Размещено на http://www.allbest.ru/

30

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора медицинских наук

Физиолого-гигиеническое обоснование новых методов обеспечения организма кислородом в экстремальных условиях

14.00.32 - Авиационная, космическая и морская медицина

Солдатов Павел Эдуардович

Москва 2006 г

Работа выполнена в Государственном научном центре Российской Федерации - Институте медико-биологических проблем Российской академии наук (ГНЦ РФ - ИМБП РАН)

Научный консультант:

доктор медицинских наук Б.Н.Павлов

Официальные оппоненты:

доктор медицинских наук, профессор Воложин Александр Ильич

доктор медицинских наук Мухамедиева Лана Низамовна

доктор медицинских наук, профессор Кобрин Владимир Исаакович

Ведущая организация: Государственный научно-исследовательский испытательный институт военной медицины МО РФ

Защита состоится «_____»_______________2006 г. на заседании диссертационного совета Д 002.111.01 при Государственном научном центре Российской Федерации - Институте медико-биологических проблем Российской академии наук (ГНЦ РФ - ИМБП РАН), г. Москва, Хорошевское ш., д. 76а

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ - ИМБП РАН

Автореферат разослан «_____»_______________2006 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета, д.м.н. Буравкова Л.Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Проблема обеспечения жизни человека в гермообъектах наземного базирования, обитаемых космических комплексов, подводных аппаратов и глубоководных водолазных комплексов в настоящее время остается предметом тщательных научных исследований. От ее решения зависит успех дальнейшего освоения мирового океана и космического пространства в целях их практического использования.

Для обеспечения нормальной жизнедеятельности человека в экстремальных условиях гермообъекта, прежде всего, требуется обеспечить поступление в газовую среду кислорода. В пределах гермообъектов кислород не производится, а необходимое его количество либо запасается, либо поступает извне. Для гермообъектов необходимы надежные специальные устройства генерирования кислорода. Генераторы кислорода необходимы и в таких сферах деятельности как практическая медицина, пожарное дело, высотная авиация.

Основным методом промышленного получения кислорода является криогенная ректификация из атмосферного воздуха. В ГОСТ 5583-78 «Кислород газообразный технический и медицинский» оговорено применение полученного таким методом кислорода для дыхания и в медицинских целях. Однако его использование в гермообъектах имеет определенное ограничение. Недостатками всех кислородных блоков систем жизнеобеспечения с использованием запасов кислорода в чистом виде (в баллонах высокого давления или в виде жидкого кислорода) являются сложность технической реализации и высокие требования к подготовке обслуживающего персонала вследствие высокой взрыво- и пожароопасности. Для применения в медицине баллонный кислород мало доступен в очагах природных катастроф и военных конфликтов, в отдаленных районах.

В настоящее время известно множество способов получения О₂ из кислородосодержащих веществ, которые могут применяться в СЖО гермообъектов. К таким веществам относятся надперекиси и перхлораты щелочных металлов, перекись водорода, вода (Гришаенков Б.Г.,1964-1975; Морозов Г.И.,1977; Серебряков В.Н.,1983; Козярин И.П. и др.,1980 и 1991; Гузенберг А.С., 1994).

Все большее применение получает метод получения кислорода из твердых кислородсодержащих соединений (ТКС). ТКС на основе перхлоратов щелочных металлов успешно использовались на орбитальной станции "Мир" (Нефедов Ю.Г., Адамович Б.А.,1988; Смирнов И.А., 1995, 1998) и применяются в настоящее время на МКС. Однако качество О₂, полученного из ТКС существующего состава, уже не отвечает современным санитарно-гигиеническим требованиям и такой кислород не имеет разрешения на использование его в качестве кислорода медицинского.

Перспективным и быстро развивающимся методом является также концентрирование кислорода из воздуха на молекулярных ситах (цеолитах) путем короткоцикловой безнагревной адсорбции (КБА). Однако адсорбция кислорода на цеолитах сопровождается концентрированием и такого компонента воздуха как аргон. Это обстоятельство требует подробного изучения качества действия на организм адсорбционного кислорода.

Кислород, как сильный окислитель, является источником повышенной пожаро- и взрывоопасности. Безопасность любого гермообъекта (подводные обитаемые аппараты, подземные сооружения, космические обитаемые объекты) во многом определяется вероятностью возникновения и развития пожара, а также сохранением сознательной и целенаправленной деятельности экипажа по его ликвидации.

В 1964 г. А.М.Гениным (СССР) и, независимо от него, Лембом Л.Е. в 1965 г. (Lamb L.E., США) была высказана идея целенаправленного изменения состава дыхательной газовой смеси в обитаемых космических аппаратах для профилактики развития астенизации во время длительных космических полетов. Физиологические сдвиги, возникающие в процессе адаптации к умеренным степеням гипоксической гипоксии должны препятствовать проявлению некоторых отрицательных эффектов невесомости. С другой стороны, длительное пребывание в гипоксических средах оказывает неблагоприятное воздействие на человека, эволюционно не приспособленного к таким условиям существования.

В 1950 г. Кук (S.F.Cook, США) показал, что аргон и гелий обладают биологическим действием при нормальном барометрическом давлении. В ГНЦ РФ - ИМБП РАН в последние годы было показано, что аргон обладает выраженной физиологической активностью при острой гипоксической гипоксии (Павлов Б.Н., Солдатов П.Э., Дьяченко А.И. и др., 1998-2005 гг.). Перечисленные обстоятельства открывают возможность разработки новых гипоксических пожаробезопасных газовых сред, которые позволили бы поддерживать высокий уровень работоспособности человека и способствовали бы выживанию в экстремальных условиях.

Рассматриваемые в работе методы обеспечения кислородом в неблагоприятных условиях искусственной среды обитания включают в себя как изучение новых способов получения кислорода, так и приемов, способствующих повышению резистентности организма к острой гипоксической гипоксии и адекватному снабжению организма кислородом.

Цель и задачи работы

Целью работы является физиолого-гигиеническое обоснование новых методов обеспечения кислородом организма человека и животных в дыхательных газовых средах.

Для ее решения были поставлены следующие задачи:

- провести санитарно-химическую, токсикологическую и физиологическую оценку кислорода, полученного из твердых кислородсодержащих соединений оригинального состава;

- провести санитарно-химическую, токсикологическую и физиологическую оценку кислорода, полученного короткоцикловой безнагревной адсорбцией на цеолитах;

- оценить эффективность новых индивидуальных средств регенерации газовой среды гермообъектов в аварийных ситуациях вследствие отказа штатных систем газового обеспечения;

- исследовать биологические эффекты инертного газа аргона в условиях гипоксической гипоксии.

Научная новизна

1. Установлено, что кислород, полученный из твердых кислородосодержащих соединений и путем короткоцикловой безнагревной адсорбции, по своему воздействию на взрослый организм не отличается от кислорода, полученного методом низкотемпературной ректификации.

2. Показано, что биологические эффекты воздействия на организм, находящейся в состоянии гипоксии, кислорода, полученного способом короткоцикловой безнагревной адсорбции, обусловлены изменением физико-химических свойств кислорода (изотопный состав, диффузионная способность).

3. Впервые установлено, что присутствие аргона в дыхательной газовой смеси с пониженным содержанием кислорода (4-10% об.) ведет к сохранению аэробного энергообмена млекопитающих на уровне, близком к таковому при дыхании атмосферным воздухом.

4. Показано, что толерантность организма к гипоксической гипоксии в начальный период острого воздействия определяется особенностями его энергообмена.

Теоретическая значимость работы

1. Показано, что воздействие на организм кислорода с измененными физико-химическими свойствами ведет к проявлению биологических эффектов на уровне целостного организма.

2. Разработана концепция формирования физиологически активной пожаробезопасной дыхательной газовой среды гермообъектов с пониженным содержанием кислорода на основе инертного газа аргона.

3. Показано, что устойчивость мелких млекопитающих к гипоксической гипоксии в разные отрезки времени определяется различными факторами: в первые десятки секунд - запасами кислорода; далее, до 4-10 мин - доступными запасами глюкозы; свыше 10 мин - накоплением продуктов гликолиза и соотношением интенсивности перекисного окисления липидов и активности антиоксидантной системы.

Практическая значимость работы

1. Выполненный комплекс работ явился основанием для разработки на базе ЗАО «СКБ ЭО при ГНЦ РФ - ИМБП РАН» термохимических генераторов кислорода. Получено разрешение Минздрава России на их использование в качестве источника кислорода медицинского.

2. В экспериментах на животных и в исследованиях с участием человека разработан состав физиологически активной пожаробезопасной газовой среды с пониженным до 15% содержанием кислорода и с концентрацией аргона 50-80%. Разработанная газовая среда позволяет поддерживать работоспособность на уровне, близком к таковому при дыхании атмосферным воздухом. При этом не происходит горения многих распространенных материалов. В экстремальных условиях при падении уровня кислорода до 4-6% газовая среда, содержащая более 25% аргона, способствует сохранению жизни.

3. Подана заявка на патент на индивидуальный аппарат регенерации газовой среды гермообъекта по кислороду и углекислому газу «Малыш-К» (рег. № 2005136619).

Положения, выносимые на защиту

- кислород, полученный из твердых кислородсодержащих соединений оригинального состава и путем короткоцикловой безнагревной адсорбции на цеолитах по своим свойствам не отличается от кислорода, полученного низкотемпературной ректификацией из воздуха, и может использоваться в медицинских целях и для дыхания;

- аргон является метаболически активным газом и может послужить основой для гипоксических пожаробезопасных дыхательных газовых сред гермообъектов различного назначения.

Апробация работы и публикации

Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на Российских и международных конференциях:

XXI Гагаринские научные чтения по авиации и космонавтике, Москва, 1991 г; Индифферентные газы в водолазной практике, биологии и медицине, Москва, 1999 г; Всероссийская конференция с международным участием «Проблемы экологии человека», Архангельск, 2000 г; XXIV академические чтения по космонавтике, Москва, 2000 г; Высокие технологии оборонного комплекса. Первый международный форум, Москва, 2000 г; Российская конференция «Организм и окружающая среда: жизнеобеспечение и защита человека в экстремальных условиях, Москва, 2000 г; V International Meeting on High Pressure Biology, St. Petersburg, 1997 г; IV joint meeting of Japanese and European Seminars on High Pressure Bioscience and Biotechnology, Germany, 1998 г; The 1^st inteenational cancer & aids confeeence, Seoul, 2001 г.

Материалы исследований вошли в состав работы «Разработка и внедрение средств и методов обеспечения жизнедеятельности и безопасности человека в изолированных экосистемах с измененной газовой средой», Премия Правительства РФ в области науки и техники за 2003 год (руководитель работы академик Григорьев а.и.).

По материалам диссертации опубликованы 32 работы в открытой печати. Диссертация апробирована на расширенном заседании секции ученого совета «Экологическая медицина и барофизиология» ГНЦ РФ - ИМБП РАН 11.03.2005 г.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, обзора литературы, пяти глав собственных исследований, заключения и выводов. Методики, условия проведения экспериментов, полученные данные и их обсуждение приведены в соответствующих главах.

Материал изложен на 165 страницах машинописного текста, содержит 45 рисунков и 30 таблиц. Список литературы содержит 121 название на русском и 29 на иностранных языках.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Материалы и методы

При выполнении работ исследования проводились в условиях гермокамер и гермообъектов. Объем экспериментальных работ представлен в таблице 1.

Таблица 1 - Объем исследований

№	Цель эксперимента	Объект	Основные исследуемые показатели
Кислород из твердых кислородсодержащих соединений оригинального состава (ТКС)
1	Оценка длительного непрерывного воздействия в условиях нормоксии	Крысы Wistar, 100 шт, 14 сут	Биохимические и гематологические показатели крови, весовые коэфф. внутр. органов
2	Оценка кратковременного воздействия гипероксии	Крысы Wistar, 40 шт, 24 часа	Биохимические показатели крови
3	Оценка длительного прерывистого воздействия в условиях нормоксии	Человек, 2 испытателя, 5 дней по 8 часов	Биохимические показатели крови
4	Оценка кратковременного воздействия гипероксии	Человек, 10 испытателей, 20 мин	Биохимические и гематологические показатели крови, функция внешнего дыхания, ССС
Аварийные индивидуальные средства регенерации атмосферы гермообъектов на основе надпероксида калия)
5	Испытания в составе аварийного индивидуального аппарата «Малыш-К», нормобария, нормоксия	Человек, 3 испытателя, 8 час	Функция внешнего дыхания, параметры атмосферы
Кислород, полученный концентрированием из воздуха методом короткоцикловой безнагревной адсорбции
6	Оценка длительного непрерывного воздействия, гипероксия	Крысы Wistar, 16 шт, 3 сут	Биохимические показатели крови, морфология внутренних органов
7	Оценка влияния на ранние стадии эмбриогенеза позвоночных в условиях гипоксии	Зародыши японского перепела, 90 яиц, 4 сут	Морфометрия, гистология внутренних органов
8	Постановочное исследование, гипероксия	Пациенты с дыхательной недостаточностью, 60 минут	Напряжение газов крови
Аргон в дыхательных газовых смесях
9	Оценка влияния на микроорганизмы, нормоксия	Кишечная палочка, 24 часа	Перенос R-плазмин
11	Оценка присутствия аргона в газовой смеси на выживаемость в условиях гипоксии	Крысы Wistar, 60 шт, 4 час	Выживаемость, ЭКГ,ЧСС
12	Оценка сочетанного влияния аргона в газовой смеси и повышенной температуры на выживаемость в условиях гипоксии	Крысы Wistar, 50 шт, 2 час	Время жизни, весовые коэффициенты внутренних органов
13	Оценка влияния уровня обменных процессов в условиях гипоксии	Линейные мыши C57BL/6, Balb/c, 100 шт, 10 мин	Время жизни
14	Оценка влияния гипероксии на уровнь обменных процессов	Линейные мыши C57BL/6, Balb/c, 50 шт, 20 мин	Физическая работоспособность
15	Оценка влияния на потребление кислорода при его концентрации 6-21%	Крысы Wistar, 30 шт, 1,5 час	Потребление О2, биохимические показатели крови
16	Оценка влияния на эмбриогенез позвоночных, гипоксия	Зародыши японского перепела, 90 яиц, 10 сут	Морфометрия, гистология внутренних органов
17	Оценка влияния на ранние стадии эмбриогенеза позвоночных в условиях гипероксии	Зародыши японского перепела, 90 яиц, 4 сут	Морфометрия, гистология внутренних органов
18	Оценка влияния на организм человека, гипоксия	Человек, 4 испытателя, 7 сут	Физическая и умственная работоспособность, ЭЭГ, ЭКГ, оксигемометрия, потребление О2

Исследования выполнялись на специализированных стендах и установках, описанных ниже.

Стенд для долговременных исследований на животных «Гранит»

Установка для длительных (до нескольких месяцев) экспериментов на животных по оценке воздействия на них измененной газовой среды при нормальном барометрическом давлении состоит из двух камер и раздельных систем газового обеспечения. Установка позволяет проводить контрольные эксперименты одновременно с основными в одинаковых условиях, что существенно повышает качество исследований. Автор принимал непосредственное участие в приемке стенда, его монтаже и эксплуатации.

Стенд для проведения острых опытов на животных «Аргон»

Стенд является собственной разработкой автора. Он предназначен для проведения кратковременных (до 3 суток) экспериментов на мелких лабораторных млекопитающих и длительных (до 20 суток) исследований эмбриогенеза птиц в газовых средах различного состава при нормальном барометрическом давлении. Отличительной особенностью стенда является возможность формирования в системе газовой среды заданного состава до начала эксперимента.

Глубоководный водолазный комплекс ГВК-250

Глубоководный водолазный комплекс ГВК-250 был создан в ГНЦ РФ ИМБП и принят в эксплуатацию в 1993 году. В барокамере комплекса проводились исследования с участием человека в аргон-содержащих средах и испытания аппарата «Малыш-К». Автор принимал непосредственное участие в составлении программы исследований и модернизации отсеков для проведения исследований.

Лабораторная установка для определения потребления кислорода мелкими лабораторными животными в газовых средах различного состава «Мини Объем»

Стенд является разработкой автора на базе аппарата Шатерникова для мелких лабораторных животных. Аппарат был модифицирован для использования дыхательных газовых смесей различного состава и оценки выделения углекислого газа.

Санитарно-химическая, токсикологическая и физиологическая оценка кислорода, полученного из твердых кислородосодержащих соединений оригинального состава

В соответствии с целевым назначением генераторов кислорода на основе ТКС (использование в течение длительного времени для формирования нормоксической газовой среды обитаемых гермообъектов и в медицинских целях при высокой концентрации) работа проводилась по нескольким этапам. На первом этапе была осуществлена проверка качества получаемого кислорода и его соответствие действующему ГОСТ. На втором была проведена оценка воздействия кислорода из ТКС на организм животных в нормоксических условиях при длительном воздействии и в условиях гипероксии при кратковременной экспозиции. На завершающем этапе проведены исследования с участием человека также при нормальном и повышенном содержании О₂ во вдыхаемой газовой смеси.

Основные характеристики процесса получения кислорода из ТКС

Основной частью термохимического генератора кислорода являются твердые кислородосодержащие соединения (ТКС), сформированные в виде брикета. ТКС представляют собой композицию ингредиентов на основе пероксидов и перхлоратов щелочных металлов. Под воздействием внешнего или внутреннего источника энергии в композиции начинают протекать экзотермические процессы, сопровождающиеся образованием молекулярного О₂ и выделением его в газовую фазу. Максимальная температура в рабочем слое составляет + 518 ч 547 ⁰С.

Санитарно-химические исследования

Процентное содержание кислорода на выходе генератора составляет 99,95 - 99,99%. Обнаруженные органические соединения присутствуют в исследованных образцах в количествах, не превышающих ПДК для атмосферного воздуха. По чистоте получаемый из ТКС кислород превосходит кислород медицинский по действующему ГОСТ.

Эксперименты на животных

Эксперименты проводились на стенде «Гранит». Концентрация О₂ поддерживалась на уровне 19-21%об. Газовая среда в контрольной камере формировалась на основе атмосферного воздуха. Группа лабораторного контроля содержалась в виварии. Длительность круглосуточной экспозиции животных составила 14 суток. Биохимические и морфологические исследования проводились на 7 и 14 сутки.

Исследовались показатели крови подопытных животных, отражающие, в первую очередь, характер протекания процессов перекисного окисления липидов (ПОЛ). Проводили оценку состояния основных заинтересованных органов и систем - печени, сердца и системы кроветворения. Статистически значимых различий в исследованных показателях (б=0,05) обнаружено не было.

Проводилось также взвешивание животных и определение весовых коэффициентов внутренних органов. Статистически значимых различий при б=0,05 в этих показателях у животных контрольной и опытной групп также обнаружено не было.

При сравнении с группой лабораторного контроля общий характер изменений исследованных показателей у животных как контрольной, так и опытной групп, можно интерпретировать как слабо выраженную стрессорную реакцию на специфические условия содержания в гермокамере.

Оценка 24 часового воздействия чистого (98-99 %об.) кислорода, полученного из ТКС, проводилась на лабораторных крыс линии “Wistar”. Контрольная группа подвергалась воздействию О₂ промышленного изготовления по ГОСТ 5583-78.

В эксперименте оценивался общий уровень ПОЛ, характер липидного обмена. Показано статистически достоверное (б=0,05) повышение уровня холестерина у животных опытной группы по сравнению с контрольной группой и группой лабораторного контроля на 20% и 38% соответственно через 24 часа воздействия. Наблюдалась также тенденция к увеличению содержания свободных жирных кислот (СЖК). Среди других исследованных биохимических показателей крови различий между группами не обнаружено.

Полученные данные говорят о возможности влияния кислорода, полученного из ТКС, на липидный обмен в условиях гермокамеры. Некоторое увеличение содержания в крови свободных жирных кислот на фоне воздействия гипероксии должно приводить к активации ПОЛ. Так как возрастания в крови одного из конечных продуктов ПОЛ - малонового диальдегида, - не происходит, то можно предположить, что одновременно наблюдается адекватная активация процессов, препятствующих развитию ПОЛ. Наблюдаемое повышение концентрации холестерина, по-видимому, можно рассматривать как компонент такой реакции. В любом случае, концентрации СЖК и холестерина не превышают средних значений для вида.

Таким образом, анализ результатов исследований кислорода, полученного из твердых источников, на лабораторных крыс в условиях нормоксии (14-суточное воздействие) и гипероксии (24-часовое воздействие) не выявил сдвигов в общем состоянии и биохимическом статусе животных, которые ограничивали бы проведение дальнейших исследований с участием человека.

Исследования с участием человека

Была проведена оценка влияния кислорода, полученного из ТКС, на организм человека при нормоксии применительно к условиям малых подводных многоцелевых аппаратов. Исследования проводились в герметической камере.

Был выбран режим 8 часового рабочего дня при 5 дневной рабочей неделе. В контрольных исследованиях использовался кислород промышленного изготовления (ГОСТ 5583-78). Концентрация О₂ в камере в обеих сериях исследований поддерживалась на уровне от 19 до 21%. Концентрация углекислого газа не превышала 0.5%.

В опытной серии при пребывании испытателей в камере отмечено возрастание уровня СЖК и его постепенное возвращение к исходному уровню в период исследования последействия.

Существенных отличий в динамике остальных биохимических показателей крови различий между сериями исследований обнаружено не было.

На основании полученных данных был сделан вывод о пригодности кислорода, полученного из твердого источника, для дыхания человеком на подводных обитаемых аппаратах малого объема в режиме 8-часового рабочего дня при 5-дневной рабочей неделе.

Были также проведены исследования чистого кислорода, получаемого из ТКС с участием 10 испытателей-добровольцев в возрасте 33-45 лет. Кислород получали с помощью переносного аппарата для получения кислорода медицинского назначения ГКМ6-1 "Нерпа". Содержание кислорода составляло 97.5-98%об., продолжительность дыхания в соответствии с назначением аппарата - 20 мин. Работа проводилась в лабораторных условиях.

Статистически достоверных различий между показателями ПОЛ, биохимическими, гематологическими показателями, параметрами функции внешнего дыхания и сердечно-сосудистой системы между контрольными и опытными сериями обнаружено не было.

Таким образом, в результате проведенных исследований было установлено, что кислород, получаемый из твердых кислородсодержащих соединений, по своему действию на организм человека не отличается от действия кислорода промышленного изготовления по ГОСТ 5583-78. По чистоте получаемый кислород превосходит кислород медицинский по действующему ГОСТ. Получено разрешение Минздрава России на его использование в медицинских целях.

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ индивидуальных средств РЕГЕНЕРАЦИИ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ ГЕРМООБЪЕКТов В НЕШТАТНЫХ СИТУАЦИЯХ

За период многолетней эксплуатации ОС "Мир" имели место нештатные ситуации, связанные с отказами в работе систем обеспечения газового состава по кислороду и углекислому газу.

Простым и эффективным способом поддержания нормального состава газовой среды в гермообъекте является разработка аппаратных средств, не требующих электропитания и использующих в качестве движущей силы перепад давлений, создаваемый при дыхании. Метод основан на очистке газовой среды от углекислого газа путем его поглощения из выдыхаемого воздуха при одновременном насыщении кислородом. Регенеративный патрон располагается на линии выдоха. Выдыхаемый воздух обогащен углекислым газом до концентрации 3,5-4,5% и насыщен влагой практически до 100%, поэтому процессы очистки должны протекать чрезвычайно эффективно. Регенерация газовой среды гермообъекта осуществляется только за счет энергии легочной вентиляции.

Для оценки эффективности предложенного способа был разработан макетный образец индивидуального средства «Малыш-К», состоящий из регенеративного патрона, заполненного регенеративным веществом ОКЧ-3М, маски носоглотовой, клапанов вдоха и выдоха и гибких воздушных шлангов. Динамика концентрации кислорода и углекислого газа в гермообъекте при имитации отказа штатной системы обеспечения газового состава при использовании экипажем средства «Малыш-К» приведены на рисунке 1.

перерыв, маски сняты

Рисунок 1 - Изменение концентрации кислорода и углекислого газа в ходе проведения испытаний опытного образца индивидуального аппарата «Малыш-К» с участием человека (экипаж 3 человека) в условиях гермообъекта (объем 6 м³)

В результате использования аппаратов «Малыш-К» концентрация кислорода в газовой среде несколько увеличивается, а концентрация углекислого газа не уменьшается. Это дает возможность членам экипажа периодически снимать индивидуальные маски для приема пищи, проведения санитарно-гигиенических процедур, оказания медицинской помощи и др. При полной загрузке патрона расчетное время защитного действия аппарата составляет не менее 10 часов.

Таким образом, испытания опытного образца индивидуального аппарата «Малыш-К» в условиях гермообъекта, проведенные при имитации отказа штатной системы обеспечения газового состава, показали, что аппарат работоспособен в условиях гермообъекта и позволяет поддерживать содержание кислорода и углекислого газа в газовой среде по ГОСТ Р 50804-95 «Среда обитания космонавта в пилотируемом космическом аппарате» за счет энергии легочной вентиляции экипажа. Подана заявка на патент (рег. № 2005136619). Аппарат находится на стадии разработки эскизного проекта летного образца, предназначенного для использования в условиях космического полета.

Санитарно-химическая, токсикологическая и физиологическая оценка кислорода, полученного методом короткоцикловой безнагревной адсорбции на цеолитах

Областью применения адсорбционных генераторов кислорода является практическая медицина. На первом этапе работ был проведен сравнительный физико-химический анализ получаемого кислорода и кислорода медицинского по действующему ГОСТ. Эксперименты на животных и исследования с участием человека проводились по двум направлениям в соответствии с целевым назначением генераторов. Оценивалось воздействие получаемого кислорода на организм в состоянии гипероксии и гипоксии.

Технологическая схема адсорбционного генератора кислорода

Получение кислорода методом короткоцикловой безнагревной адсорбции (КБА) основано на схеме Скарстрома, предложенной в 1960г. для осушки воздуха. Сжатый воздух после осушки при избыточном давлении поступает в емкость адсорбера. После адсорбции азота из воздуха цеолитом (молекулярным ситом) обогащенная кислородом газовая смесь разделяется на два потока. Часть через систему клапанов поступает во второй адсорбер для его промывки от азота, оставшегося после аналогичного цикла адсорбции, после чего обогащенная азотом смесь выбрасывается в атмосферу. Другая часть, обогащенная кислородом, через систему клапанов подается потребителю. Два адсорбера действуют в циклическом режиме "сорбция N₂ - десорбция" в противофазе и обеспечивают постоянный поток продуктового газа. На базе СКБ ЭО при ГНЦ РФ - ИМБП РАН был изготовлен опытный образец адсорбционного генератора кислорода.

Санитарно-химические исследования

Сравнительные характеристики физико-химических свойств кислорода, полученного адсорбцией из воздуха, и кислорода медицинского по действующему ГОСТ представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Сравнительный состав кислорода медицинского по действующему ГОСТ и полученного методом КБА из атмосферного воздуха

Определяемое вещество	Ед.изм.	Кислород:
		По ГОСТ 5583-78	Полученный адсорбцией из воздуха
Кислород	% об.	99,5	95.2
Аргон	% об	-	3.6
Диоксид углерода	% об	0,05	не обнаружен
Оксид углерода	% об	0,3х10-4	Следы
Метан	мг/л	0,3х10-4	Следы
Бутанол-2	мг/л	н/о
Изоамиловый спирт	мг/л	н/о
Пропиловый альдегид	мг/л	н/о
Механические примеси	мг/л	н/о
Запах		Отсутствует

Выявлено, что измерения концентрации кислорода в газовой среде, проведенные на аппаратуре, работа которых основана на различных принципах (электрохимические датчики, термомагнитоэлектрический датчик, детектор по теплопроводности), дают несколько различные результаты, которые характеризуются повторяемостью и превышают собственные ошибки аппаратуры. Это указывает на различие физико-химических свойств кислорода медицинского и адсорбционного.

Был проведен анализ адсорбционной активности кислорода, полученного различными способами, на ионных кристаллах - цеолитах (таблица 3).

Обнаружено, что при давлении кислорода около 200 мм рт. ст. адсорбируемость разных образцов кислорода различается в 1,5 раза, а эффективные коэффициенты диффузии - в 3 раза.

Таблица 3 - Адсорбционно-кинетические характеристики различных марок кислорода на цеолите CaLSX при температуре 293 К.

№ п/п	Марка кислорода	Адсорбция, мг/г при давлении	ф 05, с при 200 мм рт.ст	D O2, см2/с
		~ 200 мм.рт.ст	~ 500 мм.рт.ст	~760 мм.рт.ст.
1	ОЧ	2.6	5.7	8.1	2	64
4	Медицинский	2.5	5.4	7.9	3	43
5	Адсорбционный	2.1	5.4	8.1	7	18

Примечание: ф ₀₅- время отработки половинной адсорбционной емкости цеолита; D _O2- эффективный коэффициент диффузии кислорода в цеолите.

При давлениях кислорода около 760 мм.рт.ст. различия в адсорбируемости кислорода разных марок уменьшается и составляют около 15 %.

Проведены масс-спектроскопические исследования изотопного состава кислорода, полученного разными способами.

Таблица 4 - Изотопные соотношения различных образцов кислорода

Образец	Изотопы кислорода:
	О16	О17	О18
О2 медицинский	99,659	0,084	0,258
О2 адсорбционный	99,703	0,071	0,226
Литературные данные (воздух)	99,759	0,037	0,204
Воздух	99,766	0,039	0,206

Из анализа соотношения величин содержания тяжелых изотопов и коэффициентов диффузии следует предположение о том, что чем меньше тяжелых изотопов в составе кислорода, тем меньше коэффициент диффузии адсорбции в цеолите. Полученные результаты требуют дальнейшего исследования причин, влияющих на адсорбцию кислорода, механизма адсорбции, а также молекулярного состава образцов.

Таким образом, кислородообогащенные газовые смеси, полученные путем адсорбционного разделения атмосферного воздуха по сравнению с кислородом медицинским по действующему ГОСТ имеют в своем составе повышенный процент аргона (до 4,5%). Обнаружено, что при давлении кислорода около 200 мм рт. ст. адсорбируемость разных образцов кислорода различается в 1,5 раза, а эффективные коэффициенты диффузии в 3 раза. Происходит изменение соотношения изотопов кислорода в продуктовом газе. Увеличен процент изотопа О¹⁶, снижен процент изотопов О¹⁷ и О¹⁸. Работы выполнены совместно со Смирновым И.А. (ГНЦ РФ - ИМБП РАН), Буряком А.К. и Ульяновым А.А. (ИФХ РАН).

Полученные данные явились основанием для проведения дальнейших исследований кислорода и кислородообогащенных газовых смесей, полученных путем адсорбции из атмосферного воздуха в экспериментах на лабораторных животных.

Эксперименты на животных

Исследование непрерывного ингаляционного воздействия кислорода, полученного способом адсорбции, в экспериментах на лабораторных крысах.

Эксперименты проводились на установке «Аргон». Подопытных крыс (линия “Wistar”, средняя масса 170 г) помещали в гипероксическую газовую среду:

с содержанием кислорода 90-95% по ГОСТ 5583-78 - контроль;

с содержанием кислорода 85-87% с 2,5-3,5% аргона; смесь, полученная путем адсорбции из воздуха - опыт.

По поведенческим реакциям, патоморфологической картине внутренних органов и биохимическим показателям крови у животных, содержавшихся в гипероксической среде, вне зависимости от способа получения кислорода наблюдаются ярко выраженные признаки, характерные для острого отравления кислородом. Различий между группами не выявлено.

Результаты экспериментов на животных не дают оснований для заключения о различии в действии кислорода и кислородообогащенных газовых смесей, получаемых способом КБА, по сравнению с аналогичными смесями на основе кислорода медицинского. В условиях гипероксии токсические эффекты кислорода являются ведущими.

Представляет большой интерес вопрос о влиянии адсорбционного кислорода на организм в состоянии гипоксии, которая вызывалась снижением концентрации кислорода в окружающей среде.

Исследование воздействия кислорода, полученного способом адсорбции, на эмбриогенез японского перепела.

Для оценки влияния газовых смесей с пониженным содержанием кислорода использовались эмбрионы японского перепела одомашненного (Coturnix coturnix japonica dom.) яйценоской породы. Гипоксическая среда является сильным повреждающим фактором для зародышей с достаточно хорошо известными морфологическими проявлениями. На этом фоне даже небольшое изменение свойств среды инкубации должно приводить к выраженным эффектам, направленным в ту или иную сторону.

Целью эксперимента была оценка влияния кислорода, полученного с помощью адсорбционного генератора кислорода с измененными физико-химическими свойствами, на ранний эмбриогенез японского перепела в гипоксической газовой среде (10%). Работа проведена совместно с Гурьевой Т.С., Дадашевой О.А. (ГНЦ РФ - ИМБП РАН).

Опытная группа инкубировалась в гипоксической газовой среде, где использовался кислород, полученный из адсорбционного генератора кислорода. Группа контроль-1 инкубировалась с использованием кислорода, полученного промышленным способом низкотемпературной ректификации (медицинский кислород), той же концентрации, а группа контроль-2 - в атмосферном воздухе. Опытные и контрольные эксперименты проводились на стенде «Аргон». Длительность каждого эксперимента составила 4 суток. Основные результаты представлены в таблице 5.

Таблица 5 - Результаты инкубирования яиц японского перепела в газовой среде с содержанием кислорода 10% в течение 4 суток

Показатели	Опытная группа, О2 адсорбционный	Контроль-1, О2 медицинский по ГОСТ	Контроль-2, атмосферный воздух
Оплодотворенных яиц, шт	29	29	29
Эмбрионы на стадии развития всего живых, кол-во(%) 2,5-3 суток 3 суток 3-3,5 суток 3,5 суток 3,5-4 суток 4 суток	18(62%)* 2 2 8 6	21(72,4%)* 2 2 7 9 1	28(96,6%)* 28
Погибли на стадии развития всего, кол-во(%) 1 сутки 1-2 суток 2 суток 2-2,5 суток 2,5 сутки	12(37,9%)* 6 2 2 1	8(27,6%)* 2 2 3 1	1 1
Эмбрионы с аномалиями: Количество/случаи Виды аномалий: глаза тела мозга S-образная форма	6/9 3 4 нет 6	13/17 6 8 3 8

* - от количества оплодотворенных яиц.

Сравнение данных, полученных в опытной и контрольных группах, позволяет сделать вывод о том, что в опытной группе, где инкубирование яиц проходило в газовой смеси на основе адсорбционного кислорода с измененными физико-химическими свойствами, результаты значительно отличаются от полученных в контроле - 1, где развитие эмбрионов было в смеси с использованием кислорода, полученного способом низкотемпературной ректификации:

- количество эмбрионов и число случаев с морфологическими нарушениями в два раза меньше;

- эмбрионов с патологией развития глаза в два раза меньше;

- не отмечено ни одного случая эмбрионов с аномалией развития мозга;

- наблюдается меньшее количество эмбрионов с измененной формой тела.

Постановочные исследования с участием человека

В таблице 6 приведены результаты измерения напряжения газов крови у двух пациентов с тяжелой формой дыхательной недостаточности при дыхании атмосферным воздухом, кислородом медицинским по действующему ГОСТ и кислородом адсорбционным.

Таблица 6 - Напряжение газов крови у пациентов с тяжелой формой дыхательной недостаточности при дыхании воздухом, кислородом медицинским и кислородом адсорбционным

Пациент	Газы крови	Газовые смеси, используемые для дыхания
		воздух	О2 мед.	О2 адсорб.
А-д	PaO2, mm Hg	42-45	59-82	59-87
	PaCO2, mm Hg	44-47	44-47	40-46
Ф-р	PaO2, mm Hg	50-57	66-68	70-92
	PaCO2, mm Hg	46-57	46-57	40-50

При дыхании кислородом медицинским происходит повышение напряжения кислорода артериальной крови в среднем в 1,5 раза без уменьшения напряжения углекислого газа. Если пациенты дышали кислородом адсорбционным, то наблюдалось не только повышение напряжения кислорода в 1,6 раза, но и уменьшение напряжения углекислого газа в среднем в 1,5 раза, что особенно заметно у второго пациента. Работа выполнена совместно со Смирновым И.А. (ГНЦ РФ - ИМБП РАН) в Институте пульмонологии.

Таким образом, установлено, что при получении кислорода методом КБА происходит изменение физико-химических свойств кислорода. Кроме того, происходит повышение концентрации аргона (до 4,5%). При оценке влияния адсорбционного кислорода на быстро развивающиеся живые системы на примере эмбрионов японского перепела в условиях низкого содержания кислорода (10%) в инкубационных средах было показано, что в опытной группе (кислород адсорбционный) количество эмбрионов, имеющих патологию в развитии, было в два раза меньше, чем в контроле (кислород медицинский по действующему ГОСТ).

При проведении постановочных исследований с участием человека показано, что при дыхании адсорбционным кислородом у пациентов с дыхательной недостаточностью наблюдается не только повышение напряжения кислорода артериальной крови, как и при дыхании кислородом медицинским по действующему ГОСТ, но и одновременное уменьшение напряжения углекислого газа.

Изучение биологических эффектов инертного газа аргона в условиях гипоксичекой гипоксии

Целью исследований являлась оценка воздействия на организм инертного газа аргона в качестве средства защиты при значительном снижении концентрации кислорода в окружающей среде и разработка на этой основе пожаробезопасных газовых сред для обитаемых гермообъектов.

Работы проводились по следующим направлениям:

- исследование влияния аргона на состояние организма животных в сильно обедненной кислородом газовой среде;

- оценка влияния аргона на протекание жизненных процессов у высших и низших животных, а также у микроорганизмов для выяснения возможных механизмов биологических эффектов в газовых средах с различным содержанием кислорода;

- оценка пожаробезопасности газовых сред на основе аргона по условиям горения конструкционных материалов;

- длительные исследования с участием человека в гипоксических аргонсодержащих средах.

Исследования на млекопитающих в гипоксических кислородно-азотно-аргоновых средах

Эксперименты по оценке времени жизни лабораторных крыс в гипоксических средах

Целью экспериментов являлось установление различий влияния гипоксии на выживаемость животных в кислородно-азотных и кислородно-азотно-аргоновых средах (КАСр и КААрСр). Белые лабораторные крысы-самцы линии “Wistar” (масса 180-200 г, n = 6 в каждом опыте) через герметичный шлюз помещались в камеру с готовой гипоксической КАСр или КААрСр различного состава. Условия проведения эксперимента и основные результаты представлены в таблице 7.

Наблюдается увеличение выживаемости животных и статистически достоверное увеличение времени жизни в гипоксических средах с содержанием кислорода 4-5 %об. и аргона 70-80 %об., а добавление 4-8 %об. углекислоты снижает выживаемость.

Таблица 7 - Условия проведения и основные результаты экспериментов по оценке выживаемости крыс в гипоксических газовых средах в течение 4 ч

Состав газовой среды и параметры оценки выживаемости	Серия 1, опыт №:	Серия 2, опыт №:	Серия 3, опыт №:	Серия 4, опыт №:	Серия 5, опыт №:
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Состав среды, %об О2 СО2 N2 Ar	7 8 85 0	7 8 15 70	5 8 87 0	5 8 15 72	5 0 95 0	5 0 15 80	4 4 92 0	4 4 15 77	4 4 67 25	4 0 71 25
Кол-во выживших	6	6	2	6	4	6	0	6	3	5
Кол-во погибших с указанием времени гибели в минутах от начала опыта	0	0	2-(30) 41-(60) 1(120)	0	21-(180) 1-(210)	0	3-(5) 61-(8) 1-(36) 1-(90)	0	31-(23) 2-(31)	1-235
Частота дыхания, мин-1	120	120	120	120	100	100	120	120	115	100
Повреждения легких			отек						отек

При оценке влияния параметров микроклимата на время жизни животных в исследуемых средах было отмечено выраженное отрицательное влияние повышенной температуры на выживаемость животных в гипоксических средах как на основе азота, так и аргона. Эффект связывается с однонаправленностью реакций организма на перегревание и гипоксию.

Эксперименты по оценке времени жизни лабораторных мышей в гипоксических средах

На следующем этапе производилась оценка времени жизни мышей с различными уровнями обмена C57BL/6, Balb/c и гибридов F1CBAxBalb/c. Наблюдается достоверное уменьшение времени жизни подопытных животных в КАрСр при концентрации кислорода 4-5 % по сравнению 4-5 % КАСр и статистически недостоверные тенденции для мышей F1CBAxBalb/c такого же характера при концентрации кислорода 6,3-6,4 %. Также показано, что мыши линии C57BL/6 имеют большее время выживания по сравнению с другими подопытными животными как в контроле, так и в опыте.

Интенсивность метаболизма мышей линии C57BL/6 относительно низка. Размеры мозга и, следовательно, доля потребляемого кислорода от общей величины, средние. Относительно устойчивы к действию радиации, что коррелирует с устойчивостью к гипоксии (Ажипа Я.И., 1983; Плахатнюк В.И. и др., 1984).

В отличие от них мыши линии Balb/c обладают относительно высоким метаболизмом, большими размерами головного мозга и имеют высокую чувствительность к ионизирующему излучению. Кроме того, у этой линии отмечен дефицит пероксидазы и тироксиназы в легких и коже (Бландова и др., 1983), что указывает на пониженную активность антиоксидантной системы, которая также имеет немаловажную роль для устойчивости к гипоксии (Хитров Н.К. и др., 1991). Гибриды F1CBAxBalb/c обладают многими сходными свойствами с линией Balb/c.

Если предположить, что присутствие аргона так или иначе активирует метаболические процессы, то усиление распада глюкозы у животных, обладающих и без того очень высоким уровнем метаболизма (мыши), может привести к уменьшению выживаемости, в отличие от животных с относительно низким уровнем метаболизма (крысы).

Таким образом, у мелких млекопитающих устойчивость к гипоксии в разные отрезки времени определяется различными факторами: в первые десятки секунд - запасами кислорода; далее, до 4-10 мин - доступными запасами глюкозы и скоростью ее утилизации; свыше 10 мин - накоплением продуктов гликолиза и перекисным окислением липидов. Первый максимум смертности приходится на момент исчерпания возможностей получения необходимого количества АТФ при окислительном фосфорилировании. Затем, если возможности анаэробного гликолиза и сохраненного уровня окислительного фосфорилирования соответствуют минимальным потребностям организма, расходуется доступный запас глюкозы. Если к этому времени не произойдет мобилизация запасов гликогена, то головной мозг погибнет (второй максимум смертности). В противоположном случае он продолжает функционировать в состоянии неустойчивого равновесия неопределенное время. гермообъект кислород цеолит

Эксперименты по оценке влияния газовых сред на основе аргона с различным содержанием кислорода на биохимические показатели крови лабораторных крыс

Эксперименты проводились на самцах белых лабораторных крыс линии “Wistar”. Эксперименты проводились при условии полной рандомизации и обрабатывались по методу математического планирования факторных экспериментов 2^k, где k - количество исследуемых факторов. Оценивалось воздействие на организм двух факторов:

пониженного содержания О₂ во вдыхаемой газовой смеси (от 6 до 10% об.);

присутствия в газовой смеси аргона (от 0 до 80% об.)

Оценка изменения биохимических показателей крови животных проводилась после воздействия на них О₂/N₂/Ar гипоксической дыхательной газовой смеси в течение 1,5 часов по методу «слепой пробы».

На рисунке 2 представлена рассчитанная по методу математического планирования зависимость изменения концентрации глюкозы плазмы крови подопытных животных, подвергнутых воздействию гипоксических дыхательных газовых сред, от содержания кислорода и аргона.

Рисунок 2 - Концентрация глюкозы в крови подопытных животных (крысы линии "Wistar") в зависимости от содержания кислорода и аргона в ДГС. Метод математического планирования, полный двухфакторный эксперимент

При относительно высоком содержании кислорода (10 % об.) увеличение содержания аргона ведет к понижению концентрации глюкозы. При низком содержании кислорода (6-7% об.) увеличение содержания аргона ведет к одновременному повышению концентрации глюкозы. В диапазоне содержания кислорода 8,5-9,5% аргон не оказывает влияния на концентрацию глюкозы.Уравнение регрессии в кодированных переменных для концентрации глюкозы в исследованных диапазонах содержания кислорода и аргона показывает не только влияние каждого фактора (содержание кислорода и аргона), но и эффекты их взаимодействия.

Lg[Глю]=2.15 - 0.06X₁ + 0.01X₂ - 0.03X₁X₂,

где :

[Глю] - концентрация глюкозы в крови; Х₁ - фактор «содержание О₂»; Х₂ - фактор «содержаниеAr»

Из представленной формулы следует, что основное влияние на уровень глюкозы крови оказывает содержание кислорода в дыхательной газовой среде - 60% по удельному весу. Взаимодействие факторов содержания кислорода и аргона стоит на втором месте - 30%. Минимальное влияние имеет уровень аргона как таковой - 10%.

Таким образом, в условиях гипоксической гипоксии аргон является метаболически активным агентом и оказывает разнонаправленное влияние на такой биохимический показатель плазмы крови крыс, как концентрация глюкозы. При относительно высоком содержании кислорода (10 % об.) увеличение содержания аргона ведет к понижению концентрации глюкозы. При низком содержании кислорода (6-7% об.) увеличение содержания аргона ведет к одновременному повышению концентрации глюкозы. В диапазоне содержания кислорода 8,5-9,5% аргон не оказывает влияния на концентрацию глюкозы.

На следующем этапе работы оценивалось влияние аргона на потребление кислорода и выделение углекислого газа животными в нормоксических и гипоксических газовых средах. Опыты по определению потребления кислорода проводились на стенде «МиниОбмен» на самцах белых лабораторных крыс линии "Wistar" с массой тела 350 9,5 г. По устойчивости к острой гипоксии подопытные животные были сформированы в однородную группу.

Показано, что если в гипоксических КАСр с 5 % и 10 % кислорода происходит статистически достоверное прогрессивное снижение общего потребления кислорода до величины 55 % от исходного уровня, то в гипоксических КАрСр с 5 % и 10 % кислорода потребление О₂ падает не более чем до 91 % от исходного, причем это падение недостоверно.

При оценке такого показателя обменных процессов как потребление кислорода показано, что если в гипоксических азотсодержащих средах с 10 % и 5 % кислорода происходит статистически достоверное прогрессивное снижение общего потребления кислорода до величины 55 % от исходного уровня, то в гипоксических аргонсодержащих средах кислорода потребление О₂ падает не более чем на 10% от исходного, причем это падение недостоверно. Тем самым, наличие аргона в гипоксических дыхательных средах ведет к сохранению потребления кислорода практически на исходном уровне. В нормоксических средах на потребление кислорода наличие аргона не сказывается.

Исследование влияния аргона на эмбриогенез японского перепела

Большой интерес представляет оценка влияния присутствия аргона в газовой среде на быстро развивающиеся живые системы. Объектом исследования являлись эмбрионы японского перепела. Работа выполнена совместно с Гурьевой Т.С. и Дадашевой О.А. (ГНЦ РФ - ИМБП РАН).

Эксперименты проводились на стенде «Аргон». Условия проведения эксперимента представлены в таблице 8. Во всех сериях количество яиц на закладку составляло 30 шт.

Таблица 8 -Продолжительность инкубации яиц японского перепела и параметры газовой среды

№пп	Название серии	Про-дол-жит., сут	Параметры газовой среды	Темпера-тура инку-бации, оС
			Газовый состав, %	Относит. вл-ть, %	Темпера-тура, оС
			О2	N2	Ar	СО2
1	Гипоксия-1	10	10	90	--	0,03	69-86	29-33	37,2-38
2	Гипоксия-2	10	10	35	55	0,05	63-82	29-33	37,2-38,2
3	Гипероксия-1	4	35	65	--	0,05	62-83	29-30	37,4-37,9
4	Гипероксия-2	4	35	10	55	0,05	75-84	30-31	37,6-38
5	Контроль	4	Воздух	0,05	74-88	31-33	37,2-38,1

На рисунке 3 представлены данные по смертности эмбрионов японского перепела, инкубировавшихся в различных гипоксических газовых средах - кислородно-азотной (О₂-10%, N₂-90%, гипоксия-1), кислородно-азотно-аргоновой (О₂-10%, N₂-35%, Ar-55% гипоксия-2), - и в лабораторном контроле (атмосферный воздух).

В обеих опытных группах наибольший процент погибших эмбрионов (65-67%) приходится на 4 - 5 сутки развития. В группе гипоксия-1 к 6 суткам показатель смертности составил 100%, в группе гипоксия-2 100% смертность наблюдалась только к 7-м суткам.