПДК хотя бы в одной среде (на­пример, в воздухе рабочей зоны) требуется около 4-х тысяч животных, становится понятным значение их стоимости.

При моделировании на лабораторных животных взаимодействия химического вещества с организ­мом преследуются следующие цели:

1. выявление возможности острого отравления;

2. если отравление возникло — выявление его сим­птомов и клинической картины гибели животных;

3. путем исследования трупов погибших живот­ных выясняют точки приложения токсического воз­действия вещества макро- и микроскопическими ис­следованиями;

4. установление параметров острого токсическо­го действия вещества при различных путях поступ­ления в организм: средне-смертельной дозы (ДL₅₀), средне-смертельной концентрации (CL₅₀), порога ос­трого действия (Lim_ac). При этом исследуются все возможные пути поступления вещества в организм. Полученные среднесмертельные дозы и концентра­ции необходимы для уточнения ориентировочного уровня воздействия, рассчитанного ранее по формулам. На вооружении токсикологов имеются формулы для уточнения ОБУВ, например:

IgOБУB = 0,01 ДL₅₀

lgOБУB = 0,521gC + 0,71 + lgCZ₅₀ + 0,25 + lgM.

Одним из важнейших этапов является определе­ние порога острого действия вещества на организм. По величине порога острого действия можно судить о возможности острого отравления веществом, степени его опасности в условиях производства. Порог остро­го действия необходимо знать для выбора концентра­ций при моделировании хронического отравления.

Порог острого действия — эта та наименьшая концентрация химического вещества, которая вы­зывает статистически достоверные изменения в орга­низме при однократном воздействии. Зная порог ос­трого действия, мы можем определить зону острого действия и КВИО (коэффициент возможности ин­галяционного отравления).

Важным этапом является установление способ­ности вещества кумулировать в организме при по­вторном воздействии. Кумуляция изучается при та­ком пути введения вещества в организм животных, который наиболее характерен в условиях контакта человека с данным веществом.

Изучается также способность вещества проникать через неповрежденную кожу или наличие резорбтивного действия.

Наиболее важным и ответственным моментом яв­ляется определение порога хронического действия вещества (Lim_ch) и характера его воздействия при повторном поступлении в организм.

Порог хронического действия — это та минимальная концентрация, которая при хроническом воздействии вызывает существенные (достоверные) изменения в организме лабораторных животных. Порог хронического действия является основным показателем при установлении рекомендуемой ПДК химического вещества.

где Lim_ch — порог хронического действия,

K_s — коэффициент запаса.

Коэффициент запаса — это величина, на которую нужно разделить порог хронического действия, чтобы обеспечить полную безопасность вещества. Величина коэффициента запаса зависит от степени токсичности вещества, способности к кумуляции, наличия специфических видов действия и может быть равной от 2 до 20 в зависимости от вышепере­численных факторов.

Рекомендованная ПДК, обоснованная эксперимен­тальным путем, корректируется при изучении со­стояния здоровья работающих или населения в целом и только после этого становится государственным стандартом.

Таким образом, предельно допустимая концент­рация - это максимальная концентрация вредных веществ, не оказывающая воздействия на здоровье человека. Определяют ее врачи-гигиенисты на ос­новании данных экспериментальных исследований над подопытными животными и наблюдений за со­стоянием здоровья людей, находящихся под воздей­ствием вредных веществ.

ПДК вредных веществ, загрязняющих воздушную среду, регламентирует ГОСТ 12.1.005 для более чем 1300 различных вредных веществ.

Для атмосферного воздуха введена предельно допустимая максимально разовая концентрация вред­ных веществ ПДРмр. Разовая концентрация опреде­ляется по пробам, отобранным в течение 20 минут.

Для некоторых вредных веществ установлен норматив среднесменных ПДК, а для воздуха населен­ных мест — среднесуточных ПДКсс. Введением этих нормативов контролируется содержание в воздухе веществ, накапливающих свое вредное воздействие на человека.