Химическая безопасность и химический риск

Химическая безопасность — область человеческой деятельности, направленная на предотвращение неблагоприятного воздействия на человека химических соединений, а также уменьшение последствий таких воздействий, обусловленных авариями и иными событиями. Химическая безопасность рассматривается как часть системы общей безопасности, наряду с радиационной, противопожарной безопасностью, противодействием вредным физическим воздействиям (микроволновое излучение, шум, температурные воздействия). Хотя обеспечение безопасности жилища, без сомнения, является комплексной проблемой, основное внимание контролирующие органы уделяют вопросам именно химической безопасности, поскольку токсичные вещества представляют собой главную угрозу здоровью человека.

Рассмотрим некоторые понятия и термины, которые позволят лучше понять подходы к оценке токсичности индивидуальных химических соединений и их смесей, в том числе, неблагоприятных химических факторов жилища человека.

Прежде всего, отметим, что любое вещество, в зависимости от его концентрации и условий воздействия на человека, может оказывать как благоприятное, так и неблагоприятное действие. Таким образом, действие токсического вещества определяется не только его природой, но и временными масштабами воздействия, а также концентрацией. Чтобы подчеркнуть это, для количественной характеристики действия химических соединений применяют специальные величины — дозы воздействия. Если концентрация действующего вещества постоянна, доза определяется как произведение этой концентрации на продолжительность его воздействия. Если концентрация токсиканта переменна, дозу определяют аналогичным образом, используя среднюю концентрацию за время наблюдения. Зависимость оказываемого биологического действия от дозы (так называемый дозозависимый эффект) лежит в основе экотоксикологического нормирования присутствия химических соединений в непосредственном окружении человека. Приведем некоторые такие характеристики.

Токсодоза — количественная характеристика токсичности вещества, соответствующая определенному уровню поражения при его воздействии на живой организм. Токсодоза характеризует действие высокотоксичного соединения и может быть конкретизирована в зависимости от условий его воздействия. Так, ингаляционная токсодоза равна произведению средней концентрации токсиканта, воздействующего через органы дыхания, и времени пребывания человека в зараженном воздухе (гхмин/м³ , гхс/м³). Ингаляционную токсодозу обычно приводят для конкретного времени воздействия (так называемой экспозиции). Кожно-резорбтивная токсодоза — масса жидкого или твердого вещества, действующего на человека через кожу, кровь или при заглатывании. Измеряется в мг на 1 кг массы или полную массу человека (принимается 70 кг). Различают также токсодозы, вызывающие определенные повреждения — среднесмертельную, средневыводящую, среднюю пороговую.

Предельно допустимая концентрация (ПДК) — норматив, устанавливающий концентрацию вредного вещества в единице объема (воздуха, воды), массы (пищевых продуктов, почвы) или поверхности (кожа работающих), которые при воздействии за определенный промежуток времени практически не влияют на здоровье человека и не вызывают неблагоприятных последствий у его потомства. Например, при оценке ПДК в воздухе рабочей зоны определяется концентрация вещества, которая при ежедневной (кроме выходных дней) работе в течение 8 часов, или при другой продолжительности, но не более 41 часа в неделю, на протяжении всего рабочего стажа не должна вызывать заболевания или отклонения в состоянии здоровья работающего. Максимально разовая ПДК — концентрация вредного вещества в воздухе населенных мест, не вызывающая при вдыхании в течение 20 минут рефлекторных реакций в организме человека. Также выделяют ПДК в атмосферном воздухе, которым руководствуются при оценке химической безопасности воздуха жилого помещения. ПДК является нормативом безопасности. Наряду с предельно допустимыми выбросами вредных веществ из организованных источников поступления (промышленных предприятий, единичных установок), они устанавливают меру ответственности за загрязнение воздуха. Тем не менее, они не являются в чистом виде токсикологическими характеристиками вещества. Прежде всего, при оценке ПДК учитывается действие токсикантов не только на человека, но и на других представителей флоры и фауны. Кроме того, на данный норматив оказывают влияние некоторые экономические и технические факторы, например, техническая возможность установления присутствия вещества на уровне ПДК, экономические соображения. Да и сама процедура установления ПДК не отвечает в полной мере требованиям экотоксикологии. Последняя определяет свои параметры, устанавливаемые строго на основе изучения ответной реакции организмов различного уровня организации. Токсодоза всегда относится к конкретному живому организму и конкретному пути поступления токсиканта — через кожные покровы (кожно-резорбтивное поступление), органы дыхания (воздушно-капельный путь), желудочно-кишечный тракт, слизистые оболочки и т.д.

В соответствии с рекомендациями Всемирной организации здоровья (WHO) к основным токсикологическим характеристикам потенциально опасных веществ относятся следующие показатели:

• NOAEL (non-observed adverse effect level) — максимальные концентрация или количество вещества, установленные экспериментально или путем наблюдения, которые не вызывают значимого изменения в морфологии, функциональных параметрах, росте, развитии или продолжительности жизни целевого организма в определенных условиях экспозиции.
• LOAEL (lowest observed adverse effect level) — минимальные концентрация или количество вещества, установленные экспериментально или путем наблюдения, которые вызывают значимые изменения в морфологии, функциональных параметрах, росте, развитии или продолжительности жизни целевого организма в определенных условиях экспозиции.
• BMD (benchmark dose) — доза воздействия, при которой величина токсического эффекта составляет 1 или 5% от максимального его значения, устанавливаемого экспериментально по зависимости доза — эффект.
• EPI (exposure potency index) — индекс потенциального воздействия, характеризующий риск воздействия токсического вещества на человека по зависимости доза-эффект, полученной экспериментальным путем для животного. Определяется как отношение воздействия вещества на человека (обычно в виде суточной дозы) к величине BMD5o/o для животного. Малый риск характеризуется величиной EPI менее 2×10″6, средний — 2×10″6… 2х 10″4, высокий — более 2×10″4.

В соответствии с характером зависимости доза — эффект все химические вещества делятся на две большие группы. Первая характеризуется наличием максимальной недействующей (NAOEL) или минимальной действующей (LAOEL) концентрации. Иными словами, если вещество присутствует в окружающей среде в концентрации, меньшей некоторого предельного значения, оно не оказывает воздействия на здоровье человека. Зависимость доза — эффект при этом имеет вид сигмоиды (рис.2). Здесь по оси ординат отложен биологический показатель, используемый для контроля биологической активности вещества. Например, в тестах на острую токсичность таким показателем является смертность живых организмов. Тогда нулю соответствует их полная выживаемость, а единице — гибель всех животных. При оценке отделенных последствий таким же образом используют выживаемость потомства или число выживших особей в нескольких последующих поколениях. Обычно оценка токсикологических характеристик проводится на нескольких трофических уровнях — от простейших до теплокровных. Существуют специальные приемы, позволяющие пересчитать полученные на животных значения токсодоз на характеристики токсичности для человека.

Степень опасности, связанная с поступлением веществ этой группы, определяется кратностью превышения минимальной недействующей концентрации, а установленные нормативы (ПДК и другие) отражают существование этой минимальной дозы воздействия.

Вторую группу соединений образуют те, которые не имеют минимальной недействующей концентрацией — любые, сколь угодно малые количества вещества оказывают неблагоприятное действие на человека. Сюда относятся вещества канцерогенного действия. Поскольку их экотоксикологическое нормирование невозможно, следует использовать показатели BMD или EPI, определяемые в лабораторных экспериментах с животными. Кроме того, при оценке предельно допустимых количеств канцерогенов руководствуются концепцией социально допустимого риска — это то увеличение частоты раковых заболеваний, которое с точки зрения комплекса социально-экономических факторов считается приемлемым или непреодолимым. Конечно, эта величина зависит от степени развития общества, технических возможностей медицины и природоохранных служб и в целом имеет тенденцию к снижению. Сейчас ВОЗ принимает ее равной 1:1000000. Это значит, что присутствие канцерогена вызывает один дополнительный случай онкологического заболевания на миллион человек — население крупного города. Это весьма малая величина. Для сравнения, она равна вероятности погибнуть в авиакатастрофе, пролетая расстояние от Казани до Москвы и обратно. Такова же дополнительная вероятность заболеть раком, прожив 50 лет рядом с ядерной электростанцией, или получить цирроз печени, выпив пол-литра вина. Тем не менее, социально допустимый  риск — конкретная исчислимая величина, и само ее принятие как нормы говорит об ограниченности наших знаний и возможностей в области химической безопасности.

Расчеты таких потенциальных опасностей в зависимости от их природы и способа воздействия на человека опираются на понятие химического риска. Интуитивно понятное, оно имеет строгое определение и количественное выражение. Под риском или степенью риска понимают сочетание частоты осуществления определенного опасного события и его последствий. Например, можно говорить о риске смертельного отравления в результате поступления в воздух помещения угарного газа. Можно говорить о риске развития аллергического или хронического заболевания в результате постоянного нахождения в помещении, содержащем определенное количество паров органического растворителя. Чаще всего величину риска выражают в долях единицы и ассоциируют с вероятностью отравления или иного нарушения жизнедеятельности. На самом деле понятие риска опирается на анализ аналогичных событий (отравлений и смертей), имевших место в прошлом. Таким образом, он оперирует событиями, уже свершившимися, и, строго говоря, законы теории вероятностей к понятию риска не вполне применимы. Впрочем, это не мешает использовать аппарат комбинаторики и теории вероятностей в различных математических моделях оценки рисков, применяемых в страховых компаниях и при проектировании промышленных систем безопасности. Риск может относиться как к одному человеку, так и группе людей (так называемых «рискующих»).

В соответствии с этим выделяют:

• Индивидуальный риск — частота поражения (травления, гибели) отдельного индивидуума в результате воздействия химического соединения или промышленно выпускаемой их смеси (химического продукта).
• Коллективный риск — ожидаемое количество пострадавших в результате возможных отравлений за определенный промежуток времени в пределах здания (городской застройки).
• Потенциальный территориальный риск — пространственное распределение частоты реализации негативного воздействия определенного уровня (легкое, тяжелое отравление, гибель).
• Социальный риск — частота событий, в которых пострадало на том или ином уровне число людей, превышающее определенный уровень.
• Приемлемый риск — риск, уровень которого допустим и обоснован исходя из экономических и социальных соображений. К этой группе относится риск канцерогенеза, определяющий нормирование присутствия канцерогена в окружающей среде, о котором говорилось выше.

Поскольку химическим рискам подвержены все люди, находящиеся в помещении, для простоты оценки общей опасности, связанной с поступлением токсичных соединений, их подразделяют на группы, в пределах которых величина риска принимается одинаковой. Такое разделение на группы рискующих может проводиться различными способами — либо по индивидуальным особенностям (возрастному или тендерному признаку), либо по особенностям контакта с токсичными веществами. К последнему относят выделение групп рискующих по профессиональному признаку, а также по социально-этническим особенностям.

Если человек знает об угрозе и имеет возможность избежать ее осуществления, но не делает этого, говорят о добровольном риске. Например, в США десять лет назад на пакетиках с подсластителями было предупреждение о возможной связи сахарина с развитием рака. С той же целью помещают надпись «Минздрав предупреждает: курение опасно для вашего здоровья» на каждой пачке сигарет. В том случае, если человек не уведомлен об опасности или не имеет возможности избежать риска в силу экономических или каких-либо иных причин, говорят о принудительном риске. Например, к принудительному риску относится действие пищевых добавок, сведения о которых отсутствуют на этикетке товара. Население, проживающее вблизи атомной электростанции, но не имеющее достаточно средств для переезда в другое, более безопасное место, также подвержено принудительному риску, связанному с несколько повышенным радиационным фоном или возможными авариями.

Несмотря на то, что химические риски обусловлены токсическим действием химических соединений, они точнее, нежели нормативы безопасности или токсикологические характеристики, определяют потенциальную опасность химиката для человека. Это связано с несколькими причинами.

Во-первых, токсодозы и ПДК определяют в лабораторных экспериментах при строгом контроле концентрации и способа поступления токсиканта в живой организм. В реальных условиях действие токсиканта протекает в переменных условиях, отличных от оптимальных. Они могут как ослаблять, так и усугублять действие токсиканта по сравнению с «чистым» модельным экспериментом. Так же неоднозначно могут влиять на проявление токсических свойств иные компоненты, неизбежно присутствующие в окружающей среде в реальной жизни.

Во-вторых, риски, опираясь на реальные случаи отравлений, зарегистрированных в сходных условиях, учитывают действие так называемых неучитываемых факторов, моделирование которых невозможно или затруднительно. К ним относятся, например, факторы, связанные с неравномерным поступлением и распределением токсического вещества в помещении, взаимодействие токсикантов с отделочными материалами, тканями одежды реципиентов и др. Поскольку риски базируются, как правило, на обширной документальной базе, они эмпирически учитывают такие факторы и делают это тем полнее, чем больше случаев было зафиксировано и описано в прошлом.

Документальную основу для расчета рисков дают, прежде всего, сведения медицинской статистики, на производстве — данные расследования аварий и несчастных случаев. Они суммируются и анализируются как специалистами по коммунальной и промышленной гигиене, так и органами, уполномоченными в области охраны труда. И хотя для бытовых отравлений статистическая база для расчета рисков меньше, существующие оценки наиболее характерных случаев воздействия токсикантов в закрытых помещениях непроизводственного назначения достаточно хорошо подтверждаются на практике.

Многие загрязнители окружающей среды, присутствующие в атмосферном воздухе, продолжают оказывать свое неблагоприятное действие на человека в закрытом помещении. Но, несмотря на то, что действие токсиканта по биохимическим и физиологическим механизмам не зависит от места его нахождения, присутствие токсикантов в воздухе закрытого помещения имеет свои особенности. Они связаны с тем, что закрытое помещение в значительной степени меняет параметры поступления и рассеивания токсиканта, что имеет зачастую решающее значение в достижении токсодозы, представляющей угрозу для человека. Кроме того, многие вещества, присутствующие в действующих концентрациях в закрытых помещениях, разлагаются медленнее, чем в окружающей среде, за счет меньших перепадов температур. В этой связи экология жилища концентрируется на соединениях, действие которых обусловлено теми особыми условиями, которые создает замкнутое пространство.

К таковым относятся, прежде всего, две группы токсикантов:

• соединения, выделяющиеся из конструкционных и отделочных материалов помещения или образуюгциеся непосредственно в нем в результате процессов, обусловленных назначением помещения. К последним относятся, например, продукты горения, образующиеся на кухне или в гостиной, обогреваемой печкой.
• соединения, присутствующие, помимо помещения, в окружающей среде, действие которых более выражено или представляет опасность только в замкнутом помещении. В этой группе — Радиоактивный радон, выделяющийся в почвах и накапливающийся только в воздухе закрытого помещения при нарушении вентиляции.

Безусловно, указанные соединения не исчерпывают весь список потенциально опасных соединений, которые могут быть обнаружены в жилом доме или офисе. Случайный занос высокотоксичных соединений, химический и биологический терроризм, неправомерное использование промышленных химикатов в быту заставляют считаться с вероятностью обнаружения и более токсичных соединений. Однако их потенциальное токсическое действие в непроизводственных помещениях рассматривают в основном в экологии и медицине техногенных катастроф или при предупреждении возникновения чрезвычайных ситуаций.

В следующей части мы рассмотрим основные соединения, представляющие интерес именно в силу обыденности и распространенности нахождения в закрытом помещении, в том числе, в историческом аспекте, чтобы проследить, как химические и токсикологические характеристики вещества преломляются и конкретизируются в условиях закрытых помещений различного назначения. Для удобства рассмотрение будет построено в соответствии с химической природой токсиканта. Сначала будут рассмотрены неорганические вещества, после чего — продукты сгорания органического топлива и далее — органическое и биологическое загрязнение.

Авторы: Г.А.Евтюгин, Г.К.Будников, Е.Е.Стойкова 

С благодарностью к источникам: ПРОБЛЕМЫ БЕЗОПАСНОСТИ СРЕДЫ ОБИТАНИЯ ЧЕЛОВЕКА. ЧАСТЬ 1 — БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЛИЩА; КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени В.И.УЛЬЯНОВА-ЛЕНИНА, Химический институт им.A.M.Бутлерова Кафедра аналитической химии.