Методическое обеспечение гигиенической оценки опасности воздействия ванадия на организм детей в зоне размещения металлургических производств феррованадиевых сплавов

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Актуальность исследования. В настоящее время одной из приоритетных гигиенических задач является сохранение качества окружающей среды и предотвращение воздействия вредных химических факторов на здоровье с целью обеспечения санитарно-эпидемиологической безопасности населения [Г.Г. Онищенко с соавт., 2007-2011; Ю.А. Рахманин, О.О. Синицына и др. 2006-2013; Н.В. Зайцева с соавт., 2003-2012].

Для предупреждения и устранения вредного воздействия химических факторов необходимо постоянное развитие адекватных методов оценки негативных последствий воздействия, которое возможно только при наличии современных химико-аналитических методов определения химических веществ в объектах окружающей среды [М.А. Пинигин, 2001; Б.А. Ревич, 2006-2012] и биологических средах человека [Т.С. Уланова, 2006-2013; А.В. Скальный, 2003; B.J. Bolann, 2007]. Вместе с тем, химико-аналитическое обеспечение определения ряда токсичных элементов, в том числе ванадия, не соответствует современным требованиям к чувствительности и селективности, что значимо ограничивает эффективность мониторинговых и контрольно-надзорных мероприятий [А.Г. Малышева, Ю.А. Рахманин, 2012; Н.В. Зайцева, Т.С. Уланова, 2011-2012; Z.L. Chen, 2008].

Одним из основных источников выбросов ванадия в России является крупнейший в Европе металлургический завод по производству феррованадиевых сплавов в г. Чусовой Пермского края, который ежегодно выбрасывает свыше 12 тонн пентоксида ванадия.

Высокая токсичность ванадия (I класс опасности) определяют опасность неблагоприятного воздействия атмосферного воздуха с повышенным содержанием ванадия и его соединений на здоровье населения, проживающего в зоне влияния выбросов феррованадиевого производства.

Критическими органами и системами при хроническом ингаляционном воздействии ванадия являются органы дыхания (развитие гиперчувствительности); иммунная система (нарушение гуморального и клеточного иммунитета, естественной иммунорезистентности); при пероральном - печень (угнетение белкового синтеза) и почки (нефротоксический эффект) [Р.2.1.10.1920-04; T.I. Fortoul, 2011]. Вместе с тем, ингаляционное поступление элемента оказывает негативное влияние не только на дыхательные пути, но и на весь организм в целом за счет альвеолярно-капиллярной диффузии и поступления в системный кровоток [Н.И. Калетина, 2008, P. Apostoli, 2006].

Референтная концентрация ванадия при хроническом ингаляционном воздействии (RfCхр.) составляет 0,00007 мг/м3 [Р.2.1.10.1920-04], что почти в 30 раз ниже ПДКс.с., установленной на уровне 0,002 мг/м3 [ГН 2.1.6.1338-03]. Агентство регистрации токсичных веществ и заболеваний США (ATSDR) в качестве RfCхр. указывает значение 0,0001 мг/м3, что также значительно ниже ПДК с.с.

Существующие физико-химические методы определения ванадия в атмосферном воздухе (фотометрический, рентгенофлуоресцентный, атомно-абсорбционный), утвержденные и действующие в РФ, недостаточно селективны и чувствительны (нижний предел обнаружения в атмосферном воздухе порядка 0,001-0,05 мг/м3). В зарубежной практике при исследовании содержания ванадия в атмосферном воздухе широко используется нейтронно-активационный (отличается большими время- и трудозатратами) и масс-спектрометрический методы. Вместе с тем, условия выполнения анализа, в соответствии с данными способами, предполагают использование стационарных пробоотборных устройств, требуют отбора образца объемом более 1000 м3 в течение 24 часов и более [ATSDR, 2012], что существенно ограничивает исследования на различных территориях.

Методы измерения содержания ванадия в биологических средах в России представлены в виде методических указаний на базе метода ICP-MS [МУК 4.1.1483-03], носят рекомендательный характер и не соответствуют современным требованиям стандартизации и метрологической аттестации. Метод не устанавливает конкретных условий подготовки проб и параметров настройки прибора, что вызывает трудности при его внедрении в лабораторную практику. В соответствии с зарубежными литературными данными, конкретные методы определения ванадия в биосубстратах отсутствуют и представлены, как правило, в виде статей [ATSDR, 2012].

Отсутствие современного высокочувствительного и селективного метода определения в объектах окружающей среды и биологических средах человека не позволяет адекватно оценивать опасность загрязнения атмосферного воздуха ванадием и его соединениями, определять уровни содержания ванадия в биологических средах населения, проживающего на территориях с различной техногенной нагрузкой. Кроме того, не обоснованы маркеры ингаляционной экспозиции ванадия, региональные фоновые уровни содержания элемента в биосубстратах человека, маркерные показатели ответной реакции организма человека, проживающего в зоне хронического аэрогенного воздействия ванадия, что также ограничивает возможности проведения профилактических мероприятий, направленных на предупреждение развития хронических неинфекционных заболеваний, обусловленных воздействием факторов окружающей среды.

В связи с вышеизложенным целью исследования являлась разработка методического обеспечения гигиенической оценки опасности воздействия ванадия на организм детей в зоне размещения металлургических производств феррованадиевых сплавов для реализации профилактических мероприятий по результатам социально-гигиенического мониторинга и биомониторинга.

Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:

1. Разработать комплекс современных высокочувствительных методов определения массовой концентрации ванадия в атмосферном воздухе и биосредах (кровь, моча) человека на базе масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS).

2. Оценить связь уровней загрязнения объектов окружающей среды с содержанием ванадия в биосредах детей, проживающих в регионах с разным уровнем антропогенной нагрузки, и установить региональные фоновые и реперные уровни содержания ванадия в биосредах детского населения Пермского края.

3. Обосновать маркеры экспозиции и маркеры ответной реакции организма детей при хроническом ингаляционном поступлении ванадия в организм.

4. Разработать рекомендации по санитарно-гигиеническим и профилактическим мероприятиям, направленным на предупреждение и устранение вредного воздействия ванадия на территориях с размещением металлургических производств феррованадиевых сплавов.

Научная новизна:

· Обоснованные параметры отбора и подготовки проб атмосферного воздуха с учетом отбора 1 м3 протянутого воздуха, параметры настройки чувствительности масс-спектрометра позволили установить нижний предел определения ванадия методом ICP-MS значительно ниже референтной концентрации.

· Обоснованные параметры подготовки биосубстратов человека для последующего анализа, учет и минимизация матричных и интерференционных помех при определении ванадия в сложных биологических матрицах (кровь, моча) методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой с октопольной реакционной/столкновительной ячейкой, оптимальные параметры работы октопольной реакционной/столкновительной ячейки позволили снизить нижний предел определения до 0,1 мкг/дм3 с погрешностью определения, не превышающей 32%.

· На основе разработанных методов определения ванадия выявлены зависимости между его содержанием в атмосферном воздухе и биосубстратах (кровь, моча) детей, проживающих в зоне антропогенного воздействия металлургического предприятия; получены достоверные модели связи между содержанием ванадия в крови и клинико-лабораторными показателями крови детей, проживающих в зоне экспозиции ванадия, по критерию отношения шансов (OR) - повышение уровня специфичного к ванадию иммуноглобулина IgG, повышение уровня общего иммуноглобулина IgE, снижение общего иммуноглобулина IgA и фагоцитарного числа.

· Построены математические модели, отражающие зависимость «экспозиция - маркер экспозиции», которые показали, что маркером ингаляционной экспозиции ванадия является его концентрации в крови.

· Впервые установлено, что наиболее чувствительным маркерным показателем аэрогенного воздействия элемента является повышение содержания специфического к ванадию IgG в сыворотке крови.

· Предложены критерии гигиенической оценки в виде реперных уровней содержания ванадия в крови и атмосферном воздухе.

Практическая значимость работы.

Для проведения контрольно-надзорных мероприятий, решения задач социально- гигиенического мониторинга, осуществления санитарно-эпидемиологических экспертиз и расследований разработан МУК 4.1.2953-11 «Определение массовой концентрации ванадия в атмосферном воздухе методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой», метод зарегистрирован в Федеральном информационном фонде по обеспечению единства измерений (ФР.1.31.2011.09887).

Разработан и запатентован способ определения концентрации ванадия в атмосферном воздухе методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (патент на изобретение РФ № 2466096 от 08.04.2011 г.);

Разработана методика выполнения измерений массовой концентрации элементов, в том числе ванадия, в биосредах человека (кровь, моча) методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой с октопольной реакционной/ столкновительной ячейкой. Разработанная методика прошла метрологическую аттестацию и зарегистрирована в Федеральном информационном фонде по обеспечению единства измерений под номером ФР.1.31.2014.17064. На базе разработанного метода установлены критерии сравнительной оценки экспозиции в виде региональных фоновых уровней содержания ванадия в крови и моче детского населения Пермского края.

Результаты выполненных исследований использованы при реализации программных и подготовке информационных документов:

- Информационно-методического письма «О результатах определения ванадия в атмосферном воздухе методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой» (приказ №161 от 7.10.2014 г.);

- Информационно-методического письма «Оценка нарушений протеомного профиля плазмы крови у детей в условиях аэрогенного комбинированного поступления тяжёлых металлов (никеля, ванадия, марганца)» (приказ №40 от 14.02.2014 г.).

Результаты проведенных научных исследований используются ФБУН «ФНЦ медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения» при разработке и реализации программ по гигиенической оценке ситуации и диагностики нарушений здоровья, ассоциированных с негативным воздействием факторов среды обитания, а также при подготовке экспертных заключений «О влиянии химических факторов среды обитания на здоровье населения города Чусовой Пермского края» (№ 9 от 10.12.2010 г.), «Санитарно-гигиеническая оценка воздействия факторов среды обитания на здоровье детского населения Чусовского городского поселения» (№12 от 30.06.2011 г.) (акт внедрения от 21.02.2014 г.).

Положения, выносимые на защиту.

1. При гигиенической оценке территорий с размещением профильных металлургических предприятий, оценке уровня контаминации биосред (кровь, моча) населения на содержание ванадия и оценке последствий негативного воздействия элемента оптимальным является разработанный комплекс методов определения на базе масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой, высокую селективность и чувствительность которых обеспечивают обоснованные параметры отбора и подготовки проб, параметры настройки чувствительности масс-спектрометра, оптимальные параметры реакционного режима работы прибора с октопольной реакционной/столкновительной ячейкой.

2. Повышенные уровни содержания ванадия в крови, обусловленные аэрогенной экспозицией, являются маркерами этой экспозиции. Наиболее чувствительным маркерным показателем ответной реакции организма является специфический к ванадию иммуноглобулин IgG, начальные отклонения от нормы которого определяют значения реперных уровней элемента в крови и атмосферном воздухе.

3. Для оценки опасности вредного воздействия ванадия на организм детей могут служить гигиенические критерии в виде региональных фоновых уровней ванадия в крови и моче детей Пермского края, реперные уровни элемента в крови и атмосферном воздухе, которые позволяют адекватно оценить реальную экспозицию населения.

Апробация материалов диссертации. Диссертация апробирована на заседании Ученого совета ФБУН «ФНЦ медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения» г. Пермь 20 февраля 2014 года, на заседании диссертационного совета ФГБУ «Научно-исследовательский институт экологии человека и гигиены окружающей среды им. А.Н. Сысина» 2 июля 2014 года.

Результаты исследования доложены и обсуждены на научно-практической конференции с международным участием «Современные вопросы организации медицины труда и управления профессиональными рисками» (Екатеринбург, 2011), «Гигиенические и медико-профилактические технологии управления рисками здоровью населения в промышленно развитых регионах» (Пермь, 2011, 2012, 2014), «Современные вопросы оценки и управления профессиональными рисками в производстве алюминия. Научно-практическая деятельность органов и организаций Роспотребнадзора по обеспечению санитарно-эпидемиологического благополучия населения Урала: 90-летняя история, накопленный опыт и перспективы» (Екатеринбург, 2012), «Экология и научно-технический прогресс. Урбанистика» (Пермь, 2012), «Окружающая среда и здоровье. Молодые ученые за устойчивое развитие страны в глобальном мире» (Москва, 2012), на международной научно-практической конференции по химии «Киев-Тулуза» (Киев, 2013).

Личный вклад автора. При планировании, организации и проведении исследований по всем разделам работы доля личного участия составила 80%. Анализ фактического материала и обобщение результатов полностью проведены автором работы.

Публикации. По результатам исследования опубликовано 20 печатных работ, в том числе 8 в изданиях, рекомендованных ВАК, получен 1 патент.

1. Объекты, объем и методы исследования

Объектами исследования являлись атмосферный воздух территории, расположенной в зоне влияния металлургического производства ОАО «Чусовской металлургический завод» (г. Чусовой Пермского края), атмосферный воздух территорий с минимальной техногенной нагрузкой (п.г.т. Ильинский, пос. Сива, пос. Б. Соснова, пос. Юго-Камский, г. Кунгур Пермского края), биологические среды (кровь, моча) детского населения, проживающего на территориях с различным уровнем загрязнения атмосферного воздуха ванадием.

Предметом исследований являлись разработка методов определения ванадия в объектах окружающей среды и биосредах, причинно-следственные связи и зависимости, возникающие при ингаляционном воздействии ванадия, обладающего иммунотоксическим эффектом.

Материалы, методы и объем исследования. Применялись химико-аналитические, биохимические, иммунологические, эпидемиологические и статистические методы, методы математического моделирования причинно-следственных связей. Основные направления, объекты и объем исследований представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Основные направления, объекты, методы и объем исследований

Для разработки методов определения массовой концентрации ванадия в атмосферном воздухе и биосредах, а также проведения масс-спектрометрических исследований использовали масс-спектрометр с индуктивно связанной плазмой Agilent 7500cx с октопольной реакционной/столкновительной ячейкой (Agilent Technologies, USA).

Оценку поступления пентоксида ванадия с промышленными выбросами за период 2010-2012 гг. в атмосферный воздух г. Чусовой Пермского края проводили с использованием методов моделирования, выполненного при участии специалистов отдела системных методов санитарно-гигиенического анализа и мониторинга (зав. отделом к.м.н. С.В. Клейн). По результатам расчетов рассеивания пентоксида ванадия в атмосферном воздухе, верифицированных данными натурных наблюдений, выделено 3 зоны наблюдения, зона с максимальным уровнем аэрогенной экспозиции расположена на расстоянии от 0,2 до 4 км от ОАО «Чусовской металлургический завод».

Для оценки истинного уровня экспозиции ванадием в период 2010-2013 гг. проводили химико-аналитические исследования проб атмосферного воздуха и питьевой воды в районах расположения выбранных детских дошкольных учреждений на территориях наблюдения и сравнения. Всего было проанализировано 606 проб воздуха и 72 пробы питьевой воды.

Региональные фоновые уровни содержания ванадия в биосредах обосновывали на основании результатов химико-аналитических исследований крови и мочи детей, проживающих на условно чистых (контрольных) территориях (пос. Большая Соснова и пос. Сива Пермского края). Всего в контрольных группах обследованы 557 детей, исследовано 248 проб мочи и 485 проб крови.

Для обоснования маркера аэрогенной экспозиции и реперного уровня ванадия в биосредах проведено углубленное химико-аналитическое и клинико-лабораторное обследование 350 детей в возрасте от 4 до 7 лет (мальчиков - 51,6%, девочек - 48,4% от общего числа детей), проживающих и посещающих не менее 1 года детские организованные учреждения, расположенные на селитебной территории в зонах экспозиции ванадием (г. Чусовой). Всего сформировано 3 группы наблюдения. На контрольной территории обследовано 150 детей 3-7 лет. В выборки включали детей, имеющих I-II группы здоровья.

Обследование детей выполнено в период 2010-2013 гг. с соблюдением этических норм, изложенных в Хельсинкской декларации 1975 года с дополнениями 1983 года.

При проведении медико-биологических исследований детей изучали иммунологические и биохимические показатели, которые определяли унифицированными методами [В.В.Меньшиков, 2003; В.С. Камышников, 2004; В.А. Ткачук, 2008 и др.]. С учетом характера токсического действия ванадия в их число входили: общие иммуноглобулины IgE, IgG, IgA, специфичный к ванадию IgG в сыворотке крови, фагоцитоз, фагоцитарное число в сыворотке, АЛАТ, АСАТ и содержание общего белка в крови. Иммунологические исследования выполнены в отделе иммунобиологических методов диагностики (зав. отделом, д.м.н. О.В. Долгих); биохимические исследования - в отделе биохимических и цитогенетических методов диагностики (зав. отделом, д.м.н. М.А. Землянова).

Обоснование маркера экспозиции ванадия выполнено на основании установленных достоверных связей концентрации металла в крови с уровнем экспозиции. Оценка параметров моделей выполнена с использованием пакета прикладных программ Statistica 6.0 и специально разработанных программных продуктов, сопряженных с приложениями MS-Office. Причинно-следственные связи между воздействием загрязняющего вещества и ответной реакцией организма выполнено по расчету показателя отношения шансов (), характеризующего связь концентрации металлов в крови с показателями ответных реакций у детей. Наличие связи оценивали по критерию OR?1 [Р. Флетчер и соавт., 1998]. Установление реперной концентрации элемента в крови выполнено моделированием зависимости «отношение шансов - маркер экспозиции» методом построения регрессионной модели с оценкой адекватности моделей по критерию Фишера с 95% уровнем достоверности и коэффициенту детерминации [С. Гланц, 1998]. Исследования выполнены в отделе математического моделирования систем и процессов (зав. отделом к.т.н. Д.А. Кирьянов).

2. Разработка высокочувствительного метода определения ванадия в атмосферном воздухе

Для разработки высокочувствительного и селективного метода определения ванадия в атмосферном воздухе на уровне <0,5 референтной концентрации методом ICP-MS были отработаны параметры подготовки и отбора проб, параметры настройки чувствительности масс-спектрометра, установлены градуировочная характеристика и диапазоны количественного определения, метрологические характеристики метода, подтверждающие точность и достоверность определения.

Анализ возможности применения различных минеральных кислот для разложения и растворения образцов проб атмосферного воздуха показал, что оптимальным является использование азотной кислоты, поскольку фоновый спектр ICP-MS в этом случае относительно прост. Для учета ошибки при подготовке проб атмосферного воздуха за счет поэтапного сжигания в муфельной печи и последующего переноса полученного раствора в пробирки в каждый фильтр вносили добавку внутреннего стандарта (166Er или 115 In) c концентрацией 1 мкг/л.

При анализе атмосферного воздуха установлено, что наиболее достоверные данные достигаются при непродолжительном (порядка 30 мин.) отборе пробы. При использовании в процессе пробоотбора аэрозольных фильтров следует убедиться в отсутствии исследуемого элемента в фильтрующем материале. Содержание ванадия в фильтрах должно быть минимальным, т.к. оно может внести существенный вклад в холостую пробу и нижний предел обнаружения массовых концентраций ванадия в атмосферном воздухе. На основании анализа холостых фильтров (n=20) было установлено, что нижний предел количественного определения ванадия при отборе 1-2 м3 воздуха составил 0,000005 мг/м3. Для обнаружения меньших концентраций (фоновых уровней экспозиции) отбирали 20 м3 воздуха и использовали предел определения непосредственно в анализируемом растворе, составляющий 0,05 мкг/дм3 (0,00000025 мг/м3 в атмосферном воздухе).

На основании проведенных исследований разработаны методы определения разовых и среднесуточных массовых концентраций ванадия в атмосферном воздухе методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой в диапазоне 0,000005 - 0,01 мг/м3 при отборе 1-2 м3 воздуха, 0,05-50,0 мкг/дм3 в анализируемом растворе (0,00000025-0,01 мг/м3) при отборе 20 м3 воздуха с погрешностью определения 21 % при р = 0,95.

Технический результат, достигаемый предлагаемой методикой, заключается в снижении предела обнаружения ванадия в атмосферном воздухе до 0,000005 мг/м3 при одновременном уменьшении объема протянутого через фильтр воздуха, упрощении способа подготовки проб к анализу.

Разработанный метод определения ванадия в атмосферном воздухе позволяет определять его фактическое содержание на уровне <<0,5 референтной концентрации. Преимуществом столь высокочувствительного метода является возможность не только проводить адекватный мониторинг атмосферного воздуха на территориях размещения металлургических предприятий, но и обеспечить более достоверную оценку комбинированного риска для здоровья населения в случае одновременного присутствия в атмосферном воздухе нескольких веществ, обладающих однонаправленным механизмом токсического действия.

Разработка метода определения ванадия в биосредах (кровь, моча) человека. Анализ предлагаемых методов определения различных элементов, в т.ч. ванадия, в средах со сложной органической матрицей (включая биосреды) [А.А. Пупышев, 2000-2010; В.И. Федоров, 2005; Н.Б. Иваненко, 2010-2012] показал, что наиболее эффективным и отвечающим современным требованиям является метод ICP-MS с октопольной реакционной/столкновительной ячейкой.

Основными этапами разработки метода определения ванадия в биологических средах человека являлись выбор условий разрушения матричной структуры образцов (пробоподготовка), выбор оптимального элемента внутреннего сравнения, обоснование способов устранения интерференционных и матричных помех, установление диапазона определяемых концентраций.

Для обеспечения существенного снижения или устранения спектральных и матричных помех при аналитическом измерении на 1 этапе разрабатывали способы пробоподготовки, оптимизированные с учетом матричного состава образца. Для разложения проб крови использовали два способа пробоподготовки - микроволновое разложение при температуре 175 єС и давлении 50 бар, а также кислотное растворение в 70% азотной кислоте при нагревании.

Анализ результатов, полученных после кислотного и микроволнового разложения, не выявил достоверных различий. Вместе с тем, использование микроволнового способа затруднено в рутинной клинической практике, поскольку требует больших объемов исследуемого образца, реактивов и времени, необходимого для проведения анализа.

При определении ванадия в моче человека возникают проблемы, связанные с высоким солевым составом образцов. Для устранения матричных помех и интерференционных полиатомных мешающих влияний хлорид-ионов образцы мочи подвергали разбавлению 1 % азотной кислотой.

При разработке методики учитывали возможность появления спектра полиатомных ионов, которые могут вызвать существенное завышение результатов анализа. Возможные интерференционные влияния при определении ванадия в различных образцах могут оказывать следующие ионы: 5Cl16O+, 37Cl14N+, 36Ar15N+, 34S16OH+, 36S15N+, 36Ar14NH+, 33S18O+, 34S17O+, 38Ar13C+, 25Mg26Mg+ [А.А. Пупышев, 2000-2009]. Наиболее значимое наложение при определении элемента в биологических жидкостях оказывают ионы 35Cl16O+ за счет естественного содержания хлорид-ионов в матричном составе образцов.

Устранение спектральных помех полиатомных ионов является специфической задачей для каждого объекта, условий анализа и используемого прибора. С целью снижения влияния ионов 35Cl16O+ для разложения и разбавления биологических проб использовали азотную кислоту. Влияние хлоридов матрицы крови и мочи минимизировали с помощью инструментальных приемов и настроек прибора. Для уменьшения помех хлорсодержащих полиатомных ионов аппаратурными средствами в квадрупольном масс-спектрометре применяли столкновительную/реакционную ячейку (ORS), переводя прибор в реакционный режим (Reaction Mode). В качестве газа камеры использовали гелий, что полностью удовлетворяет решению задачи по определению содержания ванадия в биологических жидкостях.

Для установления вклада хлорид-ионов в конечный результат анализа были проанализированы 1 % растворы азотной и соляной кислот, а также аттестованный раствор ионов ванадия с концентрацией 1 мкг/дм3, приготовленный в 1 % растворе соляной кислоты (рис. 1).

Рисунок 1 - Интенсивность аналитического сигнала массы 51 в 1% азотной, соляной кислотах и растворе 1 мкг/дм3 ионов ванадия в солянокислом растворе

Анализ изображения показывает существенное завышение интенсивности аналитического сигнала ванадия за счет наложения полиатомных ионов 35Cl15O+. Для определения вклада 35Cl15O+ матрицы крови и мочи в конечный результат анализа измеряли прошедшие стадии пробоподготовки растворы крови и мочи, а также приготовленные на их основе образцы с добавлением ванадия 1 мкг/дм3 при различной скорости потока гелия (рис.2).

Рисунок 2 - Интенсивность аналитических сигналов ионов ванадия в растворе разбавленной А) соляной кислоты; Б) мочи и крови; и приготовленных на них стандартных образцов ванадия с концентрацией 1 мкг/дм3, в зависимости от скорости потока гелия

Анализируя рисунок 2А, можно заключить, что при скорости потока гелия 2-3 мл/мин аналитические сигналы неразрешимы и разделения не происходит, значительное снижение аналитического сигнала потока ионов 35Cl16O+ из раствора 0,01 М соляной кислоты происходит при скорости больше 3 мл/мин.

На рисунке 2Б наблюдается снижение аналитического сигнала солянокислого раствора ионов ванадия с концентрацией 1 мкг/дм3 за счет удаления полиатомного наложения хлорид-ионов. Для определения ионов ванадия в хлоридной матрице было выбрано значение скорости потока гелия 5,0 мл/мин, позволяющее значительно снизить полиатомные наложения при высоком уровне аналитического сигнала. Установленное значение скорости потока гелия позволяет минимизировать вклад хлорид-ионов в аналитический сигнал ванадия при анализе образцов крови и мочи.

С целью минимизации матричного эффекта и разности плотностей градуировочных и анализируемых растворов для количественного определения ванадия в качестве внутреннего стандарта был выбран германий, как элемент с наиболее близкими массой 72 и потенциалом ионизации 7,88 эВ.

Таким образом, оптимизация схемы пробоподготовки и анализа проб крови и мочи при определении ванадия, использование 72Ge в качестве внутреннего стандарта, работа прибора в реакционном режиме позволили разработать высокочувствительный и высокоселективный метод определения ванадия в биологических средах (кровь, моча). Нижний предел определения разработанного метода составляет 0,1 мкг/дм3 с аттестованным значением погрешности для нижнего диапазона концентраций 32%.

Гигиеническая оценка качества атмосферного воздуха и питьевой воды территорий с различной антропогенной нагрузкой. Территория наблюдения характеризуется размещением промышленного объекта металлургического профиля (ОАО «Чусовой металлургический завод» (ОАО «ЧМЗ»)) с полным технологическим циклом выпуска чугуна и металла. Процессы производства и переработки ванадия обеспечивают стабильное поступление элемента (до 15 тонн/год) в виде газо-аэрозольных смесей и пылевых частиц в атмосферный воздух. Гигиеническая оценка качества атмосферного воздуха в жилой застройке территории исследования, проведенная с использованием статистических данных за период 2010-2012 гг., свидетельствует о том, что среднесуточная концентрация ванадия не превышала ПДКс.с.

Металлургическое производство, расположенное на территории исследования, находится практически в центре города. Несмотря на то, что среднемноголетняя роза ветров характеризуется преобладанием южных, юго-западных и юго-восточных ветров, сложность рельефа местности, которая представляет собой широкую долину, окруженную увалами с довольно крутыми склонами, обуславливает изменение пространственного рассеивания загрязняющих веществ. В связи с этим, для получения более полной информации о распространении ванадия в атмосферном воздухе с учетом рельефа местности проведены расчеты его рассеивания.

На рисунке 3 показаны расчетные величины коэффициентов опасности (HQ) по отношению к RfCхр, наложенные на рельеф местности, в восточном направлении от промышленного предприятия, с цветовым изображением факела распространения.

Рисунок 3 - Закономерности распространения пентоксида ванадия от средних источников в направлении «ОАО «ЧМЗ» - жилая застройка на восток»

В соответствии с расчетами рассеивания в восточном направлении в непосредственной близости (до 500 м) от завода и в границах санитарно-защитной зоны на высоте, соответствующей средней высоте рассматриваемой группы источников (20-49 м) фиксируется превышение RfCхр более чем в 20 раз, далее факел рассеивания имеет тенденцию к снижению концентраций с отдалением от источников. Уровень RfCхр достигается на расстоянии более чем 2500 м от источника. Аналогичные закономерности наблюдались в южном направлении.

В период 2010-2012 гг. проведены собственные исследования содержания пентоксида ванадия в атмосферном воздухе г. Чусовой на территории жилой застройки, подверженной влиянию ОАО «ЧМЗ» с использованием разработанного метода на основе ICP-MS.

С использованием метода аппроксимации среднесуточные концентрации ванадия в точках натурных наблюдений распространили на всю исследуемую территорию. Верификация данных, полученных расчетным путем, и результатов инструментального исследования качества атмосферного воздуха территории жилой застройки г. Чусовой Пермского края на базе разработанного метода, позволила ранжировать территорию по кратности превышения RfCхр и выделить 3 зоны загрязнения ванадием: зона 1 - на уровне 0,1-0,4 RfCхр, зона 2 - на уровне 0,5-1,1 RfCхр, зона 3 - на уровне 1,2-6 RfCхр.

Пространственная картина расположения зон с разным уровнем загрязнения атмосферного воздуха соединениями ванадия на территории наблюдения представлена на рисунке 4.

Как видно на рисунке 4, зона повышенного загрязнения ванадием атмосферного воздуха распространяется не только на промышленную территорию и на территорию в границах санитарно-защитной зоны ОАО «ЧМЗ», но и на селитебную застройку, расположенную, в особенности к востоку и к югу от предприятия.

Рисунок 4 - Зонирование территории г. Чусовой Пермского края в зависимости от уровня загрязнения атмосферного воздуха пентоксидом ванадия

При этом во всех трех выделенных зонах превышений ПДКс.с. пентоксида ванадия в атмосферном воздухе не установлено. Динамика среднесуточных концентраций ванадия в атмосферном воздухе этих зон представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Динамика среднесуточных концентраций пентоксида ванадия в атмосферном воздухе г. Чусовой в зонах наблюдения в 2010-2012 гг.

В зоне 1 г. Чусовой содержание пентоксида ванадия в атмосферном воздухе за весь период наблюдения не достигало RfCхр. В зоне 2 в отдельные периоды концентрация металла превышала RfCхр до 1,1 раз. Уровень загрязнения воздуха 3-й зоны на протяжении 2010-2012 гг. был постоянно выше RfCхр в 1,5-6,0 раз. Следует отметить, что, начиная с апреля 2011 г., степень превышения RfCхр стала менее значимой и находилась в пределах 1,5-3 раз.

Среднесуточное содержание пентоксида ванадия в атмосферном воздухе контрольных территорий не превышало ни ПДКс.с., ни RfCхр и составило в пос. Частые, пос. Юго - Камский, п.г.т. Ильинский, г. Кунгур 2·10-6±4·10-8 мг/м3, в пос. Б. Соснова и пос. Сива 1•10-6 ±•10-8 мг/м3 (таблица 2). Среднее содержание ванадия в питьевой воде контрольных территорий и зон наблюдения, центральное хозяйственно-питьевое водоснабжение которых осуществляется из поверхностных водоисточников, было значительно ниже ПДК.

При оценке риска здоровью населения (таблица 2) установлено, что в зоне 3 г. Чусовой среднесуточные концентрации ванадия в атмосферном воздухе формируют неприемлемый риск в отношении органов дыхания и иммунной системы (HQ=6). Коэффициент опасности ванадия при потреблении питьевой воды на всех территориях не превышал 0,0005.

Таблица 2 - Средняя суточная концентрация ванадия в атмосферном воздухе (в пересчете на ванадий пентоксид) и питьевой воде исследованных территорий

Сравнительная оценка вклада различных путей поступления ванадия в организм человека (с атмосферным воздухом и питьевой водой) показала, что ингаляционное воздействие является приоритетным и его вклад в суммарную экспозицию на исследованных территориях составляет от 88 до 99,8%.

В связи с этим в дальнейших исследованиях вклад питьевой воды в суммарную экспозицию не учитывался.

Обоснование региональных фоновых уровней содержания ванадия в биосредах (кровь, моча) детского населения Пермского края. Результаты собственных исследований биосред детей, проживающих на территориях, исключающих значимое антропогенное влияние химических соединений, в том числе ванадия, с использованием разработанных аналитических методов, представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Содержание ванадия в атмосферном воздухе и биосредах детского населения, проживающего на контрольных территориях

Контрольные группы детей набирались с различных территорий, поэтому перед расчетом фоновых уровней проводили проверку гипотезы об отсутствии влияния территориального фактора. В результате были выбраны пос. Б. Соснова и Сива. Проверка гипотезы нормальности распределений, полученных в результате обследования детей этих населенных пунктов, выявила соответствие группы данных нормальному распределению для мочи и усеченному нормальному для крови (рис. 6).

Рисунок 6 - Гистограммы распределения показателей содержания ванадия в крови (А) и моче (Б) детей пос. Б. Соснова и Сива

С использованием методов вариационной статистики, в том числе однофакторного дисперсионного анализа, и исключения из выборки резко отличающихся значений установлены региональные фоновые уровни содержания ванадия в крови, равный 0,00013±0,00003 мг/дм3 (N=85; S=0,00012) и моче, равный 0,00064±0,00007 мг/дм3 (N=92; S= 0,00034). Данные показатели могут быть использованы в качестве критериев сравнительной гигиенической оценки экспозиции в условиях Пермского края.

Обоснованный региональный фоновый уровень содержания ванадия в крови укладывается в диапазон доверительных границ референтной концентрации элемента (RL) 0,00006-0,00087 мг/дм3, предложенной Тиц Н.У. (2003). Обоснование маркера аэрогенной экспозиции ванадия и маркерных показателей ответной реакции организма. Для оценки степени неблагоприятного воздействия ванадия на здоровье населения в 2010-2012 гг. были проведены комплексные клинико-лабораторные исследования биологических сред детского населения, проживающего в г. Чусовой.

У детей групп наблюдения, проживающих в трех зонах города с различным уровнем загрязнения атмосферного воздуха, выявлены существенные различия содержания ванадия в крови с показателями контрольной группы в целом и обоснованными региональными фоновыми уровнями (таблица 4). В моче достоверных различий не обнаружено.

Таблица 4 - Концентрация ванадия в биосредах детского населения модельных территорий

Примечание: * - р<0,05, ** - р<0,005, *** - p<0,0005 по отношению к контролю в крови.

В условиях низких уровней экспозиции допустимым является использование линейных зависимостей [Гланц, 1998]. Математические модели, описывающие анализируемые зависимости, представляют собой линейные уравнения следующих видов: для крови y=0,00078+21,95х, для мочи y=0,0006224+0,138x, где у - концентрация ванадия в крови или моче, мг/дм3; х - концентрация ванадия в атмосферном воздухе, мг/м3.

Для выбора наиболее информативного маркера хронической ингаляционной экспозиции ванадия определяли зависимость средней концентрации ванадия в крови и моче от среднегодовой концентрации ванадия (в пересчете на диванадий пентоксид) в атмосферном воздухе исследованных зон наблюдения. Зависимости представлены на рисунке 7.

Рисунок 7 - Зависимости средних концентраций ванадия в крови (А) и моче (Б) детей от среднесуточной концентрации ванадия (в пересчете на ванадий пентоксид) в атмосферном воздухе модельных территорий

Большие сила связи и степень достоверности прямой зависимости содержания ванадия в крови (r=0,75, p=0,0005) от концентрации металла в атмосферном воздухе по сравнению с аналогичной зависимостью для мочи (r=0,65, p=0,04) подтверждают, что концентрацию ванадия в крови детей следует считать основным маркером хронической аэрогенной экспозиции ванадия.

Отсутствие достоверных различий и зависимостей по результатам исследования мочи связано с тем, что ванадий, поступая в организм ингаляционным путем, связывается преимущественно с белками крови (порядка 90% от всего поступившего). Повышенные содержания элемента в моче могут детектироваться при остром отравлении или при пероральном поступлении в организм с пищей или водой [ATSDR, 2012].

С использованием результатов медико-биологических исследований детей, проживающих в условиях хронической аэрогенной экспозиции ванадия, получены достоверные модели связей между содержанием металла в крови и уровнем ряда иммунологических и биохимических показателей в сыворотке крови (таблица 5): уровнем общего белка (F=724,8, R2=0,24, р=0,0001), активностью АСАТ (F=32,9, R2=0,27, р=0,0001), содержанием иммуноглобулинов IgG (F=137,5, R2=0,45, р=0,00004), IgA (F=535,1, R2=0,58, р=0,00004), IgE общий (F=188,2, R2=0,74, р=0,00005), фагоцитарное число (F=3389,2, R2=0,57, р=0,0001), IgG специфичный к ванадию (F=147,8, R2=0,78, р=0,00007).

Таким образом, с учетом степени адекватности и детерминированности моделей зависимости изменения клинико-лабораторных показателей крови от уровня контаминации ванадием обоснованы маркеры ответной реакции организма детей, подверженных хронической аэрогенной экспозиции ванадия, к которым относятся: специфический к ванадию IgG, фагоцитарное число, содержание общих IgE, IgA.

Анализ моделей подтверждает, что пероральный путь поступления является не значимым, поскольку биохимические показатели, которые отражают возможное влияние ванадия при воздействии через желудочно-кишечный тракт (печень, почки) оказались наименее чувствительными, значит, и оценка экспозиции была проведена адекватно.

Таблица 5 - Параметры моделей зависимости «концентрация ванадия в крови - отношение шансов отклонения лабораторного показателя»

Примечание: * - значимость коэффициента регрессии по критерию Стьюдента при р<0,01

** - значимость коэффициента регрессии по критерию Стьюдента при р<0,05.

Для определения наиболее чувствительного маркера ответной реакции организма детей на ингаляционное воздействие ванадия с учетом принятых допустимых пределов изменения выбранных иммунологических показателей рассчитаны реперные уровни содержания элемента в крови детей. Расчет реперной концентрации ванадия в крови для каждого маркерного показателя позволил получить ряд 95% доверительных границ (таблица 6).

Таблица 6 - Реперные уровни ванадия в крови для анализируемых показателей

В результате сопоставления диапазонов доверительных границ уровней ванадия в крови в полученном ряду значений клинических показателей установлено, что лимитирующим показателем являлось повышение IgG специфического к ванадию в сыворотке крови, нижняя граница реперного уровня для которого составляет 0,0018 мг/дм3 (рисунок 8).

На основании моделирования зависимости концентрации ванадия в крови экспонируемого населения от его содержания в атмосферном воздухе (рисунок 7А) с учетом нижней границы реперной концентрации элемента в крови установлена реперная концентрация ванадия в атмосферном воздухе, нижний 95%-ный доверительный уровень которой составляет 0,000067 (0,00005ч0,00008 мг/м3). Полученное значение достоверно ниже утвержденной ПДКс.с. (0,002 мг/м3) и практически совпадает с референтной концентрацией при хроническом ингаляционном воздействии, рекомендованной ВОЗ (0,00007 мг/м3), и уровнем содержания ванадия в атмосферном воздухе, обеспечивающим минимальный риск для здоровья населения (0,0001 мг/м3), рекомендованным Агентством регистрации токсичных веществ и заболеваний США (ATSDR).

Рисунок 8 - Модель зависимости «концентрация ванадия в крови - показатель отношения шансов повышения IgG специфического к ванадию»

Полученный реперный уровень ванадия в атмосферном воздухе подтверждает обоснованность референтных концентраций при хроническом ингаляционном воздействии, рекомендованных ВОЗ и ATSDR, и служат основанием для пересмотра ПДКс.с.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

Полученные результаты исследований позволили обосновать следующие рекомендации для специалистов органов Роспотребнадзора:

- при проведении контрольно-надзорных мероприятий, лабораторных исследований атмосферного воздуха в рамках социально-гигиенического мониторинга на территориях размещения феррованадиевого производства рекомендуется применять МУК 4.1.2953-11 «Определение массовой концентрации ванадия в атмосферном воздухе методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой» (ФР.1.31.2011.09887);

- для задач биомониторинга, для установления экспозиции пентоксида ванадия и оценки опасности для здоровья населения рекомендуется проводить определение маркера экспозиции - содержание ванадия в крови с использованием методики выполнения измерений массовой концентрации элементов, в том числе ванадия, в биосредах человека методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ФР.1.31.2014.17064).

- при проведении санитарно-эпидемиологических экспертиз и расследований по установлению причинно-следственных связей между факторами окружающей среды и здоровьем населения целесообразно учитывать маркер ингаляционной экспозиции ванадия - его концентрацию в крови выше реперного уровня 0,0018 мг/дм3.

- на территориях с размещением объектов металлургических производств в качестве критериев гигиенической безопасности целесообразно использовать величины реперного уровня ванадия в крови и атмосферном воздухе, 0,0018-0,0028 мг/дм3 и 0,00005-0,00008 мг/м3, соответственно, что позволит оценить реальную экспозицию населения для принятия решения о проведении детоксикационной терапии.

Заключение

1. Устранение матричного и интерференционного влияний, использование оптимального элемента внутреннего сравнения и схемы подготовки образцов, учитывающих все мешающие влияния, позволило снизить предел определения и погрешность измерения методов определения ванадия на базе ICP-MS в атмосферном воздухе селитебных территорий и биосредах (кровь, моча) населения по сравнению с ранее предлагаемыми методами. Разработанные методики повышают достоверность получаемых результатов исследования, информативность социально-гигиенического мониторинга и обоснованность оценок риска здоровью населения, в особенности при многосредовом и комбинированном воздействии.

2. В зависимости от степени загрязнения атмосферного воздуха ванадием по отношению к референтной концентрации при хроническом ингаляционном воздействии селитебная территория, расположенная в зоне размещения металлургического производства феррованадиевых сплавов в г. Чусовой Пермского края, может быть разделена на 3 зоны: зона 1 - на уровне загрязнения 0,2-0,4 RfCхр, зона 2 - на уровне 0,5-1,1 RfCхр, зона 3 - на уровне 1,3-6 RfCхр.

3. В районах расположения детских дошкольных учреждений, как на территории исследования (г. Чусовой), так и на контрольных территориях, ингаляционный путь поступления ванадия является приоритетным. Вклад загрязнения питьевой воды в суммарную опасность воздействия ванадия составляет 0,2-12%. Для детского населения, проживающего в зоне 3 г. Чусовой, риск развития заболеваний органов дыхания и иммунной системы при ингаляционном поступлении ванадия превышает приемлемый уровень более чем в 6 раз.

4. Региональные фоновые уровни ванадия в биологических средах, установленные в результате медико-биологического обследования детей, проживающих в зонах с минимальной техногенной нагрузкой, составляют: в крови 0,0001 - 0,00016 мг/дм3, в моче 0,00057 - 0,00071 мг/дм3. Обоснованные уровни могут служить в качестве критериев сравнительной гигиенической оценки экспозиции ванадия.

5. Маркером аэрогенной экспозиции ванадия является его концентрация в крови. Хроническая ингаляционная экспозиция ванадия обуславливает превышение регионального фонового уровня элемента в крови детского населения, проживающего в зоне влияния металлургического производства: в зоне 1 - в 3,8 раз, в зоне 2 - в 6,0 раз, в зоне 3 - в 19,4 раз.

6. С учетом степени адекватности и детерминированности моделей зависимости изменения клинико-лабораторных показателей крови от уровня контаминации ванадием обоснованы маркеры ответной реакции организма детей, подверженных хронической аэрогенной экспозиции ванадия, к которым относятся: специфический к ванадию IgG, фагоцитарное число, содержание общих IgE, IgA. Наиболее чувствительным маркером ответа со стороны иммунной системы организма является повышение содержания специфического к ванадию иммуноглобулина IgG, начальные отклонения от нормы которого наблюдаются при концентрации ванадия в крови выше 0,0018 мг/дм3, что позволяет рекомендовать эту величину в качестве реперного уровня.

7. На основании моделирования зависимости концентрации ванадия в крови экспонируемого населения от его содержания в атмосферном воздухе с учетом нижней границы реперной концентрации элемента в крови установлена реперная концентрация ванадия в атмосферном воздухе, которая составляет 0,000067 мг/м3. Полученный реперный уровень в атмосферном воздухе подтверждает обоснованность референтных концентраций при хроническом ингаляционном воздействии, рекомендованных ВОЗ и ATSDR, и служит основанием для пересмотра ПДКс.с.