Способ определения допустимого содержания летучих органических соединений в воздухе рабочей зоны

 

Существом настоящего изобретения, относящегося к области моделирования в медицине и биологии, является новый способ гигиенической оценки воздействия вредных веществ на организм. Это достигается планированием эксперимента в виде действующей импульсной матрицы с последующим получением величин коэффициентов импульсного полинома. Расчет допустимых уровней воздействия факторов производится на основании импульсного полинома с учетом поправочной функции. Метод разработан и испытан на кафедре общей гигиены филиала Пермского государственного медицинского института в г. Кирове и признан пригодным для определения допустимого содержания веществ в воздухе при комбинированном, комплексном, сочетанном воздействии в системах любой сложности. Способ обладает достаточной простотой и надежностью, более универсален по сравнению с прототипами, пригодными только для систем с двумя конкретными воздействиями. 4 табл.

Изобретение относится к области моделирования в медицине и биологии и может быть использовано для ускоренного определения допустимого содержания химических веществ в воздухе рабочей зоны при их комбинированном, комплексном, сочетанном воздействии на организм.

В условиях производства на живой организм часто воздействуют несколько веществ разными путями в сочетании с дополнительными физическими факторами (шум, электромагнитное, ультрафиолетовое излучение и т.п.).

В последние годы широкое признание получило гигиеническое нормирование при комплексном воздействии с учетом различных путей поступления только одного вредного вещества (Е.И.Спыну, А.В.Болотный, Р.Е.Сова. Количественный подход к изучению комплексного воздействия хлорофоса.//Гигиена и санитария. -1978, N 3, стр. 83-86) или только комбинированного воздействия двух разных веществ одним путем (В.В.Кустов, В.Н.Михайлов. О комбинированном действии на организм окиси углерода и аммиака.//Гигиена труда и профессиональные заболевания.-1966, N 3, стр. 6), или только сочетанного воздействия одного химического или физического фактора (А.А.Каспаров, Н.Г.Британов. Сочетанное действие шума и ацетона на организм.//Гигиена труда и профессиональные заболевания.-1980, N 6,с.50, 51), и в большинстве работ доказано преимущественно независимое действие исследованных факторов. Однако подобные работы относятся обычно к одной определенной системе, включающей не более двух воздействующих факторов, и не могут быть использованы при обобщенной гигиенической оценке других систем.

Сущностью предлагаемого изобретения является новый способ гигиенической оценки влияния вредных веществ на организм. Неочевидность предлагаемого способа состоит в том, что в отличие от прототипа, он может быть применен для обоснования допустимых уровней воздействий в системах с любым количеством химических и физических факторов. Новизна предлагаемого способа состоит в том, что впервые проведено планирование эксперимента в виде импульсной матрицы с последующим получением величин коэффициентов импульсного полинома, индивидуальных для каждого химического вещества, физического фактора и каждого пути воздействия.

Исследования выполнены на кафедре общей гигиены филиала Пермского государственного медицинского института в г. Кирове. Для исследования на стадии острых опытов были взяты пять систем, каждая из которых включала пять факторов: воздействие двух веществ двумя путями (перкутанно и ингаляционно) плюс воздействие ультрафиолетового излучения. С целью изучения комбинированного, комплексного, сочетанного воздействия факторов проводилось ортогональное планирование эксперимента, матрица которого представлена в таблице 1.

Данная матрица включала 16 возможных сочетаний двух реплик целой (Lim_ac.) и дробной (0,2 Lim_ac.). Выбор величины дробной реплики определялся ранее доказанным соотношением порогового (Lim_ac.) и подпорогового воздействия. Всего было исследовано 400 возможных сочетаний, и для каждого определялись изменения (в по сравнению с контрольной группой) следующих показателей жизнедеятельности организма: фагоцитарного числа, фагоцитарного индекса, истинной кислотности мочи, активности щелочной фосфатазы, цитохромоксидазы и содержания гликогена в нейтрофилах крови.

Изменения этих же показателей в условиях хронического воздействия исследовались в течение 4 месяцев у группы людей, работавших на производстве и подвергавшихся воздействию малых доз исследуемых химических веществ и дополнительного УФ-излучения.

В результате сопоставления данных острого опыта и хронического воздействия оказалось возможным выработать ускоренный способ определения допустимого содержания химических веществ в воздухе рабочей зоны при комбинированном, комплексном, сочетанном воздействии на организм.

Основываясь на предварительно доказанном факте, что величина воздействия 0,2 Lim_ac. является максимально недействующей, при обработке результатов дробные реплики можно обозначить нулевыми воздействиями то есть перейти к принятой в математике импульсной матрице. Воздействия факторов в системе можно считать независимыми, и исходя из этого определить коэффициенты для импульсного полинома: y a₁x₁ + a₂x₂ + a₃x₃ + a₄x₄ + a₅x₅, где y изменение эффекта в x доля порогового воздействия i-го фактора.

Коэффициенты a₁, a₂, a₃, a₄, a₅ равны величинам изменения свойства y в строках импульсной матрицы с одним единичным воздействием (соответственно сочетания N 15, 14, 12, 8, 16). Физический смысл коэффициентов следующий: это изменение свойства (по сравнению с контролем, в), которое происходит при воздействии данного единичного фактора, в данном направлении.

Расчет предполагаемого изменения свойств на основе этих коэффициентов в остальных строках импульсной матрицы во всех исследованиях подтверждает независимый характер воздействия факторов.

На основании анализа химических веществ оказалось возможным разделить их на 4 группы по воздействию: 1) особо ядовитые вещества амины жирного ряда с числом углеродных атомов не более 4, спирты, в которых гидроксильная группа присоединена непосредственно к метильному, фенильному или иному подобному радикалу, а также вещества, содержащие одну или несколько групп NH₂, NO₂, Cl в качестве концевых; 2) сильноядовитые вещества амиды, кетоны, производные нафталины, а также сложные эфиры, амины с большими радикалами, а также вещества, в которых кислотная, альдегидная, органическая полярная (акриловая и т.п.) группа присоединена непосредственно к радикалу метильному, фенильному или иному подобному; 3) среднеядовитые вещества бензол, толуол, кислоты, альдегиды и органические полярные соединения с большими радикалами, производные этиленгликоля, метакриловой кислоты и т.п.

4) малоядовитые вещества антрацены и его производные, высшие спирты, фреоны, производные себациновой и других тяжелых органических кислот, галогенопроизводные кислот.

Для веществ каждой группы коэффициенты импульсного полинома для описания острого опыта имеют строго определенную величину (табл. 2).

На основании анализа данных хронического действия веществ в условиях производства между острым и хроническим воздействием обнаружена строго определенная корреляционная связь, таким образом, изменение любого показателя можно представить как y_хрон. y_остр. + f(x), где y_хрон. изменение показателя при хроническом воздействии; y_остр. то же при остром воздействии;
f(x) поправочная функция, индивидуальная для каждого показателя жизнедеятельности организма (табл. 3).

Таким образом, предлагаемый способ позволяет решить следующие три задачи гигиенического нормирования и прогнозирования:
рационально спланировать эксперимент с целью определения коэффициентов импульсного полинома для изучения воздействия новых химических и физических факторов;
определить допустимый уровень новых химических веществ при их комбинированном, комплексном, сочетанном воздействии;
оценить уровень биологических изменений в организме при действии определенных концентраций веществ.

На ряде производств могут быть условия санитарной ситуации, когда действуют другие физические факторы (например, шум, электромагнитное излучение). В этом случае в предварительных опытах определяют Lim_ac. данных факторов при изолированном воздействии; планируют эксперимент на основе вышеприведенной матрицы и определяют изменение показателей жизнедеятельности в по сравнению с контролем при действии химических и физических факторов; по строкам импульсной матрицы с одним единичным воздействием определяют коэффициент импульсного полинома, соответствующий воздействию каждого фактора; для доказательства независимого воздействия факторов полученные коэффициенты подставляют в полином и рассчитывают предполагаемые значения эффекта для остальных строк импульсной матрицы.

Допустимый уровень химических веществ при их комбинированном и комплексном воздействии в сочетании с УФ-излучением устанавливают следующим образом:
определяют к каким классификационным группам относятся все вещества, воздействующие в данных условиях;
по табл. 1 находят коэффициенты импульсного полинома a для всех воздействующих веществ по всем путям проникновения;
для всех веществ, кроме определяемого, по всем путям проникновения рассчитывают долю порогового воздействия
,
где C^j_i, Lim^j_ac.i - соответственно концентрация и пороговый уровень острого воздействия i-го вещества при j-пути проникновения.

значения a_i и x_i подставляют в уравнение полинома с прибавлением поправочной функции;
группируя известные и неизвестные члены, решают уравнение и находят допустимый уровень исследуемого вещества (C_D), исходя из того, что безопасным считается изменение биологического показателя по сравнению с контролем не более чем на 5% (в медико-биологических исследованиях достоверными считаются доверительные границы, установленные при вероятности безошибочного прогноза P 95%).

Для определения уровня биологических изменений в организме при действии известных концентраций химических веществ и доз УФ-излучения устанавливают к каким классификационным группам относятся действующие вещества и по табл. 1 находят коэффициенты импульсного полинома; для каждого вещества и пути проникновения рассчитывают доли порогового воздействия X^j_i; подставляя коэффициенты a_i и доли порогового воздействия X^j_i в полиномиальное уравнение, с учетом поправочной функции рассчитывают уровень биологических изменений при хроническом воздействии.

Проведенные исследования позволяют заключить, что заявляемый способ дает возможность с достаточной точностью определять допустимый уровень вещества в воздухе при действии других факторов, а также уровень биологических изменений в организме при воздействии физических, химических факторов и может быть применен для экспресс-оценки гигиенической обстановки на производстве.

Простота заявляемого способа состоит в том, что при обосновании гигиенических нормативов требуется минимальное количество (16) опытов в матрице импульсного полинома, с достаточной точностью позволяющее определить изменение биологического эффекта, в то время как по полной схеме только для одного пятифакторного эксперимента потребовалось бы 240 опытов на лабораторных животных. Точность разработанного способа также выше, чем в прототипе. Ошибка расчета при гигиеническом нормировании не превышает 5% в то время как в прототипе при оценке двухфакторных систем возможная ошибка авторами оценивается в 8-10% Экспессность заявляемого способа выше, чем у прототипа, так как для обоснования гигиенических нормативов не требуется длительного (4-месячного) хронического эксперимента на лабораторных животных. Хроническое воздействие может быть оценено с помощью поправочных функций по результатам острых опытов, которые являются базисным материалом для гигиенического прогнозирования токсичности и обоснования допустимых нормативов в условиях производства.

Таким образом, заявляемый способ может быть применен для определения допустимых уровней химических веществ в условиях реальной санитарной ситуации на производстве при комбинированном, комплексном, сочетанном воздействии на организм, является более универсальным, по сравнению с прототипом, обладает достаточной простотой и надежностью и может применяться для гигиенического прогнозирования и нормирования.

Заявляемый способ апробирован для оценки реальной санитарной ситуации в условиях крупных промышленных предприятий электронной, электротехнической промышленности (Пермский завод аппаратуры дальней связи, Пермский телефонный завод, Пермское агрегатно-конструкторское бюро, Пермское и Кировское электромашиностроительное объединения).

Положительные результаты апробации делают возможным широкое использование способа определения допустимого содержания химических веществ в воздухе рабочей зоны при комбинированном, комплексном, сочетанном воздействии на организм во всех отраслях при промышленном производстве и применении чистых соединений, многокомпонентных смесей, новых прогрессивных композиционных материалов.

Заявляемый способ может быть также применен при планировании экспериментов в области токсикологии и гигиены, определении допустимых уровней новых, неизвестных ранее в промышленности химических и физических факторов, оценке биологических изменений в организме при комбинированном, комплексном и сочетанном воздействии профессиональных вредностей на производстве.

Пример 1. Проводится изучение системы действующих факторов: триэтиленгликоль диметакрилат (ТТМ-3), диметакрилат-бис-этиленгликоль фталат (МГФ-1) ингаляционно и перкутанно в сочетании с УФ-излучением в условиях производства. Ставится задача: определить C_D МГФ-1.

Определим C_D по лимитирующему показателю "активность щелочной фосфатазы в нейтрофилах крови".

Оба эти вещества относятся к третьей группе. Действует УФ-излучение. Находим по табл. 1 коэффициенты импульсного полинома для веществ третьей группы:
a^ингал. 9,6
a^{перкутан.} 8,1
Для Уф-излучения a_уф. 6,9.

По табл. 2 находим поправочную функцию для активности щелочной фосфатазы. В результате уравнение полинома приобретает вид

Подставляя все известные величины по данным острых опытов

с учетом фактической концентрации:
C_{D тгм-3} 16,5·10^-3 мг/л
и группируя неизвестные члены, получим

Решение квадратного уравнения дает
C_{D мгф-1} 11,4·10^-3 мг/л 11,4 мг/м³.

Для сравнения при изолированном воздействии
ОБУВ_мгф-1 26,5 мг/м³.

Следовательно, установленный допустимый уровень (C_{D мгф-1}), как и предусматривалось исследованиями, находится ниже величины ОБУВ при изолированном поступлении и в полной мере дает возможность дополнительного учета других действующих факторов, но при комбинированном, комплексном и сочетанном воздействии на организм (ТГМ-3, УФ-излучение). Аналогично проводится определение и этих факторов в условиях реальной санитарной ситуации на производстве.

Пример 2. Определение уровня изменения активности щелочной фосфатазы в нейтрофилах крови при действии определенных концентраций веществ в системе: триэтиленгликоль диметакрилат (ТГМ-3) диметакрилат-бис-этиленгликольфталат (МГФ-1) ингаляционно и перкутанно в сочетании с УФ-излучением. Данные об изучаемых факторах производства представлены в таблице 4.

Исследуемые вещества относятся к 3-й группе (среднеядовитые вещества). Для активности щелочной фосфатазы в нейтрофилах крови a^ингал. 9,6; a^{перкутан.} 8,1; a^уф. 6,9. Подставляя эти значения в формулу единого гигиенического нормирования:

получаем Y 2,96% в то время как экспериментальная величина составляет 2,34% При статистической обработке результатов различие несущественно.

Таким образом, заявляемый способ позволяет с достаточной точностью прогнозировать изменение биологического эффекта при действии известных концентраций химических веществ и уровней физических факторов в реальных условиях на производстве.

Формула изобретения

Способ определения допустимого содержания летучих органических соединений в воздухе рабочей зоны путем измерения физиологических показателей организма при изолированном воздействии соединений, отличающийся тем, что дополнительно проводят измерение при комбинированном, комплексном и сочетанном воздействии химического соединения и в случае получения физиологических показателей в пределах физиологической нормы определяют допустимое значение летучих органических соединений в воздухе рабочей зоны.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2