Крутиков В.Н., Брегадзе Ю.И., Круглов А.Б. (ред.) Контроль физических факторов окружающей среды, опасных для человека
Подождите немного. Документ загружается.
механизмы воздействия на организм человека, так и на точность измерения
параметров пыли теми или иными приборами [3].
5.2. Механизмы воздействия аэрозолей на человека
5.2.1. Общая характеристика воздействия аэрозольных частиц на
человека
Жидкие частицы или растворимые компоненты твердых частиц могут
абсорбироваться тканями там, где они осаждаются. Частицы могут вызвать
коррозионное, радиационное или другое повреждение вблизи места осаждения,
если они сами коррозионны, радиоактивны или способны инициировать
повреждение иного характера. Нерастворимые частицы могут переноситься в
разные части дыхательного тракта или тела, где они могут абсорбироваться и
вызывать биологический эффект.
По характеру воздействия на организм аэродисперсные системы,
представляющие опасность для здоровья человека, разделяют на два вида:
радиоактивные и нерадиоактивные. Радиоактивные дисперсные системы могут
иметь опасные для организма как газообразную среду, так и дисперсную фазу.
Здесь рассматриваются только нерадиоактивные дисперсные системы
1
. Они могут
быть разделены на две группы:
аэрозоли веществ, опасное влияние которых обусловлено механическим или
химическим воздействием на кожу и другие покровы человеческого тела или
проникновением через них в организм (свинцовая пыль, пыль тяжелых металлов,
шлаковата, асбестовое и стекловолокно, кислотные туманы и соли) [8];
аэрозоли, вредное влияние которых проявляется путем воздействия на органы
дыхания или проникновения через них в организм; при этом возникают
специфические (фиброгенные) заболевания органов дыхания и газообмена,
заболевания лимфатической системы и желудочно-кишечного тракта.
1
Положения, касающиеся отбора проб вдыхаемых частиц крупных размеров, в равной мере
относятся к обоим видам аэрозольных систем.
При сравнении результатов биологического действия аэрозольных частиц
различной формы, размеров, минерального и химического состава их величину
выражают через эквивалентный диаметр сферических частиц на основе равных
объемов, масс или аэродинамических свойств. Наибольшее употребление имеет
условная единица, называемая аэродинамическим диаметром, характеризующим
количественные показатели первичного отложения неволокнистых частиц с
диаметром более 0,5 мкм за счет гравитационного и инерционного эффектов.
База нормативной документации: www.complexdoc.ru
401
Длительное воздействие повышенных концентраций пыли приводит к тяжелым
профессиональным заболеваниям органов дыхания - пневмокониозам и пылевым
бронхитам. Нозологическая форма пневмокониозов (от латинских слов pneumo-
легкие и conio - пыль) определяется вещественным составом аэрозолей.
При накоплении пыли в легких развивается пневмокониоз - стадийный
прогрессирующий процесс формирования фиброза с комплексом воспалительных и
компенсаторно-приспособительных реакций в бронхах и легочной ткани.
Результатом этих изменений является дыхательная, а на поздних тяжелых стадиях
заболевания - сердечная недостаточность.
Фактически развитие заболеваний органов дыхания зависит от количества пыли,
накопившейся в легких. Основными факторами, влияющими на поступление
пылевых частиц в организм и их задержку в органах дыхания, являются
концентрация пыли во вдыхаемом (ингалируемом) воздухе, время ее воздействия,
дисперсный состав частиц, их плотность, растворимость, объем дыхания в
зависимости от тяжести труда, а также индивидуальная чувствительность
организма.
Механизм первичной задержки частиц в органах дыхания в основном
определяется инерционным и гравитационным осаждением, а также диффузией.
Задержка частиц в различных отделах органов дыхания в основном определяется
их дисперсностью и аэродинамическим диаметром.
Среди аэрозольной запыленности воздуха особое место занимает асбестовая
пыль, которая при достаточно длительном и интенсивном воздействии вызывает
онкологические заболевания [5]. При этом канцерогенное воздействие связано не с
самим материалом, а с длиной его волокон. Асбестовая пыль присутствует не
только в рабочих зонах строительной индустрии, но и в других промышленных и
бытовых помещениях, и на открытом воздухе из-за широкого применения
асбестосодержащих материалов в строительных конструкциях, в транспортных
машинах и механизмах, например, во фрикционных устройствах и тормозных
колодках.
Загрязнение воздуха металлами, обусловленное технологическими процессами
на предприятиях черной и цветной металлургии, приводит к повышению уровня
заболеваемости у персонала, к болезням эндокринной системы, крови, органов
дыхания, кожи, к злокачественным новообразованиям, повышению врожденных
аномалий, осложнению беременности и родов. Наибольшая доля загрязнений
воздуха металлами в городах и рабочих зонах неметаллургических предприятий
приходится на свинец, частицы которого присутствуют в выхлопах двигателей [6].
Воздействие пыли органических веществ, присутствующих в воздухе рабочей
зоны, вызывает у человека самые различные реакции - от нежелательных
сенсорных эффектов до токсического действия. Оценка влияния отдельных
База нормативной документации: www.complexdoc.ru
402
органических компонентов на организм не всегда бывает адекватной, так как они
обычно встречаются в смесях.
Особый вид загрязнений атмосферы представляют биоаэрозоли. Запыленность
воздуха фармацевтических и биопроизводств строго контролируется как по
счетной концентрации аэрозольных частиц, так и по содержанию
микроорганизмов. При этом к нежелательным последствиям приводит и попадание
микроорганизмов из воздуха рабочей зоны в технологическую среду, и выделение
биоорганических веществ, получаемых в результате технологического процесса, в
воздух рабочей зоны, а затем и в атмосферу [12].
Интермиттирующий и постоянный характер воздействия пылевого фактора при
одинаковой пылевой нагрузке на легкие имеют различное значение. При
интермиттирующем воздействии и наличии пиковых концентраций, превышающих
средние в 5 и более раз, скорость выведения пыли из легких уменьшается, что
приводит к более выраженному фиброгенному действию. Поэтому величина пиков
концентраций пыли и продолжительность их действия должны быть ограничены
[14]. Воздействие на организм высоких концентраций пыли приводит к развитию
хронических неспецифических заболеваний легких и верхних дыхательных путей.
Фракции содержащихся в воздухе частиц, которые попадают в тело человека
при вдыхании, зависят от свойств частиц, скорости и направления движения
воздуха вблизи тела, от частоты дыхания и от того, осуществляется ли дыхание
через нос или через рот. Вдыхаемые частицы затем могут осесть где-нибудь в
дыхательном тракте либо выдыхаются из него. Место осаждения и вероятность
выдыхания зависят от свойств частиц, дыхательного тракта, характера дыхания и
других факторов.
Вероятности вдыхания, осаждения, реагирования на осаждение и очищения
могут существенно изменяться от одного индивидуума к другому. Тем не менее,
можно определить и согласовать требования к избирательному отбору проб
содержащихся в воздухе частиц по их размеру, когда цель отбора проб имеет
отношение к охране здоровья. Эти требования представляют собой соотношения
между аэродинамическим диаметром и фракциями, подлежащими улавливанию
или измерению, которые приближаются к фракциям, проникающим в области
дыхательного тракта при средних условиях. Измерение, произведенное согласно
данным требованиям, по всей вероятности, даст в результате лучшее соотношение
между измеренной концентрацией и риском заболевания.
5.2.2. Влияние дисперсного состава аэрозолей на характер
воздействия на человека
Наименьшее отложение в альвеолярной ткани характерно для пылевых частиц
диаметром менее 0,5 мкм. В основном в альвеолах легких накапливаются пылевые
База нормативной документации: www.complexdoc.ru
403
частицы с аэродинамическим диаметром £ 2,5 мкм. Частицы диаметром до 8 мкм
проникают в альвеолы здорового человека в небольшом количестве, составляя
несколько процентов от вдыхаемых частиц, однако они гораздо медленнее
выводятся из легких. Аэрозольные частицы диаметром до 10 мкм оседают в
основном в бронхах и являются одной из основных причин развития пылевого
бронхита.
Дисперсный состав проб для различных фракций аэрозольных частиц,
отбираемых в целях их использования при оценке воздействий на состояние
здоровья людей, сформулирован стандартом ИСО 7708:1995 [7] в виде соглашения
(конвенции) о вдыхаемых, торакальных и дыхательных фракциях. Требования к
внеторакальным и трахеобронхиальным фракциям определяются, исходя из
соглашения о вдыхаемых, торакальных и дыхательных фракциях. Все зависимости
выражаются через массовые доли, но их можно использовать и тогда, когда
предполагается произвести расчет общей площади поверхности или счетной
концентрации частиц в собранном материале. Соглашения не следует использовать
совместно с ограничениями, определенными в других терминах, например, для
предельно допустимых значений длины и диаметра взвешенных в воздухе волокон.
В качестве основного в стандарте ИСО 7708:1995 используется определение
аэродинамического диаметра частицы: это диаметр сферы, имеющей плотность 1 г/
см
3
, при той же конечной скорости осаждения в спокойном воздухе под действием
силы тяжести, что и у данной частицы, находящейся в тех же условиях по
температуре, давлению и относительной влажности.
Для частиц с аэродинамическим диаметром менее 0,5 мкм вместо
аэродинамического диаметра следует использовать диффузионный диаметр
частицы. Под диффузионным диаметром частицы подразумевается диаметр сферы
при том же коэффициенте диффузии, что и у данной частицы, находящейся в тех
же условиях по температуре, давлению и относительной влажности.
Термин «вдыхаемая» принят в стандарте потому, что он наиболее естественно
описывает значение той фракции, для которой используется. В прошлом в
терминологии имела место некоторая путаница. Термин «вдыхаемый» или
«ингалируемый» («inhalable») использовался в конце 70-х годов в европейской
англоязычной литературе с тем же значением, что и в стандарте ИСО 7708:1995. В
документе ИСО/ТР 7708:1983 и измененной Европейской директиве 88/642/EEC
[41] для данной фракции использовался термин «инспирируемый» (inspirable), в
английском языке эти термины эквивалентны. Ранее Управление по охране
окружающей среды США (ЕРА) использовало термин «вдыхаемая» (inhalable) для
обозначения фракции, называемой сейчас «общее содержание торакальных
микрочастиц» или «РМ
10
» [30]. В стандарте ИСО 7708:1995 он повторно принят в
своем первоначальном значении.
База нормативной документации: www.complexdoc.ru
404
Термин «дыхательная» или «респирабельная» (respirable) использовался в
английском языке, как минимум, с 1952 г. для фракции, проникающей в
безресничные (дыхательные) пути. В документе ИСО/ТР 7708:1983 был принят
термин «альвеолярный», отчасти из-за сходства терминов «дыхательный»
(respirable) и «вдыхаемый» (inspirable), но, поскольку в стандарте ИСО 7708:1995
используется термин «вдыхаемый» (inhalable), этот аргумент больше не
действителен, и в стандарте повторно был принят привычный термин
«дыхательный» (respirable). В русской литературе термины «вдыхаемый» и
«дыхательный» очень близки, поэтому наряду с последним часто используются
«альвеолярный» и «респирабельный». Во французском и немецком языках такой
путаницы нет, но для ясности стандартом ИСО 7708:1995 рекомендуется
применять следующие термины:
Немецкий язык Французский язык Английский язык Русский язык
einatembar inhalable inhalable вдыхаемый
alveolengängig alvéollaire respirable дыхательный, (альвеолярный,
респирабельный)
thorakal thoracique thoracic торакальный
Вдыхаемая фракция - это массовая доля общего числа содержащихся в воздухе
частиц, которые вдыхаются через нос и рот.
Величина вдыхаемой фракции зависит от скорости и направления движения
воздуха, от частоты дыхания и других факторов. По условиям отбора проб
признается, что вдыхаются только те содержащиеся в воздухе частицы, которые
находятся в зоне дыхания, т.е. вблизи носа или рта на расстоянии до 50 см от лица
человека. Кривая целевого отбора проб для приборов, улавливающих вдыхаемую
фракцию, при усреднении по всем направлениям ветра, должна соответствовать
кривой для скоростей ветра u < 4 м/с. Процентное содержание Е содержащихся в
воздухе частиц с аэродинамическим диаметром D, мкм, подлежащих улавливанию,
задается следующим уравнением
Е
i
= 50 (1 + ехр [-0,06D]). (5.1)
Экспериментальных данных по вдыхаемой фракции для D > 100 мкм еще не
существует, и для крупных частиц уравнение (5.1) применять не следует.
Для скоростей ветра u > 4 м/с предлагается использовать уравнение
База нормативной документации: www.complexdoc.ru
405
Е
i
= 50 (1 + ехр [-0,06D]) + 10
-3
u
2,75
ехр [0,055D)]. (5.2)
Его не следует применять для D > 90 мкм или u > 9 м/с, которые являются
предельными значениями для экспериментальных данных.
Внеторакальная (или экстраторакальная) фракция - это массовая доля
вдыхаемых частиц, которым не удается проникнуть дальше гортани, а
торакальная фракция - это массовая доля вдыхаемых частиц, которые проникают
дальше гортани. Кривая целевого отбора проб для приборов, улавливающих
торакальную фракцию, должна быть следующей. По соглашению о вдыхаемой
фракции процентное содержание E
t
улавливаемых частиц с аэродинамическим
диаметром D задается интегральной функцией логарифмически нормального
распределения с медианой 11,64 мкм и геометрическим средним квадратическим
отклонением 1,5. Полученные зависимости проиллюстрированы на рис. 5.1, где
видно, что 50 % общего числа содержащихся в воздухе частиц с D < 10 мкм
находятся в торакальной фракции.
Трахеобронхиальная фракция - это массовая доля вдыхаемых частиц, которые
проникают дальше гортани, но которым не удается проникнуть в безресничные
дыхательные пути, а дыхательная фракция - это массовая доля вдыхаемых
частиц, которые проникают в безресничные дыхательные пути.
Для генеральной совокупности группа высокого риска (дети, либо больные
или немощные) кривая отбора проб для дыхательной фракции задается
интегральной функцией логарифмически нормального распределения с медианным
диаметром 2,5 мкм и геометрическим средним квадратическим отклонением 1,5.
Для целевой генеральной совокупности здоровые взрослые процентное
содержание E
R
частиц по соглашению о дыхательной фракции задается
интегральной функцией логарифмически нормального распределения с медианным
диаметром 4,25 мкм и геометрическим средним квадратическим отклонением 1,5.
Внеторакальная фракция рассчитывается как (E
i
- E
t
), а трахеобронхиальная -
как (E
t
- E
R
) для каждого аэродинамического диаметра D. Трахеобронхиальная
фракция для группы высокого риска используется тогда, когда в состав
подвергаемой внешнему воздействию генеральной совокупности людей входят
дети, либо больные или немощные.
Определение общего числа содержащихся в воздухе частиц как всех частиц,
окруженных воздухом, в данном объеме воздуха ведет к тому, что часто
представляется невозможным измерение этой величины, поскольку все
измерительные приборы в определенной степени являются избирательными по
размеру.
База нормативной документации: www.complexdoc.ru
406
Требования к отбору проб определяются как целевые технические условия на
приборы для отбора проб, которые для каждого аэродинамического диаметра
частицы приближенно выражают:
в случае соглашения о вдыхаемой фракции - отношение массовой концентрации
частиц, попадающих в дыхательный тракт, к соответствующей массовой
концентрации частиц в воздухе перед тем, как на них окажет влияние присутствие
подвергаемого внешнему воздействию человека и само вдыхание; т.е. это целевые
технические условия на приборы для отбора проб, когда предметом рассмотрения
является вдыхаемая фракция;
в случае прочих соглашений - отношение массовой концентрации частиц,
попадающих в определенную область дыхательного тракта, к массовой
концентрации частиц, попадающих в дыхательный тракт, т.е.:
по соглашению о внеторакальной фракции - это целевые технические
условия на приборы для отбора проб, когда предметом рассмотрения является
внеторакальная фракция;
по соглашению о торакальной фракции - это целевые технические условия на
приборы для отбора проб, когда предметом рассмотрения является торакальная
фракция;
по соглашению о трахеобронхиальной фракции - это целевые технические
условия на приборы для отбора проб, когда предметом рассмотрения является
трахеобронхиальная фракция;
по соглашению о дыхательной фракции - это целевые технические условия на
приборы для отбора проб, когда предметом рассмотрения является дыхательная
фракция.
Представленные в стандарте ИСО 7708:1995 формулы, таблицы и кривые,
аппроксимирующие вдыхаемую фракцию и фракции, проникающие дальше
гортани и в безресничные дыхательные пути, носят названия соглашений о
вдыхаемой, торакальной и дыхательной фракциях. Эти кривые приведены на рис.
5.1. Исходя из них, рассчитаны соглашения о внеторакальной и
трахеобронхиальной фракциях, приведенные на рис. 5.2.
Приборы, используемые для отбора проб, должны удовлетворять соглашению
об отборе проб, соответствующему той области дыхательного тракта, где
осаждение подлежащего замеру вещества может привести к возникновению
биологического эффекта. Например, соглашению о вдыхаемой фракции следует
отдавать предпочтение в тех случаях, когда вещество может стать причиной
поражения в любом месте его осаждения; соглашению о торакальной фракции
следует отдавать предпочтение в тех случаях, когда областью осаждения являются
База нормативной документации: www.complexdoc.ru
407
легочные проводящие дыхательные пути (бронхи), а соглашению о дыхательной
фракции - в тех случаях, когда областью осаждения является область газообмена,
простирающаяся от дыхательных бронхов до альвеол.
У детей и взрослых с определенными заболеваниями легких
трахеобронхиальная область в большей степени подвержена осаждению частиц с
небольшим аэродинамическим диаметром, чем у здоровых взрослых, что тоже
следует учитывать при проведении измерений.
Рис. 5.1. Соглашения о вдыхаемой, торакальной и дыхательной фракциях по
стандарту ИСО 7708:1995
Рис. 5.2. Соглашения о внеторакальной и трахеобронхиальной фракциях по
стандарту ИСО 7708:1995
Приборы можно использовать для улавливания отдельных фракций согласно
указанным условиям либо для улавливания нескольких фракций одновременно.
База нормативной документации: www.complexdoc.ru
408
Изменение условий отбора проб - весьма сложное взаимодействие переменных,
определяющее вхождение и проникновение частиц в дыхательный тракт, при этом
неизбежны следующие приближения и допущения:
а) величина вдыхаемой фракции зависит от движения воздуха - его скорости и
направления, от частоты дыхания и от того, осуществляется ли дыхание через нос
или рот. Значения, приведенные в условии вдыхания, являются представительными
значениями для частоты дыхания и усреднены для всех направлений ветра. Это
подходит для человека, подвергаемого одинаковому воздействию ветров всех
направлений либо подвергаемого преобладающему воздействию ветра сбоку или
сзади, однако в условии обычно недооценивается вдыхаемая фракция более
крупных частиц для человека, обычно обращенного к ветру лицом;
б) величины дыхательной и торакальной фракций различны для разных людей и
изменяются в зависимости от характера дыхания; условия обязательно являются
приближениями к среднему случаю;
в) каждое соглашение аппроксимирует фракцию, проникающую в какую-то
область, но не фракцию, осаждающуюся там. Вообще фракция должна осесть,
чтобы произвести биологический эффект. В этом случае условия приведут к
завышенной оценке потенциального биологического эффекта. Так, например, в
соглашении о дыхательной фракции завышенно оценивается доля очень мелких
частиц, которые осаждаются в безресничных дыхательных путях, так как большая
часть данной фракции выдыхается, не осаждаясь. Часто эти очень мелкие частицы
не имеют решающего значения при измерениях массовой концентрации пыли в
отбираемой пробе, но существенны при измерениях счетной концентрации;
г) соглашение о торакальной фракции аппроксимирует только одну ее
реализацию: при дыхании через рот, которая больше ее реализации при дыхании
через нос. Следовательно, по этому соглашению может недооцениваться «худший
случай» реальной внеторакальной фракции, который имеет место при дыхании
через нос.
Конструирование приборов для отбора проб, характеристики которых точно
соответствуют перечисленным соглашениям, может оказаться невозможным. В
любом случае, экспериментальная ошибка при испытаниях таких приборов и
возможная зависимость от каких-либо факторов, помимо аэродинамического
диаметра, означают, что возможно лишь констатировать вероятность того, что
характеристика прибора укладывается в определенные пределы.
Очень важно при использовании различных источников информации обращать
внимание на ее происхождение, так как в зависимости от времени, языка, страны
публикации возможно различное толкование терминов.
База нормативной документации: www.complexdoc.ru
409
В Англии для угольной пыли существовали следующие нормы запыленности
[19]:
Вещество Дисперсный состав (интервал размеров), мкм ПДК, см
-3
Антрацитовая пыль 1 - 5 650
Другие угольные пыли 0,15 - 5 860
Каменная пыль 0,5 - 5 450
В Германии для отбора количества проб, которое попадает в альвеолярную
область, в VDI 2265 [40] и в TRGS 900 [39] определена тонкая фракция пыли.
Используемое определение следует Йоханнесбургскому соглашению 1959 г.,
которое действовало в ряде европейских стран. В соответствии с этим
соглашением, для частиц с аэродинамическим диаметром 5,0 мкм степень
прохождения через предварительный отделитель составляет 50 %, и для частиц с
аэродинамическим диаметром 7,1 мкм она уменьшается до 0 % [39]. Для сравнения
на рис. 5.3 представлена в виде штриховой кривой тонкая фракция пыли по
Йоханнесбургскому соглашению, которое берется в Германии за основу для
измерения тонкой фракции.
Если сравнить новое соглашение по отбору проб, установленное стандартом
ИСО 7708:1995 для дыхательной (альвеолярной) фракции, с Йоханнесбургским
соглашением, то можно увидеть согласование у очень тонких частиц до
аэродинамического диаметра порядка 2,5 мкм. У частиц с диаметрами порядка 2,5 -
6,5 мкм по Йоханнесбургскому соглашению накапливается более значительная
весовая доля, чем по соглашению для альвеолярной фракции. В
противоположность этому частицы с диаметром 7,1 - 15 мкм накапливаются только
по соглашению для альвеолярной фракции, во всяком случае, в небольшом
количестве. Предполагается, что у аэрозолей с высоким содержанием небольших
частиц общее собранное количество по Йоханнесбургскому соглашению обычно
более значительно, чем по соглашению ИСО для альвеолярной фракции.
С февраля 1993 г. европейской организацией по нормам и стандартам CEN был
утвержден стандарт EN 481 [37], который в сентябре 1993 г. был введен в
Германии как DIN/EN 481 [33]. Соглашения по этому стандарту аналогичны
приведенным в ИСО 7708:1995 и в ACGIH [29]. В Германии применялись и сейчас
применяются нормы и соглашения или конвенции по отбору проб, которые в ряде
деталей отличаются от стандарта ИСО. Эти конвенции установлены, во-первых, в
TRGS 900 [39] и в списке величин МАК [34], а, во-вторых, - в VDI 2265 [40].
База нормативной документации: www.complexdoc.ru
410